朱佳樂(lè), 湯 銳, 汪 峰, 王澤婷, 邱鵬飛

(揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

空氣源熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源空氣流向高位熱源的裝置, 具有節(jié)能環(huán)保、安裝靈活、兼顧制冷制熱等優(yōu)點(diǎn)．但是, 空氣源熱泵在冬季制熱運(yùn)行時(shí), 其室外換熱器翅片表面存在結(jié)霜問(wèn)題, 嚴(yán)重影響空氣源熱泵的穩(wěn)定與高效運(yùn)行[1-3]．因此, 開(kāi)發(fā)適宜的抑霜技術(shù), 是保證空氣源熱泵運(yùn)行效率的必要措施．超疏水表面改性抑霜技術(shù)成本低、簡(jiǎn)單可靠、綠色環(huán)保, 為解決空氣源熱泵的結(jié)霜問(wèn)題提供了有效途徑, 成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)．通過(guò)化學(xué)刻蝕、涂層噴涂、電火花微加工及化學(xué)氧化等方法,可制備出具有納米結(jié)構(gòu)或微米-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水表面[4-6]. 針對(duì)使用長(zhǎng)效性問(wèn)題, 學(xué)者們又通過(guò)雜化技術(shù)、鋼化處理、自修復(fù)等手段有效提高了超疏水表面的使用壽命[7-8], 使超疏水表面改性技術(shù)趨于成熟．

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)超疏水翅片的抑霜特性及機(jī)理進(jìn)行了研究, 如羅倩妮等[9]研究了超疏水表面結(jié)霜初期的凝結(jié)液滴凍結(jié)行為特性, 結(jié)果表明表面疏水性越好, 液滴分布越稀疏,“冰橋”形成速度越慢, 凍結(jié)行為越難傳遞; Liu等[10]研究了超疏水表面的結(jié)霜過(guò)程, 發(fā)現(xiàn)超疏水表面在620 s后才出現(xiàn)少量凝結(jié)液滴, 且液滴長(zhǎng)時(shí)間不凍結(jié),而相同條件下的普通銅表面已被霜層覆蓋; Shen等[11]對(duì)4種具有不同微觀形貌的表面進(jìn)行結(jié)霜測(cè)試, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)超疏水微結(jié)構(gòu)表面的抗結(jié)霜性能最佳; Kim等[12]采用涂層和刻蝕混合的方法制備了超疏水表面, 由于靜態(tài)接觸角大, 冰晶的形成和傳播被有效延遲; 另一些研究者[13-15]發(fā)現(xiàn), 超疏水表面凝結(jié)液滴的合并彈跳導(dǎo)致液滴分布稀疏, 減小了“冰橋”的傳播速率, 起到延遲液滴凍結(jié)和霜層生長(zhǎng)的作用．

以上研究表明, 超疏水表面可有效延遲結(jié)霜初始階段凝結(jié)液滴的凍結(jié)及霜晶形成,從而抑制霜層生長(zhǎng),但超疏水翅片在不同環(huán)境濕度下的結(jié)霜特性及抑霜性能仍有待揭示．為此,本文制備了接觸角為161.5°的超疏水翅片, 并通過(guò)搭建翅片表面結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 擬獲取不同環(huán)境濕度條件下超疏水翅片的結(jié)霜特性及抑霜性能, 為超疏水抑霜技術(shù)在不同氣候區(qū)域的抑霜應(yīng)用提供參考依據(jù)．

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 超疏水翅片的制備

圖1 接觸角測(cè)量?jī)x照片(a)及滾動(dòng)角示意圖(b)

1.2 結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

翅片表面結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括半導(dǎo)體冷臺(tái)、結(jié)霜環(huán)境控制系統(tǒng)和可視化裝置, 其原理圖及實(shí)物照片如圖2所示．冷臺(tái)采用半導(dǎo)體溫差電制冷, 溫度調(diào)節(jié)范圍為-30～60 ℃, 通過(guò)恒溫槽制取冷卻水對(duì)冷臺(tái)熱端進(jìn)行散熱．為模擬空氣源熱泵室外換熱器翅片的實(shí)際工作狀態(tài), 將冷臺(tái)豎直放置, 翅片采用導(dǎo)熱硅脂黏附于冷臺(tái)表面．導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)為13.8 W·m-1·K-1, 較高的導(dǎo)熱系數(shù)可確保冷臺(tái)與翅片表面溫差不超過(guò)1 ℃．結(jié)霜環(huán)境控制系統(tǒng)用于調(diào)控局部結(jié)霜環(huán)境的溫濕度．將恒溫槽中的低溫乙二醇溶液(冰點(diǎn)為-22.9 ℃)通入換熱器中對(duì)空氣進(jìn)行冷卻和除濕, 超聲波加濕器用于向空氣加濕．經(jīng)過(guò)降溫和調(diào)濕后的空氣以低于1.0 m·s-1的速度送至翅片表面．可視化裝置包括高速相機(jī)和顯微儀(鏡頭產(chǎn)自美國(guó)Resolv公司), 分別用于正面和側(cè)面觀測(cè)翅片表面結(jié)霜的動(dòng)態(tài)過(guò)程．

圖2 結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖(a)及實(shí)物照片(b)

采用溫濕度傳感器(Vaisala公司, 芬蘭)測(cè)量局部結(jié)霜環(huán)境的溫濕度, 測(cè)溫精度為±0.3 ℃, 測(cè)濕精度為±2%．采用熱線風(fēng)速儀(Fluke公司,美國(guó))測(cè)量送風(fēng)速度,測(cè)量精度為±3%．采用高速相機(jī)內(nèi)置的圖像處理軟件進(jìn)行結(jié)霜時(shí)間計(jì)時(shí), 精度為±1 s．采用單色分離法并通過(guò)ImageView軟件獲取凝結(jié)液滴直徑、凝結(jié)液滴在翅片表面所占面積以及霜層高度．定義凝結(jié)液滴對(duì)翅片表面的覆蓋率f為凝結(jié)液滴所占面積Ad與翅片表面面積As之比．圖3為霜層高度計(jì)算原理圖．首先, 對(duì)霜層圖片進(jìn)行單色分離, 然后將處理后的圖片導(dǎo)入ImageView軟件中自動(dòng)計(jì)算圖片中非結(jié)霜區(qū)域的面積A1, 則霜層平均高度h=(LH-A1)/H, 式中L和H分別為霜層圖片的寬和高．每種結(jié)霜條件下的實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次并取平均值作為測(cè)試結(jié)果．通過(guò)以上方法獲得的表面覆蓋率和霜層高度的測(cè)量誤差均小于10%．

圖3 霜層高度計(jì)算原理圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 結(jié)霜初始階段

2.1.1 凍結(jié)時(shí)間

實(shí)驗(yàn)中, 設(shè)定結(jié)霜溫度即冷臺(tái)表面溫度為-5 ℃, 環(huán)境溫度為10 ℃, 環(huán)境相對(duì)濕度(relative humidity, RH)分別為65%、75%、85%和95%．圖4為不同環(huán)境濕度下超疏水翅片表面結(jié)霜初始階段的凝結(jié)-凍結(jié)過(guò)程．圖中選取液滴形成、液滴生長(zhǎng)、合并彈跳、開(kāi)始凍結(jié)等關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析．由圖4可見(jiàn): 不同環(huán)境濕度下超疏水翅片表面結(jié)霜初始階段的凝結(jié)-凍結(jié)過(guò)程相似．翅片表面隨機(jī)分布著由凝結(jié)液核發(fā)展成的凝結(jié)液滴, 隨著結(jié)霜過(guò)程的持續(xù),液滴不斷生長(zhǎng)并伴隨著液滴合并和彈跳等行為．此后, 液滴逐漸凍結(jié)而進(jìn)入霜層生長(zhǎng)階段．翅片邊緣處的液滴先凍結(jié), 逐漸向翅片中間橫向傳遞, 即凍結(jié)液滴表面會(huì)形成橫向生長(zhǎng)的“冰橋”, 冰橋依靠?jī)鼋Y(jié)液滴周?chē)〕叽缫旱蔚恼舭l(fā)而生長(zhǎng), 當(dāng)冰橋與相鄰液滴接觸, 相鄰液滴即發(fā)生凍結(jié)．

第一行: 液滴形成; 第二行: 液滴生長(zhǎng); 第三行: 合并彈跳; 第四行: 開(kāi)始凍結(jié).

圖5為不同環(huán)境濕度下超疏水翅片表面的凝結(jié)液滴凍結(jié)時(shí)間．選取液滴開(kāi)始凍結(jié)時(shí)間T0、約半數(shù)凝結(jié)液滴凍結(jié)時(shí)間T1和完全凍結(jié)的時(shí)間T2等3個(gè)典型時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比．由圖5可知: 當(dāng)相對(duì)濕度為65%時(shí), 液滴約在1 800 s開(kāi)始凍結(jié); 而當(dāng)相對(duì)濕度為95%時(shí), 液滴約在600 s開(kāi)始凍結(jié), 凍結(jié)時(shí)間大幅縮短．當(dāng)相對(duì)濕度為65%時(shí), 液滴約在2 200 s完全凍結(jié), 而當(dāng)相對(duì)濕度分別為75%,85%和95%時(shí), 對(duì)應(yīng)的液滴完全凍結(jié)時(shí)間分別縮短了660, 960, 1 140 s．雖然超疏水翅片表面的凝結(jié)液滴凍結(jié)時(shí)間隨著相對(duì)濕度的增加而減少, 但與普通翅片相比, 抑霜效果仍然顯著, 當(dāng)相對(duì)濕度為95%時(shí), 其表面的液滴開(kāi)始凍結(jié)和完全凍結(jié)時(shí)間較普通翅片分別延長(zhǎng)了510 s和885 s, 在相同環(huán)境條件下的液滴凍結(jié)時(shí)間明顯延長(zhǎng)．以上結(jié)果說(shuō)明超疏水翅片具有延緩結(jié)霜初始階段凝結(jié)液滴凍結(jié)的效果．

圖5 不同環(huán)境濕度下超疏水翅片表面的凝結(jié)液滴凍結(jié)時(shí)間

2.1.2 翅片表面覆蓋率

圖6為凝結(jié)液滴在不同環(huán)境濕度和結(jié)霜時(shí)間下在翅片表面的覆蓋率．由圖6(a)可知, 普通翅片的表面覆蓋率隨著相對(duì)濕度的增加而增加, 而超疏水翅片的表面覆蓋率并沒(méi)有因相對(duì)濕度的增加而出現(xiàn)明顯改變趨勢(shì)．當(dāng)相對(duì)濕度為65%、75%、85%和95%時(shí),超疏水翅片表面覆蓋率分別為59.8%、57.6%、66.1%和59.3%,這是由于超疏水翅片表面的凝結(jié)液滴頻繁發(fā)生合并后產(chǎn)生彈跳現(xiàn)象引起的, 由于超疏水表面的低黏附性, 液滴生長(zhǎng)到一定尺寸后與周?chē)旱萎a(chǎn)生合并, 隨后液滴會(huì)通過(guò)自彈跳離開(kāi)翅片表面, 從而使翅片表面的液滴覆蓋率保持較低水平．圖6(b)結(jié)果表明, 普通翅片的表面覆蓋率隨著結(jié)霜時(shí)間的變化一直處于增長(zhǎng)趨勢(shì), 這是因?yàn)槟Y(jié)液滴通過(guò)不斷地生長(zhǎng)與合并, 增加了其對(duì)翅片表面的覆蓋率．而超疏水翅片的表面覆蓋率在54.9%～57.6%區(qū)間浮動(dòng), 這是因?yàn)槟Y(jié)液滴在超疏水翅片表面經(jīng)常發(fā)生合并后彈跳的現(xiàn)象．凝結(jié)液滴通過(guò)不斷生長(zhǎng)導(dǎo)致覆蓋率增加, 而部分液滴彈跳離開(kāi)翅片表面又導(dǎo)致覆蓋率降低．兩種行為的相互抵消,使得表面覆蓋率不會(huì)隨著結(jié)霜時(shí)間持續(xù)增加, 而是在某一區(qū)間內(nèi)上下波動(dòng)．

圖6 不同環(huán)境濕度(a)和結(jié)霜時(shí)間(b)下凝結(jié)液滴在翅片表面的覆蓋率對(duì)比

2.1.3 凝結(jié)液滴尺寸

圖7 不同環(huán)境濕度下超疏水翅片表面凝結(jié)液滴平均直徑

2.2 霜層生長(zhǎng)階段

圖8為結(jié)霜時(shí)間為45 min時(shí)不同相對(duì)濕度下超疏水翅片表面的霜層形態(tài)．由圖8可見(jiàn), 環(huán)境相對(duì)濕度越大, 翅片表面霜層越密實(shí)．當(dāng)相對(duì)濕度為65%時(shí), 翅片表面覆蓋有大量劍形霜晶, 未長(zhǎng)出霜晶的區(qū)域形成一層薄薄的霜層; 當(dāng)相對(duì)濕度為75%時(shí), 翅片表面布滿(mǎn)大量霜花, 只有小部分區(qū)域未被覆蓋; 而當(dāng)相對(duì)濕度為85%和95%時(shí), 翅片表面被霜層完全覆蓋, 且相對(duì)濕度為95%時(shí)的霜層更密實(shí)．

圖8 不同環(huán)境濕度下超疏水翅片表面的結(jié)霜形態(tài)

圖9展示了不同環(huán)境濕度下翅片表面霜層高度隨結(jié)霜時(shí)間的變化．超疏水翅片和普通翅片表面的霜層高度均隨著相對(duì)濕度的增加而增加．但在相同環(huán)境濕度和結(jié)霜時(shí)間下, 超疏水翅片表面的霜層高度均明顯低于普通翅片．當(dāng)結(jié)霜時(shí)間為45 min時(shí), 相對(duì)濕度為65%、75%、85%和95%的超疏水翅片表面霜層高度僅為普通翅片表面的0.78, 0.58, 0.64, 0.74倍．以上結(jié)果說(shuō)明, 超疏水翅片在不同的濕度環(huán)境下均能有效抑制霜層生長(zhǎng)．

圖9 不同環(huán)境濕度下翅片表面霜層高度隨結(jié)霜時(shí)間的變化

超疏水翅片能有效抑制霜層生長(zhǎng),主要有以下兩方面的原因．一方面, 超疏水表面凝結(jié)液滴的合并彈跳導(dǎo)致液滴分布稀疏, 降低了液滴間霜晶的橫向傳播速度,從而起到抑制液滴凍結(jié)及霜層生長(zhǎng)的作用．凝結(jié)液滴合并后的彈跳是由液滴合并前后體系自由能的變化引起的．由于超疏水表面對(duì)液滴的粘附力較弱,多個(gè)小液滴合并成大液滴后釋放的能量大于表面對(duì)液滴的黏附功,多余能量轉(zhuǎn)化為液滴的動(dòng)能, 從而引發(fā)液滴彈跳．另一方面,凝結(jié)液滴凍結(jié)后,水蒸氣在其表面凝華形成霜晶, 凍結(jié)液滴成為霜層生長(zhǎng)的基體．凍結(jié)液滴與超疏水翅片表面的微結(jié)構(gòu)間形成如圖10所示的空氣墊[16], 由于空氣墊的形成, 凍結(jié)液滴僅與超疏水翅片表面的微結(jié)構(gòu)相接觸．對(duì)于體積相同的凍結(jié)液滴, 其與超疏水翅片表面的實(shí)際接觸面積比普通翅片表面小得多,因此超疏水翅片與凍結(jié)液滴間的傳熱熱阻更大,可有效抑制霜層生長(zhǎng)．

圖10 凍結(jié)液滴與超疏水翅片表面的接觸狀態(tài)

3 結(jié)論

本文搭建了翅片表面結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 以可視化方式獲取了環(huán)境相對(duì)濕度別為65%、75%、85%和95%時(shí)超疏水翅片表面的結(jié)霜過(guò)程, 揭示了超疏水翅片在不同環(huán)境濕度下的結(jié)霜特性及抑霜性能. 結(jié)論如下: 1) 結(jié)霜初期, 凝結(jié)液滴的生長(zhǎng)受到環(huán)境相對(duì)濕度影響,濕度越高, 翅片表面液滴直徑越大．凝結(jié)液滴的凍結(jié)時(shí)間隨相對(duì)濕度的增加而減少, 當(dāng)相對(duì)濕度從65%增加到95%, 液滴開(kāi)始凍結(jié)時(shí)間和完全凍結(jié)時(shí)間分別縮短了66.7%和51.8%．但濕度對(duì)液滴凍結(jié)前翅片表面覆蓋率的影響并不明顯; 2) 結(jié)霜時(shí)間為45 min時(shí), 超疏水翅片表面的霜層高度分別為0.26, 0.42, 0.65, 0.93 mm．雖然超疏水翅片的霜層高度隨著相對(duì)濕度的增加而增加, 但與普通翅片相比, 其在不同濕度下均具有顯著的抑霜效果．