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.     

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。     

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.     

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.     

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%。     

结霜初期超疏水表面液滴生长的规律

为了研究结霜初期液滴在超疏水表面的生长规律,建立结霜初期超疏水表面液滴生长的分层模型,揭示液滴在生长过程中各层温差的分布特点,并深入研究表面接触角、面积分数、基底温度以及空气相对湿度对液滴生长的影响规律。研究结果表明:在结霜初期,液滴的Knudsen层以及主流连续区层这2部分的温差占基底过冷度的95%以上;随着表面接触角的增大,传质环节中的主流连续区层的温差减小,导致液滴生长减缓;面积分数S对液滴生长的影响较小,当S=0.04时,与其相关的热阻R_(we)仅约占液滴-翅片层总热阻的0.2%;液滴生长速率随着基底温度的降低和空气相对湿度的升高而升高。     

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。     

超滑表面防冰与疏冰机理研究

为解决高湿度条件下超疏水表面防冰失效问题,提出了一种新型多孔超滑表面。基于自组装技术,提出新型超滑表面(HPO-SLIP)涂层表面制备方法,即通过构建超疏水粗糙多孔基底进而涂覆润滑油制备获得超滑表面,并对其润湿特性和微观形貌进行表征,最后对其防冰与疏冰特性进行实验研究。实验结果表明:与超疏水表面相比,超滑表面冷凝液滴孤立冻结,无"冰桥"扩展,结冰扩散速度慢;超滑表面与冷凝冻结液滴接触属于固-油-固接触模型,油膜动态迁移分布影响成核结冰;对于疏冰特性,超滑表面冰黏附剪切强度比亲水表面低一个数量级。综合分析发现,与亲水表面、超疏水纳米草表面、超疏水微纳复合表面相比,超滑表面具有最优的防冰传播特性与疏冰性能,可以有效减少冰积累量。     

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...     

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。     

微量水蒸气条件下低温表面结霜过程的实验研究

为研究微量水蒸气在低温表面上的结霜过程,搭建了低温表面微量水汽混合湿氮气的可视化结霜实验台。实验对比了常规湿度和微量水汽含量条件下,-180℃冷表面上常温氮气流中水蒸气结霜过程和形态,研究了不同微量水汽含量以及环境压力对低温结霜特性的影响。结果表明：相比于常规湿度条件下冷凝-冻结机制主导的结霜过程,微量水蒸气(体积分数71×10^-6)在低温表面主要通过凝华机制生成微小冰晶沉积在冷表面,形成不均匀分布的无明显枝干的霜晶,随后形成平整疏松的霜层。凝华机制主导的霜层生长过程主要体现为霜层厚度的增大,而密度无明显增大。在微量水蒸气条件下,随着水汽含量由1.53×10^-6升高至500×10^-6,霜层逐渐增厚并伴随着霜层形态由平坦均匀薄层向簇状霜团转变,增大的接触面积使霜层生长速率加快。环境压力由109 kPa升高至190 kPa时,增大的水蒸气分压本质上是由水蒸气绝对含量增加引起,霜层生长加快,表面的不平整程度会升高,霜晶形态更丰富。随时间推移,同一时刻不同环境压力下霜层厚度的差异逐渐增大。最后拟合了适用于低温表面上微量水蒸气条件...     

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.     

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.     

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。     

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．     

吸水性涂层在霜层生长初期的抑霜

研究吸水性涂层对霜层生长过程的影响,以寻求抑制结霜的有效方法.通过自行设计的试验设备对吸水性涂层表面上霜层生长特性进行试验研究,获取了不同时段霜层的显微图片,采用数字图像处理方法对其分析,与无涂层的铜表面进行对比.结果表明,吸水性涂层使得结霜时间推迟,霜层高度下降,冰晶体分布稀疏.此外霜层生长初期冰晶体的结构发生了变化,晶体呈倒立状,在某个时段内持续这种状态.对列固含率的分析表明,吸水性涂层的表面在初期有些位置冰晶体含量较高,但有些位置则接近于零,这样的霜层在生长初期甚至加强了热传递.最后通过对比不同表面霜层高度随时间的变化规律发现:吸水性涂层在初期抑霜效果最好,随着时间的推移其抑霜能力逐渐下降.     

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。     

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%。     

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。