铝基超疏水表面凝露初期的实验研究

武卫东，吕婉豆，汪德龙

（上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093）

铝基超疏水表面凝露初期的实验研究

武卫东*，吕婉豆，汪德龙

（上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093）

本文以铝基体超疏水表面为研究对象，分别基于5 ℃、10 ℃和15 ℃的基底温度，利用高速动态记录仪观测了表面凝露初期阶段液滴的生成及凝并过程，并通过图片像素计算了液滴直径，进行了相应的疏水性能评价。结果表明：在实验基底温度范围内，超疏水表面凝露初期，凝结液滴分布稀疏，不形成连续水膜，具有良好的疏水性能；随着基底温度的降低，液滴生成速度加快、数量增多，且基底温度越低的表面越早出现液滴的凝并，凝并+后液滴趋于拥有自驱离能力，最终形成新的干表面从而保持良好疏水性能。研究结果可为超疏水性能辐射板及其表面温度工况的优化选择提供一定的参考。

超疏水表面；铝合金；凝露；辐射板

0 引言

结露问题一定程度上阻碍着辐射供冷系统的广泛应用[1-4]。为了解决这一问题，充分发挥辐射供冷在节能效果和舒适性方面的优势，多年来，大批学者做了相关工作。目前为止，这些研究[5-9]主要集中在两类方法：一是通过降低房间内空气的湿度，使其露点降低，从而减少凝露的产生；二是通过改变辐射板表面的温度、材料等因素实现防凝露。

针对第一类方法，ZHANG等[10]在高温高湿的工况下，先启动房间的送风系统，使其运行1 h以上，待房间湿度下降后，关闭门窗以防止室外空气侵入，再开启辐射制冷系统，这一举措有效避免了辐射板的结露。李先中等[11]在地板辐射供冷系统中，附加了置换通风设备，以引入干燥新风，将室内相对湿度控制在45%～55%，有效防止了辐射板的凝露，该复合系统需增设额外的自控装置。MUMMA[12]提出采用DOAS（Dedicated Outdoor Air System）的调节方法来解决结露问题，辐射供冷系统与独立新风系统配合使用时，辐射供冷系统用来平衡室内的显热负荷，独立新风系统平衡剩下的显热负荷和湿负荷，能部分抑制凝露的生成，但系统的初投资较大，能耗较大。由此可见，采取上述这些方法减少凝露，存在着系统不易操作或成本较高等问题。

针对第二类方法，基于辐射板表面温度，杨芳等[13]将辐射供冷的回水与进水相互混合，提高了辐射板表面的温度，此时表面虽不能结露，但房间的温湿度控制精度低，房间的冷量不足。基于表面结构，殷平等[14]利用超疏水表面作辐射面板，其实验结果表明，在实验工况下，辐射板的表面凝露量较少，但作者对超疏水表面凝露产生的微观机理没有做出充分的论述。在对超疏水表面特性及其机理的深入研究中，李会娟等[15]利用一步变电压电化学阳极氧化法在铝的表面制备了纳米级超疏水表面，其表面孔径为120 nm左右，孔间距为160 nm，测得接触角大于160°，滚动角接近0°。实验结果表明，在高湿度条件下，该表面上的凝露时间明显延长，且轻微外力作用可使凝结水滑落表面，但作者缺少对超疏水表面凝露初期液滴形态变化的研究。HUANG等[16]采用溶液浸泡法，经氟化物修饰后在铜表面制备了微纳复合氧化铜结构。在冷表面温度为7 ℃、空气温度为27 ℃、相对湿度为46%的条件下，对比了超疏水表面与普通铜表面抗凝露效果。实验表明，在超疏水表面凝结的水滴呈现完美的球形，且其尺寸较小也更分散，但此研究缺少不同工况的对比。

综上所述，辐射板采用超疏水表面，省却了复杂的系统，延长了凝露时间，并具有利于液滴滑落的表面性能，是应对凝露问题的一个重要选择，但前人对凝露初期液滴的几何形态缺少定量研究，而初期阶段凝露的形态特征是分析辐射板表面结构、运行工况合理性的重要因素。本文选取了通过化学刻蚀结合喷涂超疏水涂料的方法制备出的铝基体超疏水表面，利用高速动态记录仪观测了铝基超疏水表面凝露初期液滴的凝结和凝并过程，分析了基底温度对凝结液滴几何尺寸和行为形态的影响，旨在为解决辐射供冷结露问题提供一定参考。

1 实验部分

1.1 实验器材

本实验所用的器材主要有：型号为XH-C1206的半导体制冷片（用于控制实验表面的基底温度）；型号为DC-1006的高精度低温恒温槽，温度范围-10 ℃～100 ℃，精度0.5 ℃，用于半导体制冷片热端散热；铜-康铜（T型）热电偶，测温范围为-40 ℃～350 ℃，精度±0.5 ℃，用于测量实验表面基底温度；型号为HS300214的高速动态记录仪，拍摄速度1,000帧/s。

1.2 实验过程

实验在环境室中进行，如图1所示。环境室主要的装置有：空气调节处理柜、制冷系统、加热加湿系统和电气控制系统。其温度的调节范围为-20 ℃～60 ℃，控制精度为±0.2 ℃；相对湿度的控制范围为30%～95%，控制精度为±2%。

图1 环境室示意图

图2为实验观测系统实物图。设定并使环境温湿度达到要求，再待基底温度达到实验所需温度，将被测样品（未经处理的裸铝表面和已制备的铝基超疏水表面）放置在半导体制冷片表面；为了防止实验开始前湿度对实验过程的影响，实验前在样品表面上放置塑料薄膜，在高速动态记录仪开始拍摄时，将塑料薄膜移除，利用高速动态记录仪（帧频为1,000 ftp）观测整个实验过程液滴形态变化。

图2 实验观测系统实物图

1.3 误差分析

实验中，可能存在着各种各样的误差，这里主要分析图像处理过程凝结液滴直径测量存在的误差。

凝结液滴的平均直径是通过统计图片中液滴的像素值得到的，在这个过程中不可避免存在一些误差。实验中通过钢尺1 mm的像素值来换算液滴的平均直径，在实验所采用的放大倍数下，放大后，钢尺1 mm包含810个像素点，在进行图像处理时，像素边界上有一定的误差，两端不超过20个像素，可以得到此时像素边缘引起的误差为：

式中：

δd1——试样边界处像素误差，个；

d1——试样所包含的像素点，个。

实验中凝露液滴直径主要集中在0.0377 mm～0.5211 mm，取液滴最小值0.0377 mm时，最小刻度值为0.0012 mm（1个像素点的长度值），那么测量的误差为：

式中：

δd2——凝露液滴直径测量误差，mm；

d2——液滴直径测量最小值，mm。

则液滴直径值的最大相对测量误差为：

2 实验结果及讨论

本实验中，控制环境室温度为30 ℃、相对湿度为60%，用显微镜观测基底温度为10 ℃时普通裸铝表面以及基底温度分别为5 ℃、10 ℃和15 ℃时超疏水表面的液滴凝结过程。图3列出0 s、300 s和500 s时刻裸铝表面的凝露图像，图4列出0 s、300 s和500 s时刻不同基底温度下超疏水表面凝结液滴图像，图4中左中右图分别为基底温度为15 ℃、10 ℃和5 ℃时表面液滴凝结图像，图中银白色为普通裸铝表面纹路，灰黑色为超疏水涂料颗粒，白色圆形是凝结液滴，部分液滴在图中用黄圈标出。拍摄的图片中，实际长度1 mm包含810个像素点，再通过图片中凝结液滴的像素可计算出液滴的直径，选取不同时刻10个凝结液滴，计算各直径的平均值，结果总结于图5。

由图3中不同时刻普通裸铝表面凝露微观图可以看出，在凝露初始0 s时刻遍布纹理和裸露的高能铝表面，凝露300 s后普通表面上已形成分块的连续水膜，凝露500 s后的水膜已连成一片滞留在表面上。

图3 普通裸铝表面在不同时刻的凝露图

图4(a)～4(c)分别为超疏水表面在凝露0 s、300 s和500 s时刻各自取15 ℃、10 ℃和5 ℃基底温度下的微观图。与图3中的形貌相比，图4各形貌图中均未出现连续水膜。由图4(a)可以看出，超疏水表面分布着大大小小的沟壑，微小尺寸的粗糙结构遍布在铝基体表面上。

从图4(b)可以看到，基底温度为15 ℃时，超疏水表面上只有很少量的凝结液滴，液滴的直径非常小，且其大小比较一致，液滴之间的距离较大，分布不均匀；当基底温度降到10 ℃时，水滴的直径有所增加；经测算，此时液滴的平均直径约为0.0398 mm，液滴的分布仍旧比较稀疏，相对于15 ℃基底温度情况，液滴的数量有一定增加；当基底温度进一步降到5 ℃时，液滴的平均直径增大到约为0.0453 mm，最大液滴直径约为0.0542 mm；相比前两种情况，液滴的数量明显增多，生长速度加快，超疏水表面上凝结水的覆盖面积也明显增大，且液滴基本以近似球形状态呈现，表现出良好的疏水性能。

图4 超疏水表面在不同时刻不同基底温度下液滴凝结图

随着凝露过程的进行，超疏水表面上液滴的尺寸增大越来越明显，如图4(c)所示。基底温度为15 ℃，凝露进行到500 s时，与300 s工况相比，超疏水表面上凝结液滴数量大幅度增加，液滴的平均直径由0.0330 mm增加到0.0640 mm，凝结水的覆盖面积明显增加。10 ℃时，经过500 s的液滴冷凝，超疏水表面冷凝液滴平均直径从0.0398 mm增加到0.0702 mm；液滴的直径大小不一，相对较密集地分布在超疏水表面。当基底温度值为5 ℃时，经过500 s冷凝后，冷凝的液滴发生凝并，液滴平均直径明显增大，由0.0453 mm增加到0.0758 mm，液滴最大直径达到0.0813 mm。凝并后使得原先被凝结水覆盖的区域变得“干”起来并保持良好的疏水性能，在这些区域上空气中的水蒸气，重新成核生成非常小的液滴，进入新一轮的凝结、凝并过程。

图5为超疏水表面在环境温度为30 ℃、相对湿度为60%工况下，基底温度分别为5 ℃、10 ℃和15 ℃时，凝结液滴平均直径随着凝露时间的变化图。图中标示出了每个凝结液滴直径测量的标准差。由图5可以直观看出，不同基底温度下凝露液滴平均直径均随时间的推移增大；而在同一时刻，基底温度越低，超疏水表面上凝结液滴的平均直径越大。这是因为在相同环境温湿度工况下，冷表面基底的温度越低，该条件下空气露点温度与之形成的温差越大，空气中液滴凝结成核所需要克服的成核能垒[17]越小，从而有更多的液滴凝结在冷表面上，也因为凝结液滴的数量增多，彼此间隔减少，更易于凝并现象的发生。凝并后的液滴可释放过剩的表面能，有实现微液滴自驱离的趋势[18]。

图5 不同基底温度下冷凝液滴平均直径随时间变化图

3 结论

在超疏水表面凝露初期，控制环境空气参数干球温度30 ℃和相对湿度60%不变，选择5 ℃、10 ℃和15 ℃这3个不同的基底温度，分别对铝基超疏水表面上0 s、300 s和500 s时刻的凝露形态进行了观测，并与10 ℃基底温度的普通裸铝表面凝露情况进行了对比。结果表明，不同于在裸铝表面上形成的连续水膜，在超疏水表面上凝露液滴形成后稀疏地分布于表面，凝结水滴呈现出球状不形成连续水膜，这说明该超疏水表面在凝露初期保持着良好的疏水性能，有利于液滴的滑落；另外，随着基底温度的降低，超疏水表面液滴生成速度加快，凝露量增多，液滴尺寸呈现增大；具有较低基底温度的超疏水表面更早出现了液滴凝并的现象，增加了表面凝露更快实现自驱离的可能。因此，在满足供冷效果的温度范围内，较高的辐射板基底温度可更有效地延缓凝露尺寸和数量的增长，而较低的基底温度则可能实现更快速的排湿、换热，可根据实际需要合理选择。

[1] 康宁, 宣永梅, 殷清海. 辐射供冷现状及发展趋势[J].建筑节能, 2009, 37(5): 74-76.

[2] 汪德龙, 武卫东, 陈小娇. 金属基体超疏水表面抗凝露抗结霜特性的研究进展[J]. 制冷技术, 2015, 35(1): 41-47.

[3] JOHN K M. Radiant heating, radiant cooling[M]. New York: School of Architecture, Prat Institute, 1954.

[4] 李炅, 张秀平, 贾磊, 等. 辐射供冷关键技术的分析与讨论[J]. 制冷技术, 2013, 33(3): 16-20.

[5] SONGA D, KIMB T, SONGC S, et al. Performance evaluation of a radiant floor cooling system integrated with dehumidified ventilation[J]. Applied Thermal Engineering, 2008, 28(11): 1299-1311.

[6] 李常河, 李永安, 刘学来, 等. 地板辐射供冷系统地面温度的确定[J]. 低温建筑技术, 2005(2): 94-95.

[7] 王晋生. 加装长波高透过性薄膜的冷却顶板/置换通风系统实验与模拟[D]. 上海: 同济大学, 2005.

[8] 孔祥雷, 张小松, 路诗奎. 辐射供冷空调结露问题的研究现状及其对策[J]. 建筑热能通风空调, 2008, 27(1): 20-23.

[9] 朱备, 翟晓强, 尹亚领, 等. 毛细管辐射供冷的换热及结露特性的实验研究[J]. 制冷技术, 2013, 33(4): 5-10.

[10] ZHANG L Z, NIU J L. Indoor humidity behaviors associated with decoupled cooling in hot and humid climates[J]. Building and Environment, 2003, 38(1): 99-107.

[11] 李先中, 刘传聚, 王子介. 置换通风对地板供冷的影响[J]. 制冷技术, 2004, 24(1): 37-39.

[12] STANLEY A M. Condensation issues with radiant cooling panels[G]// ASHRAE. IAQ Applications/Fall, American: ASHRAE, 2001.

[13] 杨芳. 金属辐射冷却顶板的研究及其应用[D]. 长沙:湖南大学, 2005.

[14] 殷平, 沈国励, 王桦. 超疏水表面防凝露[J]. 暖通空调, 2006, 36(4): 50-56.

[15] 李会娟. 超疏水铝箔的可控制备及抗凝露抗结霜性能研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2013.

[16] HUANG L, LIU Z, GOU Y L Y. Preparation and anti-frosting performance of super-hydrophobic surface based on copper foil[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011, 50(4): 432-439.

[17] 杨剑. 抑制结霜的实验研究和霜层生长的模拟与预测[D]. 南京: 东南大学, 2006.

[18] POMEAU Y. Représentation de la ligne de contact mobile dans les équations de la mécanique des fluides[J]. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences - Series IIB - Mechanics, 2000, 328(5): 411-416.

Experimental Study on Initial Morphology of Condensation on Aluminum Based Super-hydrophobic Surface

WU Weidong*, LWandou , WANG Delong
(Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Based on super-hydrophobic surfaces of aluminum substrate at three different substrate temperatures of 5oC, 10oC and 15oC, the droplet formation and coagulation process on the surfaces at early condensation stage were observed by a high-speed dynamic recorder. The diameter of droplets was calculated according to the pixel, and the hydrophobic properties were evaluated correspondingly. Experimental results show that, at early condensation stage on the super-hydrophobic surface, the condensate droplets distribute sparsely, not forming a continuous film of water, and the surface exhibits good hydrophobic properties within the studied substrate temperatures; the droplet formation rate is accelerated and the number of droplets is increasing with the decrease of substrate temperature; moreover, the droplet coagulation occurs earlier on the surface with lower substrate temperature, and the coagulated droplets tend to possess the ability of self-propelling, leading to forming the new dry surfaces and maintaining good hydrophobic properties. The research results may provide a reference for the optimal selection of super-hydrophobic radiation plate and surface temperature conditions.

Super-hydrophobic surface; Aluminum alloy; Condensation; Radiation plate

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.103

*武卫东（1973-），男，教授，博士。研究方向：制冷新技术。联系地址：上海市军工路516号动力学院一办317，邮编：200093。联系电话：13917527018。E-mail：ussstwwd@163.com。

本论文选自2016年第九届全国制冷空调新技术研讨会。