自然对流条件下冷表面结霜的实验研究

(大连理工大学能源与动力学院 大连 116024)

结霜现象广泛存在于空调、航空航天、低温制冷等领域，是一种常见的物理现象。换热设备结霜后，会产生很多危害，例如降低传热性能，堵塞气体通道，增加阻力和能耗，但是结霜往往可以避免，因此充分了解结霜机理，研究霜层的生长规律，有效抑制结霜的方法对工业生产和生活至关重要。

Y. Hayasi等[1]将结霜过程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。吴晓敏等[2]从形核的概念出发，揭示了增大接触角可以提高成核势垒，使新相更难形成。一些学者针对单个水滴的冻结过程进行了研究。如M. H. Kim等[3-4]研究了水滴冻结过程内部温度的变化，并将水滴冻结过程分为4个阶段。Huang Lingyan等[5]研究了自然对流条件下接触角对水滴冻结过程的影响，发现水滴接触角越大，冻结时间越长。黄玲艳等[6]研究发现冷表面温度越低，水滴冻结后其顶端越容易出现枝状霜晶生长。

H. Kim等[7]实验研究了不同表面接触角上结霜早期阶段的成核行为。Wu Xiaomin等[8]研究了不同结霜条件下接触角为56°和110°冷表面上的结霜过程，从成核自由能的角度，解释了水滴的凝结更易发生于表面接触角较小的冷表面的原因。徐文骥等[9]采用中性的电解液，利用电化学加工技术和氟化处理制备出的铝基超疏水表面，接触角达160°。Liu Zhongliang等[10]研究了表面温度为-10.1 ℃，相对湿度为40%，超疏水表面上霜的生长过程。研究发现在该条件下，超疏水表面可以延迟结霜长达55 min。

Wu Xiaomin等[11]研究了表面温度在-20～0 ℃条件下霜晶形状，并将初始霜晶的形状分为4类。侯普秀等[12]研究发现冷表面温度和空气的相对湿度对霜层生长初期的影响最大。马强等[13]研究了相对湿度为85%条件下，表面特性对水珠冻结和霜层生长的影响，发现疏水表面有延迟结霜的性能。吴晓敏等[14]研究了霜层生长过程中的各界面演变现象，理论分析了形成不同初始霜晶形状的原因。M. Song等[15]总结了结霜特性的计算和测量方法。B. Na等[16]对冷表面上霜的形成过程进行了机理分析。以上文献主要侧重于环境相对湿度为40%～90%时，水滴冻结和霜层生长的研究，而对很多工业生产中相对湿度低于40%，疏水表面的抑霜效果研究较少，且对不同特性表面上霜晶的演变过程尚未充分揭示。

本文对自然对流条件下冷表面上霜层的生长进行微观可视化研究，当空气的相对湿度为26%，表面温度为-26 ℃时，研究了疏水表面和裸铝表面的抑霜效果，对比分析了不同特性表面上霜晶的演变过程。

1 实验装置和方法

图1所示为冷表面上霜晶生长过程的可视化显微成像实验台。实验台包括制冷系统、显微可视化观测系统和数据采集系统。制冷系统由恒温水箱和板式换热器组成。显微可视化观测系统包括计算机、冷光源、CCD摄像机、体式显微镜和图像采集卡。数据采集系统包括热电偶、数据采集器和计算机。恒温水箱的运行温度范围为-40～100 ℃，误差为±0.5 ℃，载冷剂为乙二醇溶液。采用K型热电偶测量实验表面温度，触点直径为0.254 mm，修正后测量误差为±0.1 ℃。在铝板内加工了4个凹槽，用来均匀布置热电偶，以便更准确地获得冷表面温度，冷表面温度取4个热电偶的平均值。整个实验段放置在换热器焓差实验室内，以保证空气温度和湿度恒定。

图1 可视化显微成像实验台Fig.1 Visual microscopic imaging laboratory bench

实验对象包括未经过处理的裸铝表面(接触角78°)、铝基疏水表面(接触角141°)和铝基亲水表面(接触角26°)。采用化学刻蚀方法制备亲水表面，采用氟硅烷修饰经过化学刻蚀制备疏水表面。

实验采用微观可视化观测方法，在相对湿度较低的条件下，对比研究了疏水表面和裸铝表面的结霜过程，并分析了裸铝表面、疏水表面和亲水表面这3种特性表面上霜晶的初始形态及演变过程。

2 实验结果与分析

2.1 两种特性表面结霜对比

根据相变动力学理论，在一定过冷度下，水蒸气分子因涨落不断在冷壁面上凝聚成液核，但只有当半径大于临界半径时，液核才能存活，才能自发凝聚水蒸气分子而长大，任何半径小于临界半径的液核都不能生存。生成临界液核所引起的系统吉布斯自由能变化称为生成液相的能障，即只有越过成核能障，新相晶核才能生成并自发长大。

球冠形液滴在平壁面生成时，系统吉布斯自由能的变化量的表达式[17]为：

(1)

式中：Ωs为单个分子的体积，m3；σlv为气液界面表面张力，N/m；Δg为单个水蒸气分子转变为液态水或晶体时所引起的吉布斯自由能的降低，J/m3；θ为接触角，(°)。

f(θ)为关于θ递增的函数：

(2)

G关于r的极值：

(3)

可得临界成核半径和形成临界液核所需要克服的能障ΔGc的计算公式：

(4)

(5)

只有当活化液核半径r>rc时，水蒸气分子才能在冷壁面上凝聚成液核而形成冷凝液滴。

由式(5)可知，ΔGc的大小和接触角有关，由式(2)可知，表面接触角越大，f(θ)越大，水蒸气在冷表面上发生气液相变达到临界半径所需要的吉布斯自由能变化ΔGc越大，成核势垒越高，越难形成液核，冷凝液滴也就更难形成。

整个结霜过程可分为4个阶段[4]：1)水滴凝结阶段；2)凝固的液滴上尖端生长阶段；3)霜层生长阶段；4)霜层充分生长阶段。

图2 表面温度为-10 ℃时，裸铝表面(左)和疏水表面(右)上霜层的生长过程对比Fig.2 The comparison of the frost growth between bare aluminum surface (left) and hydrophobic surface (right) at the surface temperature of -10 ℃

图2所示为当表面温度Tw=-10 ℃，空气温度为20.5 ℃，相对湿度为26%时，两种特性表面上霜层生长过程对比。左侧为裸铝表面，右侧为疏水表面。由式(5)可知，ΔGc的大小和接触角有关，当接触角为78°时，f(θ)=0.346，当接触角为141°时，f(θ)=0.965，可知在疏水表面上形成临界液核所需要克服的能障大小ΔGc约为裸铝表面的3倍，因此在疏水表面上成核更困难。由图2可知，在疏水表面上出现凝结水珠的时刻比裸铝表面晚，这与公式分析得到的结论相吻合。当实验进行40 min时，普通裸铝表面上已经形成致密的霜层，而在疏水表面上水滴才刚刚被完全冻结。实际上，当实验进行5 min时，疏水表面上才开始出现少量的水滴，水滴保持不冻结的状态34 min，相同的时间段内，裸铝表面已经被霜层覆盖。与裸铝表面相比，疏水表面上的水滴近似球形，且形成的水滴分布更分散，当相对湿度为26%时，疏水表面仍具有较好的抑霜效果。

图3所示为表面温度Tw=-18 ℃，空气温度为20.5 ℃，相对湿度为26%时，两种特性表面上霜层的生长过程对比。由图3可知，疏水表面抑霜效果较好，形成的霜层更疏松。

图3 表面温度为-18 ℃时，裸铝表面(左)和疏水表面(右)上霜层生长过程对比Fig.3 The comparison of the frost growth between bare aluminum surface (left)and and hydrophobic surface (right) at the surface temperature of -18 ℃

初始结霜水滴的平均直径计算为：

(6)

实验采用Olympus easy显微镜测量软件来测量冷表面上水滴占据的面积，根据式(6)计算可得，Tw=-10 ℃，裸铝表面上初始结霜水滴的平均直径为49.61 μm，疏水表面上水滴平均直径为43.62 μm。其它条件相同时，Tw=-18 ℃，计算得到裸铝表面上初始结霜水滴直径为39.36 μm，而疏水表面上水滴平均直径为22.47 μm，仅是裸铝表面上初始结霜水滴直径的57%。

对比图2和图3可知，在其他实验条件相同的条件下，对于同种类型的表面，与当Tw=-10 ℃相比，当Tw=-18 ℃时，表面上凝结水滴的尺寸小很多，且水滴开始冻结的时间更早。原因是Tw较低时，相变驱动力大，水滴被冷表面所带走的热量越多，冷表面的水滴还来不及长大就发生冻结。

图4所示为当表面温度不同时，裸铝表面和疏水表面上霜层厚度的对比。实验条件：相对湿度维持为26%，环境温度为20.5 ℃。由图4可知，当Tw=-10 ℃时，60 min后，疏水表面上霜层厚度仅为0.2 mm，而在裸铝表面上实验进行到10 min，表面就布满了霜晶，60 min后，霜层厚度约为0.35 mm。疏水表面上霜层更疏松，更容易去除。当Tw=-18 ℃时，疏水表面仍然有较好的抑霜效果，60 min后，疏水表面上的霜层厚度仅为裸铝表面上霜层厚度的68%。当Tw=-26 ℃时，整个霜晶生长过程中，疏水表面上霜层厚度与裸铝表面上霜层厚度相差不大。不同的表面接触角主要影响第一阶段即水滴凝结阶段。当Tw=-26 ℃时，水滴凝结阶段的时间很短，冷表面上凝结的水滴很快被冻结了，表面特性对水滴凝结过程影响很小，所以两种特性表面上霜层厚度接近。

图4 裸铝表面和疏水表面上霜层厚度的对比Fig.4 The contrast of frost thickness between bare aluminum surface and hydrophobic surface

2.2 不同特性表面霜晶的初始形态对比

图5所示为当空气温度为20.5 ℃，相对湿度为26%，Tw=-26 ℃时，不同特性表面初始霜晶的形状演变过程。由图5可知，3种不同特性表面上，霜晶的形态差异明显。裸铝表面的初始霜晶形状呈现枝状，接着演变为冠柱状，逐渐向羽毛状转变；疏水表面的初始霜晶沿着水平方向平铺着向四周延伸，呈现稠密的枝状，霜晶逐渐向片状转变；亲水表面的初始霜晶为针状，与其它两种表面显著不同，接着向鞘状转变，逐渐变为片状霜晶。

图5 表面温度-26 ℃时，3种特性表面初始霜晶形状演变过程Fig.5 The evolutionary processes of initial frost crystals with three characteristic surfaces at the surface temperature of -26 ℃

当相对湿度为26%，表面温度相同时，不同表面上霜晶形状的差异由表面接触角决定，导致凝结水滴冻结后的热阻不同。在疏水表面上形成的水滴近似球形，在裸铝表面凝结的水滴为球缺状，而在亲水表面上水蒸气凝结为薄薄的一层水膜。相比于裸铝表面，在疏水表面出现枝状霜晶更加稠密，逐步向片状霜晶转变。在亲水表面上，表面接触角小，热阻较小，霜晶在竖直方向上生长很快。因此，在亲水表面初始霜晶主要呈现针状，未观察到较明显的霜晶分支，随着空气中水蒸气向霜晶扩散凝华，针状霜晶从顶部向底部逐渐向片状霜晶转变。

3 结论

本文采用了微观可视化观测方法，研究了相对湿度为26%条件下，裸铝表面和疏水表面的抑霜效果，对比分析了不同特性表面上时霜晶的演变过程，得到如下结论：

1)在相对湿度为26%的较低相对湿度条件下，疏水表面相比于裸铝表面仍然有明显的抑霜效果。实验表面温度为-10 ℃时，相比于裸铝表面，疏水表面可以延迟结霜29 min；当温度进一步降低为-18 ℃，实验进行60 min，疏水表面上的霜层厚度仅为裸铝表面上霜层厚度的68%。且疏水表面上过冷水滴存续时间更长，粒径更小。

2)当表面温度为-26 ℃时，3种特性表面初始霜晶的形态和演变过程有较大差异。相比于裸铝表面，在疏水表面会出现更多的沿着水平方向平铺着向四周延伸的霜晶，形成了更稠密的枝状，接着向片状转变。而亲水表面，初始霜晶主要呈现针状，霜晶分支较少，随着空气中水蒸气向霜晶扩散凝华，针状霜晶从顶部向底部逐渐转变为片状霜晶。