表面特性对结霜和融霜排液的影响

对亲水表面、裸铝表面和疏水表面上结霜和融霜排液过程进行实验研究,分析了表面特性对冷凝水珠冻结、霜层生长和融霜排液的影响。结果表明:疏水表面上冷凝水珠呈规则球缺状、冻结较晚,而亲水表面和裸铝表面上冷凝水珠形状不规则;相比于亲水表面和裸铝表面上平整霜层,疏水表面上霜层不平整,有凹穴和凸起;疏水表面上霜层平均厚度增长较亲水表面和裸铝表面缓慢;在湿空气温度和冷面温度较低的情况下,表面特性对霜层生长的影响减弱;亲水表面具有较好的排液效果,其循环再结霜量最小。     

波纹表面结霜的实验研究

结霜工况下,换热器翅片表面结霜会增大换热热阻,堵塞空气流道。在低温高湿条件下对波纹表面的结霜过程进行了实验研究,分析了冷面温度、湿空气流速及波纹结构等因素对波纹表面冷凝水珠冻结和霜层生长的影响。结果表明：冷面温度越低,冻结的冷凝水珠越小,冻结时间也越短;冷面温度越低或湿空气流速越快,霜层生长越快;在相同的实验条件下,波纹表面上霜层的高度比平直表面的低。     

水平表面结霜过程的实验研究

对水平表面在低温高湿条件下结霜过程进行实验研究, 分析了冷面温度、湿空气温度和表面特性等因素对水珠冻结和霜层生长的影响。结果表明:冷面温度越低, 过冷水珠冻结时间越短、冻结直径越小;在湿空气温度与冷面温度温差相等的条件下, 湿空气温度越低, 过冷水珠冻结时间越短、冻结直径越小;疏水表面上过冷水珠的冻结时间比裸铝表面晚。冷面温度越低, 湿空气流速越快, 则霜层生长越快。     

波纹表面结霜的实验研究

结霜工况下,换热器翅片表面结霜会增大换热热阻,堵塞空气流道。在低温高湿条件下对波纹表面的结霜过程进行了实验研究,分析了冷面温度、湿空气流速及波纹结构等因素对波纹表面冷凝水珠冻结和霜层生长的影响。结果表明:冷面温度越低,冻结的冷凝水珠越小,冻结时间也越短;冷面温度越低或湿空气流速越快,霜层生长越快;在相同的实验条件下,波纹表面上霜层的高度比平直表面的低。     

竖直超疏水翅片间霜层动态生长特性

搭建了竖直翅片间霜层生长可视化实验平台,分别制备了铝基亲水、超亲水和超疏水平板换热器,研究了翅片间距、表面润湿性能和环境温湿度等对竖直翅片间霜层生长动态特性的影响。实验结果表明,翅片间霜层的生长过程以临界间距（约1 mm）为界可分为线性快速增长阶段和缓慢增长阶段;相同工况下,亲水表面、超亲水表面和超疏水表面翅片间结霜持续时间分别为177、387和482 min。亲水表面霜层的增长速度分别为超亲水表面和超疏水表面的2倍和3倍。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而提升了霜层增长速度;此外,翅片间霜层积聚过程中霜层密度随时间变化先增长,之后霜层密度增速放缓甚至不再增长直至结霜过程结束。     

磁场作用下不同润湿性表面结霜实验研究

研究了在冷面温度Tw=-10℃和-30℃,环境相对湿度RH=60%和80%,3种润湿性表面在不同磁场强度下的结霜规律。通过可视化观测和图像二值化处理计算,分析了磁场强度和表面接触角对霜晶形态、水珠粒径、结晶时间、液滴和霜晶覆盖率、霜层厚度和密度的影响。结果表明:磁场作用下,疏水性表面水珠粒径减小40%左右,结晶时间延长500 s以上,凝结水珠分布更加稀疏;结霜厚度和密度随着磁场强度和接触角的增大而减小;随着冷面温度的降低和相对湿度的增大,表面特性和外加磁场对结霜过程的影响降低。     

冷表面结霜生长的数值模型

探讨了冷表面结霜的过程，并综合考虑了冷表面温度、空气湿度、空气温度等因素的影响。通过质量守恒、能量守恒，采用准稳态的方法建立了冷表面的结霜过程数学模型及计算求解方法，研究了在冷表面温度、空气湿度、空气温度一定的情况下，霜层厚度、霜层热阻、霜层密度的变化曲线。提供了一种能够进行霜层生长规律和霜层物性预测的计算方法。     

室外换热器迎面风速对空气源热泵结霜特性的影响

对不同迎面风速条件下空气源热泵系统室外换热器表面霜层生长特性进行了实验研究,测量了翅片表面动态霜层厚度、换热器结霜量,显微观察了霜晶生长过程。实验结果表明,迎面风速的降低使得空气源热泵机组室外换热器表面霜层厚度加速增长,结霜周期随迎面风速的下降呈近乎线性地减小,而且相对湿度越低,结霜周期下降的速度越快;因此,减小室外换热器迎面风速将恶化空气源热泵机组结霜/除霜周期中的平均性能。对霜晶形态的显微观察发现,低迎面风速工况下霜层厚度增长速度加快的原因是由于空气源热泵蒸发器壁面温度降低造成的霜晶形态的改变,翅片表面柱状冰晶始终在高度方向快速生长,这种现象与低环境温度工况下翅片表面霜晶生长形态类似。换热器总结霜量随迎面风速的减小而下降,造成霜层平均密度降低。     

铝基超疏水表面抗结霜特性研究

采用化学刻蚀法,在铝基的表面构建了纳米-微米混合的粗糙结构。化学刻蚀后的粗糙表面经过氟硅烷(FAS)修饰,形成了接触角大于155°的超疏水表面。在过冷环境中,利用加湿器提供微小雾滴进行了铝棒和铝片表面的结霜实验。实验过程中对比了超疏水铝表面、疏水铝表面和普通铝表面上的结霜量。结果表明,超疏水铝表面在抑制结霜方面优于普通铝表面,接触角的大小对抑制结霜也有很大影响,接触角越大抑制效果越明显,并且超疏水铝表面的疏水性能易于恢复。在现实生活中,超疏水表面对于降低输电线缆表面的覆霜积聚速率和重量有重要的意义。     

翅片管换热器表面霜层生长特性的实验研究

空气源热泵系统节能减排效果显著,但在低温高湿的冬季制热工况下,室外蒸发器表面会发生结霜现象,霜层会直接影响换热性能,进而影响系统运行的可靠性及能效。对翅片管换热器霜层生长特性进行了实验研究,实验中采用红外热成像仪对霜层表面温度进行测量,并用千分尺热电偶直接测量装置进行校核。分析了环境温度、相对湿度及迎面风速对结霜厚度、结霜量、霜层-湿空气界面条件的影响,并将霜层表面温度与环境温度之差作为结霜的传热驱动力,将湿空气中水蒸气分压力与霜表面温度下饱和水蒸气分压力之差作为结霜的传质驱动力,对结霜机理进行了分析,为换热器的防结霜和除霜提供了依据,为优化空气源热泵系统的设计奠定了基础。     

Coatings to prevent frost

The ability of hydrophobic, organic–inorganic hybrid coatings to decelerate frost propagation was investigated. Compared to a bare aluminum surface, the coatings do not significantly reduce the freezing probability of supercooled water drops. On both surfaces, the probability for ice nucleation at temperatures just below 0°C, for example at ?4°C, is low. Freezing of a single drop on aluminum leads, however, to instant freezing of the complete surface. On hydrophobic coatings, such a freezing drop is isolated; the frozen area grows slowly. At ?4°C surface temperature in a +12°C/90% relative humidity environment, on surfaces providing a water contact angle hysteresis of about 10° and receding water contact angles higher than 90°, a rate for the growth of the average radius of the frozen area of about 2 µm/s was observed. Submitting the surface to an airflow of 1 m/s led to faster frost spreading in flow direction. Although the airflow compromised the anti-ice properties to some extent, the application of the hydrophobic coating in a heat recovery ventilation experiment extended the time interval between defrosting cycles by a factor of 2.3.     

Experimental study of frosting on different wettability surfaces under magnetic field

The frosting laws of three kinds of wettable surfaces under different magnetic field strengths were studied under cold surface temperature T_w=-10℃ and -30℃, environmental relative humidity RH=60% and 80%. Through visual observation method,image binarization is processed and calculated,the effect of frost morphology,water droplets diameter,water droplets crystallization time,water droplets coverage,frost crystal coverage,frost layer thickness and frost density under the different magnetic field intensity and surface contact angle are well explained. The results showed that adding magnetic field in combination with hydrophobic surface,the diameter of water droplets decreases by about 40%, and the crystallization time is prolonged by more than 500 s,the distribution of condensate droplets is more sparse. Frost thickness and frost density decrease as the increase of magnetic field strength and surface contact angle,providing possibility of restrain the frosting effectively. As the temperature of the cold surface decreases and the relative humidity increases, the influence of the surface properties and the external magnetic field on the frosting process decreases.     

铜基超疏水表面防覆冰/抗霜冻特性分析

超疏水表面具有良好的防覆冰性能,有望改善低温条件下设备和设施的可靠性。本文采用氨气腐蚀法,制备具有微纳结构的铜表面,通过低表面能氟硅烷修饰后,金属铜表面表现出超疏水特性,其水接触角可达152.1°。利用电镜扫描、接触角测量、结冰和结霜实验分别对超疏水铜表面的表面结构、湿润性能和防覆冰性能进行研究。结果表明,超疏水表面的防覆冰/抗霜冻性能不仅与表面的粗糙度有关,还受液滴在固体表面的湿润状态的影响。当液滴在具有微-纳米结构的超疏水表面处于Cassie状态时,液滴与金属表面的接触面积小,液滴结冰速率较慢,金属表面同时具有较好的防覆冰和抗结霜性;而当液滴在金属疏水表面处于Wenzel状态时,霜晶与固体表面的接触面积增加,加快霜层的生长,金属表面的抗结霜性明显降低。     

太阳能加热液滴在亲疏水表面"黏-滑"蒸发

实验研究了亲水和疏水表面上太阳能加热去离子水及金纳米流体液滴三相接触线动力学。在亲水和疏水表面滴加2μL去离子水和纳米流体液滴,用一定功率太阳能模拟器照射液滴使其蒸发,期间采用高速摄像机实时记录液滴在不同表面上的蒸发过程。由MATLAB程序处理图像得到液滴在不同表面上蒸发过程中接触角和接触圆直径的动态变化过程。发现液滴接触线在不同亲疏水表面上存在不同运动特性。去离子水液滴在亲水表面上常接触面积模式和常接触角模式依次控制蒸发过程。去离子水液滴在疏水表面上都呈现出“黏-滑”蒸发特性,即液滴先以常接触面积模式蒸发,之后接触线快速滑动,接触线固定后再以常接触面积模式蒸发,依次往复。纳米流体液滴在亲水表面上主要以常接触面积蒸发模式为主,在疏水表面上同样呈现“黏-滑”蒸发特性。从液滴表面能角度出发,对液滴接触线“钉扎”和“去钉扎”过程进行详尽分析,得出基底润湿性和纳米颗粒沉积是影响液滴接触线在表面上运动的重要因素。     

单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测，对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性，同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明：与液滴撞击普通冷表面（温度-25~-5℃）发生瞬时冻结沉积相比，液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结，而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为；撞击速度越大，普通冷表面上液滴铺展因子越大，而且液滴越易冻结。液滴低速（We≤76）撞击超疏水冷表面会发生反弹现象，但速度对液滴最大铺展时间无影响；液滴高速（We≥115）撞击超疏水冷表面后会产生明显液指，而且破碎为多组卫星液滴。此外，冷表面温度仅影响液滴反弹高度，对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发特性

以恒热流方式结合高速摄影技术同步观察记录3 μl的小液滴在不同亲疏水表面的蒸发过程。通过一系列的对比实验观察记录了不同亲疏水表面液滴蒸发时接触角、接触直径、蒸发时间等的动态特性。从实验分析中可以看出亲水表面液滴蒸发速率比疏水表面上液滴蒸发速率快,并且随着热通量的增大,液滴蒸发速率增大。在恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发以CCR模式为主,在蒸发后期呈现混合蒸发模式,全程未出现CCA模式。