铝表面结霜现象的实验研究

    0　引　言

    结霜现象普遍存在于制冷、空调热泵、冷冻冷藏和航空航天等领域。霜层是由冰晶和湿空气组成的多孔物质,有效导热系数较小,所以霜层的积累将增加蒸发器空气侧热阻,降低传热系数,同时会造成压力损失增大,对系统运行产生很大影响。在航空航天领域,飞行器表面的结霜带来很大的安全隐患。因此,多年来国内外学者对结霜现象进行了大量的研究。

    作者的前期研究发现铜表面上的结霜过程基本上经历了水珠生成、长大、冻结、初始霜晶生成、长大以及霜层成长等过程[1-4],并且将- 20～0℃冷表面上的初始霜晶形状划分为羽毛状、针柱状、片状、无规则状[2]。本文在此基础上,研究铝面及更低温度时冷面结霜的过冷水珠存续时间、初始霜晶形状、霜晶形状随时间的变化以及结霜过程中冷面温度的变化等。

    1　实验装置及条件

    实验装置见文献[3],空气通路为一开放式风洞,由整流段、风道、实验段及风机组成。风道截面为120 mm×40 mm,整个风道长度为2 400 mm。湿空气先经加湿装置加湿再经整流段整流进入实验段,本文实验研究自然对流条件下的结霜现象,故风机未开启。

    试件是尺寸为120 mm×60 mm×0.2 mm的铝片,其表面粗糙度Ra=0.18Lm,接触角H=88°,水平放置。冷表面温度由六个均布在试片下表面的T型热电偶测量。采用半导体制冷片提供冷源。实验工况为:冷面温度为-40～0℃;空气温度为25℃;空气相对湿度为50%。

    实验过程中,首先调好加湿器加湿量,待空气温、湿度均达到稳定后,开始通冷却水,接通电源,进行数据和图像的同步采集。采集间隔为3 s,图像放大倍数为80～484。

    2　实验结果及分析

    2.1　过冷水珠存续时间及水珠冻结温度

    为叙述方便,将冷面温度(t)降温至零度到水珠发生冻结的时间间隔称为过冷水珠存续时间;将水珠冻结时的冷面温度定义为水珠冻结温度。图1、2分别表示过冷水珠存续时间及水珠冻结温度随冷面温度的变化。由图1、2中可以看出:冷面温度越低,水珠维持过冷的时间越短;水珠在冷面上发生液固相变的温度明显随冷面温度的降低而降低。

    2.2　初始霜晶形状

    观察了-40～0℃冷面上初始霜晶(生长在冻结冰球上的霜晶)的形状,发现随着冷面温度的降低,初始霜晶依次呈如下形状:薄而透明的片状——叶片状——槽形——片状——羽毛状——柱状——粗短的棱柱状——小冰粒,见图3。冷面温度较低时,初始霜晶之后随即出现粗大的枝状霜晶,且温度越低越早出现枝状霜晶。

    实验过程中可明显观察到,冷面温度越低,水珠越早冻结,且冻结时粒径越小;冷面温度越低,初始霜层越致密,霜层厚度增加越快;冷面温度较高时,水珠冻结时引起的冷面温度回升较为明显,见图4。其原因是冷面温度越高,过冷水珠的体积越大,发生冻结时放出的相变潜热越多,且从图中可以看出,冷面温度较高即加在制冷片上的直流电压较小时,降温速度较慢,即热量被带走的速度较慢,所以冷面温度更易受影响。