疏水性表面抑制结霜的实验研究

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

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。