不同涂層表面對結霜過程影響的實驗研究

劉祥紅 劉湘云 劉良德 陳觀生 李沛師

廣東工業大學材料與能源學院

0 引言

結霜是一種常見的自然現象，是不可避免的。當濕空氣與冷表面接觸時，且冷表面的溫度低于濕空氣的露點溫度，空氣中的水蒸氣就會析出來，從而“附著”在冷表面上；如果冷表面的溫度同時還低于水的三相點溫度（273.16 K）[1]，在凍結液的表面將會形成霜晶并逐漸增厚最終形成霜層。但是室外線圈表面結霜是不可避免的，它總是發揮著負面作用[2]。結霜的負面作用主要體現在兩個方面一方面，一是霜是熱的不良導體，蒸發器表面霜層越厚，熱阻越大，霜層的存在降低了換熱器效率，壓損增加，降低了系統的COP 和采暖能力，并可能導致其關閉[3]。二是霜層的存在也增加融霜能耗和系統的維護、管理費用。因此，為了解決空氣源熱泵的除霜問題，提高傳熱效率，就有必要研究結霜機理、特性，以及如何延緩結霜的方法和防結霜[4-6]、除霜方法[7-11]及控制策略等，學者們也得到很多研究成果。

本論文即是研究涂層對霜層的生長過程及影響因素，通過改變環境參數，從而得到不同條件下的結霜速率及生長情況，從而為抑制霜層的生長提供一些參考依據。

1 實驗原理圖

本實驗的簡單原理圖如圖1 所示，翅片樣品放置于一個密閉透明的有機玻璃當中，背面貼有三塊規格為40 mm×40 mm 的半導體制冷片，熱端與冷端最大溫差可達70 ℃以上，其最低制冷溫度可達到-55 ℃。制冷片的熱端熱量用冷卻水通過水冷板冷卻。其余的輔助設備包括溫濕控儀、攝像儀、計算機、電子天平、紅外熱像儀等。

圖1 實驗原理簡圖

實驗中所用的三種翅片編號分別為1 號鋁箔翅片（普通鋁箔翅片）、2 號鋁箔翅片（普通涂層鋁箔翅片）、3 號鋁箔翅片（納米材料涂層鋁箔翅片），規格均為40 mm×120 mm。實驗中用來測量霜層質量的電子天平型號為SHC5，其精確度為0.1 g，誤差為±0.2 g，能夠保證實驗數據的準確性。半導體制冷片的表面溫度用紅外熱像儀測量，型號為testo872，可測量翅片表面各個點位的精確溫度。測量范圍-30 ℃～100 ℃，精度±2 ℃。

2 材料表面結霜性能測試

2.1 實驗分組

為了便于對比分析，測試試樣分別位于同一個密閉的空腔內，三個樣品豎向整齊排列在一塊制冷板上。空腔內的濕度可以通過加濕器調節。

為了更好地研究不同表面涂層對結霜過程的影響，特地做了如下兩組不同的工況下的實驗：①空腔內溫度為18 ℃，空氣相對濕度為60%，制冷片表面溫度保持恒定-15 ℃；②空腔內溫度為18 ℃，空氣相對濕度為70%，制冷片表面溫度保持恒定-15 ℃。每一個工況對三個樣品的測試。

2.2 同一環境下鋁箔結霜質量變化曲線

當測試環境溫度為18 ℃，相對濕度為60%，制冷片表面溫度保持-15 ℃時，由圖2 可發現，隨著時間的增加，三種鋁箔結霜的質量也越來越大，截止結霜時間大約為120 min，且明顯地看到結霜的速率比較快，結霜截止時間也比較長。經過實驗，經過2 h 后，1 號鋁箔翅片的結霜質量比2 號鋁箔翅片的結霜質量要多1.4 g；而比3 號鋁箔翅片要多3.6 g。

圖2 T=18 ℃，RH=60%不同涂層鋁箔的結霜質量

當測試環境溫度為18 ℃，相對濕度為70%，制冷片表面溫度保持-15 ℃時，由圖3 可知經過2 個小時后，1 號鋁箔翅片的結霜質量比2 號鋁箔翅片的結霜質量要多1.5g；而要比3 號鋁箔翅片多4.1g。

圖3 T=18 ℃，RH=70%不同涂層鋁箔的結霜質量

2.3 不同環境下同一鋁箔的結霜質量變化曲線

當測試環境溫度為18 ℃，制冷片表面溫度保持-15 ℃不變時，而相對濕度分別為60%和70%時，1 號鋁箔翅片結霜質量變化曲線如圖4 所示，到了各自的截止結霜時間后，相對濕度為70%的情況下比相對濕度為60%的情況下1 號鋁箔翅片結霜質量多2.1 g。

圖4 T=18 ℃，RH=60%和RH=70%1 號鋁箔的結霜質量

當測試環境溫度為18 ℃，制冷片表面溫度保持-15 ℃不變時，而相對濕度分別為60%和70%時，2 號鋁箔的結霜質量變化曲線如圖5 所示，到了各自的截止結霜時間后，相對濕度為70%的情況下比相對濕度為60%的情況下2 號鋁箔翅片結霜質量多了2.0 g。

圖5 T=18 ℃，RH=60%和RH=70%2 號鋁箔的結霜質量

圖6 T=18 ℃，RH=60%和RH=70%3 號鋁箔的結霜質量

當測試環境溫度為18 ℃，制冷片表面溫度保持-15 ℃不變時，而相對濕度分別為60%和70%時，3 號鋁箔的結霜質量變化曲線如圖6 所示，到了各自的截止結霜時間后，相對濕度為70%的情況下比相對濕度為60%的情況下3 號鋁箔翅片結霜質量多了1.6 g。

3 結論

由實驗曲線可知，當鋁箔表面經過涂覆不同的抑霜涂層后，相比于沒有涂層的鋁箔表面，結霜的結霜截止時間明顯減少。對比在同一環境下的三種鋁箔翅片，無論是從結霜的速率還是從最后的結霜質量來看都是要低于1 號鋁箔翅片。尤其是最終的結霜質量在環境溫度為18 ℃，相對濕度為60%的條件下，結霜質量2 號鋁箔翅片比1 號鋁箔翅片減少6%，而3 號鋁箔翅片減少15%。在環境溫度為18 ℃，相對濕度為70%的條件下，結霜質量2 號鋁箔翅片比1 號鋁箔翅片減少5.8%，而3 號鋁箔翅片減少16%。2、3 號表面具有抑霜涂層，其對材料表面抑制霜層的生長有了顯著的改善。