低温冷表面结霜性能实验研究及应用

针对低温冷表面结霜情况搭建了结霜实验系统,采用显微镜、CCD摄像机观察冷表面结霜全过程,并通过改变环境温度及冷液温度研究霜晶生长状况。实验结果表明:在冷表面划痕、凹陷处率先结霜;冷液温度及环境温度对霜晶生长状况影响很大,随着冷液温度的降低,霜晶粒径减小,分布密集,生长较快;随着环境温度的降低,霜晶生长缓慢。     

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。     

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。     

-60℃水平圆管表面结霜特性的实验研究

为了探索在-60℃以下较低温区冷表面的结霜特性,设计并搭建了基于复叠制冷系统的-60℃水平圆管表面结霜特性可视化实验台,并对套管形式换热器内水平圆管外表面上湿空气顺掠管的结霜特性进行了实验研究,着重分析了结霜过程中霜层厚度及其增长速率的特性。实验结果表明:-60℃水平圆管表面霜层厚度生长速率比常温区冷表面更快,约为-15℃冷表面的两倍,同时又保持了与-15℃以上冷表面相似的生长趋势,即前期生长速率较快,然后逐渐降低。此外,还发现并分析了呈周期性出现的融霜现象和大幅突降的霜层崩塌回融两种不同特征的融霜过程。初步探索了受限通道内-60℃水平圆管表面的结霜特性,丰富了霜层特性研究数据,可为今后更加全面系统的实验研究奠定基础。     

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.     

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。     

冷表面结霜的微细观可视化研究

为研究冷表面上结霜的微细观过程以及表面湿润性对该过程的影响,对空气中水蒸气在铜裸面及疏水性涂层上的结霜过程进行了微细观可视化研究。实验中冷面温度为-10℃。发现结霜过程并非单纯的凝华过程,而是经历了水珠生成、长大、冻结、初始霜晶生成以及霜晶成长(包括部分霜晶的倒伏)过程。与铜裸面相比,疏水面上水珠分布的较为稀疏,粒径较大,冻结较晚,初始霜晶较迟出现,霜晶高度较低。所有这些都说明疏水性表面可以延缓霜的形成及成长。     

结霜与微尺度表面特性的实验研究

针对翅片式蒸发器表面的结霜问题，提出了一种新的实验研究方法，即利用CSPM2000(扫描探针显微镜)对两类材料冷表面进行扫描记录，同时利用专门的CCD摄像与显微镜系统，观测两类材料表面的整个结霜过程，从而探讨微观表面结构与材料表面霜层形成的关系．实验结果表明，材料的表面粗糙度对结霜有很大影响，表面光洁度好，霜沉降量较小。     

结霜工况下水蒸气在冷表面上冷凝成核的理论与实验研究

为了揭示结霜初期冷表面上冷凝成核过程的发展规律及其影响因素,针对结霜工况下冷表面在凝结初期的冷凝成核过程,建立基于吉布斯自由能理论与分子动力学理论的理论模型,并对结霜工况下低温铝表面的凝结过程进行可视化实验研究.研究结果表明:通过理论模型所得成核能障系数变化特征与实验结果有良好的一致性;成核位点的凝结成核能障系数越低,...     

强制对流条件下结霜现象的实验研究

在冷面温度为-15~0℃,空气温度为16.5℃和22℃,空气相对湿度为20%~70%,空气流速为0~5.5m/s的条件下,对水平铝表面上结霜现象进行了实验研究。结果表明:冷面温度或空气温度越低,过冷水珠存续时间越短,冻结粒径越小;随着空气相对湿度的增加,过冷水珠存续时间先缩短后延长,冻结粒径先减小后增大;随着空气流速的增大,过冷水珠存续时间先缩短后延长,冻结粒径却不断增大;空气流速对初始霜晶形状的影响不大。     

润湿模式对翅片表面结霜液滴生长的影响

为揭示翅片表面微结构在不同润湿模式下对结霜初期凝结液滴生长的影响,建立了光滑、Wenzel及Cassie润湿模式下翅片表面结霜液滴生长的热阻分析模型及生长速率模型,获得了表面接触角、润湿模式、表面微结构几何尺寸等因素对结霜液滴生长速率的影响规律.结果 表明:相比光滑和Wenzel翅片,Cassie翅片表面的传热热阻最大...     

板翅式换热器热通道结霜过程的数值模拟

为了研究板翅式换热器热通道在不同工况下的霜层生长规律以及霜层对板翅式换热器的影响,建立了基于Lewis传热传质类比理论的结霜模型,并将该模型与板翅式换热器非稳态传热模型相结合。首先借助平板结霜可视化观测实验台验证了该模型的准确性,然后主要计算对比了湿空气进口流速分别为0.8、1.2、2 m/s,相对湿度分别为60%、70%、80%时换热器热通道结霜量的大小,以及结霜起点位置的变化。结果表明:空气流速越大,霜层增长的速率越大,结霜区域越小;空气相对湿度越大,霜层增长的速率越大,结霜区域越大。并且,随着霜层厚度增长通道压降持续增大,板翅式换热效率持续下降,当热通道内霜层平均厚度累积到1.5 mm时换热器效率下降约10%。     

强制对流翅片管式换热器结霜性能的研究

建立了恒流条件下的强制对流翅片管式换热器的结霜模型，并用实验结果验证了模型的可靠性．将结霜模型和风机性能曲线联合起来考虑，在更加切合实际的情况下，模拟了换热器在结霜工况下的热力性能．研究发现，换热器结霜引起了翅片效率、空气流通率及翅片性能的显著降低，同时还伴随着空气侧压力降上升．讨论了改变风机类型、翅片间距以及翅片厚度在内的几种设计参数对结霜性能的影响．     

低温等离子体处理木材表面研究

利用不同类型常压放电产生的低温等离子体对合成木材表面进行了处理,测试放电处理后木材表面的水接触角和表面形貌的变化,并得到了处理前后木材的表面能的变化.结果表明,放电对木材表面结构和力学性质产生很大影响,可以有效提高木材的表面性能.     

大气压下低温表面等离子体发射光谱实验研究

由于受到空气大气压条件下沿面放电介质阻挡等离子体的空间结构限制,选用光栅单色仪对其进行了光谱测量,获得了不同电源频率和电极间隙条件下的光谱谱线.实验结果表明:不同条件下的谱线形状相同,其中主要为氮气放电;光辐射强度与频率间存在线性关系;电极间隙为零时,光辐射强度最大,当电极间隙向正负两侧偏离零时,其强度呈对称线性下降;各峰面积所占谱线总面积比重不随电源频率和电极间隙变化.     

微纳米结构ZnO超亲/疏水表面结霜特性研究

采用水热合成法在铝基底上制备了微纳米结构ZnO薄膜表面试片,表面接触角小于3°,经FAS修饰后接触角达154.5°.通过结霜过程实验,表明两者均具有较好的抑霜效果,在测试条件下,与裸铝试片相比,水珠初始冻结时间分别延迟27 min及22 min;对于FAS修饰的微纳米结构ZnO薄膜表面,在30 min时其结霜量仅为裸铝试片的55％,反映低表面能的粗糙化结构表面对结霜起到很好的抑制效果.     

结霜工况下平行流换热器的换热性能

测试了平行流换热器在结霜工况下的换热性能.研究了换热器的换热面积及表面换热效率随霜层厚度的变化,并采用对数平均温差（LMTD）法对结霜状况下霜层表面的换热系数进行了计算.结果显示,当霜层厚度达到0.4 mm时,换热器的换热面积下降18%左右,表面换热效率下降17.42%～24.78%;而换热系数的降低是换热器性能降低的重要因素,试验中换热器的换热系数均下降50%左右,百叶窗的霜堵是导致换热系数降低的主要原因.     

结霜工况下空气源热泵动态特性的数值模拟与实验验证

对结霜工况下空气源热泵的动态特性进行了数值模拟，并在室外环境空气温度及相对湿度分别为-15～3℃和50％～90％范围内对一台空气源热泵空调器的动态性能进行了实验研究，测量了不同结霜工况条件下热泵空调器的动态性能参数、室外换热器结霜量及壁面温度分布．在此基础上分析了进风温、湿度对空气源热泵空调器性能的影响．实验结果表明：在室外换热器表面结霜的初始阶段，热泵系统的制热量及性能系数均有所提高，但在结霜的后期，热泵性能迅速衰减，与数值预测结果一致；对于相对湿度不同的进口空气，其温度为0～3℃时室外换热器表面结霜速度最快，在此温度范围内结霜对热泵性能影响最大．     

添加剂对喷雾冷板换热效果影响的实验研究（英文）

喷雾冷板结构紧凑,换热效率高,能满足多热源高热通量的散热要求,被认为是解决下一代芯片散热的可靠手段。本文提出采用表面活性剂来强化喷雾冷板换热效果,并对不同种类和浓度的添加剂作用下喷雾冷板的传热性能进行系统的实验研究。研究发现,在3种添加剂中十二烷基硫酸钠(SDS)可以显著提升喷雾冷板的换热性能,在最佳浓度200ppm时使喷雾冷板的换热系数提高了19.8%,正辛醇和吐温20的添加均降低了多喷嘴喷雾冷板的换热性能。此外,通过量纲分析并结合实验数据,得出了添加剂作用下的喷雾冷板无量纲传热关联式,最大误差分别为2.1%、2.8%和5.4%。这一发现为喷雾冷板的提升改进提供了理论分析和基础。     

锅炉炉渣淬火后含渣水的表面蒸发

对水冷式除渣系统中含渣水表面蒸发速率进行实验,探讨了含渣水表面蒸发速率的影响因素,得到了1个大气压下风速为0.5m/s时,含渣水表面蒸发速率与表面温度(30～75℃)和相对湿度(40%～90%)之间的实验关联式。实验测量了按不同比例稀释的含渣水表面蒸发速率,并与纯水表面蒸发速率的实验结果对比,发现实验范围内水温高于50℃时纯水表面蒸发速率约为含渣水表面蒸发速率的1.1～1.2倍,水温低于50℃时倍数略高,而一定范围内浓度的改变对含渣水表面蒸发速率的影响在10%以内。