疏水性鋁翅片表面的結霜/融霜特性

汪峰，梁彩華，吳春曉，張小松，張友法

（1. 東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京，210096；2. 東南大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京，211189）

疏水性鋁翅片表面的結霜/融霜特性

汪峰1，梁彩華1，吳春曉2，張小松1，張友法2

（1. 東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京，210096；2. 東南大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京，211189）

為了揭示疏水性鋁翅片表面特性對結霜/融霜過程的影響規律，構建翅片結霜/融霜實驗平臺，制備接觸角為90°～160°的4組疏水性鋁翅片，并對其表面的結霜/融霜特性進行研究。研究結果表明：翅片表面的接觸角越大，凝結液滴越晚出現，抗凝結作用越明顯。4組翅片表面霜晶形態相似，但霜層高度區別明顯，接觸角越大，霜層越薄，抑霜效果越好。翅片表面的接觸角和接觸角滯后對凝結液滴及融霜滯留液滴的形狀、尺寸和分布密度具有重要影響。此外，疏水性強的翅片，表面融霜過程快且滯留水少，接觸角為160°的表面其滯留水比接觸角為98°的表面減少79.82%。因此，采用疏水性強的翅片，有利于減少蒸發滯留水耗熱量和時間，從而提高熱泵除霜效率。

疏水性翅片；接觸角；接觸角滯后；結霜；融霜水滯留

空氣源熱泵冬季制熱運行時，室外側翅片管換熱器存在結霜問題。由于霜層的形成與生長，導致換熱器換熱能力下降，熱泵性能惡化，無法正常工作［1-2］，因此，有效抑制空氣源熱泵結霜關系到其穩定高效運行。目前，國內外學者提出了利用溶液除濕減少入口空氣含濕量［3］、外加電場、磁場［4-5］、超聲波振動［6-7］等抑霜方法。雖然這些方法能夠起到明顯的抑霜效果，但應用于抑制熱泵結霜代價過高，缺乏實用性。早在20世紀80年代，親水涂層已被用于延緩和抑制結霜的研究。LEE等［8-9］通過實驗發現，親水涂層具有很強的吸水性，并能貯存一部分潛冷，與無涂層表面相比，結霜速率和霜厚減小，具有良好的抑霜效果。近年來，隨著各種新型材料的研究與開發，許多學者展開了疏水表面用于抑霜的研究。WU等［10］通過可視化研究發現疏水表面水珠分布稀疏，凍結較晚，初始霜晶較遲出現。丁云飛等［11］通過靜電紡絲方法，制備出具有納微結構疏水表面，該疏水表面能有效延遲初始霜晶出現的時間，表面霜晶覆蓋率低，具有較好的抑霜性能。KIM等［12-15］通過實驗對比了疏水表面和普通表面的結霜和融霜過程，發現疏水表面融霜過程快，表面滯留水少，因而疏水表面不僅能夠抑制結霜，而且能強化融霜過程。這些研究主要針對具有某一特定接觸角的疏水表面，沒有系統地對具有不同接觸角的疏水表面進行結霜與融霜研究，很難揭示疏水性翅片表面特性的變化對結霜/融霜過程的影響規律。周艷艷等［16］研究表明，疏水表面的抑霜效果與其接觸角密切相關，接觸角越大，抑制效果越明顯。系統地揭示疏水性鋁翅片表面特性對結霜/融霜過程的影響規律，能夠為探索與開發高性能的疏水性翅片管換熱器提供依據。為此，本文作者構建可視化的翅片結霜/融霜實驗平臺，制備4種具有不同表面特性的疏水性鋁翅片，進行結霜/融霜過程的細微觀可視化研究，并分析對比4種翅片表面的結霜/融霜特性。

1　實驗裝置與過程

圖1所示為翅片結霜/融霜實驗平臺。實驗平臺包括冷臺、冷卻水槽、2臺顯微儀和計算機。冷臺用于調節翅片表面溫度，使翅片在設定溫度下完成結霜和融霜過程。冷臺采用半導體溫差電制冷方式制冷，其溫度可通過溫控儀進行控制，溫度調節范圍為-20～150 ℃，可放置的最大樣品長×寬×高為 94 mm× 94 mm×24 mm。實驗中，將翅片固定在冷臺上，并將冷臺調整為垂直放置。為了使冷臺熱端的熱量及時散去，采用冷卻水槽（低溫恒溫槽）對冷臺熱端進行散熱，冷卻水槽溫度范圍為-20～100 ℃，溫度波動度為±0.01。2臺顯微儀分別用于記錄結霜/融霜過程的正面和側面情況，提供可視化的實驗圖像，并將圖像傳送至計算機。

圖1　翅片結霜/融霜實驗平臺示意圖Fig. 1　Schematic diagram of experimental setup

采用氫氧化鈉溶液刻蝕法，通過控制刻蝕時間，獲得具有4種不同接觸角和接觸角滯后的疏水性鋁翅片試樣，分別記作1，2，3和4號翅片，并測量各表面接觸角和接觸角滯后值，如圖2所示。

實驗前，截取長×寬為5 cm×5 cm的翅片試樣，將其固定于冷臺，并將冷臺調整為垂直放置；待調節好顯微儀焦距，將冷臺溫度降低至預定結霜溫度（-10℃），通過圖像采集軟件對結霜過程進行定時拍照；待結霜至1 h，將冷臺溫度升高至預定融霜溫度（50 ℃）。同時開啟顯微儀攝像功能，記錄霜層融化過程。

圖2　翅片表面的接觸角θ與接觸角滯后ΔθFig. 2　Contact angle and contact angle hysteresis of fin surface

2　結果與分析

2.1結霜特性

翅片試樣結霜工況如下：環境溫度為5.6～6.6 ℃，相對濕度為56%～64%，冷臺溫度為-10 ℃，結霜時間為60 min。在實驗中觀察到：結霜初始階段，1～4號翅片表面均發生了凝結現象，但液滴出現的時間不同。1號表面液滴出現得最早，而4號表面的液滴出現最遲。這表明翅片表面的接觸角越大，凝結現象出現得越晚，抗凝露作用越明顯。液滴在翅片表面上生成后，不斷長大，形成了規律性的分布。圖3所示為翅片表面的凝結液滴分布。從圖3可以看出：翅片表面液滴呈球形狀，粒度不一，大液滴較少，小液滴較多且分布在大液滴周圍。同時，接觸角不同，翅片表面液滴分布也不同。對于接觸角最小的1號表面，所形成的水珠大且分布密集，而對于接觸角最大的4號表面，表面潤濕性比其他表面弱，液滴粒徑小且分布稀疏。由于液滴分布不同，導致不同翅片的表面液滴覆蓋率也不同，4號表面的覆蓋率遠小于其他表面的覆蓋率。

圖3　翅片表面的凝結液滴分布Fig. 3　Distributions of condensed droplets on fin surface

圖4所示為結霜過程中4種翅片表面的霜高隨時間的變化。從圖4可見：隨著接觸角的增大，疏水性鋁表面在抑霜時間及抑霜量上都有明顯地增加；4號表面初始霜晶出現的時間比1號表面推遲4 min左右。結霜60 min后，4種表面霜高分別為1.53，1.45，1.23 和0.90 mm。4號表面的霜高比1號表面減少41.2%，抑霜效果明顯提高。

圖 5所示為 4組翅片表面霜層生長情況（t=60 min）。從圖5可以看出：4組翅片表面霜晶的形態相似：霜晶纖長且疏松，枝晶分布不均勻。4組翅片表面霜層高度有明顯區別，接觸角越大，疏水性翅片的抑霜效果越好。

2.2融霜特性

結霜60 min后，調節冷臺表面溫度至50 ℃，霜層開始融化。將霜層開始融化到不再有融霜水流出翅片表面的過程定義為融化過程，將其后的滯留水蒸發定義為蒸發過程。4種翅片的融霜時間分別為25，24，22和14 s，融霜過程都很快。但相比之下，1～3號翅片的融霜時間差距較小，而4號翅片的融霜時間則比其他3組短得多。可見，強疏水性的表面有利于縮短融霜時間，從而提高整個除霜過程的效率。

圖6所示為4號翅片表面的融霜現象。從圖6可見：4號翅片表面的霜層從邊緣開始卷起，并整體脫離翅片表面（如圖6（a）所示），幾乎沒有出現霜層融化的現象，而其他3種翅片表面則沒有觀察到類似現象。由于霜層的脫離過程極快，因而4號翅片的融霜時間才會遠短于其他3組的融霜時間。分析4號翅片出現這一現象的原因，需要從其翅片的表面特性入手。4號翅片的接觸角為160°，接觸角滯后為5°。當接觸角大于150°，接觸角滯后小于10°時，表面稱為超疏水表面［17］，因而4號翅片實際上是超疏水表面，其表面自由能低，表面潤濕性弱。圖 6（b）所示為霜層脫離 4號翅片表面的原理圖。融霜開始后，隨著翅片表面溫度的升高，與翅片表面交界處的霜層首先融化，由于4號翅片表面自由能低，潤濕性弱，融化后的液滴難以吸附在翅片表面。相反地，霜層本身具有強吸水性，因而未融化的霜層相當于一塊親水表面，融化后的液滴極容易被未融化的霜層吸附。由于未融化的霜層與翅片表面失去了連接的“紐帶”，因此，就產生了霜層整體脫離表面的現象。

圖4　翅片表面霜層高度對比Fig. 4　Comparison of frost thicknesses on fin surface

圖5　翅片表面的霜層生長Fig. 5　Frost layer growth on fin surface

圖6　4號翅片表面的融霜現象Fig. 6　Defrosting phenomenon on 4#fin surface

圖7所示為4組翅片表面融霜滯留液滴的分布。從圖7可以看出各表面的滯留融霜液滴分布特點有顯著的區別：1） 液滴形狀不同。由于各表面潤濕性存在差別，液滴鋪展在表面的形狀不同。1號和2號翅片的液滴呈半球形，與翅片接觸面積大。3號和4號表面液滴近似于球形立于翅片表面，與翅片接觸面積小。2） 液滴直徑不同。1號翅片表面的最大液滴直徑約為1.7 mm，而4號翅片表面的最大液滴直徑僅為0.2 mm，這一現象是翅片表面接觸角和接觸角滯后共同造成的。液滴滯留在豎直翅片表面，受到翅片表面的毛細力和自身重力作用，液滴在重力作用下離開表面，而毛細力則抵抗重力。當重力大于毛細力時，液滴脫落；當重力小于毛細力時，液滴就滯留在翅片表面。接觸角越大，接觸角滯后越小，毛細力就越小。對比1號和4號翅片可知：1號翅片表面產生的毛細力要比4號翅片產生的毛細力大，因而產生了1號表面滯留液滴尺寸遠大于4號翅片的滯留液滴直徑。3） 分布密度不同。1號和2號翅片表面液滴分布密集，3號翅片表面液滴分布相對稀疏，液滴層無規則排列，4號翅片由于融霜初期就有大量霜層直接從表面脫落，使之表面比較干燥，僅有極少數直徑很小的球狀液滴滯留在表面。

圖7　翅片表面融霜滯留液滴分布Fig. 7　Distribution of frost melting droplets retention on fin surfaces

圖8所示為長×寬為5 cm×5 cm的4組翅片表面的滯留融霜水量對比。4種表面滯留融霜水分別為0.091，0.080，0.065和0.022 g。滯留水隨著接觸角的增大和接觸角滯后程度的減小而減小，4號表面的滯留融霜水質量比其他 3組表面分別減少了 75.82%，72.50%和66.15%。對于疏水性最強的4號翅片，能夠有效抑制融霜水的滯留，從而減少蒸發滯留水所需的時間和熱量，提高除霜效率。

圖8　翅片表面的融霜滯留水量Fig. 8　Retained water mass on fin surface

圖9　融霜滯留水量測量相對誤差Fig. 9　Measuring relative error of retained water mass

在實驗過程中，選用XB224精密天平稱量滯留融霜水的質量，其稱量范圍為220 g，讀取精度為0.001 g。融霜過程結束后，利用具有強吸水性的吸水紙迅速吸凈滯留在試樣表面的融霜水，用精密天平稱取其質量。通過設計實驗驗證上述測量方法的有效性和準確性。首先，稱量一片翅片的質量，在翅片表面噴上液滴后稱量翅片和液滴的總質量，兩者之差即為翅片表面滯留液滴質量的實際值；然后，利用上述滯留水的測量方法獲得質量實驗值。比較質量實驗值和實際值，質量測量誤差如圖9所示，其最大相對誤差在3%以內，因而該方法測得的滯留水量可信。

3　結論

1） 通過實驗研究，系統地揭示了疏水性鋁翅片表面特性對結霜/融霜過程及特性的影響規律。

2） 在結霜過程中，翅片表面的接觸角越大，凝結液滴越晚出現，抗凝結作用越明顯。4組翅片表面霜晶形態相似，但霜層高度區別明顯，接觸角越大，霜層越薄，抑霜效果越好。翅片表面的接觸角和接觸角滯后對凝結液滴的形狀、尺寸和分布特性具有重要影響。

3） 在融霜過程中，疏水性強的翅片融霜過程快，且表面滯留水少，接觸角為160°的表面其滯留水質量比接觸角為98°的表面減少了75.82%。因此，采用疏水性強的翅片，有利于減少蒸發滯留水耗熱量和時間，提高熱泵除霜效率。

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（編輯 羅金花）

Frosting and defrosting characteristics of hydrophobic fin surfaces

WANG Feng1， LIANG Caihua1， WU Chunxiao2， ZHANG Xiaosong1， ZHANG Youfa2

（1. School of Energy and Environment， Southeast University， Nanjing 210096， China；2. School of Materials Science and Engineering， Southeast University， Nanjing 211189， China）

In order to reveal the influence law of surface characteristics of the hydrophobic aluminum fin on frosting and defrosting processes， a frosting/defrosting experimental setup was constructed. Four hydrophobic aluminum fins with contact angles within the range of 90°-160° were prepared， and the frosting and defrosting characteristics of fin surfaces were studied. The results show that the condensed droplets are observed later on the fin with bigger contact angle， which shows obvious resistance in condensation. The forms of the frost crystals are similar on four hydrophobic fins while the differences of frost layer height are obvious. The bigger the contact angle is， the thinner the frost layer is， and the better the anti-frosting effect is. The effects of contact angle and contact angle hysteresis on shapes， sizes and distribution density of condensed droplets and retained frost melting droplets are found to be significant. In addition， the defrosting process is faster on fin with bigger contact angle and the retained water mass is also less. The retained water mass on fin surface with contact angle of 160° decreases by 79.82% compared with that of fin surface with contact angle of 98°. Therefore， fins with strong hydrophobicity can reduce energy consumption and time on evaporating retained water， and then improve the defrosting efficiency of air source heat pump.

hydrophobic fin； contact angle； contact angle hysteresis； frosting； frost melting water retention

TK124

A

1672-7207（2016）04-1368-06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.037

2015-04-13；

2015-06-20

國家自然科學基金資助項目（51106023）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2011BAJ03B14）；東南大學優秀博士學位論文培育基金資助項目（YBJJ1506） （Project（51106023） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project （2011BAJ03B14）supported by the 12th Five Year Science and Technology Support Plan of China； Project（YBJJ1506） supported by the Scientific Research Foundation of Graduate of Southeast University）

梁彩華，博士，研究員，博士生導師，從事制冷空調、建筑節能及可再生能源利用研究；E-mail：caihualiang@163.com