冷表面霜晶演化的微观可视化观测

2017-02-21陈振乾赵孝保

东南大学学报（自然科学版） 2017年1期

关键词：结霜表面温度水蒸气

李栋陈振乾王鑫赵孝保

(1南京师范大学江苏省能源系统过程转化与减排技术工程实验室, 南京 210042)(2东南大学能源与环境学院, 南京 210096)

冷表面霜晶演化的微观可视化观测

李栋1陈振乾2王鑫1赵孝保1

(1南京师范大学江苏省能源系统过程转化与减排技术工程实验室, 南京 210042)(2东南大学能源与环境学院, 南京 210096)

对冷表面霜层生长过程进行了微观可视化研究,对结霜生长过程不同时期的霜晶演化特征进行了观测,同时从相变动力学的角度对冷表面霜层初始液滴成核过程进行了理论分析.试验研究发现,冷表面霜层生长阶段不同位置霜晶呈现不均匀生长,局部存在霜枝倒伏以及霜晶消融现象,且随着时间的推移,冷表面不同位置霜晶逐渐趋于均匀.研究结果表明,冷表面温度越低,湿空气中水蒸气过饱和度越大,相变驱动力越大，发生气液相变形成活化液核的可能性越大.霜晶体表面温度以及局部水蒸气分压力的联合效应是发生霜晶消融的根本原因.

霜晶演化;微观可视化;相变驱动力;霜晶消融;霜枝倒伏

结霜现象广泛存在于各种航空航天飞行器表面以及制冷空调系统的蒸发器表面.霜层的形成严重影响飞行器飞行安全以及制冷空调系统运行的稳定性.因此,充分认识冷表面霜层生长过程是深入揭示冷表面霜层生长规律从而有效制定抑、除霜策略的基础.Hayashi等[1]把结霜分成初始晶核形成阶段、霜层生长阶段和霜层充分生长阶段.文献[2-7]对结霜的初始晶核形成阶段进行了研究.郝英立等[2]和Qu等[3]对结霜初始状态进行了试验研究,发现表面稳定温度越低,则结晶发生的时间就越早,表面上凝结液滴及随后冻结冰粒形状规整且接近圆形.吴晓敏等[4-7]通过对冷表面结霜初始形态的理论和试验分析认为,水蒸气在冷表面上结霜并非单纯凝华,而是经过水珠生成、长大、冻结、初始霜晶生成以及霜晶成长等复杂过程.Na等[8]和Piucco等[9]通过对成核过程的相变动力学分析得出,在冷壁面上应该更容易形成液滴而不是直接出现霜晶.文献[10-13]主要集中研究霜层生长阶段和霜层充分生长阶段,讨论了各工况参数,如环境温度、相对湿度、冷表面温度、风速等对霜层结构、霜层密度、霜沉积量以及霜层厚度的影响,结果发现,冷表面温度越低,相对湿度越大,结霜量越大,结霜越致密.然而,以上文献主要关注环境参数对结霜过程的影响,而对典型结霜整体生长过程没有进行有效研究,尚未充分揭示结霜生长过程不同阶段的特点以及霜晶生长的演化特征.

因此,本文对冷表面霜层生长过程进行了微观可视化研究,试验观测了初始晶核形成、霜层生长和霜层充分生长完整的霜层生长演化过程,并从相变动力学的角度对结霜过程各阶段特点进行了理论分析,从而进一步深化对冷表面结霜生长演化机制的认识.

1 试验系统

冷表面结霜生长过程的微观可视化试验系统示意图如图1所示,整个系统由霜层生长试验段、显微可视化系统以及动态数据采集系统组成.霜层生长试验段由半导体制冷片、直流稳压电源、抛光铜板、冷却U形水道以及恒温水浴等组成.

图1 结霜试验装置示意图

显微可视化系统包括体式显微镜、360°旋转万能支架、CCD摄像机、图像采集卡、冷光源以及电脑上位机等.数据采集系统包括热电偶、湿度传感器、数据采集仪及计算机.温度测量主要采用K型热电偶,触点直径为0.25 mm,经冰点修正后测量误差在± 0.1 ℃.温度测量对象主要包括冷平板内部温度、环境空气温度.热电偶布点位置如图2所示,在平板内部均匀布置4个K型热电偶,测量冷表面温度,冷表面温度取4个点温度的平均值.湿度传感器采用电容式湿敏元件,用来测量冷平板周围环境空气湿度,相对湿度测量范围为1%～99%.

(a) 主视图

(b) 侧视图

2 试验结果分析与讨论

2.1 冷表面霜晶演化过程可视化观测

图3为冷表面霜层生长过程显微可视化典型图片.首先,随着半导体制冷片的开启,冷板表面温度由环境温度逐渐降低,在温度梯度以及水蒸气浓度梯度的联合驱动下,湿空气中水蒸气分子定向迁移,不断沉降于冷表面,在冷表面上不断凝聚.试验进行到大约113 s时,冷表面温度降至大约7 ℃,此时水蒸气发生气液相变,冷表面形成初始球冠状活化液核(见图3(b)).随后,水蒸气分子在这些活化液核表面凝聚,液核不断生长.由于冷表面中局部表面的不同特性,在冷表面上形成了许多大小不一的宏观冷凝液滴.同时,还有部分液滴产生,并不断长大,见图3(d)、(e)中液滴1和液滴2.随着时间的进一步推移,冷凝液滴逐渐处于过冷状态,在试验进行到412 s时,过冷液滴突然相变,瞬间冻结,在冷表面上形成冻结液滴,黏附于冷表面上(见图3(f)).此后,霜晶体开始出现,由图3(g)可以看出,霜晶首先出现在每个冻结液滴表面的顶部,并以冻结液滴表面作为生长基底迅速生长.此时的霜晶生长是一维的,霜晶体在每个冻结液滴表面孤立生长,在冷表面上没有形成结构相同的霜层.但随着霜晶体的不断生长,霜晶逐渐覆盖每个冻结液滴表面(见图3(h)),冻结液滴表面霜晶之间开始出现交错、合并和覆盖现象,形成多孔网状霜层,如图3(i)所示.同时,由于霜晶顶部的质迁移以及霜晶之间的相互干涉,使得霜晶体逐渐以三维方式生长.随着时间的进一步推移,霜层不断生长,霜层厚度不断增大,霜层表面温度逐渐升高,当表面温度接近0 ℃ 时,霜层表面部分区域霜晶体开始出现融化现象,融化生成的水渗入到霜层内部冻结成冰晶.试验发现,在结霜后期,霜层表面反复经历融化-冻结的循环,融化和冻结使霜层的密度增大,热阻减小,霜层变得越来越密实,霜层表面逐渐趋于平坦,极限情况下霜层将逐渐变成冰.如图3(k)、(l)所示,此时,霜层生长已经较为稳定,霜层的形态也基本保持不变,此时可以认为霜层已经充分生长.

(a) 0 s

(b) 113 s

(d) 203 s

(e) 205 s

(f) 412 s

(g) 430 s

(h) 600 s

(i) 1 000 s

(j) 2 400 s

(k) 3 000 s

(l) 3 600 s

2.2 冷表面结霜初始成核过程理论分析

根据相变动力学理论,物质发生相变的根本原因在于亚稳相与稳定相之间存在一种促使物质转变的驱动力,称之为相变驱动力.低温表面初期冷凝液滴的形成就是在相变驱动力的作用下,空气中水蒸气逐渐由气相转变为液相的过程.

图4给出了冷表面周围水蒸气状态变化图.图中点A表示湿空气中水蒸气的初始状态.从图中可以看出,水蒸气的初始状态远离饱和线,此时水蒸气分压力pv远小于其温度Ts所对应的饱和压力ps,此时水蒸气处于未饱和状态.随着水蒸气逐渐靠近冷表面,湿空气的温度逐渐降低至水蒸气饱和温度Tsat,此过程中湿空气中的水蒸气相当于经历了一个定压降温过程,水蒸气从状态点A逐渐变化达到饱和状态点B.且随着水蒸气温度的进一步下降,水蒸气状态从点B变化到点C,此时空气中水蒸气的分压力pv逐渐高于当地温度Tc所对应的水蒸气饱和压力ps.水蒸气逐渐处于过饱和状态,相变驱动力f>0,此时的水蒸气处于亚稳定状态.水蒸气可自发转变为液态水,发生气液相变后回到平衡态,即回到温度Tw对应的饱和状态点D.从图4可以看出,水蒸气过饱和程度的大小,或者说含湿量的变化Δωsub取决于CD段的长度,而状态点C主要取决于当地温度,即冷表面温度Tw.冷表面温度越低,状态点C的温度越低,BC段的温差越大,过冷度ΔTsub越大,CD段长度越长,过饱和度越大,相应的相变驱动力越大,相变过程发生的可能性越大.

图4 冷表面周围水蒸气成核状态变化图

在冷表面上过饱和水蒸气的凝结过程中,冷表面温度Tc越低,水蒸气饱和分压力ps越小.同时,过饱和水蒸气的分压力pv又取决于主流湿空气的含湿量,含湿量越大,则过饱和水蒸气的分压力pv越大,相应的过饱和度越大,过饱和压力比pv/ps越大,相变驱动力f越大.因此,冷面温度越低,空气含湿量越大,水蒸气过饱和度越大,过饱和压力比就越大,相变驱动力也就越大,相变过程越容易发生,冷表面结霜初始阶段冷凝液滴越容易出现.

根据晶体生长理论,生成临界液核所需系统吉布斯自由能的变化称为生成液相的相变能障.形成球冠状液核的相变能障表达式为[14-15]

(1)

(2)

对ΔG求关于半径r的极值

(3)

可得成核临界半径[15]

(4)

由式(4)可知,只有活化液核R>rc,冷凝液滴才会形成.

根据式(4)和式(1),可得达到临界半径rc所对应的吉布斯自由能的变化为

(5)

由式(5)可知,ΔG*的大小和表面接触角有关.图5给出了f(θ)随表面接触角变化的曲线.从图中可以看出,表面接触角θ越大,f(θ)越大,水蒸气在冷表面发生气液相变达到临界半径所对应的吉布斯自由能的变化ΔG*越大,成核壁垒越高,成核难度越大,冷凝液滴越难形成.

图5 表面接触角和f(θ)的关系

2.3 冷表面结霜生长过程特点分析

2.3.1 霜枝倒伏现象

图6给出了冷表面霜层生长过程中霜枝倒伏过程图.从图中可以看出,霜枝在快速生长过程中突然出现断裂、倒伏现象.如图6(b)、(c)所示,在297～298 s的1 s时间内,B霜枝瞬间倒伏,同样的现象还出现在图6(e)、(f)A霜枝演化过程中.随着霜枝高度进一步增长,霜枝质量进一步增大,霜枝根部无法有效支撑霜枝本身的重量,霜枝在最脆弱的根部断裂,从而出现霜枝倒伏现象.显然,霜枝倒伏现象的发生增加了霜层生长阶段结霜的复杂性,对抑霜、除霜不利.

2.3.2 霜晶消融现象

对冷表面霜层生长的微观可视化观测发现,在霜层生长阶段,霜晶在高度方向快速生长,存在霜枝倒伏现象的同时,局部霜层还存在奇特的霜晶消融现象.图7给出了霜层生长过程中局部霜晶消融演变过程图.由图可知,霜晶顶部深入湿空气中且不断生长,说明霜晶表面温度低于0 ℃,而霜晶的根部更靠近冷表面,因此,底部温度应低于霜晶顶部的温度,即底部温度应该远低于水的三相点温度.但在几百微米区域内,同时发生截然相反的2种相变过程,即同一霜晶顶部的凝华生长以及底部的升华消融,且霜晶的升华消融过程并没有从温度相对较高的霜晶顶部开始,而是从温度较低的霜晶根部开始,说明发生相变的原因不仅是温度.根据相变动力学理论,影响相变方向的根本原因在于湿空气中水蒸气的过饱和度,而霜晶体表面温度和当地水蒸气分压力均可影响水蒸气过饱和度.因此,水蒸气凝华相变过程的发生是霜晶体表面温度以及局部水蒸气分压力综合作用的结果.

(a) 180 s

(b) 297 s

(d) 360 s

(e) 393 s

(f) 394 s

(a) 1 380 s

(b) 1 440 s

(d) 1 560 s

(e) 1 620 s

(f) 1 680 s

2.3.3 冷表面不同位置霜晶高度变化

为了定量描述霜层生长过程中结霜生长阶段冷表面不同位置霜晶高度演化规律,随机选取了冷表面A,B,C三个不同位置(见图8),对霜晶生长高度变化进行了研究.

图8 冷表面霜高测量位置

图9给出了冷表面不同位置霜晶高度随时间的变化规律.从图中可以看出,在霜层生长阶段的初期,同一时间冷表面不同位置的霜晶高度并不相同.当结霜时间为900 s时,冷表面A,B,C三个位置点的霜晶高度分别为0.57,0.64以及0.83 mm,霜晶的高度存在较大差异.冷表面不同位置处霜晶生长不均匀,形成凹凸不平的霜层.这是因为霜晶体首先形成在冻结液滴表面,冻结液滴的大小不同,使得霜层-湿空气界面呈现凸面、平面和凹面等不同状况,造成冷表面各位置表面曲率不同,引起局部各点温度不同,从而使得各位置对应的饱和蒸气压也不同.同时外部水蒸气在向冷表面定向迁移的过程中,不同位置的表面温度以及水蒸气浓度必然存在差异,从而引起水蒸气过饱和度的不同,使得冷表面不同位置处的霜晶生长速度不同.虽然冷表面不同位置霜晶生长速度存在差异,甚至会出现霜晶消融引起局部霜晶高度突然下降的现象，但随着时间的推移,冷表面不同位置霜晶总体呈上升趋势,且随着霜层生长过程的进一步深入,冷表面不同位置霜晶高度逐渐趋于一致,当结霜时间大约2 400 s时,A,B,C三个位置处霜晶高度已基本相同.

图9 冷表面不同位置霜晶高度变化

3 结语

对冷表面霜层生长行为以及霜晶演化规律进行了可视化观测,得到了冷表面霜层生长的完整过程,获得了结霜生长过程不同时期的霜晶演化特征,对冷表面结霜生长过程各阶段的主要特点进行了探讨.研究结果表明:给定温度条件下,湿空气中水蒸气过饱和度越大,相变驱动力越大,发生气液相变形成活化液核的可能性越大.冷表面霜层生长阶段不同位置霜晶呈现不均匀生长,局部存在霜枝倒伏以及霜晶消融现象.随着时间的推移,冷表面不同位置霜晶生长总体呈上升趋势.根据冷表面结霜生长过程不同阶段特点可知,结霜初期抑制初始液核和冰核的形成或有效脱除作为霜晶生长基底的冻结液滴,可达到有效除霜的目的,为抑霜/除霜策略的制定提供参考.

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Visualization observation of frost crystal evolution on cold surface

Li Dong1Chen Zhenqian2Wang Xin1Zhao Xiaobao1

(1Engineering Laboratory of Energy System Process Conversion and Emission Reduction Technology of Jiangsu Province, Nanjing Normal University,Nanjing 210042, China) (2School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Microscopic visualization of frost layer growth process on cold surface was conducted and frost crystal evolution characteristics in different frost growth periods were observed. In addition, the initial droplet nucleation process on the cold surface was analyzed based on the theory of phase transformation kinetics. The experimental results show that the frost crystals at different positions of the cold surface grow unevenly during the frost layer growth stage and frost branch fracture and frost crystal melting phenomena can be locally seen. It is also found that the frost crystal at different positions gradually tends to be uniform with the time evolution. The study results indicate that the phase transformation driving force increases with the increase of the water vapor supersaturation degree of moist air, thus leading to the increase of the possibility of vapour-liquid phase change and the activate liquid core formation on the surface with lower temperatures. The combined effect on the frost crystal surface temperature and the local water vapor partial pressure is an important reason for the frost crystal melting.

frost crystal growth; microscopic visualization; phase transformation driving force; frost crystal melting;frost branch fracture