不同涂层表面对结霜过程影响的实验研究

刘祥红 刘湘云 刘良德 陈观生 李沛师

广东工业大学材料与能源学院

0 引言

结霜是一种常见的自然现象，是不可避免的。当湿空气与冷表面接触时，且冷表面的温度低于湿空气的露点温度，空气中的水蒸气就会析出来，从而“附着”在冷表面上；如果冷表面的温度同时还低于水的三相点温度（273.16 K）[1]，在冻结液的表面将会形成霜晶并逐渐增厚最终形成霜层。但是室外线圈表面结霜是不可避免的，它总是发挥着负面作用[2]。结霜的负面作用主要体现在两个方面一方面，一是霜是热的不良导体，蒸发器表面霜层越厚，热阻越大，霜层的存在降低了换热器效率，压损增加，降低了系统的COP 和采暖能力，并可能导致其关闭[3]。二是霜层的存在也增加融霜能耗和系统的维护、管理费用。因此，为了解决空气源热泵的除霜问题，提高传热效率，就有必要研究结霜机理、特性，以及如何延缓结霜的方法和防结霜[4-6]、除霜方法[7-11]及控制策略等，学者们也得到很多研究成果。

本论文即是研究涂层对霜层的生长过程及影响因素，通过改变环境参数，从而得到不同条件下的结霜速率及生长情况，从而为抑制霜层的生长提供一些参考依据。

1 实验原理图

本实验的简单原理图如图1 所示，翅片样品放置于一个密闭透明的有机玻璃当中，背面贴有三块规格为40 mm×40 mm 的半导体制冷片，热端与冷端最大温差可达70 ℃以上，其最低制冷温度可达到-55 ℃。制冷片的热端热量用冷却水通过水冷板冷却。其余的辅助设备包括温湿控仪、摄像仪、计算机、电子天平、红外热像仪等。

图1 实验原理简图

实验中所用的三种翅片编号分别为1 号铝箔翅片（普通铝箔翅片）、2 号铝箔翅片（普通涂层铝箔翅片）、3 号铝箔翅片（纳米材料涂层铝箔翅片），规格均为40 mm×120 mm。实验中用来测量霜层质量的电子天平型号为SHC5，其精确度为0.1 g，误差为±0.2 g，能够保证实验数据的准确性。半导体制冷片的表面温度用红外热像仪测量，型号为testo872，可测量翅片表面各个点位的精确温度。测量范围-30 ℃～100 ℃，精度±2 ℃。

2 材料表面结霜性能测试

2.1 实验分组

为了便于对比分析，测试试样分别位于同一个密闭的空腔内，三个样品竖向整齐排列在一块制冷板上。空腔内的湿度可以通过加湿器调节。

为了更好地研究不同表面涂层对结霜过程的影响，特地做了如下两组不同的工况下的实验：①空腔内温度为18 ℃，空气相对湿度为60%，制冷片表面温度保持恒定-15 ℃；②空腔内温度为18 ℃，空气相对湿度为70%，制冷片表面温度保持恒定-15 ℃。每一个工况对三个样品的测试。

2.2 同一环境下铝箔结霜质量变化曲线

当测试环境温度为18 ℃，相对湿度为60%，制冷片表面温度保持-15 ℃时，由图2 可发现，随着时间的增加，三种铝箔结霜的质量也越来越大，截止结霜时间大约为120 min，且明显地看到结霜的速率比较快，结霜截止时间也比较长。经过实验，经过2 h 后，1 号铝箔翅片的结霜质量比2 号铝箔翅片的结霜质量要多1.4 g；而比3 号铝箔翅片要多3.6 g。

图2 T=18 ℃，RH=60%不同涂层铝箔的结霜质量

当测试环境温度为18 ℃，相对湿度为70%，制冷片表面温度保持-15 ℃时，由图3 可知经过2 个小时后，1 号铝箔翅片的结霜质量比2 号铝箔翅片的结霜质量要多1.5g；而要比3 号铝箔翅片多4.1g。

图3 T=18 ℃，RH=70%不同涂层铝箔的结霜质量

2.3 不同环境下同一铝箔的结霜质量变化曲线

当测试环境温度为18 ℃，制冷片表面温度保持-15 ℃不变时，而相对湿度分别为60%和70%时，1 号铝箔翅片结霜质量变化曲线如图4 所示，到了各自的截止结霜时间后，相对湿度为70%的情况下比相对湿度为60%的情况下1 号铝箔翅片结霜质量多2.1 g。

图4 T=18 ℃，RH=60%和RH=70%1 号铝箔的结霜质量

当测试环境温度为18 ℃，制冷片表面温度保持-15 ℃不变时，而相对湿度分别为60%和70%时，2 号铝箔的结霜质量变化曲线如图5 所示，到了各自的截止结霜时间后，相对湿度为70%的情况下比相对湿度为60%的情况下2 号铝箔翅片结霜质量多了2.0 g。

图5 T=18 ℃，RH=60%和RH=70%2 号铝箔的结霜质量

图6 T=18 ℃，RH=60%和RH=70%3 号铝箔的结霜质量

当测试环境温度为18 ℃，制冷片表面温度保持-15 ℃不变时，而相对湿度分别为60%和70%时，3 号铝箔的结霜质量变化曲线如图6 所示，到了各自的截止结霜时间后，相对湿度为70%的情况下比相对湿度为60%的情况下3 号铝箔翅片结霜质量多了1.6 g。

3 结论

由实验曲线可知，当铝箔表面经过涂覆不同的抑霜涂层后，相比于没有涂层的铝箔表面，结霜的结霜截止时间明显减少。对比在同一环境下的三种铝箔翅片，无论是从结霜的速率还是从最后的结霜质量来看都是要低于1 号铝箔翅片。尤其是最终的结霜质量在环境温度为18 ℃，相对湿度为60%的条件下，结霜质量2 号铝箔翅片比1 号铝箔翅片减少6%，而3 号铝箔翅片减少15%。在环境温度为18 ℃，相对湿度为70%的条件下，结霜质量2 号铝箔翅片比1 号铝箔翅片减少5.8%，而3 号铝箔翅片减少16%。2、3 号表面具有抑霜涂层，其对材料表面抑制霜层的生长有了显著的改善。