不同条件下霜层生长特性的实验研究.pdf

年 月 陕西理工大学学报(自然科学版).第 卷第 期 ().引用格式:孙金绢马志恒田建辉等.不同条件下霜层生长特性的实验研究.陕西理工大学学报(自然科学版)():不同条件下霜层生长特性的实验研究孙金绢 马志恒 田建辉 左富林 于璐洋西安工业大学 机电工程学院 陕西 西安 摘 要:针对设备冷壁面与湿空气接触会发生结霜现象导致设备使用性能降低的问题对不同条件下的霜层生长的影响规律展开研究 通过实验研究了变温和恒温冷壁面温度、环境温度与霜层生长过程和结霜质量之间的关系 结果表明:在冰颗粒形成期变温冷壁面结霜为凝结过程恒温冷壁面结霜为凝华过程在结霜过程后期由于变温冷壁面温度已降至低温会伴随凝华成霜凝结成霜与凝华成霜并不是独立出现的变温冷壁面温度降低越快恒温冷壁面温度越低对结霜越有利环境温度在 以下时温度越高结霜效果越好而处于 左右时则会抑制霜枝顶部生长 因此抑制霜层生长的研究应该关注这些因素的影响关键词:霜层生长结霜机理冷壁面温度抑霜中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:修回日期:基金项目:陕西省自然科学基础研究计划一般项目()陕西省教育厅科研计划项目()通信作者:孙金绢()女山东滨州人讲师主要研究方向为过冷大水滴动力学特性、结霜结冰特性、格子波尔兹曼数值计算方法应用结霜现象是一种较为复杂的相变传质传热过程广泛存在于自然界、航空航天业、制冷行业等工程领域中 设备冷壁面接触到湿空气时湿空气中的水分会在冷壁面上凝结成水膜并冻结成霜晶覆盖于设备表面导致设备传热性能变差能耗增加 因此深入研究不同条件下霜层生长特性对节约能源提高设备效率具有重要意义近年来学者对结霜研究进行了深入分析 等分析出大倾角冷壁面能产生更多的液滴沿倾斜冷壁面的重力分量可以抵消部分拖曳力抑制液滴聚并提高结霜质量任政等在 工况下分析了呈周期性融霜现象和霜层崩塌回融两种不同特征的融霜过程马强等研究了亲疏水表面的结霜和融霜结果发现亲水表面对结霜和排液效果较好龚建英等利用格子 方法实验分析出霜层内部温度随霜层厚度的增加呈线性增长规律苏伟等研究出较低的表面温度和较高的环境湿度由于相变过饱和度的增加会大大提升霜层增长速度董涛等探究出疏水性涂层会延迟水珠冻结时间能够有效抑制霜层的生长李刚通过实验和数值模拟的方法探究出相对湿度对霜层的形成和发展过程的影响要高于温度对换热器结霜影响周盛奇通过实验发现在有利于凝华结霜条件下霜层厚度增长的临界空气流速很小王洪利等实验分析出在高风速区域霜层厚度增长较慢且密度较大:张天雷等分析出自然对流使微柱间产生空气涡旋导致水蒸气无法在凹槽停留能有效减少结霜面积范来富等对亲疏水性表面进行结霜研究发现疏水壁面的结霜效果最差亲水壁面更有利于霜层生长 等分析出壁面温度的降低对霜层厚度影响较大而对结霜密度影响却很小为了研究不同条件下的霜层生长特性准确地探寻霜层生长影响特性并阐明机理为结霜抑霜机理的研究及防治措施设计提供理论依据本文通过实验分析变温与恒温冷壁面温度、环境温度等参数的改变对霜层生长的影响以研究不同条件下霜晶厚度和结霜质量变化规律 实验装置与数据处理冷壁面霜层生长过程可视化动态测量实验平台如图 所示平台采用高精度显微镜图像采集装置及数据采集处理系统等进行在线监测采集探寻变温与恒温冷壁面温度、环境温度等因素对霜层生长过程的影响规律 实验平台主要包括数据采集系统、温湿度调节系统以及壁面冷却系统 数据采集系统主要由记录数据的数据采集器、体式显微镜、高精度摄像机(分辨率 )以及计算机组成温湿度调节系统由调节环境室空气湿度的加湿器调节室温的翅片式换热器和感应温湿度的传感器组成壁面冷却系统由高精度感应温度的 型热电偶、.结霜实验壁面、半导体制冷片以及负责换热的低温恒温水槽组成图 实验装置示意图利用数据采集系统得到一系列霜层生长过程图像使用 软件对拍摄的霜层生长图像进行处理如图 所示在摄像机拍摄的结霜图片中取 个点以这些点的霜层厚度平均值作为结霜厚度 的定义即 ()式中为单个霜枝高度结霜质量 的定义为 时的霜层质量(霜层质量 通过称重法得到)与霜层体积 之比.()在软件中进行图像的标定并计算最小刻度所包含的像素精确到.以此得到每个像素代表的实际长度(./)通过计算图像中的像素得到霜层厚度 为避免实验结果的偶然性进行多次实验并取平均值以确保数据可靠性图 霜层厚度图像处理图第 期 孙金绢马志恒田建辉等 不同条件下霜层生长特性的实验研究 结果与讨论.变温冷壁面温度对霜层生长的影响结霜现象是伴随着气液、气固、液固、固液等多种相变和移动边界的复杂传热传质问题通过实验研究不同工况下变温冷壁面与恒温冷壁面上的结霜过程分析凝结结霜与凝华结霜两种结霜过程的不同为了研究变温冷壁面温度对霜层生长的影响特性接通直流稳压电源冷壁面温度不断降低与制冷设备中壁温下降的过程比较相符 观察记录霜层生长过程由于冷壁面温度同时低于水的三相点温度和水蒸气的饱和温度时才会形成霜晶体所以当冷壁面温度为 时开始计时其中环境湿度 冷壁面材料为铜环境温度 实验时间控制在 内设置冷壁面温度 由 分别降至.、五组工况 图 为冷壁面温度 与 的霜层生长情况 冷壁面接触湿空气结霜可分为 个阶段:冰颗粒形成期、霜层形成期和霜层生长期在冰颗粒形成期由于壁面温度未达到水蒸气凝华的温度所以在湿空气碰到冷壁面后先凝结成水珠继而冻结形成冰珠通过持续降温冰珠上方开始生长细小冰颗粒霜层形成期随着温度的降低细小冰颗粒粘附在冰珠上积聚形成枝状霜晶并伴有新的水蒸气凝华产生颗粒霜层生长期枝状霜晶通过吸收水分子以及冰颗粒不断生长形成茂密的霜晶林覆于壁面 与 工况相比 工况在 后空气凝结产生的水珠较大随着温降在 时水珠冻结成冰珠并且有少量冰颗粒散布于冰珠上方而 工况的冰珠却已有较为明显的冰颗粒生长现象 这是由于冰颗粒形成初期的较小冰珠传热时产生的传热阻小因此结霜效果好一些 但 以后由于温度过低霜晶不断生长 时的霜层厚度和结霜质量已明显高于 工况图 变温冷壁面霜层生长情况图 为结霜厚度随时间变化曲线 由图可知结霜厚度随时间增长不断增高而结霜厚度增长率(/)出现先增大后减小的趋势 出现这种现象是因为在霜层生长初期霜层枝干既不受自身顶部压力影响也不受相邻霜枝挤压的空间限制表现出来的霜层生长厚度较大且较为疏松 当霜枝生长到一定程度会受到顶部压力和相邻霜枝挤压的影响出现沉积倾斜现象导致结霜速率降低 陕西理工大学学报(自然科学版)第 卷图 为单位面积的冷壁面结霜质量对比图 在相同时间冷壁面温度降低越快结霜质量越大这是由于冷壁面温降越快水分子转变为霜晶状态时的相变驱动势越大单位时间内凝结到壁面的冰珠越多结霜质量越大 通过数据拟合得到结霜质量 与冷壁面温度 之间表达式为 .因此在冷壁面温度为.范围内结霜质量平均增长率(/)为.图 变温冷壁面霜层厚度随时间变化曲线 图 单位面积的变温冷壁面结霜质量对比.恒温冷壁面温度对霜层生长的影响为了研究恒温冷壁面温度对霜层生长的影响特性先在冷壁面覆盖一层保鲜膜用来隔绝湿空气然后接通直流稳压电源调节电压使冷壁面温度降低至设置值并保持稳定 揭掉保鲜膜开始计时利用高速摄像系统观察并记录霜层生长过程其中环境湿度 冷壁面材料为铜环境温度 实验时间控制在 内冷壁面温度 设置为 、五组工况 图 为冷壁面温度 和 的霜层生长情况图 恒温冷壁面霜层生长情况第 期 孙金绢马志恒田建辉等 不同条件下霜层生长特性的实验研究 由图 中可以观察到在冰颗粒形成期 工况的冷壁面上未有水滴生成而是生成不规则的点状冰颗粒发生凝华现象 霜层形成期随着霜晶继续呈枝状生长冷壁面又产生新的霜晶通过生长和互相挤压、碰撞最后霜晶呈枝状互相交织形成霜晶林并铺满壁面 与 工况相比 工况在 时已有较大枝状霜晶和冰颗粒稀疏散布在冷壁面表面并且霜晶生长得更快更密集 以后霜层厚度和结霜速率明显更大 这是因为在结霜过程中冷壁面温度越低导致湿空气中的水蒸气由气态变为固态的相变驱动势越大就会有更多水蒸气凝华相变促进结霜效果图 为结霜厚度随时间变化曲线 由图可知结霜厚度随时间增长不断增高结霜厚度增长率同样出现先增大后减小的趋势与图 的结论一致 通过观察不同冷壁面温度的结霜厚度大小关系可以看出冷壁面温度 越低对结霜厚度越有利图 为单位面积的恒温冷壁面结霜质量对比图 由图可知冷壁面温度越高结霜质量越小 这是因为在同样的外界温度下冷壁面温度 越低导致温差增大增强了冷壁面通过热传导对水蒸气的吸附能力和湿空气中水分子转变为霜晶的相变驱动能力使结霜质量变大 通过数据拟合得到结霜质量 与冷壁面温度 之间表达式为 .因此在冷壁面温度为 时结霜质量平均增长率为.图 恒温冷壁面霜层厚度随时间变化曲线 图 单位面积的恒温冷壁面结霜质量对比.环境温度对霜层生长的影响为了研究环境温度对霜层生长的影响特性利用高速摄像系统记录霜层生长全过程其中环境湿度冷壁面材料为铜冷壁面温度 实验时间控制在 内环境温度 设置为、四组工况 图 为环境温度 与 的霜层生长情况 由图可以观察到 工况在冰颗粒形成期时水蒸气渐渐凝华形成点状霜晶随着时间推移霜晶顶部缓缓长出晶枝并形成霜晶林覆盖壁面与 工况相比两种工况的霜层生长过程同步进行并且结霜效果无显著区别图 为结霜厚度随时间变化曲线 由图可知在相同时间内结霜厚度并不是随空气温度的升高而增大其原因在于当冷壁面温度较低时水蒸气会在冷壁面上直接凝结导致冷壁面和周围环境的存在水蒸气浓度差水蒸气就会逐渐向冷壁面靠拢 当环境温度增大时会促进水分子热运动促进霜层生长 所以在环境温度处于 以下时温度的升高会促进结霜厚度的增加但在环境温度处于 时会抑制霜枝顶部生长这是由于一方面厚度增大导致霜层导热性变差另一方面霜层上方热空气传递给霜层表面的热量使得顶部霜层温度上升出现沉积、下垂现象使结霜厚度增长速率下降图 为单位面积的冷壁面结霜质量对比图 由图可知环境温度处于 以下时环境温度升高会对结霜效果具有促进作用结霜质量增大但环境温度在 时会抑制霜层生长结霜质量不会随温度增加而持续升高 陕西理工大学学报(自然科学版)第 卷图 环境温度变化时冷壁面霜层生长情况 图 不同环境温度结霜厚度随时间变化 图 不同环境温度单位面积冷壁面结霜质量 结论本文实验研究了变温、恒温冷壁面温度、环境温度等因素对霜层生长的影响得到了不同时刻的霜晶厚度和结霜质量通过分析得到以下结论:)变温冷壁面不能直接达到水蒸气凝华相变温度其结霜过程:凝结凝结与凝华冰晶生长温度下降越快结霜效果越好而结霜厚度的增长率出现先增大后减小的趋势在壁面温度为 .时结霜质量平均增长率为.)恒温冷壁面的结霜过程为:凝华冰晶生长温度越低结霜厚度和质量越大结霜厚度增长率同样为先增大后减小在壁面温度为 时结霜质量平均增长率为.)当环境温度处于 以下时随着环境温度升高空气相对湿度就越大结霜效果越好而环境温度处于 左右会抑制霜枝顶部生长不利于结霜 参 考 文 献 马燕臧润清张秀.间接冷却制冷系统结霜特性的实验分析.低温工程():.赵玲倩刘中良李丽艳等.疏水性对竖直冷表面上自然对流结霜特性的影响.制冷学报():.李翠庄钰涵厉彦忠等.低温管路管外结霜过程的数值模拟研究.低温工程():.第 期 孙金绢马志恒田建辉等 不同条件下霜层生长特性的实验研究 张柳席细平.低温冷表面结霜性能实验研究及应用.江西科学():.:.任政张兴群张蓓乐等.水平圆管表面结霜特性的实验研究.西安交通大学学报():.马强吴晓敏.表面特性对结霜和融霜排液的影响.化工学报():.龚建英孙金绢李国君.格子 方法模拟霜结晶生长.低温工程():.苏伟芦志飞张小松.竖直超疏水翅片间霜层动态生长特性.化工学报():.董涛夏鹏.冷面霜层生长过程及其抑制对策实验研究.轻工机械():.李涛胡长淮连珍慧等.表面浸润性对霜层生长过程影响的实验研究.内燃机与配件():.李微微.材料表面特性对结霜影响的试验研究.长春:吉林大学.李刚.空气源热泵蒸发器结霜/除霜特性研究.青岛:青岛大学.周盛奇.低相对湿度条件下冷表面结霜现象的实验研究.大连:大连理工大学.王洪利张向阳.空气源热泵蒸发器结霜分布实验研究.华北理工大学学报(自然科学版)():.张天雷赵彦杰.水平阵列方微柱表面自然对流的结霜特性研究.制冷学报():.范来富曹先齐戴晶晶等.超疏水换热器抑霜/化霜性能的实验研究.河北工程大学学报(自然科学版)():.杨文兵.表面特性对冷表面结霜过程影响的研究.广州:广州大学.赵玲倩刘中良李丽艳等.疏水性对竖直冷表面上自然对流结霜特性的影响.制冷学报():.:.责任编辑:李 莉 :.:.:陕西理工大学学报(自然科学版)第 卷