冷表面溫度對超疏水翅片結霜特性與抑霜性能的影響

汪 峰 湯 銳 王志豪 楊衛波 高 昂

（1 揚州大學電氣與能源動力工程學院 揚州 225127；2 廣東歐科空調制冷有限公司 東莞 523516）

空氣源熱泵因兼具制冷與制熱、節能環保等優點，被廣泛用于建筑空調冷熱源，其應用對實現我國建筑領域“碳中和”起著重要作用。但空氣源熱泵冬季制熱運行時，室外翅片管換熱器表面存在結霜問題[1-3]。霜層的生長導致熱泵機組工作狀況惡化、制熱性能衰減，嚴重影響制熱效率與運行穩定性[4-6]。翅片表面經超疏水改性后可延遲結霜初始凝結液滴形成與凍結以及霜晶傳遞，從而抑制霜層生長[7-10]，為解決空氣源熱泵結霜問題提供了有效途徑。因而揭示超疏水翅片的結霜特性與抑霜機理，已成為抑霜研究的前沿熱點。

冷表面溫度是影響結霜過程的重要因素之一。Cui Jing等[11]通過建立三維晶格玻爾茲曼模型研究了冷表面溫度對超疏水表面結霜過程的影響，結果表明，冷表面溫度越低，結霜速率、霜層厚度和結霜量越大。王伶俐[12]實驗研究了冷表面溫度對結霜初期凝結液滴凍結的影響，結果表明，隨著冷表面溫度的降低，液滴凍結時間越早，且凍結波的傳播速度越快。魯祥友等[13]研究了冷表面溫度對超疏水表面霜層生長的影響，當冷表面溫度達-15 ℃時，實驗進行10 min后超疏水表面的霜層厚度是普通表面的66%。蘇偉等[14]實驗研究了換熱器表面溫度對超疏水換熱器結霜特性的影響，結果表明，隨著換熱器表面溫度的降低，霜層增長速度加快，水蒸氣過飽和度增加以及傳熱溫差增大是結霜速度加快的主要原因。結霜過程包括液滴凝結與凍結、霜晶傳遞、霜層生長等諸多演化階段[15]，現有研究揭示了冷表面溫度對超疏水翅片結霜過程某一階段特性的影響規律，且多數實驗結霜環境工況為常溫工況，與空氣源熱泵冬季運行的實際工況不相符。

現有研究表明，隨著冷表面溫度的降低，普通表面的結霜速率和霜層厚度顯著增加，霜層粗糙度和霜晶形態也會發生變化。王偉等[16]對表面溫度變化下的結霜特性進行研究，結果表明，表面溫度在-3.5～19.7 ℃范圍內降低時，結霜速率逐漸升高而霜層密度逐漸減小。N. Niroomand等[17]實驗研究了冷表面溫度對霜層粗糙度的影響，隨著冷表面溫度降低，霜層具有更高的平均粗糙度和粗糙度偏度。Wu Xiaomin等[18]發現冷表面溫度是影響霜晶形狀的主要因素，當冷表面溫度由0 ℃降至-20 ℃時，初始霜晶形態由不規則晶體向片狀、針狀和羽毛狀轉變。超疏水翅片在不同冷表面溫度下的結霜特性是否和普通翅片相似，冷表面溫度對其抑霜性能有何影響需要進一步研究。為此，本文通過搭建可視化結霜實驗系統對不同冷表面溫度下超疏水翅片的結霜過程進行研究，并與未經表面處理的裸翅片進行對比，旨在揭示冷表面溫度對超疏水翅片結霜特性與抑霜性能的影響規律。

1 實驗裝置

1.1 超疏水翅片的制備與表征

本實驗中超疏水翅片的制備過程如圖1所示，步驟如下：1）預處理，將鋁箔依次放入丙酮、去離子水和無水乙醇中，分別用超聲波清洗10 min后干燥；2）制備超疏水涂層，將SiO2溶膠加入至無水乙醇、去離子水和氨的混合物中，在攪拌混合物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，連續攪拌混合溶液獲得SiO2超疏水涂層；3）涂層噴涂，將SiO2涂層放入直徑為0.3 mm的噴槍中，均勻噴涂在鋁箔表面，涂層厚度約為25 μm[19]。超疏水翅片的表面特性由表面接觸角和滯后角表征。將超疏水翅片水平固定在測量平臺上，將3 μL去離子水置于其表面。靜態液滴通過imageView軟件拍攝，測量表面接觸角。選取表面4個不同的位置進行測量，并以4次測量的平均值作為接觸角。4個位置的接觸角差值不超過3°，表明超疏水表面具有良好的均勻性。緩慢傾斜平臺記錄前進角和后退角，液滴離開翅片表面時前進角和后退角的差值為滯后角。通過測量，超疏水翅片的接觸角為（161.47±1）°，前進角為（162.15±1）°，后退角為（160.85±1）°，滯后角為（1.30±1）°。

圖1 超疏水翅片的制備流程Fig.1 Preparation process of superhydrophobic fins

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental device

1.2 實驗系統

結霜實驗裝置如圖2所示。裝置包括可調速風機、翅片管換熱器、恒溫槽、超聲波加濕器、冷臺、CCD攝像儀、顯微鏡和電腦。可調速風機用于調節濕空氣的進口風速，通過翅片管換熱器（制冷劑為乙二醇水溶液，乙二醇與水的配比為2∶5，凝固點為-22.9 ℃）和超聲波加濕器對濕空氣進行冷卻和加濕。冷臺用于調節翅片的表面溫度，使翅片在設定的溫度下結霜。冷臺采用SLTD1-600 S高精度半導體恒溫測試系統，溫度可通過控制面板進行調節和控制，溫度范圍為-30～60 ℃。采用恒溫槽制取冷卻水對冷臺熱端進行散熱。實驗前，將冷臺豎直放置，使用導熱硅脂將超疏水和裸翅片粘貼在冷臺上。CCD攝像儀和顯微鏡分別從正面和側面拍攝超疏水和裸翅片的結霜圖像。

1.3 實驗工況

為研究超疏水翅片在不同冷表面溫度的結霜特性和抑霜性能，本文共設計了8組結霜工況，環境溫度和相對濕度均為10 ℃和65%，參數如表1所示。采用溫濕度傳感器測量局部結霜環境的溫濕度，溫度測量精度為±0.3 ℃，濕度測量精度為±2%。

表1 結霜實驗工況Tab.1 Frosting experiment conditions

圖3 不同冷表面溫度下超疏水翅片凝結液滴生長與凍結過程Fig.3 Growth and freezing of condensate droplets on superhydrophobic fin at different surface temperatures

2 實驗結果與分析

2.1 結霜初始階段

圖3所示為不同冷表面溫度下超疏水翅片表面結霜初始階段凝結液滴的生長與凍結過程。由圖3可知，隨著冷表面溫度的降低，凝結液滴凍結時間越早，而液滴完全凍結時的表面覆蓋率越大。當冷表面溫度為-5 ℃和-10 ℃時，液滴尺寸隨冷表面的降低而增大，液滴凍結速度較慢；而當冷表面溫度為-15 ℃和-20 ℃時，液滴尺寸小且密集，超疏水翅片表面出現區域性凍結，分別在115 s和75 s完全凍結。超疏水翅片表面液滴完全凍結時表面覆蓋率隨著冷表面溫度降低而升高，冷表面溫度為-20 ℃的表面覆蓋率最高。

圖4所示為不同冷表面溫度下超疏水翅片表面凝結液滴的凍結時間。凝結液滴開始凍結、凍結50%和完全凍結的時間均隨冷表面溫度的降低而縮短。當冷表面溫度為-5 ℃時，開始凍結、凍結50%和完全凍結時間分別為1 800、2 040、2 220 s。當溫度降至-10、-15、-20 ℃時，液滴分別在265、55、18 s開始凍結，在340、115、75 s完全凍結。相比冷表面溫度為-5 ℃，液滴完全凍結時間分別縮短了1 880、2 105、2 145 s。可知，冷表面溫度越高，凝結液滴凍結越晚。

圖4 不同冷表面溫度下超疏水翅片凝結液滴的凍結時間Fig.4 Freezing time of condensate droplets on superhy-drophobic fin at different surface temperatures

圖5所示為超疏水翅片和裸翅片表面液滴完全凍結時表面覆蓋率隨冷表面溫度的變化。表面覆蓋率測量方法如下：利用Photoshop對凝結液滴的圖像進行單色分離，將處理后的圖像導入Image-pro-plus軟件中，計算液滴面積和平均直徑，從而獲得液滴對翅片表面的覆蓋率。超疏水翅片表面的覆蓋率隨冷表面溫度的降低而升高。當冷表面溫度為-5、-10、-15、-20 ℃時，超疏水翅片表面液滴完全凍結時的覆蓋率分別為59.8%、67.9%、76.5%和86.2%。裸翅片在不同冷表面溫度下的表面覆蓋率均超過80%，其中冷表面溫度為-15 ℃時最高，達到90%。

圖5 液滴完全凍結時表面覆蓋率隨冷表面溫度的變化Fig.5 Variation of surface coverage with cold surface temperature when droplets completely frozen

出現上述現象的主要原因是：1）隨著冷表面溫度降低，液滴凍結時間縮短。當冷表面溫度降至-15 ℃和-20 ℃，液滴在115 s和75 s完全凍結，沒有足夠的時間使液滴合并彈跳，導致凍結液滴覆蓋率增大；而當冷表面溫度為-5 ℃和-10 ℃，超疏水翅片表面液滴凍結時間較晚，液滴有充足的時間生長合并發生彈跳。2）隨著冷表面溫度的降低，晶核的臨界半徑越小，晶核越密集。

晶核的臨界半徑與水蒸氣的過飽和度有關：

（1）

式中：rc為臨界半徑，m；σ為氣液表面張力，J/m2；ρc為液體密度，kg/m3；R為氣體常數，J/（mol·K）；Tw為冷表面溫度，K；ps為主流濕空氣中水蒸氣分壓力，Pa；pw為對應冷表面溫度下的飽和蒸汽壓，Pa。

令α=ps/pw為過飽和度，本文中ps=797.61 Pa，當冷表面溫度為-5、-10、-15、-20 ℃時，pw分別為421.42、286.22、191.14、125.38 Pa。由此可得不同冷表面溫度對應的過飽和度分別為1.89、2.79、4.17、6.36。取σ=0.077 J/m2，將上述數據代入式（1）可得不同冷表面溫度下的臨界半徑分別為108.0、68.3、50.5、39.6 nm。由上述可知，水蒸氣的過飽和度越大，晶核的臨界半徑越小，出現臨界核的概率越大，所以晶核越密集，有利于提高液滴凍結時的覆蓋率。

圖6 不同冷表面溫度下的凝結液滴凍結模式Fig.6 Condensate droplet freezing patterns at different surface temperatures

圖6所示為不同冷表面溫度下的液滴凍結模式。當冷表面溫度為-5 ℃時，液滴凍結模式以吸收凍結（圖中紅色圓圈）為主，并伴隨少量接觸凍結（圖中黃色圓圈）。當發生吸收凍結時，液滴位置發生變化，且移動、凍結和吸收行為幾乎同時發生。這種凍結模式導致后續冰橋的擴散需要更長時間才能達到后面的液滴，能夠起到延緩液滴凍結傳遞的作用。當冷表面溫度為-10 ℃時，凍結模式以接觸凍結（圖中黃色圓圈）為主，并伴隨少量吸收凍結（圖中紅色圓圈）。當冷表面溫度為-15 ℃和-20 ℃時，凍結模式為接觸凍結，且為區域性凍結，凍結速度較快。接觸凍結發生時，液滴位置不發生變化，對冰橋傳播到后面的液滴產生有利條件。冰橋的生長速率與冷表面的過冷度有關，過冷度越大，冰橋生長速率越快，液滴凍結速度也越快。當過冷度為-15 ℃（冷表面溫度為-5 ℃）時，液滴從開始凍結至完全凍結需420 s，而當過冷度降至-30 ℃（冷表面溫度為-20 ℃）時，液滴從開始凍結至完全凍結僅需57 s。

2.2 霜層生長階段

圖7所示為不同冷表面溫度下的霜晶初始形態。當冷表面溫度為-5 ℃和-10 ℃時，超疏水翅片和裸翅片表面的霜晶均呈柱狀，但超疏水翅片表面相對疏松，裸翅片表面較密集。當冷表面溫度為-15 ℃和-20 ℃時，超疏水翅片和裸翅片表面的晶體均呈樹枝狀，超疏水翅片表面霜晶細長且疏松，裸翅片表面霜晶高大且密集。

圖7 不同冷表面溫度下霜晶初始形態Fig.7 Initial morphology of frost crystals at different surface temperatures

圖8所示為超疏水翅片和裸翅片表面霜層厚度隨時間的變化。通過取霜層表面5個不同位置的霜層厚度的平均值作為平均霜層厚度。超疏水翅片表面的抑霜性能可以通過霜層厚度直觀反映。由圖8可知，當結霜45 min，冷表面溫度為-5、-10、-15、-20 ℃時，超疏水翅片表面的霜層厚度分別為0.26、0.44、0.53、0.67 mm，裸翅片表面的霜層厚度分別為0.33、0.46、0.56、0.84 mm，超疏水翅片表面的霜層厚度為裸翅片表面的78.8%、95.6%、94.6%、79.8%。當冷表面溫度相同時，裸翅片表面的霜層厚度要大于超疏水翅片表面；當冷表面溫度變化時，超疏水翅片表面和裸翅片表面的霜層厚度均隨著冷表面溫度的降低而增加，且裸翅片表面的霜層厚度大于超疏水翅片表面。表明超疏水翅片在不同冷表面溫度下均具有抑霜效果。

圖8 不同冷表面溫度下霜層厚度隨時間的變化Fig.8 Variation of frost layer thickness with time under different surface temperatures

3 結論

本文實驗研究了不同冷表面溫度下超疏水翅片的結霜過程，揭示了冷表面溫度對超疏水翅片結霜特性與抑霜性能的影響規律，得到如下結論：

1）超疏水翅片表面結霜初始凝結液滴的開始凍結、凍結50%和完全凍結時間隨冷表面溫度的降低而縮短。相比-5 ℃，當冷表面溫度為-10、-15、-20 ℃時，液滴完全凍結時間分別縮短1 880、2 105、2 145 s。

2）隨著冷表面溫度降低，晶核的臨界半徑越小，晶核越密集，從而增加了凍結液滴對表面的覆蓋率。當冷表面溫度由-5 ℃降至-20 ℃時，液滴凍結模式由吸附凍結轉變為接觸凍結，且出現區域性凍結。

3）隨著冷表面溫度的降低，超疏水翅片表面的霜晶由柱狀轉變為細長疏松的枝狀，而裸表面霜晶高大且密集。結霜45 min后，超疏水翅片在冷表面溫度為-5、-10、-15、-20 ℃時的霜層厚度分別為裸表面的78.8%、95.6%、94.6%和79.8%，表明超疏水翅片在不同冷表面溫度下均具有抑霜效果。

本文受中國博士后科學基金 （2020M681453）和江蘇省高等學校自然科學研究面上項目 （19KJB470037）資助。（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）.）