冷表面結(jié)-融霜行為及超聲波去除表面融霜液滴試驗(yàn)研究.pdf

1、結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于制冷與低溫、風(fēng)力發(fā)電、航空航天等領(lǐng)域，霜層的存在嚴(yán)重影響制冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率以及航天飛行器的飛行安全。傳統(tǒng)的熱力除霜方式在除霜結(jié)束后依然有殘留液滴的存在，這些液滴會(huì)對(duì)再次結(jié)霜產(chǎn)生巨大影響。液滴在再次結(jié)霜初期凍結(jié)，在冷表面上形成致密的凍結(jié)液滴基底，增加霜層與冷表面間的粘結(jié)力，對(duì)除霜產(chǎn)生不利影響。因此，探求簡(jiǎn)便高效的脫除液滴的方法，在結(jié)霜前期營(yíng)造無(wú)液環(huán)境，對(duì)抑制霜層生長(zhǎng)具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　目前，對(duì)

2、于融霜后殘留液滴的脫除主要采用傳統(tǒng)的加熱蒸發(fā)方式，雖然可以成功脫除，但同時(shí)也帶來(lái)了脫除時(shí)間長(zhǎng)、能耗高、溫度波動(dòng)大等弊端。
　　近年來(lái)，超聲波以其頻率高、波長(zhǎng)短、能量集中的特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于暖通空調(diào)及制冷領(lǐng)域，如霧化除濕、工業(yè)除塵、換熱器除垢等等。因此，本文將超聲波引入冷表面抑、除霜領(lǐng)域，應(yīng)用聲學(xué)、熱力學(xué)、相變動(dòng)力學(xué)、界面學(xué)等相關(guān)理論，全面深入地研究了水平冷表面霜層生長(zhǎng)過(guò)程，并利用反復(fù)融結(jié)霜過(guò)程，分析了融霜液滴的生長(zhǎng)分布規(guī)律，提出融霜

3、液滴對(duì)再結(jié)霜過(guò)程的不利影響。對(duì)外加超聲波脫除表面液滴的可行性進(jìn)行了探索性研究。概括起來(lái)，本論文主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)設(shè)計(jì)并搭建了水平冷表面霜層生長(zhǎng)的微觀可視化試驗(yàn)平臺(tái)，仔細(xì)觀察并描述了水平冷表面霜層生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程，根據(jù)霜層生長(zhǎng)過(guò)程中的特點(diǎn)和霜晶演化規(guī)律，將結(jié)霜過(guò)程分為了冷凝液滴形成階段、冷凝液滴凍結(jié)及初始霜晶形成階段、霜晶生長(zhǎng)階段、霜層充分生長(zhǎng)階段四個(gè)階段。并對(duì)霜層生長(zhǎng)過(guò)程各階段劃分標(biāo)準(zhǔn)以及各階段主要生長(zhǎng)特征進(jìn)行了描

4、述。
　　(2)對(duì)結(jié)霜前期冷表面水蒸氣凝結(jié)成核進(jìn)行了理論分析，提出水蒸氣凝結(jié)成核的驅(qū)動(dòng)力為相變驅(qū)動(dòng)力，并根據(jù)相變動(dòng)力學(xué)和界面學(xué)等理論推導(dǎo)了相變驅(qū)動(dòng)力關(guān)系式和臨界成核半徑關(guān)系式，根據(jù)吸附理論推導(dǎo)了冷表面成核中心密度關(guān)系式。分析表明:冷表面溫度越低，空氣含濕量越大，相變驅(qū)動(dòng)力也就越大，水蒸氣越容易在冷表面凝結(jié)。過(guò)冷度越大，接觸角越小，冷表面凝結(jié)的液滴數(shù)量越多。
　　(3)利用第二章中的水平冷表面霜層生長(zhǎng)的微觀可視化試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)

5、反復(fù)融結(jié)霜過(guò)程提出了熱力融霜后融霜液滴殘留現(xiàn)象。分析了融霜液滴的生長(zhǎng)分布規(guī)律，提出融霜液滴粒徑分布可以近似得看作自由度為6的卡方分布。探索了融霜液滴覆蓋率在不同冷表面溫度和不同結(jié)霜時(shí)間下隨結(jié)霜次數(shù)的變化規(guī)律。得出結(jié)論:當(dāng)液滴平均粒徑在0.1mm以下時(shí)，影響液滴覆蓋率的主導(dǎo)因素為霜沉積量;當(dāng)液滴平均粒徑在0.1mm～1.0mm范圍內(nèi)時(shí)，影響液滴覆蓋率的主導(dǎo)因素為液滴聚合作用;當(dāng)液滴平均粒徑在1.0mm以上時(shí)，影響液滴覆蓋率的主導(dǎo)因素為霜沉

6、積量。
　　試驗(yàn)同時(shí)表明:融霜液滴的存在給再結(jié)霜過(guò)程帶來(lái)了嚴(yán)重的不利影響。首先，融霜液滴在凍結(jié)后促使霜晶提前生長(zhǎng);其次，凍結(jié)的融霜液滴成為了霜層基底，增加了霜層與冷表面之間的粘結(jié)力，不利于霜層的脫除;另外，融霜液滴的存在使霜層突破了相同結(jié)霜工況下的穩(wěn)定生長(zhǎng)高度，霜層最大高度超過(guò)穩(wěn)定生長(zhǎng)高度2倍以上，霜層整體密度和霜沉積量都大幅增加，使結(jié)霜狀況惡化，增加了除霜的困難性。
　　(4)為探求快速有效脫除融霜液滴的方法，進(jìn)行了超聲波

7、與加熱蒸發(fā)脫除液滴的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證了超聲波脫除水平表面液滴的可行性，并通過(guò)對(duì)比凸顯了超聲波在脫除液滴的過(guò)程中時(shí)間短、能耗低、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)。超聲波脫除液滴所用時(shí)間至多是加熱法的1/(60)，能耗僅為加熱法的1/(100)左右。超聲波脫除液滴鋁板最大溫升僅僅為5.7℃，并且在3s內(nèi)鋁板恢復(fù)至原有溫度，而加熱蒸發(fā)脫除液滴鋁板最大溫升為177.6℃，為超聲法的31.2倍，并且鋁板溫度波動(dòng)在25min后未恢復(fù)至原有溫度。
　　試驗(yàn)表