張 柳，席細(xì)平

(1.唐山學(xué)院，063000，河北，唐山;2.江西省科學(xué)院能源研究所，330096，南昌)

0 引言

結(jié)霜是大自然存在的普遍現(xiàn)象，當(dāng)物體表面的溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度，水蒸氣就會在表面發(fā)生凝結(jié)，冷表面的溫度繼續(xù)降低，就會發(fā)生結(jié)霜。結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于冰箱、空氣源熱泵、冷庫、低溫工程等各個領(lǐng)域，為我們的生活及生產(chǎn)帶來了很多不利的影響[1－2]。存在于換熱盤管的霜層，隨著霜層厚度的增加，不僅影響盤管換熱，除霜時還會帶來能耗的增加，嚴(yán)重時影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

結(jié)霜一直是制冷空調(diào)領(lǐng)域中難題之一，為此國內(nèi)外學(xué)者們做了大量研究。首先需了解霜層自身的生長特性，才能采取措施來抑制結(jié)霜。對結(jié)霜研究的方法主要有理論研究[3]、數(shù)值模擬[4]、實(shí)驗研究。其中實(shí)驗研究是研究冷表面結(jié)霜的重要方法，主要通過微觀及宏觀手段，觀測霜層生長狀況及影響霜層形態(tài)。而實(shí)驗室試驗一般在常溫下進(jìn)行，能夠進(jìn)行的實(shí)驗次數(shù)少，受環(huán)境因素影響，溫度、濕度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)單一，從而對產(chǎn)品的性能不能取得全面、深入的了解。而且在以往實(shí)驗[5－6]中，都是用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷，通過溫控開關(guān)進(jìn)行控溫，控制精度較差。本文提出一種用于冷表面結(jié)霜的實(shí)驗系統(tǒng)，可通過改變環(huán)境溫濕度、冷表面溫度，研究冷表面結(jié)霜的生長特性。通過顯微鏡可觀測冷表面結(jié)霜的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗系統(tǒng)組成

冷表面結(jié)霜的實(shí)驗系統(tǒng)由3個部分組成，包括成霜系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和焓差室，實(shí)驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗系統(tǒng)圖

成霜系統(tǒng)包括低溫恒溫水槽、水冷板、管道系統(tǒng)。低溫恒溫水槽可制備低溫冷水，其最低制冷溫度為－40℃，低溫恒溫水槽與水冷板通過供回水管連接。冷表面為鋁制水冷板，水冷板內(nèi)部水通路為M型，可較為均勻地傳遞熱量。水冷板表面可經(jīng)過打磨處理或噴涂涂料作為實(shí)驗表面使用，也可在水冷板表面用導(dǎo)熱硅脂粘貼試樣。管道系統(tǒng)由分集水器、塑料軟管、硅膠管組成，水管及分、集水器均做保溫處理，分水器中一路設(shè)有1根T型熱電偶，用來測量供液溫度。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集儀、計算機(jī)、顯微鏡、CCD攝像機(jī)。通過顯微鏡可以觀察霜層的生長狀況，并通過CCD攝像機(jī)記錄，傳輸至計算機(jī)中，每隔30 s保存1次圖像。

整個實(shí)驗在焓差室內(nèi)進(jìn)行，焓差室分為房間1和房間2，水冷板、顯微鏡和CCD攝像機(jī)放在房間1中，計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀以及低溫恒溫水槽放在房間2中，有效防止了低溫水槽冷凝器散熱及計算機(jī)散熱影響房間1中的溫度分布。房間1內(nèi)可調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫濕度。

2 實(shí)驗過程

1)運(yùn)行焓差室及低溫恒溫水槽。設(shè)定焓差室控制面板的溫度設(shè)定值及濕球溫度設(shè)定值。打開焓差室的空調(diào)系統(tǒng);同時開啟低溫恒溫水槽，調(diào)節(jié)冷液溫度設(shè)定值。運(yùn)行約1 h后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

2)顯微鏡調(diào)焦。觀察冷表面表面特征時，采用40倍物鏡和10倍目鏡(實(shí)際放大倍數(shù)為400倍)。觀測霜層生長狀況時，采用20倍物鏡和10倍目鏡(實(shí)際放大倍數(shù)為200倍)。先調(diào)節(jié)顯微鏡，使計算機(jī)中清晰顯示試樣圖像。

3)試樣表面保持清潔，并用保鮮膜將試樣表面覆蓋，以防冷液在未達(dá)到設(shè)定值前試樣表面已經(jīng)結(jié)露或者結(jié)霜。

4)撕開保鮮膜，用顯微鏡觀測試樣表面結(jié)霜情況。

3 實(shí)驗結(jié)果與分析

實(shí)驗中采用的試樣為噴涂環(huán)氧樹脂的水冷板。水冷板的尺寸為120 mm×40 mm×12 mm，水冷板四周均噴涂環(huán)氧樹脂。改變環(huán)境溫度、濕球溫度設(shè)定值及冷液溫度設(shè)定值，觀察霜晶生長狀況。

3.1 結(jié)霜實(shí)驗

環(huán)境工況為:環(huán)境溫度10℃，相對濕度60%(換算為濕球溫度是6.5℃)，供液溫度為－5℃。選取實(shí)驗進(jìn)行的時刻為1 min、3 min、5 min、10 min的照片進(jìn)行對比，如圖2所示。在結(jié)霜實(shí)驗初始階段，幾乎觀測不到水珠的形成，實(shí)驗進(jìn)行至30 s則會在環(huán)氧樹脂冷表面形成霜層。結(jié)霜初期會在試樣劃痕處率先結(jié)霜，以此為中心，周圍陸續(xù)結(jié)為霜晶。隨著時間的進(jìn)行，約10 min后試樣表面霜層全覆蓋。根據(jù)凝結(jié)成核理論，在冷表面處隨機(jī)分布著凹坑、劃痕，這些區(qū)域被稱為活化中心?？諝馀c冷表面接觸時，由于表面溫度較低，會在活化中心處形成微小液滴。液滴不斷長大，發(fā)生合并，隨著溫度的繼續(xù)降低，液滴發(fā)生凍結(jié)。冷表面結(jié)霜是一個復(fù)雜的現(xiàn)象，不僅存在液化、凍結(jié)過程還伴隨著凝華。

圖2 環(huán)氧樹脂表面結(jié)霜情況

3.2 冷液溫度及環(huán)境溫度對霜層生長的影響

霜層的生長不僅與冷表面的性質(zhì)有關(guān)，還與冷液溫度及環(huán)境溫度有關(guān)。如圖3所示，改變冷液的溫度時試樣表面結(jié)霜過程。環(huán)境溫度設(shè)定值為10℃，相對濕度設(shè)定值60%(換算為濕球溫度是6.5℃)，冷液溫度設(shè)定值分別為－10℃、－5℃。從圖3中可以看出，冷液溫度降至－10℃時，霜晶生長明顯加快，霜晶的密集程度增加，且較冷液溫度為－5℃時粒徑變小。10 min后的霜層厚度明顯比冷液溫度為－5℃時大。這說明了冷液溫度降低，空氣與試樣表面的溫差加大，換熱增強(qiáng)，在試樣表面發(fā)生相變加劇。

圖3 改變冷液溫度設(shè)定值冷表面結(jié)霜情況對比

如圖4所示為改變環(huán)境溫度時試樣表面結(jié)霜過程。將實(shí)驗工況變?yōu)榄h(huán)境溫度5℃，相對濕度60%(換算為濕球溫度是2.1℃)，冷液溫度為－5℃。從圖4中可以看出，環(huán)境溫度為5℃時，霜晶生長較為緩慢;10 min時，環(huán)境溫度為10℃的冷表面霜晶覆蓋全視角，并且隨著時間的進(jìn)行霜層厚度逐漸增加。這是因為當(dāng)環(huán)境溫度降低時，空氣中容納水蒸氣的能力降低，在空氣相對濕度不變的情況下，5℃下的空氣含濕量低，因此霜晶生長緩慢。

圖4 改變環(huán)境溫度設(shè)定值冷表面結(jié)霜情況對比

4 結(jié)論

本文搭建了冷表面結(jié)霜實(shí)驗系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到觀測噴涂有環(huán)氧樹脂涂層表面的結(jié)霜情況?？赏ㄟ^改變環(huán)境工況及冷液工況，觀察環(huán)氧樹脂表面霜晶大小及疏密程度變化。實(shí)驗結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂表面凹坑、劃痕最先結(jié)霜;冷液溫度和環(huán)境溫度對冷表面結(jié)霜有很大影響，冷液溫度越低，霜晶形成粒徑較小且密集，霜晶生長較快;環(huán)境溫度越低，由于空氣中含濕量較低，霜晶生長緩慢。