自然对流条件下亲水/疏水冷表面上结霜现象的实验研究

• 作 者: 王洪燕
• 机 构: 北京工业大学
• 出 处: 北京工业大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 结霜 抑霜 疏水 亲水 实验 相变

该文从节约能源的角度出发,从研究结霜的显微形态入手,探索了表面抑霜的特性,并研制了一种强吸水抑霜涂料.通过对自然对流条件下竖直平板上结霜过程中霜厚生长的测量证明,影响自然对流结霜的主要因素是空气湿度、冷壁温度和环境温度.结霜速率随含湿量的增大、壁温的降低而增大,而环境温度对结霜的影响较小.在给定的条件下,环境温度越高,霜层越薄、越致密.用相变动力学对影响结霜过程的主要影响因素进行了分析.对结霜的初始形态进行了显微观察研究,认为结霜可以分为"凝结成霜"和"凝华成霜"两种.通过实验研究发现,在壁温较高的情况下出现凝结成霜,壁温低于一定的值时,凝华成霜才占优势;随着含湿量的增大,壁温的降低,凝华成霜的可能性增大;在一定条件下,两种现象共存.大多数制冷设备中发生的均为凝结成霜,将凝结成霜作为研究的重点,拍摄了霜层的生长过程,包括霜层达到水的三相点时的融化减薄现象和霜晶的各种形态.建立了结霜二维数学模型.在对成霜过程进行显微观察研究的基础上,对疏水和亲水表面抑霜的机理和效果进行了研究探索.提出了疏水表面抑霜的机理,并在不同的疏水表面上进行了结霜实验,发现疏水表面可以延迟初始霜晶的出现,并且形成的霜层疏松.拍摄到了疏水表面与普通金属表面水珠形态与冻结速度对比的照片.通过理论分析,证明疏水表面上水珠的接触角大,与冷壁接触面积小,所以冻结晚;冰核面积小,分布稀疏,在形成的冰核上面着霜,形成的霜层疏松,容易除去.在相变动力学、界面热力学和传热传质学的指导下,借助先进材料技术研制发明了一种具有抑霜作用的强吸水涂料.通过实验研究了抑霜涂料的抑霜性能和稳定性,并与普通金属表面的结霜进行了对比.实验结果表明在涂有这种抑霜涂料的表面上霜晶呈现出极强的枝晶生长,且所形成霜晶枝晶粗大,分布稀疏,在外力的作用下很容易除去.涂层表面比金属表面的霜厚小(在试验范围内,涂层表面上的霜要减少40％以上),且其霜层表面温度低于没有涂层的裸金属霜层表面的温度.在空气湿度较低(<40%)、壁面温度相对较高(>-10℃)的情况下,可以将初始霜晶出现的时间延迟3小时以上.试验还表明,在试验条件下,适当增加涂层厚度有益于抑制结霜.经过两个月的实验发现涂层的抑霜能力基本保持不变,具有良好的稳定性,反复使用性能较好.