电场作用下竖直板表面特性对霜层生长的影响

    1 引 言

    当湿空气暴露在一个既低于空气的露点温度又低于水的三相点的冷表面上时,空气中的水蒸汽就会在冷表面上凝结成霜。结霜现象广泛存在于各种低温设备和系统的换热表面上。其结果是导致传热效率下降,气流阻力增大,甚至阻塞气流通道,因此,这类设备需要定期或不定期地进行除霜操作。这不但耗费大量能量,而且对冷藏物品的品质带来不利影响。对结霜的问题研究一直受到人们的关注,美国军事研究室曾发表了静电场影响结霜的研究报告(AD680185)[1]。

    目前对结霜问题的研究主要包括四方面:一是对普通金属表面霜生长的研究,包括霜层物性、霜层生长规律、结霜过程传热传质等;二是改变结霜表面自由能对霜生长的影响;三是对测量技术的研究;四是外加电场对霜生长的影响。

    就目前所能查到的文献可知,改变结霜表面的自由能,使用亲水和疏水表面均能够影响霜层的生长,在一定的实验条件下能够有效地抑制霜层的生长[2]。关于外加静电场对霜层生长的影响,目前国内对这方面的研究还不多,但就已经发表的文献可知,在某个适当的电场强度下,由于电场力的作用,霜层的生长会受到抑制[3]。将对高压静电场作用下霜晶的形态进行观察。同时,还将改变结霜表面的表面性状和外加高压静电场结合起来,研究二者综合作用对霜层生长的影响规律。

    2 实验装置和实验步骤

    实验系统装置如图1所示,主要由实验部分、采集部分和静电发生系统组成。

    实验部分的冷却装置采用半导体温差电制冷器件,制冷电源采用单相桥式硅元件整流,最低温度可达到-26.0℃。根据实验的要求,可以将温度设定在0~-26.0℃之间任一温度值,并能够使冷板温度稳定在设定值。用可拆卸的紫铜板作为结霜表面,尺寸为150 mm×52 mm×6 mm,在铜板的两侧靠近表面处钻孔,深度为13 mm,布置4根T型热电偶来测定铜表面温度。

    采集部分采用显微系统观察霜的生长,显微镜的放大倍数可在7~110倍之间任意调整。CCD摄像镜头与显微镜连接,通过视频电缆将显微镜放大的图像传输到计算机,由图像采集卡记录实验过程,采集速度为30 fPs。霜厚通过显微测量软件读取。

    静电发生系统由直流静电发生器和平行电极组成。直流静电发生器可以产生0~100 kV的直流电压,平行电极的形状和尺寸如图2所示,所使用的裸线为0.3 mm的镍铬丝。

    整个实验过程是在一个封闭的大空间内进行的。根据实验要求,给电极加湿器设定某一湿度值,当环境湿度偏离设定值时,加湿器会通过反馈装置自行进行加湿,使空气的相对湿度控制在±5%以内。通过热电偶采集实验空间内的温度,多次测量,求其平均值即为该实验的环境温度。