低溫冷表面結霜性能實驗研究及應用

張 柳，席細平

(1.唐山學院，063000，河北，唐山;2.江西省科學院能源研究所，330096，南昌)

0 引言

結霜是大自然存在的普遍現象，當物體表面的溫度低于空氣的露點溫度，水蒸氣就會在表面發生凝結，冷表面的溫度繼續降低，就會發生結霜。結霜現象廣泛存在于冰箱、空氣源熱泵、冷庫、低溫工程等各個領域，為我們的生活及生產帶來了很多不利的影響[1－2]。存在于換熱盤管的霜層，隨著霜層厚度的增加，不僅影響盤管換熱，除霜時還會帶來能耗的增加，嚴重時影響系統的正常運行。

結霜一直是制冷空調領域中難題之一，為此國內外學者們做了大量研究。首先需了解霜層自身的生長特性，才能采取措施來抑制結霜。對結霜研究的方法主要有理論研究[3]、數值模擬[4]、實驗研究。其中實驗研究是研究冷表面結霜的重要方法，主要通過微觀及宏觀手段，觀測霜層生長狀況及影響霜層形態。而實驗室試驗一般在常溫下進行，能夠進行的實驗次數少，受環境因素影響，溫度、濕度基礎數據單一，從而對產品的性能不能取得全面、深入的了解。而且在以往實驗[5－6]中，都是用半導體制冷片進行制冷，通過溫控開關進行控溫，控制精度較差。本文提出一種用于冷表面結霜的實驗系統，可通過改變環境溫濕度、冷表面溫度，研究冷表面結霜的生長特性。通過顯微鏡可觀測冷表面結霜的微細觀結構。

1 實驗系統組成

冷表面結霜的實驗系統由3個部分組成，包括成霜系統、數據采集系統和焓差室，實驗系統示意圖如圖1所示。

圖1 實驗系統圖

成霜系統包括低溫恒溫水槽、水冷板、管道系統。低溫恒溫水槽可制備低溫冷水，其最低制冷溫度為－40℃，低溫恒溫水槽與水冷板通過供回水管連接。冷表面為鋁制水冷板，水冷板內部水通路為M型，可較為均勻地傳遞熱量。水冷板表面可經過打磨處理或噴涂涂料作為實驗表面使用，也可在水冷板表面用導熱硅脂粘貼試樣。管道系統由分集水器、塑料軟管、硅膠管組成，水管及分、集水器均做保溫處理，分水器中一路設有1根T型熱電偶，用來測量供液溫度。

數據采集系統包括數據采集儀、計算機、顯微鏡、CCD攝像機。通過顯微鏡可以觀察霜層的生長狀況，并通過CCD攝像機記錄，傳輸至計算機中，每隔30 s保存1次圖像。

整個實驗在焓差室內進行，焓差室分為房間1和房間2，水冷板、顯微鏡和CCD攝像機放在房間1中，計算機、數據采集儀以及低溫恒溫水槽放在房間2中，有效防止了低溫水槽冷凝器散熱及計算機散熱影響房間1中的溫度分布。房間1內可調節室內的溫濕度。

2 實驗過程

1)運行焓差室及低溫恒溫水槽。設定焓差室控制面板的溫度設定值及濕球溫度設定值。打開焓差室的空調系統;同時開啟低溫恒溫水槽，調節冷液溫度設定值。運行約1 h后系統達到穩定。

2)顯微鏡調焦。觀察冷表面表面特征時，采用40倍物鏡和10倍目鏡(實際放大倍數為400倍)。觀測霜層生長狀況時，采用20倍物鏡和10倍目鏡(實際放大倍數為200倍)。先調節顯微鏡，使計算機中清晰顯示試樣圖像。

3)試樣表面保持清潔，并用保鮮膜將試樣表面覆蓋，以防冷液在未達到設定值前試樣表面已經結露或者結霜。

4)撕開保鮮膜，用顯微鏡觀測試樣表面結霜情況。

3 實驗結果與分析

實驗中采用的試樣為噴涂環氧樹脂的水冷板。水冷板的尺寸為120 mm×40 mm×12 mm，水冷板四周均噴涂環氧樹脂。改變環境溫度、濕球溫度設定值及冷液溫度設定值，觀察霜晶生長狀況。

3.1 結霜實驗

環境工況為:環境溫度10℃，相對濕度60%(換算為濕球溫度是6.5℃)，供液溫度為－5℃。選取實驗進行的時刻為1 min、3 min、5 min、10 min的照片進行對比，如圖2所示。在結霜實驗初始階段，幾乎觀測不到水珠的形成，實驗進行至30 s則會在環氧樹脂冷表面形成霜層。結霜初期會在試樣劃痕處率先結霜，以此為中心，周圍陸續結為霜晶。隨著時間的進行，約10 min后試樣表面霜層全覆蓋。根據凝結成核理論，在冷表面處隨機分布著凹坑、劃痕，這些區域被稱為活化中心。空氣與冷表面接觸時，由于表面溫度較低，會在活化中心處形成微小液滴。液滴不斷長大，發生合并，隨著溫度的繼續降低，液滴發生凍結。冷表面結霜是一個復雜的現象，不僅存在液化、凍結過程還伴隨著凝華。

圖2 環氧樹脂表面結霜情況

3.2 冷液溫度及環境溫度對霜層生長的影響

霜層的生長不僅與冷表面的性質有關，還與冷液溫度及環境溫度有關。如圖3所示，改變冷液的溫度時試樣表面結霜過程。環境溫度設定值為10℃，相對濕度設定值60%(換算為濕球溫度是6.5℃)，冷液溫度設定值分別為－10℃、－5℃。從圖3中可以看出，冷液溫度降至－10℃時，霜晶生長明顯加快，霜晶的密集程度增加，且較冷液溫度為－5℃時粒徑變小。10 min后的霜層厚度明顯比冷液溫度為－5℃時大。這說明了冷液溫度降低，空氣與試樣表面的溫差加大，換熱增強，在試樣表面發生相變加劇。

圖3 改變冷液溫度設定值冷表面結霜情況對比

如圖4所示為改變環境溫度時試樣表面結霜過程。將實驗工況變為環境溫度5℃，相對濕度60%(換算為濕球溫度是2.1℃)，冷液溫度為－5℃。從圖4中可以看出，環境溫度為5℃時，霜晶生長較為緩慢;10 min時，環境溫度為10℃的冷表面霜晶覆蓋全視角，并且隨著時間的進行霜層厚度逐漸增加。這是因為當環境溫度降低時，空氣中容納水蒸氣的能力降低，在空氣相對濕度不變的情況下，5℃下的空氣含濕量低，因此霜晶生長緩慢。

圖4 改變環境溫度設定值冷表面結霜情況對比

4 結論

本文搭建了冷表面結霜實驗系統，并將其應用到觀測噴涂有環氧樹脂涂層表面的結霜情況。可通過改變環境工況及冷液工況，觀察環氧樹脂表面霜晶大小及疏密程度變化。實驗結果表明，環氧樹脂表面凹坑、劃痕最先結霜;冷液溫度和環境溫度對冷表面結霜有很大影響，冷液溫度越低，霜晶形成粒徑較小且密集，霜晶生長較快;環境溫度越低，由于空氣中含濕量較低，霜晶生長緩慢。