超声功率对冷壁面冻结液滴脱除效果的影响

李 栋 陈振乾

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京210096)

结霜现象广泛存在于制冷、空调、航空航天等领域.霜层的存在不仅增加了换热热阻，降低了传热效率，而且还会堵塞空气侧通道，增加流动阻力，严重时甚至导致系统失效.因此，探求有效的抑/除霜方法具有重要的工程意义和实用价值.

国内外的研究主要是通过添加各种亲水或疏水涂层抑制结霜［1-6］，虽已取得部分有益成果，但涂层的存在仅能延缓结霜过程初始霜晶的成核，霜层一旦完全覆盖表面涂层，涂层的作用就不再明显.此外，文献［7-8］研究了外加电场对霜层生长的影响，虽然外电场的施加能够显著细化霜晶，但并没有从根本上解决结霜问题.文献［9］研究了机械振荡对冷表面霜层形成以及冻结液滴生长的影响，研究表明，施加100～200 Hz的低频振荡仅能影响结霜初期冻结液滴的形貌，并不能有效去除冷表面霜晶.

近年来，超声波以其频率高、能量集中、具有机械作用和声压效应的特点在抑/除霜领域得到部分有效应用［10-13］.阎勤劳等［10］研究了超声波型以及频率对冷风机除霜效果的影响，认为超声波频率为20 kHz时，纵波除霜效果最好;超声波频率为15 kHz时，横波除霜效果最好.Adachi等［11］研究了频率37 kHz的超声振动对矩形铝合金表面霜晶形成的影响，试验表明，振幅为3.4 μm的超声振动可以抑制霜的形成达60%.Li等［12］对施加频率20 kHz超声波的作用霜层生长进行了微观可视化观测，结果表明，与无超声波作用相比，施加超声波的作用可使霜层厚度降低75%.Wang等［13］研究了超声波对蒸发器翅片管表面结霜生长的影响，研究发现，施加功率60 W、频率28.2 kHz的超声波作用，能够有效振碎冷表面生长的霜枝，但不能彻底除去基底表面的冻结液滴.

研究者普遍将结霜过程分为霜晶成核、霜层生长和霜层充分生长3个阶段［14］.目前关于超声波抑/除霜方面的研究，主要集中在霜层生长阶段和霜层充分生长阶段，而对霜晶初始成核阶段，尤其是结霜初始阶段冻结液滴去除方法的研究较少.然而冻结液滴作为霜晶生长的基底，其存在无疑会对后续霜层的生长产生重要影响.因此，对结霜初始阶段冻结液滴去除方法的研究具有重要意义.

作者前期研究中发现超声波能够瞬间脱除冷表面冻结液滴［15］，为冷表面有效抑/除霜提供了可能.但超声功率对不同影响因素下冻结液滴的脱除规律缺少量化分析.因此，本文模拟不同影响因素下冷表面结霜初期阶段的冻结液滴，对施加20 kHz超声振荡作用下70 mm×70 mm铝平板表面上冻结液滴的脱除行为进行了可视化观测，探讨了冻结液滴大小、冻结时间等因素对冻结液滴脱除的影响规律，为超声波除霜中超声功率配置提供了依据.

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

超声波脱除冷壁面冻结液滴的可视化系统如图1所示.整个系统由超声振荡系统和图像采集系统2部分组成.

图1 冷壁面冻结液滴脱落可视化系统

超声振荡系统包括超声波发生器、超声波换能器、旋转支架、变幅杆探头、70 mm×70 mm×3 mm硬铝平板等.试验选用的超声波波型为纵波，超声波换能器频率为20 kHz，功率可实现0～1 000 W可调.试验中铝平板中心与变幅杆探头之间采用螺纹连接的紧固方式，便于超声能量均匀有效地作用于铝表面.图像采集系统包括Photron SA4型高速摄像机、Nikon广角镜头、LED冷光源、图像采集卡以及电脑上位机.高速摄像机配合Nikon广角镜头，通过视频电缆将拍摄的图像传输到计算机中，由图像采集卡记录试验过程.

1.2 试验方法

为便于量化超声功率对冷表面冻结液滴脱除的影响，对铝平板表面进行了网格划分，并对每个区域进行了数字标定，如图2所示.试验前，首先将紧固铝平板的超声波探头放置于冰箱营造的冷环境中，同时调整旋转支架，使铝平板表面保持水平.随后，采用移液器模拟不同规格的液滴.最后，关闭冰箱门，设定冰箱冷环境温度.待液滴冻结并和冷表面完全黏结后，调整旋转支架，使铝平板表面保持竖直状态，便于超声波作用下铝平板表面冻结液滴的脱落.

图2 铝平板表面网格划分

2 试验结果分析与讨论

2.1 超声作用下冷壁面冻结液滴脱落动态行为

为研究超声振荡对冷壁面冻结液滴群脱落的影响，首先对冷壁面冻结液滴脱落的动态行为进行了快速可视化观测.当试验超声输入功率为100 W，冷表面温度为－5℃，冻结液滴直径5 mm，超声作用时间1 s时，超声作用下冷壁面冻结液滴脱离过程如图3所示.从图中可以看出，超声波开启后，冷平板表面冻结液滴瞬间脱落.这是由于超声波具有机械作用，可以在冻结液滴和冷表面界面处产生高频机械振荡.由于冻结液滴和冷板材质不同，因而界面处质点位移不同步，2种物质之间会产生速度差，使得产生界面剪切力，此界面剪切力可以有效降低甚至克服冻结液滴和冷壁面之间的剪切黏附应力［16］.同时，超声声压效应产生的瞬间高压脉冲能够有效克服冻结液滴和冷壁面之间的界面垂直黏附应力.因此，超声机械效应以及声压效应产生的联合作用可以有效降低甚至消除冻结液滴的黏附力，从而使得冻结液滴脱落冷壁面.

图3 超声波脱除冷壁面冻结液滴过程

2.2 超声功率对不同粒径冻结液滴的影响

为细化超声振荡对冻结液滴的影响规律，对不同超声功率条件下不同粒径冻结液滴的脱除概率进行了量化分析.当超声功率为600 W，超声作用时间1 s，冷表面温度－20℃，冻结时间30 min，冻结液滴粒径分别为3，5和8 mm时，超声作用前后不同粒径冻结液滴脱除效果如图4所示.由图可见，超声作用后，冷平板表面冻结液滴部分脱落.超声波更易去除尺寸较大的冻结液滴，液滴冻结粒径越小，超声波对其脱除效果越不明显.这是因为，虽然冻结液滴粒径越大，其在冷平板的覆盖面积越大，界面黏结力相应越大，但是与小粒径的冻结液滴相比，大粒径冻结液滴的质量明显增加，在单位面积界面黏结力相同的条件下，冻结液滴脱落所需临界剪切力相应减少.同时，超声作用下平板表面能量分布以及界面剪切应力分布并不均匀，不同位置处声能以及剪切力相差很大.与小粒径的冻结液滴相比，大粒径冻结液滴在冷表面的覆盖面积增加，有效作用于冻结液滴的超声能量增强，从而使得作用于单位面积的界面剪切力以及冲击力相应增强，因此能够克服更大范围的冻结液滴的界面黏结力，从而使得更多冻结液滴脱落.

图4 超声波对不同粒径冻结液滴的脱除效果

图5给出了不同超声功率作用下不同粒径冻结液滴的脱除概率.由图可知，随着超声功率的增加，不同粒径的冻结液滴脱除概率总体呈上升趋势.以粒径为3 mm的冻结液滴为例，超声输入功率为100 W时，冷表面冻结液滴脱除概率为20.8%;当超声输入功率增加到800 W时，表面冻结液滴脱除概率达到75%，比超声输入功率100 W时的脱除概率增加了54.2%.此外，同一脱除概率下，大粒径冻结液滴所需超声功率明显小于小粒径冻结液滴所需的超声功率.冻结液滴粒径为3 mm时，达到50%以上的脱除概率所需要的超声功率为400 W，而当粒径为8 mm时，仅需要100 W的能量.从图5中可以看出，超声输入功率达到800 W时，试验中不同粒径的冻结液滴脱除概率均可达到70%以上.

图5 不同超声输入功率下不同粒径冻结液滴的脱除概率

2.3 超声功率对不同冻结时间冻结液滴的影响

除冻结液滴粒径外，液滴的冻结时间也是影响冻结液滴脱除的关键因素.当超声功率为600 W，冷表面温度为－20℃，冻结液滴粒径为3 mm，冻结时间分别为30，60和90 min时，不同冻结时间下超声作用前后冷壁面冻结液滴的脱除效果如图6所示.从图中可以看出，随着冻结时间的增加，同一超声功率条件下，超声脱除效果越来越差.这是因为冻结液滴与冷表面之间的界面黏结力是制约冻结液滴脱除的主要因素，而界面黏结力与液滴冻结时间成正比关系［17］.随着冻结液滴冻结时间的增加，冻结液滴和冷壁面之间界面黏结力不断增大，抵抗外部超声冲击的能力不断增强.为了克服此黏结力，需要超声波瞬间提供更多的能量来克服界面黏结力.冻结时间越长，界面黏结力越大，脱除冻结液滴所需超声输入功率也就越大.由于超声振荡产生的剪切力以及冲击力无法有效克服部分冻结液滴界面黏结力，因而使得部分冻结液滴无法从平板脱落.

图6 超声波对不同冻结时间的冻结液滴脱除效果

图7给出了不同超声输入功率作用下不同冻结时间冻结液滴的脱除概率.从图中可以看出，随着超声输入功率的增加，不同冻结时间的冻结液滴脱除概率几乎呈线性增加.同时，随着超声作用时间的增加，达到相同脱除概率所需超声功率不断增加.当液滴冻结时间为30 min时，平板所有冻结液滴脱除概率达到50%以上，只需100 W的超声能量.而冻结时间为120 min时，达到50%以上的脱除概率至少需要600 W.在试验提供的最大超声输入功率800 W之内，试验中不同冻结时间的冻结液滴脱除概率均可达到70%以上.

图7 不同超声输入功率下不同冻结时间冻结液滴的脱除概率

3 结语

本文对施加20 kHz超声振荡下冷平板表面冻结液滴的脱除规律进行了试验研究，分析了不同超声输入功率对不同液滴粒径以及不同冻结时间的冻结液滴的脱除影响.研究结果表明:超声振荡可以有效脱除冷壁面冻结液滴，同时随着超声功率的增加，冷壁面冻结液滴脱除概率逐渐增加.在3～8 mm的粒径范围内，冻结液滴粒径越大，超声脱除冷表面冻结液滴所需功率越小.在30～120 min的冻结时间内，液滴冻结时间越长，液滴脱除所需超声功率越大.试验发现，通过调整超声功率可使冷表面冻结液滴的脱除概率达到70%以上，试验结果为超声除霜系统中功率参数有效配置提供了依据.

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