不同条件下霜层生长特性的实验研究

孙金绢, 马志恒, 田建辉, 左富林, 于璐洋

西安工业大学 机电工程学院, 陕西 西安 710021

结霜现象是一种较为复杂的相变传质传热过程,广泛存在于自然界、航空航天业、制冷行业等工程领域中。设备冷壁面接触到湿空气时,湿空气中的水分会在冷壁面上凝结成水膜,并冻结成霜晶覆盖于设备表面,导致设备传热性能变差,能耗增加。因此,深入研究不同条件下霜层生长特性对节约能源,提高设备效率具有重要意义。

近年来,学者对结霜研究进行了深入分析[1-4]。Chen等[5]分析出大倾角冷壁面能产生更多的液滴,沿倾斜冷壁面的重力分量可以抵消部分拖曳力,抑制液滴聚并,提高结霜质量;任政等[6]在-60 ℃工况下分析了呈周期性融霜现象和霜层崩塌回融两种不同特征的融霜过程;马强等[7]研究了亲疏水表面的结霜和融霜,结果发现亲水表面对结霜和排液效果较好;龚建英等[8]利用格子-Boltzmann方法实验分析出霜层内部温度随霜层厚度的增加呈线性增长规律;苏伟等[9]研究出较低的表面温度和较高的环境湿度由于相变过饱和度的增加会大大提升霜层增长速度;董涛等[10-12]探究出疏水性涂层会延迟水珠冻结时间,能够有效抑制霜层的生长;李刚[13]通过实验和数值模拟的方法探究出相对湿度对霜层的形成和发展过程的影响要高于温度对换热器结霜影响;周盛奇[14]通过实验发现,在有利于凝华结霜条件下,霜层厚度增长的临界空气流速很小;王洪利等[15]实验分析出在高风速区域霜层厚度增长较慢且密度较大：张天雷等[16]分析出自然对流使微柱间产生空气涡旋,导致水蒸气无法在凹槽停留,能有效减少结霜面积;范来富等[17-19]对亲疏水性表面进行结霜研究发现疏水壁面的结霜效果最差,亲水壁面更有利于霜层生长;Jeong等[20]分析出壁面温度的降低对霜层厚度影响较大,而对结霜密度影响却很小。

为了研究不同条件下的霜层生长特性,准确地探寻霜层生长影响特性并阐明机理,为结霜抑霜机理的研究及防治措施设计提供理论依据,本文通过实验分析变温与恒温冷壁面温度、环境温度等参数的改变对霜层生长的影响,以研究不同条件下霜晶厚度和结霜质量变化规律。

1 实验装置与数据处理

冷壁面霜层生长过程可视化动态测量实验平台如图1所示,平台采用高精度显微镜图像采集装置及数据采集处理系统等进行在线监测采集,探寻变温与恒温冷壁面温度、环境温度等因素对霜层生长过程的影响规律。实验平台主要包括数据采集系统、温湿度调节系统以及壁面冷却系统。数据采集系统主要由记录数据的数据采集器、体式显微镜、高精度摄像机(分辨率3 072 ppi×2 048 ppi)以及计算机组成;温湿度调节系统由调节环境室空气湿度的加湿器,调节室温的翅片式换热器和感应温湿度的传感器组成;壁面冷却系统由高精度感应温度的T型热电偶、0.04 m×0.04 m结霜实验壁面、半导体制冷片以及负责换热的低温恒温水槽组成。

图1 实验装置示意图

利用数据采集系统得到一系列霜层生长过程图像,使用CapStudio软件对拍摄的霜层生长图像进行处理,如图2所示,在摄像机拍摄的结霜图片中取50个点,以这些点的霜层厚度平均值作为结霜厚度D的定义,即

(1)

式中,Hi为单个霜枝高度。

结霜质量m1的定义为30 min时的霜层质量m(霜层质量m通过称重法得到)与霜层体积V之比,

(2)

在软件中进行图像的标定,并计算最小刻度所包含的像素,精确到0.001 mm,以此得到每个像素代表的实际长度(0.013 mm/ppi)。通过计算图像中的像素,得到霜层厚度。为避免实验结果的偶然性,进行多次实验并取平均值,以确保数据可靠性。

2 结果与讨论

2.1 变温冷壁面温度对霜层生长的影响

结霜现象是伴随着气液、气固、液固、固液等多种相变和移动边界的复杂传热传质问题,通过实验研究不同工况下变温冷壁面与恒温冷壁面上的结霜过程,分析凝结结霜与凝华结霜两种结霜过程的不同。为了研究变温冷壁面温度对霜层生长的影响特性,接通直流稳压电源,冷壁面温度不断降低,与制冷设备中壁温下降的过程比较相符。观察记录霜层生长过程,由于冷壁面温度同时低于水的三相点温度和水蒸气的饱和温度时才会形成霜晶体,所以当冷壁面温度为0 ℃时开始计时,其中环境湿度RH=30%,冷壁面材料为铜,环境温度Ta=20 ℃,实验时间控制在30 min内,设置冷壁面温度Tw由0 ℃分别降至-7.5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃五组工况。图3为冷壁面温度Tw=-15 ℃与Tw=-20 ℃的霜层生长情况。冷壁面接触湿空气结霜可分为3个阶段：冰颗粒形成期、霜层形成期和霜层生长期。在冰颗粒形成期,由于壁面温度未达到水蒸气凝华的温度,所以在湿空气碰到冷壁面后先凝结成水珠继而冻结形成冰珠,通过持续降温,冰珠上方开始生长细小冰颗粒;霜层形成期,随着温度的降低,细小冰颗粒粘附在冰珠上积聚形成枝状霜晶并伴有新的水蒸气凝华产生颗粒;霜层生长期,枝状霜晶通过吸收水分子以及冰颗粒不断生长,形成茂密的霜晶林覆于壁面。与Tw=-15 ℃工况相比,Tw=-20 ℃工况在2 min后,空气凝结产生的水珠较大,随着温降,在4 min时,水珠冻结成冰珠,并且有少量冰颗粒散布于冰珠上方,而Tw=-15 ℃工况的冰珠却已有较为明显的冰颗粒生长现象。这是由于冰颗粒形成初期的较小冰珠传热时,产生的传热阻小,因此结霜效果好一些。但8 min以后,由于温度过低,霜晶不断生长,Tw=-20 ℃时的霜层厚度和结霜质量已明显高于Tw=-15 ℃工况。

图3 变温冷壁面霜层生长情况

图4为结霜厚度随时间变化曲线。由图可知,结霜厚度随时间增长不断增高,而结霜厚度增长率(ΔD/Δt)出现先增大后减小的趋势。出现这种现象是因为在霜层生长初期,霜层枝干既不受自身顶部压力影响,也不受相邻霜枝挤压的空间限制,表现出来的霜层生长厚度较大且较为疏松。当霜枝生长到一定程度,会受到顶部压力和相邻霜枝挤压的影响出现沉积倾斜现象,导致结霜速率降低。

图4 变温冷壁面霜层厚度随时间变化曲线 图5 单位面积的变温冷壁面结霜质量对比

图5为单位面积的冷壁面结霜质量对比图。在相同时间,冷壁面温度降低越快,结霜质量越大,这是由于冷壁面温降越快,水分子转变为霜晶状态时的相变驱动势越大,单位时间内凝结到壁面的冰珠越多,结霜质量越大。通过数据拟合得到结霜质量y与冷壁面温度x之间表达式为y=-3.56x+84.36,因此,在冷壁面温度为-7.5～25 ℃范围内,结霜质量平均增长率(Δm1/ΔTw)为-3.56。

2.2 恒温冷壁面温度对霜层生长的影响

为了研究恒温冷壁面温度对霜层生长的影响特性,先在冷壁面覆盖一层保鲜膜,用来隔绝湿空气,然后接通直流稳压电源,调节电压,使冷壁面温度降低至设置值,并保持稳定。揭掉保鲜膜开始计时,利用高速摄像系统观察并记录霜层生长过程,其中环境湿度RH=30%,冷壁面材料为铜,环境温度Ta=20 ℃,实验时间控制在30 min内,冷壁面温度Tw设置为-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃五组工况。图6为冷壁面温度Tw=-15 ℃和Tw=-20 ℃的霜层生长情况。

由图6中可以观察到,在冰颗粒形成期,Tw=-15 ℃工况的冷壁面上未有水滴生成,而是生成不规则的点状冰颗粒,发生凝华现象。霜层形成期,随着霜晶继续呈枝状生长,冷壁面又产生新的霜晶,通过生长和互相挤压、碰撞,最后霜晶呈枝状互相交织,形成霜晶林并铺满壁面。与Tw=-15 ℃工况相比,Tw=-20 ℃工况在1 min时,已有较大枝状霜晶和冰颗粒稀疏散布在冷壁面表面,并且霜晶生长得更快更密集,4 min以后,霜层厚度和结霜速率明显更大。这是因为在结霜过程中,冷壁面温度越低导致湿空气中的水蒸气由气态变为固态的相变驱动势越大,就会有更多水蒸气凝华相变,促进结霜效果。

图7为结霜厚度随时间变化曲线。由图可知,结霜厚度随时间增长不断增高,结霜厚度增长率同样出现先增大后减小的趋势,与图5的结论一致。通过观察不同冷壁面温度的结霜厚度大小关系,可以看出,冷壁面温度Tw越低,对结霜厚度越有利。

图7 恒温冷壁面霜层厚度随时间变化曲线 图8 单位面积的恒温冷壁面结霜质量对比

图8为单位面积的恒温冷壁面结霜质量对比图。由图可知,冷壁面温度越高,结霜质量越小。这是因为在同样的外界温度下,冷壁面温度Tw越低导致温差增大,增强了冷壁面通过热传导对水蒸气的吸附能力和湿空气中水分子转变为霜晶的相变驱动能力,使结霜质量变大。通过数据拟合得到结霜质量y与冷壁面温度x之间表达式为y=-3.73x+82.64,因此,在冷壁面温度为-25～-5 ℃时,结霜质量平均增长率为-3.73。

2.3 环境温度对霜层生长的影响

为了研究环境温度对霜层生长的影响特性,利用高速摄像系统记录霜层生长全过程,其中环境湿度RH=33%,冷壁面材料为铜,冷壁面温度Tw=-20 ℃,实验时间控制在30 min内,环境温度Ta设置为18 ℃、22 ℃、26 ℃、30 ℃四组工况。图9为环境温度Ta=22 ℃与Ta=26 ℃的霜层生长情况。由图可以观察到,Ta=22 ℃工况在冰颗粒形成期时,水蒸气渐渐凝华形成点状霜晶,随着时间推移,霜晶顶部缓缓长出晶枝,并形成霜晶林覆盖壁面,与Ta=26 ℃工况相比,两种工况的霜层生长过程同步进行,并且结霜效果无显著区别。

图9 环境温度变化时冷壁面霜层生长情况

图10为结霜厚度随时间变化曲线。由图可知,在相同时间内,结霜厚度并不是随空气温度的升高而增大,其原因在于当冷壁面温度较低时,水蒸气会在冷壁面上直接凝结,导致冷壁面和周围环境的存在水蒸气浓度差,水蒸气就会逐渐向冷壁面靠拢。当环境温度增大时,会促进水分子热运动,促进霜层生长。所以在环境温度处于26 ℃以下时,温度的升高会促进结霜厚度的增加,但在环境温度处于30 ℃时,会抑制霜枝顶部生长,这是由于一方面厚度增大导致霜层导热性变差,另一方面霜层上方热空气传递给霜层表面的热量使得顶部霜层温度上升,出现沉积、下垂现象,使结霜厚度增长速率下降。

图10 不同环境温度结霜厚度随时间变化 图11 不同环境温度单位面积冷壁面结霜质量

图11为单位面积的冷壁面结霜质量对比图。由图可知,环境温度处于26 ℃以下时,环境温度升高会对结霜效果具有促进作用,结霜质量增大,但环境温度在30 ℃时,会抑制霜层生长,结霜质量不会随温度增加而持续升高。

3 结论

本文实验研究了变温、恒温冷壁面温度、环境温度等因素对霜层生长的影响,得到了不同时刻的霜晶厚度和结霜质量,通过分析得到以下结论：

1)变温冷壁面不能直接达到水蒸气凝华相变温度,其结霜过程：凝结—凝结与凝华—冰晶生长,温度下降越快,结霜效果越好,而结霜厚度的增长率出现先增大后减小的趋势,在壁面温度为-25～-7.5 ℃时,结霜质量平均增长率为-3.56。

2)恒温冷壁面的结霜过程为：凝华—冰晶生长,温度越低,结霜厚度和质量越大,结霜厚度增长率同样为先增大后减小,在壁面温度为-25～-5 ℃时,结霜质量平均增长率为-3.73。

3)当环境温度处于26 ℃以下时,随着环境温度升高,空气相对湿度就越大,结霜效果越好,而环境温度处于30 ℃左右会抑制霜枝顶部生长,不利于结霜。