疏水性表面抑制结霜的实验研究

疏水性表面抑制结霜的实验研究

东南大学能源与环境学院 杨剑 侯普秀 蔡亮 虞维平

摘 要：通过微观观测，对有无涂层的铜表面的结霜过程及融霜后的情况进行了实验研究。研究表面，有疏水性涂层较普通表面结霜稀疏。并且从Brown凝并出发， 分析了疏水性表面上液滴随时间的变化情况。融霜后，疏水性表面形成大而稀疏的液滴，直接凝结后由于是在霜上成霜，霜层也较稀疏。分析表明，涂有疏水性涂层 的铜表面在液滴冷凝的过程以及霜层生长期都能起到增强换热器换热的效果，对蒸发换热器有很大的好处。

1、 前言

冬季风冷热泵机组的蒸发器表面结霜是一个广泛存在的现象。由于普通的蒸发器的金属表面是亲水性的高能表面，对水的接触角为30°～40°，冷空气在上面易 形成水膜，如果冷表面低于零度的话，就会形成致密的霜层。这使得换热器热阻增大，降低了换热器的效率。此外还使得压损增加，降低了风机的工作性能，严重时 甚至使得风机烧毁。

目前大多采用电热除霜来除去表面的霜层的，但这时机组不但停止向室内供热，反而从室内吸取热量，使室内的温度波动加剧，产生冷风感，其最终结果是使机组的 热效率大大降低。根据有关文献报道，除霜损失约占热泵总能耗损失的10. 2 % 。虽然在新的除霜控制方式和加入各种蓄热式系统后可以最优化除霜过程，舒适度也得到了提高，但是还是很难满足实际的要求。要从根本上解决此问题还是得从结 霜的机理上进行研究，最大程度上抑制霜的形成，使表面结霜缓慢或者使其结霜稀疏，然后用其他方法将其除去。

由文献1可知，当冷表面温度在-10℃以上时，水蒸汽凝华成霜核的临界半径总是大于水蒸汽凝结生成液核的临界半径，霜核的势垒总是大于液核的势垒，所以在 这个温度范围内，冷表面的结霜形式为水蒸气－液滴－霜。而且提高冷壁面的接触角可以提高成核势垒而降低新相的活化率，液滴稀疏，继而冻结的霜晶也稀疏，不 但利于除霜，还能在一定时间内起到增强换热的效果。因此我们将通过实验来研究疏水表面的成核过程以及对延缓结霜的效果，为今后的研究打下基础。

2、实验设备

图1 实验设备示意图

本实验所设计的实验系统分为三部分：⑴制冷设备；⑵图像采集系统；⑶测温系统。实验装置如图1所示。

结霜表面为 的 铜板以及铝板，实验中使用半导体制冷片对金属表面制冷，通过循环水对制冷片的热端散热。这样就可以通过调节制冷片两端的电压，改变制冷片的功率来达到我们 所需要的冷表面温度了。为了达到制冷片与金属表面的充分换热，采用了导热性能很好的硅胶将其与半导体制冷片粘结。冷表面的温度是通过在金属的上表面布置4 个铜－康铜标准热电偶（测量误差为 0.1℃）来测量的。实验中，测得上表面边沿处的温度变化小于0.6℃。

为了观测冰晶体的微观结构，实验采用了三目体式显微镜（最大放大倍数为320倍）对结霜过程进行放大观测。通过在第三目上安装CCD摄像头（分辨率为 480线）进行摄像，然后由安装在计算机上的数据采集卡将采集到的霜层生长过程的图像存储在计算机上。其中该显微镜物镜的放大倍数可以在2倍、4倍以及8 倍间进行调节，根据具体情况进行调节以达到更好的观测效果。

实验在恒温恒湿的房间内进行，房间内温度以及湿度的测量使用了KANOMAX温湿度测量仪，其温度测量误差为 0.5℃，相对湿度测量误差为 。

实验之前，用型号为400、320、180的砂纸将准备好的铜板砂成不同粗糙度的表面，并在其中几块上涂上车腊。在不同工况下观测涂有车腊的表面和普通表面的结霜情况，并研究不同粗糙度下的结霜情况。

由相关文献可以知道，普通铜表面对水的为30°～40°，而车腊主要成分为硅酮类高分子化合物，并含有油脂成分，其与水的动态接触角为98°，为疏水性表面。

3、 实验结果及分析

3.1 不同表面结霜的对比实验

实验中，环境温度为15℃，冷表面温度为-6℃，分别测试了相对湿度为60％、70％和80％的几组有涂层和无涂层表面的结霜情况。以下为相对湿度为70％的有、无涂层的铜表面在不同时刻的表面冷凝和凝结情况。

图2（a）无涂层的铜表面(30s) 图2（b）无涂层的铜表面(60s)

图2（c）无涂层的铜表面120s时的情况 图2（d）无涂层的铜表面180s时的情况

（开始凝结） （完全凝结成冰层了）

以下是涂抹车腊的铜表面在不同时间的结霜情况。

图3（a）涂有车腊表面（30s） 图3（b）涂有车腊表面（60s）

图3（c）涂有车腊表面(120s) 图3（d）涂有车腊的表面（180s开始凝结）

图3（e）涂有车腊的表面（240s基本凝结）

由以上两组图像对比可以看出，涂有车腊的表面是在表面上的液滴不断聚集，长大到一定程度才开始结霜的。而没有涂抹任何物质的高能金属表面，水蒸气在其上先 冷凝成一层水膜，之后在水膜上凝结成霜层的。通过比较就可以看出，由于有涂层的表面接触角大, 不断凝聚的液滴形成珠状，与表面的接触面积小，当壁温下降时，不易冻结，所以后者结霜的时间比前者晚很多，而且结霜稀疏（如图5（a）），对于换热器来 说，这样的霜层在初始阶段还能达到增强还热的效果。而对于高能表面，水蒸气的冷凝形式为膜状冷凝，其换热效果肯定不如滴状冷凝对换热器的好。而且结霜后其 霜层致密（如图2（e）），影响了其换热效果，降低了换热器的效率。

由于涂有车腊的表面与冷凝的液滴接触角大于90°，这时冷表面上冷凝形成的球冠形液滴的化学势小于同曲率的球形液滴的化学势。由于物质总是由化学势高的相 转变到化学势低的相去，两相化学势相差越大，相变过程进行也就越快。在Brown 凝并的作用下，曲率半径超过临界半径的球形液滴在Brown 运动的作用下向着化学势较低的壁面球冠形液滴的漂移，然后凝并。如图3(a)～(e)所示，液滴在Brown 凝并下不断增大。利用MATLAB强大的图像处理功能，截取每30秒的表面的图像，取每个图像中的二十个液滴计算其各自的直径，然后取平均值，绘于图上， 如下就是液滴随直径随时间的变化情况。

图4 液滴直径随时间的变化曲线图

由上图可以看出液滴直径的变化情况，并且由上图可知相对湿度越大，初始液滴的Brown凝并越明显，液滴凝并速度更快，但在一定液滴增长到一定尺寸后，其 变化趋势就没有这么明显了，湿度对其的影响也小了很多。而且相对湿度为60％时液滴在140s开始凝结成霜了，相对湿度为70％时为170s，而相对湿度 为80％时为190s，可以看出在冷表面温度不是很低时，快速的Brown凝并使液滴聚集迅速，凝结时间还较湿度低的表面更晚了。

Brown 凝并过程能够实现滴状冷凝，在这个过程能够起到增强换热的效果，所以必须设法改进冷凝器壁面材料以选择最优接触角, 以使球形液滴和壁面球冠形液滴在开始冷凝长大时便有着最大的化学势之差。如果考虑在适当的时候将压缩机的部分高温排气直接引入室外换热器中，通过压缩机排 气热量将换热器外侧的霜层，能够很好的延缓结霜的时间，使霜层在利于换热的过程内增长，这样能极大地增强换热器的效率。

图5（a）有涂层表面的稀疏的霜层（5min）图5（b）普通表面致密的霜层（5min）

以上两图可以看出，涂有涂层的表面结霜稀疏，而普通铜板表面易冷凝形成的水膜上成霜，形成连成一片的霜层，致密且难除去。而且Oksanen等就做过类似 的实验，测得在-10 ℃钢表面上，冰的粘附强度为0.84 mpa ,而在聚合物表面粘附强度为0.18mpa。可以看出如果在涂有疏水性涂层的表面上辅以机械振动，有可能以机械手段将部分霜出去。

3.2 除霜后的研究

&nb sp; 疏水性表面抑制结霜的好处不仅体现其结霜的过程，在除霜后其也显示很多的优越性。

图6（a）刚冻结的液滴

图6（b）从液滴顶部开始生长的冰枝 图6（c）冰枝继续生长

由实验也可以观测到涂有疏水性涂层的表面在除霜后形成大而稀疏的液滴，这样的液滴在未凝结之前也能极大的提高换热器性能，而即使直接在其上冷凝的话形成的 霜也很稀疏，在初始阶段也不会影响其换热。由图6（a）可以看出残留的液滴首先冻结，随着壁温的降低，由于在冰晶上成霜系统增加的表面自由焓比在金属表面 上成霜要小的多，所以容易在已冻结的霜上着霜，生成的霜层要稀疏的多。如图6（b）所示，霜枝从已经成霜的冰晶顶部生长出来，随着冷表面温度的降低，开始 从该冰晶的各个地方伸展出霜枝出来，最后形成交错负责的霜枝结构。可以看出这中结构的霜对换热器的换热效果是有利的，相当于翅片的效果。而普通表面除霜后 在表面形成一层厚厚的水膜，直接成霜后霜层致密，很难除去。

但是由于除霜后表面上已经有大量的水珠了，当冷表面温度降低时，其结霜比在干燥表面上要快很多（此工况下相对湿度为70％时大约快50s），所以如果考虑 在除霜后能够将表面的液滴出去，并用压缩机出来的乏气将表面干燥，除霜的效率会提高很多。

最后还研究了表面液滴的脱离实验，通过调节电流来控制风速，发现在风速为7m/s左右便可以将疏水性表面上的液滴基本吹走了，而即使在15m/s的风速下 普通表面上的液滴仍然还残留大部分。这也是由其表面决定的，由于疏水性表面与液滴的接触角大，由式一可以看出，其所需克服的粘附功就比普通表面要小的多。 经计算，在此情况下大约为其一半大小。

（1）

3.3 粗糙度对疏水性表面的结霜影响

另外还用不同型号的砂子（400、320、180）打磨了不同粗糙度的表面，然后在其上涂抹疏水性涂层，实验研究表面，涂抹车腊后，原先的表面对结霜基本 无影响，霜层形成的时间已及结霜的密度也与其无关，所以如果考虑采用疏水性涂层来延缓除霜的话就不用再花大量的成本在如何提过换热器表面粗糙度的处理上 了。

4、 结论

在冷表面温度高于-10℃下，普通表面是在形成的水膜上冷凝成霜的，霜层致密难除去；而有疏水性涂层的铜表面则是在Brown凝并的作用下，液滴不断聚 集，最后直接在聚集的液滴上凝结为冰颗粒，形成的霜稀疏，而且这个过程还能起到增强换热器换热的效果。

融霜后，普通表面形成一层厚厚的水膜，如直接冷凝将形成致密的霜层，而疏水性表面则形成稀疏的水珠，而且在一定风速下易将其大量水珠吹走。即使直接凝结成霜，霜层也比较稀疏，不会对换热器换热效率产生教大的影响。

涂有涂层后，其表面原先的粗糙度等对结霜基本无影响了。这便可以减少一些用于表面精细处理上的费用了。

参考文献

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