结霜初期超疏水表面凝结液滴的自跳跃脱落及其对结霜过程的影响

制备了具有微纳复合结构的超疏水表面,对其结霜过程进行了可视化观测,揭示了结霜初期表面凝结液滴的自跳跃行为及其对结霜过程的影响,并与普通表面的结霜过程进行了对比研究.实验结果表明,结霜初期,超疏水表面的凝结液滴频繁出现合并后自跳跃现象,根据液滴合并前的尺寸大小,可将自跳跃行为分为3类,而普通表面未观察到类似现象;液滴自跳跃临界半径随着液固接触面积分数的降低和表面接触角的增大而减小.初始凝结液滴的自跳跃降低了超疏水表面液滴覆盖率和分布密度,同时引起表面霜层生长的不均匀性和霜晶结构的差异.与普通表面相比,超疏水表面可有效抑制结霜,延缓霜层生长速率.     

翅片表面特性对结霜过程影响的实验研究

为研究翅片表面特性对空气源热泵结霜的影响,构建了翅片结霜实验平台,对接触角不同的4种翅片表面(亲水性铝翅片、普通铝翅片、疏水性铝翅片、超疏水性铝翅片)的结霜过程细微观特征进行了可视化研究,获得了翅片表面特性对结霜过程细微观物理特征及霜层热工特性的影响规律.结果表明,在霜晶生长初期,接触角越大,凝结形成的液滴粒径越小,分布越稀疏,液滴开始冻结的时间越滞后.霜层生长过程中,接触角大的表面霜晶相对矮小且疏松,枝晶分布不均匀,而接触角小的表面霜晶纤长且致密,枝晶多且分布均匀.随着接触角的增大,霜层的高度和导热系数减小,表面温度降低.超疏水性表面霜高比亲水性表面减少了45%,接触角越大的表面其抑霜效果越明显.     

环境湿度对超疏水翅片结霜特性的影响

为揭示超疏水翅片在不同环境湿度下的结霜特性及抑霜性能，制备了接触角为161.5°的超疏水翅片，并通过搭建翅片表面结霜实验平台，获取了环境相对湿度分别为65%、75%、85%和95%条件下，超疏水翅片的结霜特性及抑霜性能.实验结果表明：结霜初始阶段凝结液滴的生长行为受相对湿度影响，凝结液滴的冻结时间随着相对湿度的增加而减少，但湿度对液滴冻结前翅片表面覆盖率的影响并不明显；结霜时间为45 min时，几种环境相对湿度下的霜层高度分别为0.26, 0.42, 0.65, 0.93 mm,虽然超疏水翅片的霜层高度随着环境相对湿度的增加而增加，但与普通翅片相比，其在不同湿度条件下均能有效抑制结霜.     

疏水性铝翅片表面的结霜/融霜特性

为了揭示疏水性铝翅片表面特性对结霜/融霜过程的影响规律,构建翅片结霜/融霜实验平台,制备接触角为90°~160°的4组疏水性铝翅片,并对其表面的结霜/融霜特性进行研究。研究结果表明:翅片表面的接触角越大,凝结液滴越晚出现,抗凝结作用越明显。4组翅片表面霜晶形态相似,但霜层高度区别明显,接触角越大,霜层越薄,抑霜效果越好。翅片表面的接触角和接触角滞后对凝结液滴及融霜滞留液滴的形状、尺寸和分布密度具有重要影响。此外,疏水性强的翅片,表面融霜过程快且滞留水少,接触角为160°的表面其滞留水比接触角为98°的表面减少79.82%。因此,采用疏水性强的翅片,有利于减少蒸发滞留水耗热量和时间,从而提高热泵除霜效率。     

超疏水表面液滴冻结初期冻结行为传递特性

针对超疏水表面结霜过程中液滴冻结初期"冰桥"导致冻结行为传递的现象,建立液滴与冻结液滴之间的传质模型,揭示超疏水表面液滴冻结初期冻结行为传递的机制。探究冻结行为传递的条件,揭示表面润湿性及表面温度对"冰桥"形成的影响规律。研究结果表明:当液滴与冻结液滴之间的距离小于临界距离时,"冰桥"才可能形成;表面疏水性能越好,液滴分布越稀疏,"冰桥"形成速度越慢,冻结行为越难以传递;表面温度影响液滴表面与冻结液滴表面水蒸气分压力差,水蒸气分压力差越大,"冰桥"形成速度越快。     

受限空间圆管表面结霜特性及换热性能实验研究

为了优化换热器结构以提高其除霜性能,通过水平圆管结霜可视化实验台对受限空间内结霜过程进行了实验研究,分析了霜层厚度沿管长方向的生长规律、结霜量和热流量随时间的变化规律,以及湿空气初始流速、温度、相对湿度和管壁温度等因素对圆管表面结霜量和热流量的影响。实验结果表明:结霜初期,霜层厚度沿管长方向逐渐升高;之后,圆管中部的霜层最厚,靠近入口的霜层厚度最小;融霜最先发生于空气流道出口处;结霜量随时间延长呈现增长趋势,而热流量呈现先增大后减小的趋势;较高的湿空气流速、湿空气温度、相对湿度和较低的壁面温度对应较大的结霜量和热流量,其中管壁温度对结霜量和热流量影响相对较小。实验所获得的结霜特性与换热规律对换热器设计具有一定的参考价值。     

微结构疏水表面的液滴浸润特性

以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底采用光刻蚀法制备了具有不同粗糙度的微方柱结构疏水表面,研究了微结构疏水表面的液滴浸润特性.结果表明,微方柱高度对表观接触角影响很小,但会显著影响疏水表面液滴浸润状态的稳定性,当微方柱边长和间距一定时,存在一个临界高度,当微方柱高度大于该临界值时,液滴具有良好的稳定性.通过对不同温度下疏水表面液滴浸润状态的研究表明,在露点温度至环境温度区间内,随着温度的增加,表观接触角呈增大趋势;在环境温度至沸点温度区间内,随着温度的升高,表观接触角呈减小的趋势.研究认为,合理的微结构尺寸和应用环境温度对液滴浸润状态的稳定具有重要意义.     

环境参数对空气源热泵蒸发器表面霜层影响研究

对一台空气源热泵翅片管蒸发器表面结霜特性进行了实验研究,分析了室外环境温度和相对湿度对霜层的形态、平均密度、总平均密度及动态密度的影响.实验结果表明:室外环境温度的降低或相对湿度的增加将促使换热器表面霜层在生长过程中形成针状霜晶,乃至形成绒状霜层;在高温、高湿度工况下,霜层表面出现凝结水滴,使得霜层密度增大.在霜层减速生长段,霜层平均密度随结霜时间呈增大趋势,而在霜层加速生长段,霜层平均密度随结霜时间迅速减小,且动态霜层密度远远小于霜层平均密度.对环境参数不同而霜层厚度相同的霜层平均密度进行比较发现,其随环境温度的升高及相对湿度的减小而增大,且相对湿度的影响在低湿度工况下更为显著.     

超疏水冷表面上液滴冻结的可视化观测

对超疏水和普通表面上液滴冻结过程进行了对比试验观测,对液滴初始冻结时间和液滴冻结持续时间进行了对比研究,并对超疏水表面延缓液滴冻结的机制进行了理论分析。试验结果发现:与普通表面相比,超疏水表面上液滴初始冻结时间和液滴冻结持续时间明显滞后,不同冷表面温度下,超疏水表面均可有效延迟液滴冻结。表面接触角和粗糙度的综合效应,可显著增加相变所需吉布斯自由能壁垒,同时减少液滴-平板之间传热面积是延缓液滴初始冻结和液滴冻结过程发生的根本原因。     

强制对流下翅片管蒸发器表面结霜实验

翅片管蒸发器表面结霜是阻碍制冷系统高效运行的主要不利因素之一。利用恒温恒湿箱搭建强制对流下蒸发器翅片管表面结霜可视化实验平台,在环境温度0～8℃、相对湿度55%～75%及迎面风速0.8～2.4 m/s时,实时记录霜层动态生长过程,研究了环境温度、相对湿度和迎面风速对霜层生长特性及蒸发器换热性能的影响规律。结果表明：环境温度和迎面风速是影响蒸发器结霜的主要因素,结霜50 min,环境温度为0℃的霜层厚度比环境温度为8℃的提高了12.78%,迎面风速为2.4 m/s的霜层厚度比迎面风速为0.8 m/s的提高了14.66%,结霜量与换热量提高趋势相同。在结霜初期,相对湿度越大,换热量越大;结霜后期,相对湿度越小,换热量越大,并得到了换热量关于环境参数与时间的相关关系。     

超疏水钢表面的制备及其抗结霜性能

为了改善传统钢铁表面较差的抗结霜性能,对钢片表面先后进行高能微米喷丸处理和氟化处理,采用扫描电子显微镜、接触角测量仪和抗结霜试验设备研究了钢片表面形貌、浸润性和抗结霜性能的变化.结果表明,高能微米喷丸处理在钢片表面成功构建了微米一纳米复合结构,且喷丸尺寸越细小,得到的微观结构越细小均匀.喷丸一氟化复合处理后,钢片表面与水滴接触角可高达160.,滚动角小于2.,显示出超疏水性和低黏附性.低温结霜试验表明,制备的超疏水钢片在试验过程中只有少量的霜晶出现,而未经处理的钢片已形成霜层.分析认为超疏水钢表面与水滴间的热量交换较小,水滴不易凝结,从而有效地提高了抗结霜性.抗结霜性良好的超疏水钢有望在热交换器或低温运行设备等领域获得应用.     

基于液滴局部轮廓的接触角测量方法

为了实现超疏表面上液滴的接触角测量,提出了基于液滴局部轮廓的接触角测量方法,通过超疏水表面的接触角测量实验对所提出的测量方法进行了验证。结果表明:基于液滴局部轮廓的接触角测量方法能有效稳定地测量出超疏水表面上的液滴接触角值;实施提出的接触角测量方法时需要测量点均布在液滴高度的2/5范围内的液滴轮廓上;基于液滴局部轮廓的接触角测量方法中接触点的选择误差对接触角测量结果的影响是可控的。可见基于液滴局部轮廓的接触角测量方法可用于表征表面的润湿性能。     

受限流道沿程参数变化对竖直圆管表面结霜特性影响的实验研究

为研究换热器受限流道内沿程湿空气参数和壁温同时变化对霜层生长的影响,搭建了竖直布局的可视化结霜实验台。实验研究了受限流道内沿程霜层厚度、壁温、霜层生长率等参数的变化规律,以及逆流工况下入口湿空气温度、相对湿度、空气流速对受限流道内圆管表面的结霜量和平均霜层密度的影响。实验结果表明：沿制冷剂流动方向,制冷剂入口段霜层逐渐变薄,中间段霜层厚度趋于平坦,出口段霜层厚度上升。因受限效应的影响,在结霜初期流道内的霜层生长率逐渐降低;在结霜中期流道内水蒸气浓度随时间升高,可使霜层生长率出现小幅提升;在结霜后期霜层生长率降低。在壁温越低、水蒸气浓度越高的位置,霜层生长率出现局部增大的时间越早。更高的入口湿空气温度、相对湿度、空气流速会提升结霜量,而平均霜层密度随入口相对湿度升高而下降。     

液滴图片数字化引起的超疏表面接触角测量误差模拟研究

液滴在表面上的接触角是衡量表面润湿性能的一个重要指标,近年来在超疏水表面研究领域得到广泛应用。目前接触角测试主要采用座滴法在获取液滴数字图片的基础上对液滴轮廓进行直接测量或拟合得到;数字图片的离散性决定了接触角测试结果具有一定误差这一误差在液滴偏离球冠形状的情况下(例如:超疏水/油表面接触角测量)会变得较为严重。拟采用数值模拟分析方法研究由液滴数字图片决定的超疏水/油表面接触角测量误差随液滴参数和表面性能的变化规律。通过模拟发现,接触角测量误差随着接触角的增大而增大;采用大体积液滴进行测量会带来较大的接触角误差;而密度大或表面张力小的液体带来的误差较太。为实现接触角误差的控制,在采用小体积液滴的同时,可以通过悬滴法进行测试,此时误差可控制在仪器误差限范围之内。     

仿生制备氧化锌纳米棒阵列超疏水表面

通过模仿荷叶表面微观结构和表面化学成分的方法,以玻璃为基底在溶液中生长ZnO纳米棒并经表面低自由能化修饰,从而成功制备了ZnO纳米棒阵列超疏水表面.经接触角测量仪表征,该超疏水表面静态水接触角为156°,扫描电镜分析表明所制备的ZnO纳米棒均具有100 nm左右的直径,这种微纳米的复合结构是赋予材料表面超疏水性能的主要因素.最后采用Cassie模型对该超疏水表面的超疏水性能进行了理论分析.     

乙醇/水两组分液滴在超疏水表面上的蒸发动力学研究

在不同湿度下研究了不同浓度乙醇/水混合物的液滴在超疏水表面上的蒸发过程,通过实验分析了液滴的接触半径、接触角和蒸发速率随时间的演化规律并与现有理论模型进行对比,探索乙醇浓度和环境湿度对超疏水表面上两组分液滴蒸发动力学行为的影响。研究结果表明:乙醇浓度影响液滴在超疏水表面上的蒸发模式和蒸发速率,低乙醇浓度(≤20wt%)时液滴蒸发速率较慢并趋向于常接触角(CCA)模式,高乙醇浓度(40wt%～60wt%)时液滴蒸发速率更快并趋向于常接触半径(CCR)模式;环境湿度主要影响液滴的蒸发速率但对蒸发模式的作用小,湿度越高蒸发速率越慢。     

结霜工况下R410A翅片管式蒸发器的换热特性

在焓差实验装置和热泵性能测试系统中,对一台R410A空气源热泵的翅片管式蒸发器在结霜工况下的换热特性进行了试验研究.通过改变蒸发器制冷剂侧和空气侧的流体温度、流量等参数,利用显微摄影机对室外侧换热器的平直翅片表面结霜过程进行动态跟踪.实验表明,结霜速率和霜层厚度的变化对制冷系统的换热量、蒸发温度、制冷剂侧压降、整体传热效率都有不同程度的影响.在蒸发器的结霜初期和结霜后期,系统性能的衰减程度有较大区别.在空气温度为0℃~-4℃,相对湿度大于80%的情况下,换热器表面结霜速度最快.     

铜基疏水冷表面液滴冻结实验研究

为了研究不同环境条件下液滴在不同接触角疏水表面的冻结行为,采用自组装法制备了具有不同接触角的铜基疏水表面,通过实验观测了不同环境条件下液滴在不同接触角表面的冻结行为,分析了各因素如接触角、冷表面温度、环境温度以及湿度对冻结时间的影响。实验结果表明:在降温过程中,由于疏水表面润湿性发生变化导致接触角减小;冻结时间随接触角、冷表面温度、环境温度及湿度的增加均呈现增加的趋势。结合液滴冻结开始后的相变过程及能量守恒原理,建立了液滴冻结一维层式数学模型,对不同实验条件下液滴的冻结持续时间进行计算,计算结果与实验结果吻合良好,误差不超过15%。     

接触角测试的量高法的适用范围

量高法是接触角测试的一种简便的测试方法,在工程和研究中得到广泛应用。该方法基于液滴的球形假设,决定其仅有有限的适用范围。通过数值模拟的方法研究量高法所引起的接触角偏差,从而考察量高法的适用范围并给出接触角修正的方法。研究发现:采用量高法计算的接触角与真实接触角有很大的偏差,这种偏差在超疏水表面上的接触角测量中尤为明显,可达20°;偏差范围决定于液滴的性质、表面的润湿性能和液滴的体积,液体表面张力小、接触角大和液滴体积大将导致大的偏差。在超疏水或超疏油表面研究中,为精确表征表面的润湿性能,需要对量高法进行偏差修正,提出了一种用于偏差修正的方法,通过该方法可精确确定出真实接触角。     

超疏水低黏附微孔表面的制备及其冷凝微滴的高效自去除性能

冷凝微滴在基底材料表面的高效自去除是防结霜的一种有效手段.以硅片为基底材料,采用飞秒激光直写技术制备了微孔阵列结构,经低表面能修饰后,表面水接触角为165°,滚动角为0.6°,液滴在微孔结构表面可以实现多次弹跳.通过冷凝微滴的自去除实验,重点分析了冷凝微滴的成核、生长、合并自去除机制,发现冷凝微滴可以在微孔内部短时间内...