2. 国防科学技术大学，湖南长沙 410073
2. National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
结冰结霜是自然界以及诸多工程领域普遍存在的现象, 当温度低于液体冰点时结冰现象就会发生, 当水蒸气(潮湿空气)接触温度低于其三相点温度的表面时, 则会发生水蒸气在冷表面上凝华的现象, 即发生结霜现象.
霜的产生以及生长会影响工程设备的运行, 严重时甚至会影响设备的正常工作.例如, 生活中冰箱冰柜等制冷设备内壁结霜将大大增加热交换的热阻、提高耗电、影响制冷; 在航空航天领域, 飞行器表面, 尤其是翼面结冰, 将改变其气动外形, 破坏其气动特性, 带来飞行危险.因此, 研究水滴结冰结霜的过程, 以及冰/霜的形成与生长原理, 对于指导在可能结冰结霜环境下运行的工程设备的设计有着重要的作用.分析冰/霜的形成机理, 探索高效的除霜除冰方法, 对工程应用有着极其重要的意义.
崔静[1]把霜的增长过程分为:冰晶的形成与成长阶段、霜层的生长阶段及霜层完全生长阶段等3个部分.从宏观角度分析了整个霜层的生长过程, 并总结了冷壁面迅速降温时霜层生长过程的3个主要因素, 即:冰核的形成与长大、冰核在结霜表面的黏附作用、冰晶的成长速度.马强等[2]研究了水平表面低温高湿条件下的结霜, 分析了水平表面特性、冷表面的温度和潮湿气体的温度等一些因素对水滴结冰结霜的影响.勾昱君等[3]研究了磁场环境下的结霜过程, 发现磁场环境对霜的形成产生抑制作用.陈小娇等[4]对超疏水平面的冷凝、结冰和落霜等过程的特点进行了总结归纳, 并分析了疏水性对霜形成过程的影响.发现超疏水表面可以显著延迟冷凝发生、推迟结霜时间，并且降低形成霜层的厚度.
Hayashi等[5]观察了霜的产生及发展过程, 与崔静的研究结果类似. Feuillebois等[6]在忽略了过冷水滴凝结过程中质量密度的综合因素的情况下, 对过冷水滴的凝结过程进行了研究. Lee等[7]以研究多种条件对霜层成长的影响为前提, 推导出了霜层的生长公式. Swanson等[8]分析了在电场条件下的霜层成长方式, 发现强梯度电场对霜层表面水分子的扩散方式有一定的影响. Tudor[9]发现在持续电场的作用下, 有细长的针形霜晶在冷板上产生, 而当电场消失时, 霜晶则会掉落. Okoroafor等[10]在高聚物亲水表面上进行了结霜实验测量, 发现高聚物亲水表面上的结霜速度及厚度相较于一般表面减小10%~30%. Adachi[11]观察了在外部增加超声波振动的冷表面的霜形成过程, 发现在同样的时间范围内, 超声波振动可以使得冷表面积累霜的量缩减约60%.
合成射流作为一种无需质量供应的射流(零质量射流), 由于其结构简单便于微小型化, 且采用电参数易于控制等特点, 在流动控制方向受到了普遍的关注[12-15], 合成双射流激励器由2个腔体和2个出口共享1个振动膜组成, 是在合成射流激励器基础上发展的一种高性能射流激励器.由于结构特点, 合成双射流激励器除了具有合成射流激励器无需流体供应系统和易于小型化等特点外, 还具有能量效率高、射流频率倍增以及噪声小等优点[16-19].
合成射流及合成双射流防冰防霜和除霜除冰技术是合成射流应用方向的新发展[20-24]. Jin等[23]对合成射流作用下水滴冷板上的结冰过程做了实验研究, 实验结果表明:合成射流有效地提高了冷板表面温度, 并且对水滴冻结的时间起到了一定的推迟.此外, 合成射流对水滴凝结后冰滴的密度以及冰滴表面形成霜晶也产生了明显影响.目前, 应用合成射流除冰除霜的研究仍处于探索阶段.国防科技大学的罗振兵等对合成双射流除冰除霜和防霜防冰分别进行了实验研究[24-26], 在合成双射流强迫对流换热作用下, 能有效防霜和除霜, 但缺少温度梯度而不能有效地防冰和除冰.
合成热射流是基于合成双射流激励器, 对合成双射流激励器腔体内部的空气进行加热, 使得合成双射流激励器喷射出热射流, 进一步强化合成双射流的强迫热交换作用.本文进行了合成热射流除霜除冰的实验研究, 探索其除霜除冰机理和可行性, 推进了合成射流技术在除霜除冰方面的应用.
1 实验设备 1.1 合成热射流激励器及其控制系统图 1为合成热射流激励器及其控制系统连线示意图, 合成热射流激励器是将电热片贴在合成双射流激励器内壁, 以此来使合成双射流激励器内腔的气体升温, 使其喷射热射流. 图 1中信号发生器可以为压电陶瓷片提供可调的交流电压信号, 实验中调制电压信号为正弦波:波频为540 Hz, 振幅为±170 V.为方便调制和显示信号波形, 利用示波器来观测.压电陶瓷片工作所需能量由其驱动电源提供.电热片电源为电热片提供电能.
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| 图 1 合成热射流激励器及其控制系统连线示意图 Fig.1 Picture of HDSJA and its control system |
实验过程中, 信号发生器发出变频信号, 并通过驱动电源调制放大后加载于压电陶瓷片上, 以此来驱动其振动.与此同时, 电热片电源提供12 V, 3.4 A的电流加热电热片, 电热片为50 mm × 50 mm的薄片, 用手持式测温枪沿电热片对角线测量得到电热片的平均温度为(57±5.4)℃.
1.2 半导体制冷片及其控制系统实验过程中的制冷源是40 mm × 40 mm的半导体制冷片, 半导体制冷片的控制系统连线如图 2所示.可调电源设置电压为15.2 V, 电流为2.4 A, 通过温度控制器和继电器监控半导体制冷片的工作温度保持在30 ℃左右(±3 ℃).
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| 图 2 半导体制冷片及其控制系统连接示意图 Fig.2 Picture of semiconductor-cooled- board and its control system |
图 3为实验系统连接示意图.实验的准备过程和测试过程如下:
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| 图 3 实验系统 Fig.3 Experimental system |
(1) 准备过程
① 在半导体制冷片的标定位置处滴一滴水滴, 调节电子显微镜, 使得水滴处于视场中央并能被清晰地观察到, 记录电子显微镜放大倍率; ②利用DinoCapture 2.0软件通过电子显微镜的倍率及长度单位, 标定拍摄的图像；③温度控制器将半导体制冷片制冷温度控制在-30 ℃, 利用导热胶将热电阻黏贴在半导体制冷片上, 便于监控制冷片温度变化；④将激励器安置在标定位置的正上方20 mm处, 设置信号发生器、驱动电源参数, 使得合成双射流激励器工作振幅为±170 V, 振频为540 Hz；⑤打开电热片电源, 设置电压为12 V, 电流为3.4 A, 每过1 min用手持测温枪测1次电热片的温度, 直到温度相对稳定(偏差 < 10%)后取10次结果的平均值.
(2) 测试过程
① 开启电源, 使得半导体制冷片开始制冷, 通过温度控制器调节工作温度为-30 ℃; ②利用电子显微镜进行时间间隔为1 s的自动记录; ③在标定处滴落水滴; ④待水滴形态不再有明显变化时, 开启压电陶瓷驱动电源, 使得合成热射流激励器工作, 继续观察并记录结冰结霜水滴的变化；⑤等到水滴外形不再随时间变化而变化时, 停止记录; ⑥关闭激励器、制冷片及电热片电源.
2 实验现象及分析 2.1 水滴的结冰结霜过程实验环境的相对湿度和温度分别为(62.3±1.5)%和(20.3±2.0)℃.实验中水滴凝固为冰滴, 而后冰滴表面再结霜.
水滴由下至上逐渐凝固, 如图 4(a)~(d), 在水滴完全凝固为冰滴后, 空气中的水蒸气凝结在冰滴上表面并形成针叶状的霜.如图 4(e)~(i), 霜开始由冰滴的顶端形成, 并逐渐向下, 最初只在冰滴的顶端出现针状的冰凌, 随着制冷时间的延续, 冰滴上水汽凝结增多, 其上的针叶状霜数量增加, 霜占据的面积逐渐增大, 但依然集中在冰滴的上半部分.一段时间后, 当水蒸气在此温度下凝华速率和升华速率处于平衡, 冰滴表面的霜不再增加, 表现在图中为其形态不再发生变化, 此时冰滴上半部分表面覆盖了一层细密的针叶状霜, 如图 4(i).此现象是由于初始制冷片平面与上层温度较高，空气形成了纵向的温度梯度和水蒸气的浓度梯度, 使得凝固水滴上方的水蒸气产生向冷表面纵向迁移[1], 又由于水滴侧面具有较大的弧度, 纵向向下移动的水蒸气难以触碰到冰滴下半表面, 使得其无法在冰滴的下半表面凝华.
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| 图 4 凝固水滴结霜过程 Fig.4 Process of restraining frost on the surface of a frozen droplet |
图 5为合成热射流作用下结霜冰滴的外形变化图.如图 5(a), (b)所示, 凝固水滴表面的霜迅速减少, 在2 s时间内冰滴顶端的霜消失不见.整个冰滴上霜的厚度立即缩减, 由针叶状变为一层质密的白色颗粒状霜, 同时冰滴的高度下降, 其锥形尖端变得平坦.如图 5(b)~(j)所示, 随时间的推移, 质密的白色颗粒状霜从冰滴的上端向下逐渐褪去, 最终霜完全消失变为不透明的冰滴.
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| 图 5 合成热射流除霜过程 Fig.5 Process of defrosting on the surface of a frozen droplet using HDSJ |
分析整个合成热射流的除霜过程, 霜的消失是由两个方面因素造成的：(1)非稳定射流导致冰滴表面空气中分子振荡, 使得进入霜晶体表面的水蒸气分子数量明显缩减, 水蒸气在霜晶体表面凝华沉积的速率远远小于霜晶体的升华速率, 进而针叶状霜的“针尖”迅速消失, 变为颗粒状的冰颗粒, 由于冰滴顶部距离射流较近, 作用尤为突出, 则霜顶部冰晶消失尤为明显；(2)由于合成双射流的强制对流作用使得电热片产生的热能充分向激励器外部扩散, 温度梯度的作用更加明显, 进一步使得冰滴上端霜晶融化, 霜晶除了部分升华外, 其余融化为液体并沿着冰滴表面向下部流动, 由于下部没有及时接触到热流, 温度依然较低, 融化液体再在下部凝固, 产生如图 5所示的现象, 凝固水滴表面的颗粒状冰晶逐渐消失, 冰滴高度逐渐缩小, 冰滴尖端逐渐变得平坦, 下游出现紧贴冰滴表面的更加质密的小颗粒霜.随着热流的扩散, 加热作用逐渐明显, 冰滴表面最后的的小颗粒白霜也褪去.
2.3 对比合成热射流与合成双射流除霜过程图 6为合成双射流及合成热射流激励器作用下水滴的高度变化曲线.如图 6所示，分为结霜区和除霜区两个部分, 在结霜区，激励器不作用条件无差别, 两条曲线基本吻合.在除霜区, 可以看出在合成双射流作用下, 结霜冰滴的高度逐渐减小, 并且在185 s(激励器作用114 s)时趋于平缓, 而在合成热射流工作时, 结霜冰滴的高度迅速减小, 在记录时间为90 s(合成热射流作用19 s)时完全除去霜, 并且此时冰滴高度比合成双射流作用时减少20%.
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| 图 6 合成双射流及合成热射流分别作用下结冰水滴的高度变化曲线 Fig.6 Height variations of the droplet using dual synthetic and HDSJ |
在完全除去霜后, 合成热射流继续作用于冰滴, 如图 7(a)~(h)所示, 由于合成热射流相对于合成双射流提供了额外温度梯度, 在热传导原理的作用下，冰滴表面的冰从顶部开始继续融化, 与之前霜融化的过程类似, 融化的液体沿着冰滴表面向下部流动并在下部再次凝结为霜.在热气流的作用下，新凝结的霜继续消失.最终整个冰滴融化为透明的水滴, 且其体积大大缩减(见图 7(h)).
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| 图 7 合成热射流除冰过程 Fig.7 Process of deicing on the surface of a frozen droplet using HDSJ |
分析合成热射流除冰过程可知, 合成双射流中压电陶瓷的振动使得电热片加热后的空气充分扩散, 并且由于合成双射流的抽吸作用，外部的冷空气进入腔体内被加热后再喷出, 使得电热片产生的热能充分扩散, 并被冰滴吸收, 导致其从表面开始逐渐融化.冰滴表层的冰融化为水后, 由于重力的作用沿着冰滴表面向下流动, 接触下部的冷环境后再次形成霜, 霜在后续热气的作用下部分升华消失, 部分融化为液体.最后冰滴完全融化变为透明水滴.
3 结论本文对水滴在低温平板上逐步结冰结霜的过程, 以及在合成热射流的作用下除霜除冰过程进行了实验研究.实验结果表明:
(1) 在低温平板上透明水滴由下至上逐渐凝结为不透明的冰滴.在水滴完全凝固为冰滴后, 空气中的水蒸气很快吸附在冰面上并凝华, 由于重力的作用首先在顶端开始逐渐形成针叶状的霜.随着吸附的水蒸气增多, 冰滴上的霜逐渐增多, 占据的面积也由冰滴顶部逐渐向下部增加, 霜晶的厚度和密度也愈发变大, 但主要集中在凝固水滴上部.
(2) 合成热射流除霜效果显著.在合成热射流作用下, 冰滴顶部的霜迅速消失, 且整个冰滴上针叶状霜变为一层紧贴冰滴的颗粒状白霜, 同时冰滴的锥形顶端变得平坦.随后白霜沿着冰滴从上至下渐渐褪去, 最后变成不透明的冰滴.
(3) 合成热射流相对于合成双射流而言，其除霜的速度极大增加, 并且完全除霜后, 冰滴的高度比合成双射流除霜减少20%.
(4) 合成热射流能够有效地除冰, 凝固水滴的表面从顶端开始继续融化, 融化的水向下运动并再次凝结为霜.在热气的作用下新凝结的霜继续消失，最后冰滴完全融化变为透明水滴.
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