2

(1.廣州大學土木工程學院， 廣東廣州510006；2.廣州大學廣東省建筑節(jié)能與應用技術(shù)重點實驗室， 廣東廣州510006)

0 引言

與傳統(tǒng)對流換熱為主的空調(diào)形式相比，輻射供冷在室內(nèi)熱舒適度、衛(wèi)生條件及能源消耗等方面有較大優(yōu)勢[1-6]，近年來引起了廣泛關(guān)注，但輻射冷板表面凝露問題制約了其工程應用[7]。為此，許多研究人員針對輻射冷板表面凝露問題開展了研究工作，主要分為三類：一是輻射冷板表面溫度控制；二是露點溫度的控制；三是新技術(shù)、新材料的應用[8-11]。

輻射冷板表面溫度控制主要是通過對管內(nèi)水溫和流量的控制，達到控制輻射冷板表面溫度高于室內(nèi)空氣露點溫度以達到防止凝露的目的[12]，露點溫度控制主要是通過除濕設(shè)備承擔室內(nèi)全部濕負荷，以達到輻射冷板防凝露的目的，該方法當輻射冷板表面溫度低于空氣露點溫度而停止冷板冷凍水供應，會造成室內(nèi)空氣參數(shù)波動。采用新材料、新技術(shù)抑制輻射冷板表面結(jié)露、減緩凝露速度日益引起研究者的關(guān)注，其中輻射冷板采用疏水表面可以延遲凝露。但目前關(guān)于疏水表面對凝露的影響規(guī)律方面的研究并不完善，無法合理利用凝露變化規(guī)律達到防凝露的目標[13]。

本文通過降低鋁基的表面能制備出疏水鋁基表面[14]，顯微觀測疏水鋁基表面凝露初期的液滴產(chǎn)生過程，分析了室內(nèi)溫濕度及鋁基表面接觸角對于液滴產(chǎn)生的影響，為抑制輻射冷板表面凝露提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及測試儀器

實驗裝置如圖1所示，采用BLT1-20半導體低溫冷臺(控制鋁片表面溫度)，控溫范圍：室溫～-40 ℃，控溫精度：±1 ℃；低溫恒溫槽(半導體冷臺散熱)，型號THD-3006，溫度范圍：-30 ℃～100 ℃，溫度波動：±0.05 ℃；體視顯微鏡(觀察鋁片表面凝露情況)，型號SMZ168-TL，放大倍數(shù)為60倍，Moticam ProCCD攝像頭，型號282A，傳感器ICX282AQ，分辨率2580 pt×1944 pt，與顯微鏡連接，通過視頻電纜將

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiments

圖像傳輸至計算機；溫濕度記錄儀(監(jiān)控人工環(huán)境室溫濕度),型號testo625，測量范圍：溫度-10 ℃～60 ℃、相對濕度(RH)0-100 %，精度：溫度±0.5 ℃、相對濕度(RH)±2.5 %；K型熱電偶(監(jiān)控鋁基表面溫度)，測溫范圍：-40 ℃～350 ℃，精度±0.5 ℃。

1.2 表面制備

將2塊8 mm×8 mm鋁片采用無水乙醇(CH3CH2OH)和去離子水(H2O)依次使用東森超聲波清洗機(DS-00S)超聲清洗處理20 min，然后用去離子水(H2O)沖洗5 min，并置于恒溫干燥箱中以溫度60 ℃恒溫干燥2 h，并標記為1#試片、2#試片，1#試片不再處理，2#試片用放置于恒溫干燥箱以溫度60 ℃加熱融化為液體狀態(tài)的切片石蠟浸泡20 min,然后采用恒溫干燥箱以溫度10 ℃冷卻2 h, 然后把1#、2#試片放于培養(yǎng)皿中放置于溫度20 ℃環(huán)境中保存。

1.3 接觸角測試

使用光學視頻接觸角測試儀(DSA100，德國KRUSS公司)測試試片表面的靜態(tài)接觸角。

圖2為試片表面接觸角測試結(jié)果，1#試片表面接觸角為67.5 °，為親水表面。2#試片接觸角為112.2 °，為疏水表面[15]。

(a) 1#試片

(b) 2#試片

圖2 試片的接觸角
Fig.2 Contact Angle of the specimen

1.4 實驗目的

當冷板正常工作,室內(nèi)空氣參數(shù)為26 ℃、50 %(相對濕度),無其他干擾因素，如人員的進出、開關(guān)門窗等，此時兩種試片表面沒有液滴產(chǎn)生。

當冷板正常工作，室內(nèi)條件發(fā)生瞬變時，如突然進來大量人員、門窗被完全打開等引起室內(nèi)熱濕負荷突然增加，觀察冷板表面液滴形成情況。實驗工況設(shè)置為：干球溫度為26 ℃,相對濕度從50 %分別增加到60 %、70 %、80 %。每種工況實驗觀察時間為1 h。

1.5 實驗過程

實驗在人工環(huán)境室內(nèi)進行，人工環(huán)境室溫濕度調(diào)節(jié)范圍：干球溫度(DB)15～40 ℃、濕球溫度(WB)12～25 ℃，控制精度：±0.1 ℃。

實驗時，設(shè)定人工環(huán)境室溫濕度參數(shù)，當參數(shù)達到設(shè)定目標值并穩(wěn)定 15min，然后設(shè)定冷臺溫度，將試片放置于半導體冷臺表面，使試片達到所需溫度。為防止實驗前環(huán)境溫濕度對于樣品的影響，實驗前在樣品表面放置密閉罩，在顯微鏡開始拍攝時將其移除，利用顯微鏡觀測實驗過程液滴的形成過程。

此次實驗中，人工環(huán)境室內(nèi)溫度控制在26 ℃，試片表面溫度恒定為17 ℃時，依次調(diào)節(jié)相對濕度為50 %、60 %、70 %、80 %，觀察試片表面凝露過程。

1.6 誤差分析

由于液滴的數(shù)值是通過統(tǒng)計圖片中的液滴的像素值得到的，所以統(tǒng)計過程中會產(chǎn)生誤差[16]。

實驗中CCD攝像頭拍攝的圖片分辨率為320 pt×240 pt。圖像處理時采用1 pt為基準，1 mm2包含40 000個像素點，圖像處理時，邊界有一定誤差，但不超過5個像素點，可以得到由于邊界所產(chǎn)生的誤差為：

(1)

式中：δa1為式樣邊界處像素誤差，個；a1—試樣所包含的像素點，個。

實驗中液滴的面積主要集中在0.000 5 mm2以上 ，最小刻度值為0.000 025 mm2(1個像素點的面積值)，則測量誤差為：

(2)

式中：δa2為液滴直徑測量誤差，mm；a2為液滴直徑最小測量值，mm。

則液滴直徑值的最大相對誤差為：

(3)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 液滴形成過程

初始凝露時間是衡量表面防凝露效果的重要參數(shù)。本次實驗中設(shè)定室內(nèi)空氣溫度為26 ℃，當相對濕度為50 %時，由于冷板表面溫度高于空氣露點溫度，1#試片、2#試片均未出凝結(jié)現(xiàn)象；當相對濕度為60 %時，1#試片表面5 min時開始出現(xiàn)細小液滴，2#試片表面15 min時出現(xiàn)細小液滴；當相對濕度為70 %時，1#試片表面40 s時出現(xiàn)細小液滴，2#試片表面90 s時出現(xiàn)細小液滴；當相對濕度為80 %時，1#試片表面20 s時出現(xiàn)細小液滴，2#試片表面60 s時出現(xiàn)細小液滴。可見，表面改性后的2#試片初始凝露時間明顯遲于1#試片。

2.2 液滴覆蓋

圖3是在不同相對濕度情況下，兩種試片凝露情況對比。顯微觀察區(qū)域為1 600 μm×1 200 μm。

圖3 不同相對濕度下試片的凝露過程
Fig.3 Condensation process of the specimen under different relative humidity

從圖3中可以看出，在5 min、10 min、20 min、30 min、60 min的各時間點，不同相對濕度(60 %、70 %、80 %)條件下，1#試片的液滴大小與2#試片不同，同時，1#試片的液滴覆蓋率與2#試片也不相同。利用軟件Motic Images Plus2.0對顯微圖片進行數(shù)值化分析得到表面液滴覆蓋率。

圖4反映了1#、2#試片表面液滴覆蓋率隨時間變化過程，通過對比可以看出，在某相對濕度條件下，不同時刻，1#試片表面的液滴覆蓋率高于2#試片，特別是在相對濕度為80 %時，30 min以后1#試片表面液滴覆蓋率比2#試片高10 %以上，反映出2#試片較1#試片具有明顯的抑制凝露效果。

圖4 不同相對濕度液滴覆蓋率Fig.4 Droplet coverage with different relative humidity

通過對比1#試片、2#試片在不同相對濕度(60 %、70 %、80 %)情況下的表面液滴覆蓋率，可以看出，在各時間段，隨著相對濕度的增大，1#、2#試片表面液滴覆蓋率差別逐漸增大，說明隨著相對濕度的增加，2#試片較1#試片抑制凝露的效果更好。

2.3 液滴生長過程觀察

2.3.1 液滴生長過程

分別選取試片在室內(nèi)空氣相對濕度為60 %、70 %、80 %的情況下，記錄1#、2#試片表面最大液滴每5 min液滴接觸面面積變化情況，如圖5所示。

圖5 液滴生長情況Fig.5 Droplet growth

圖6 液滴受力示意圖Fig.6 Force diagram

從圖5可以看出，在相同相對濕度情況下，1#試片表面最大液滴的液滴接觸面面積大于2#試片，反映出2#試片表面較1#試片表面具有明顯的抑制液滴增長的效果。

此外，再觀察相對濕度為60 %、70 %、80 %時試片表面最大液滴覆蓋面積的變化情況，可以發(fā)現(xiàn),2#試片表面最大液滴接觸面積的變化比1#試片更加平穩(wěn)，說明2#試片比1#試片能更好地避免因相對濕度突增而引起的表面液滴尺寸劇烈變化，拓寬了輻射空調(diào)系統(tǒng)的可適用環(huán)境。

若輻射空調(diào)換熱表面液滴出現(xiàn)跌落，說明系統(tǒng)應用失敗。液滴跌落主要受接觸面與液滴的表面張力、液滴重力、室內(nèi)風速等條件的影響，為了方便計算，對于液滴跌落計算采用主要影響因素：表面張力、重力。

2.3.2 液滴受力分析

液滴受力情況如圖6所示。本次實驗中僅考慮冷表面凝露問題，未考慮輻射空調(diào)系統(tǒng)實際運行中新風承擔濕負荷的問題。由于室內(nèi)空氣相對濕度突然增加，造成試片表面溫度低于室內(nèi)空氣露點溫度，會產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，隨著時間推移，液滴在試片表面匯聚生長，如果輻射冷板表面與液滴之間的表面張力不能承受液滴自身的重力，液滴就會脫落[17]。為了便于分析液滴受力情況，假設(shè)液滴是懸掛于試片上，液滴為球冠狀，球冠高為h,半徑為R,球冠接觸面半徑為r，接觸角為θ。

VADB=πh2(R-h/3)，

(4)

h=LCD=R-Rcosθ，

(5)

R=r/sinθ。

(6)

液滴體積：V=πR2(1-cosθ)2(R-R/3-Rcosθ)=(πR3/3)(1-2cosθ+cos2θ)(2+cosθ)=(πR3/3)(2+cosθ-4cosθ-2cos2θ+2cos2θ+cos3θ)=(πR3/3)(2-3cosθ+cos3θ)。

(7)

接觸面周長：

2πr=2πRsinθ。

(8)

接觸面面積：

πr2=π(Rsinθ)2。

(9)

力平衡原則：F(2πRsinθ)sinθ=mg=ρgV=ρg(πR3/3)(2+cosθ-4cosθ-2cos2θ+2cos2θ+cos3θ)。

(10)

(11)

(12)

質(zhì)量為：m=ρV=

(13)

F≈72×10-3N/m，ρ≈1 000 kg/m3，g=9.8 m/s2。

根據(jù)測得的接觸角，試片1為67.5 °，試片2為112.2 °。

可得，液滴跌落時接觸面面積為：1#試片為111.12 mm2,#試片為33.05 mm2。

從本次實驗條件及實驗結(jié)果來看，當室內(nèi)相對濕度為60 %，60 min后1#試片所產(chǎn)生最大液滴的接觸面面積為0.030 6 mm2，2#試片所產(chǎn)生最大液滴的接觸面面積為0.008 475 mm2，均未出現(xiàn)跌落現(xiàn)象；室內(nèi)相對濕度為70 %，60 min后1#試片所產(chǎn)生最大液滴的接觸面面積為0.182 525 mm2，2#試片所產(chǎn)生最大液滴的接觸面面積為0.047 1 mm2，未出現(xiàn)跌落；60 min后1#試片所產(chǎn)生最大液滴的接觸面面積為0.445 525 mm2，2#試片所產(chǎn)生最大液滴的接觸面面積為0.182 575 mm2，未出現(xiàn)跌落。

3 結(jié)論

搭設(shè)輻射冷板凝露實驗裝置，通過對鋁基表面改性，分析表面特性對凝露過程的影響。在室內(nèi)空氣溫度條件相同的情況下，改變室內(nèi)空氣相對濕度，疏水表面輻射冷板凝露時間明顯遲于親水表面，相對濕度為60 %時，改性后的輻射冷板凝露時間延遲10 min，表現(xiàn)了良好的抑制凝露效果，且隨著相對濕度的增加，抑制凝露效果更加明顯，相對濕度為80 %時，30 min后改性后輻射冷板的液滴覆蓋率較未改性輻射冷板低10 %以上，表明改性后的試片有良好的抑制凝露效果；且改性后的輻射冷板的液滴生長速度更加平穩(wěn)，能明顯的抑制液滴生長，拓寬了輻射空調(diào)系統(tǒng)的可適用環(huán)境。