冷表面温度对超疏水翅片结霜特性与抑霜性能的影响

汪 峰 汤 锐 王志豪 杨卫波 高 昂

（1 扬州大学电气与能源动力工程学院 扬州 225127；2 广东欧科空调制冷有限公司 东莞 523516）

空气源热泵因兼具制冷与制热、节能环保等优点，被广泛用于建筑空调冷热源，其应用对实现我国建筑领域“碳中和”起着重要作用。但空气源热泵冬季制热运行时，室外翅片管换热器表面存在结霜问题[1-3]。霜层的生长导致热泵机组工作状况恶化、制热性能衰减，严重影响制热效率与运行稳定性[4-6]。翅片表面经超疏水改性后可延迟结霜初始凝结液滴形成与冻结以及霜晶传递，从而抑制霜层生长[7-10]，为解决空气源热泵结霜问题提供了有效途径。因而揭示超疏水翅片的结霜特性与抑霜机理，已成为抑霜研究的前沿热点。

冷表面温度是影响结霜过程的重要因素之一。Cui Jing等[11]通过建立三维晶格玻尔兹曼模型研究了冷表面温度对超疏水表面结霜过程的影响，结果表明，冷表面温度越低，结霜速率、霜层厚度和结霜量越大。王伶俐[12]实验研究了冷表面温度对结霜初期凝结液滴冻结的影响，结果表明，随着冷表面温度的降低，液滴冻结时间越早，且冻结波的传播速度越快。鲁祥友等[13]研究了冷表面温度对超疏水表面霜层生长的影响，当冷表面温度达-15 ℃时，实验进行10 min后超疏水表面的霜层厚度是普通表面的66%。苏伟等[14]实验研究了换热器表面温度对超疏水换热器结霜特性的影响，结果表明，随着换热器表面温度的降低，霜层增长速度加快，水蒸气过饱和度增加以及传热温差增大是结霜速度加快的主要原因。结霜过程包括液滴凝结与冻结、霜晶传递、霜层生长等诸多演化阶段[15]，现有研究揭示了冷表面温度对超疏水翅片结霜过程某一阶段特性的影响规律，且多数实验结霜环境工况为常温工况，与空气源热泵冬季运行的实际工况不相符。

现有研究表明，随着冷表面温度的降低，普通表面的结霜速率和霜层厚度显著增加，霜层粗糙度和霜晶形态也会发生变化。王伟等[16]对表面温度变化下的结霜特性进行研究，结果表明，表面温度在-3.5～19.7 ℃范围内降低时，结霜速率逐渐升高而霜层密度逐渐减小。N. Niroomand等[17]实验研究了冷表面温度对霜层粗糙度的影响，随着冷表面温度降低，霜层具有更高的平均粗糙度和粗糙度偏度。Wu Xiaomin等[18]发现冷表面温度是影响霜晶形状的主要因素，当冷表面温度由0 ℃降至-20 ℃时，初始霜晶形态由不规则晶体向片状、针状和羽毛状转变。超疏水翅片在不同冷表面温度下的结霜特性是否和普通翅片相似，冷表面温度对其抑霜性能有何影响需要进一步研究。为此，本文通过搭建可视化结霜实验系统对不同冷表面温度下超疏水翅片的结霜过程进行研究，并与未经表面处理的裸翅片进行对比，旨在揭示冷表面温度对超疏水翅片结霜特性与抑霜性能的影响规律。

1 实验装置

1.1 超疏水翅片的制备与表征

本实验中超疏水翅片的制备过程如图1所示，步骤如下：1）预处理，将铝箔依次放入丙酮、去离子水和无水乙醇中，分别用超声波清洗10 min后干燥；2）制备超疏水涂层，将SiO2溶胶加入至无水乙醇、去离子水和氨的混合物中，在搅拌混合物10～20 min后，加入TEOS（原硅酸四乙酯，C8H20O4Si）和PFDTS（全氟癸基三氯硅烷，C16H19F17O3Si）溶液，连续搅拌混合溶液获得SiO2超疏水涂层；3）涂层喷涂，将SiO2涂层放入直径为0.3 mm的喷枪中，均匀喷涂在铝箔表面，涂层厚度约为25 μm[19]。超疏水翅片的表面特性由表面接触角和滞后角表征。将超疏水翅片水平固定在测量平台上，将3 μL去离子水置于其表面。静态液滴通过imageView软件拍摄，测量表面接触角。选取表面4个不同的位置进行测量，并以4次测量的平均值作为接触角。4个位置的接触角差值不超过3°，表明超疏水表面具有良好的均匀性。缓慢倾斜平台记录前进角和后退角，液滴离开翅片表面时前进角和后退角的差值为滞后角。通过测量，超疏水翅片的接触角为（161.47±1）°，前进角为（162.15±1）°，后退角为（160.85±1）°，滞后角为（1.30±1）°。

图1 超疏水翅片的制备流程Fig.1 Preparation process of superhydrophobic fins

图2 实验装置Fig.2 Experimental device

1.2 实验系统

结霜实验装置如图2所示。装置包括可调速风机、翅片管换热器、恒温槽、超声波加湿器、冷台、CCD摄像仪、显微镜和电脑。可调速风机用于调节湿空气的进口风速，通过翅片管换热器（制冷剂为乙二醇水溶液，乙二醇与水的配比为2∶5，凝固点为-22.9 ℃）和超声波加湿器对湿空气进行冷却和加湿。冷台用于调节翅片的表面温度，使翅片在设定的温度下结霜。冷台采用SLTD1-600 S高精度半导体恒温测试系统，温度可通过控制面板进行调节和控制，温度范围为-30～60 ℃。采用恒温槽制取冷却水对冷台热端进行散热。实验前，将冷台竖直放置，使用导热硅脂将超疏水和裸翅片粘贴在冷台上。CCD摄像仪和显微镜分别从正面和侧面拍摄超疏水和裸翅片的结霜图像。

1.3 实验工况

为研究超疏水翅片在不同冷表面温度的结霜特性和抑霜性能，本文共设计了8组结霜工况，环境温度和相对湿度均为10 ℃和65%，参数如表1所示。采用温湿度传感器测量局部结霜环境的温湿度，温度测量精度为±0.3 ℃，湿度测量精度为±2%。

表1 结霜实验工况Tab.1 Frosting experiment conditions

图3 不同冷表面温度下超疏水翅片凝结液滴生长与冻结过程Fig.3 Growth and freezing of condensate droplets on superhydrophobic fin at different surface temperatures

2 实验结果与分析

2.1 结霜初始阶段

图3所示为不同冷表面温度下超疏水翅片表面结霜初始阶段凝结液滴的生长与冻结过程。由图3可知，随着冷表面温度的降低，凝结液滴冻结时间越早，而液滴完全冻结时的表面覆盖率越大。当冷表面温度为-5 ℃和-10 ℃时，液滴尺寸随冷表面的降低而增大，液滴冻结速度较慢；而当冷表面温度为-15 ℃和-20 ℃时，液滴尺寸小且密集，超疏水翅片表面出现区域性冻结，分别在115 s和75 s完全冻结。超疏水翅片表面液滴完全冻结时表面覆盖率随着冷表面温度降低而升高，冷表面温度为-20 ℃的表面覆盖率最高。

图4所示为不同冷表面温度下超疏水翅片表面凝结液滴的冻结时间。凝结液滴开始冻结、冻结50%和完全冻结的时间均随冷表面温度的降低而缩短。当冷表面温度为-5 ℃时，开始冻结、冻结50%和完全冻结时间分别为1 800、2 040、2 220 s。当温度降至-10、-15、-20 ℃时，液滴分别在265、55、18 s开始冻结，在340、115、75 s完全冻结。相比冷表面温度为-5 ℃，液滴完全冻结时间分别缩短了1 880、2 105、2 145 s。可知，冷表面温度越高，凝结液滴冻结越晚。

图4 不同冷表面温度下超疏水翅片凝结液滴的冻结时间Fig.4 Freezing time of condensate droplets on superhy-drophobic fin at different surface temperatures

图5所示为超疏水翅片和裸翅片表面液滴完全冻结时表面覆盖率随冷表面温度的变化。表面覆盖率测量方法如下：利用Photoshop对凝结液滴的图像进行单色分离，将处理后的图像导入Image-pro-plus软件中，计算液滴面积和平均直径，从而获得液滴对翅片表面的覆盖率。超疏水翅片表面的覆盖率随冷表面温度的降低而升高。当冷表面温度为-5、-10、-15、-20 ℃时，超疏水翅片表面液滴完全冻结时的覆盖率分别为59.8%、67.9%、76.5%和86.2%。裸翅片在不同冷表面温度下的表面覆盖率均超过80%，其中冷表面温度为-15 ℃时最高，达到90%。

图5 液滴完全冻结时表面覆盖率随冷表面温度的变化Fig.5 Variation of surface coverage with cold surface temperature when droplets completely frozen

出现上述现象的主要原因是：1）随着冷表面温度降低，液滴冻结时间缩短。当冷表面温度降至-15 ℃和-20 ℃，液滴在115 s和75 s完全冻结，没有足够的时间使液滴合并弹跳，导致冻结液滴覆盖率增大；而当冷表面温度为-5 ℃和-10 ℃，超疏水翅片表面液滴冻结时间较晚，液滴有充足的时间生长合并发生弹跳。2）随着冷表面温度的降低，晶核的临界半径越小，晶核越密集。

晶核的临界半径与水蒸气的过饱和度有关：

（1）

式中：rc为临界半径，m；σ为气液表面张力，J/m2；ρc为液体密度，kg/m3；R为气体常数，J/（mol·K）；Tw为冷表面温度，K；ps为主流湿空气中水蒸气分压力，Pa；pw为对应冷表面温度下的饱和蒸汽压，Pa。

令α=ps/pw为过饱和度，本文中ps=797.61 Pa，当冷表面温度为-5、-10、-15、-20 ℃时，pw分别为421.42、286.22、191.14、125.38 Pa。由此可得不同冷表面温度对应的过饱和度分别为1.89、2.79、4.17、6.36。取σ=0.077 J/m2，将上述数据代入式（1）可得不同冷表面温度下的临界半径分别为108.0、68.3、50.5、39.6 nm。由上述可知，水蒸气的过饱和度越大，晶核的临界半径越小，出现临界核的概率越大，所以晶核越密集，有利于提高液滴冻结时的覆盖率。

图6 不同冷表面温度下的凝结液滴冻结模式Fig.6 Condensate droplet freezing patterns at different surface temperatures

图6所示为不同冷表面温度下的液滴冻结模式。当冷表面温度为-5 ℃时，液滴冻结模式以吸收冻结（图中红色圆圈）为主，并伴随少量接触冻结（图中黄色圆圈）。当发生吸收冻结时，液滴位置发生变化，且移动、冻结和吸收行为几乎同时发生。这种冻结模式导致后续冰桥的扩散需要更长时间才能达到后面的液滴，能够起到延缓液滴冻结传递的作用。当冷表面温度为-10 ℃时，冻结模式以接触冻结（图中黄色圆圈）为主，并伴随少量吸收冻结（图中红色圆圈）。当冷表面温度为-15 ℃和-20 ℃时，冻结模式为接触冻结，且为区域性冻结，冻结速度较快。接触冻结发生时，液滴位置不发生变化，对冰桥传播到后面的液滴产生有利条件。冰桥的生长速率与冷表面的过冷度有关，过冷度越大，冰桥生长速率越快，液滴冻结速度也越快。当过冷度为-15 ℃（冷表面温度为-5 ℃）时，液滴从开始冻结至完全冻结需420 s，而当过冷度降至-30 ℃（冷表面温度为-20 ℃）时，液滴从开始冻结至完全冻结仅需57 s。

2.2 霜层生长阶段

图7所示为不同冷表面温度下的霜晶初始形态。当冷表面温度为-5 ℃和-10 ℃时，超疏水翅片和裸翅片表面的霜晶均呈柱状，但超疏水翅片表面相对疏松，裸翅片表面较密集。当冷表面温度为-15 ℃和-20 ℃时，超疏水翅片和裸翅片表面的晶体均呈树枝状，超疏水翅片表面霜晶细长且疏松，裸翅片表面霜晶高大且密集。

图7 不同冷表面温度下霜晶初始形态Fig.7 Initial morphology of frost crystals at different surface temperatures

图8所示为超疏水翅片和裸翅片表面霜层厚度随时间的变化。通过取霜层表面5个不同位置的霜层厚度的平均值作为平均霜层厚度。超疏水翅片表面的抑霜性能可以通过霜层厚度直观反映。由图8可知，当结霜45 min，冷表面温度为-5、-10、-15、-20 ℃时，超疏水翅片表面的霜层厚度分别为0.26、0.44、0.53、0.67 mm，裸翅片表面的霜层厚度分别为0.33、0.46、0.56、0.84 mm，超疏水翅片表面的霜层厚度为裸翅片表面的78.8%、95.6%、94.6%、79.8%。当冷表面温度相同时，裸翅片表面的霜层厚度要大于超疏水翅片表面；当冷表面温度变化时，超疏水翅片表面和裸翅片表面的霜层厚度均随着冷表面温度的降低而增加，且裸翅片表面的霜层厚度大于超疏水翅片表面。表明超疏水翅片在不同冷表面温度下均具有抑霜效果。

图8 不同冷表面温度下霜层厚度随时间的变化Fig.8 Variation of frost layer thickness with time under different surface temperatures

3 结论

本文实验研究了不同冷表面温度下超疏水翅片的结霜过程，揭示了冷表面温度对超疏水翅片结霜特性与抑霜性能的影响规律，得到如下结论：

1）超疏水翅片表面结霜初始凝结液滴的开始冻结、冻结50%和完全冻结时间随冷表面温度的降低而缩短。相比-5 ℃，当冷表面温度为-10、-15、-20 ℃时，液滴完全冻结时间分别缩短1 880、2 105、2 145 s。

2）随着冷表面温度降低，晶核的临界半径越小，晶核越密集，从而增加了冻结液滴对表面的覆盖率。当冷表面温度由-5 ℃降至-20 ℃时，液滴冻结模式由吸附冻结转变为接触冻结，且出现区域性冻结。

3）随着冷表面温度的降低，超疏水翅片表面的霜晶由柱状转变为细长疏松的枝状，而裸表面霜晶高大且密集。结霜45 min后，超疏水翅片在冷表面温度为-5、-10、-15、-20 ℃时的霜层厚度分别为裸表面的78.8%、95.6%、94.6%和79.8%，表明超疏水翅片在不同冷表面温度下均具有抑霜效果。

本文受中国博士后科学基金 （2020M681453）和江苏省高等学校自然科学研究面上项目 （19KJB470037）资助。（The project was supported by China Postdoctoral Science Foundation （No.2020M681453） and the Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China （No.19KJB470037）.）