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环境湿度对超疏水翅片结霜特性的影响

扬州大学学报（自然科学版） 2023年第5期26卷 22-28页

作者：朱佳乐汤锐汪峰王泽婷邱鹏飞扬州大学电气与能源动力工程学院江苏扬州225127

为揭示超疏水翅片在不同环境湿度下的结霜特性及抑霜性能,制备了接触角为161.5°的超疏水翅片,并通过搭建翅片表面结霜实验平台,获取了环境相对湿度分别为65%、75%、85%和95%条件下,超疏水翅片的结霜特性及抑霜性能.实验结果表明:结霜... 详细信息

为揭示超疏水翅片在不同环境湿度下的结霜特性及抑霜性能,制备了接触角为161.5°的超疏水翅片,并通过搭建翅片表面结霜实验平台,获取了环境相对湿度分别为65%、75%、85%和95%条件下,超疏水翅片的结霜特性及抑霜性能.实验结果表明:结霜初始阶段凝结液滴的生长行为受相对湿度影响,凝结液滴的冻结时间随着相对湿度的增加而减少,但湿度对液滴冻结前翅片表面覆盖率的影响并不明显;结霜时间为45 min时,几种环境相对湿度下的霜层高度分别为0.26,0.42,0.65,0.93 mm,虽然超疏水翅片的霜层高度随着环境相对湿度的增加而增加,但与普通翅片相比,其在不同湿度条件下均能有效抑制结霜.

关键词：空气源热泵结霜超疏水翅片环境湿度

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百叶窗式翅片微通道蒸发器结霜研究

低温与超导 2022年第12期50卷 40-45,52页

作者：尚泽栋王洪利华北理工大学冶金与能源学院唐山063210

为提高结霜工况下百叶窗式翅片微通道蒸发器的换热性能,利用CFD软件对微通道蒸发器进行数值模拟,分析翅片间距(1.3~2.1 mm)、翅片高度(8.0~12.0 mm)、百叶窗角度(23°~31°)以及百叶窗间距(1.15~2.07 mm)对微通道蒸发器在结霜环境下的... 详细信息

为提高结霜工况下百叶窗式翅片微通道蒸发器的换热性能,利用CFD软件对微通道蒸发器进行数值模拟,分析翅片间距(1.3~2.1 mm)、翅片高度(8.0~12.0 mm)、百叶窗角度(23°~31°)以及百叶窗间距(1.15~2.07 mm)对微通道蒸发器在结霜环境下的性能影响。结果表明:较小的翅片间距虽然在干工况下可以提高蒸发器的换热性能,但却不利于其在结霜工况下持续稳定运行,而较大的翅片高度在两种工况下都可以提升蒸发器的换热能力。最后得出当翅片间距为2.1 mm、翅片高度为12.0 mm、百叶窗角度为27°、百叶窗间距为1.61 mm时,百叶窗式翅片微通道蒸发器在结霜工况下具有良好的换热性能。研究结果为结霜环境下微通道蒸发器设计提供参考。

关键词：结霜微通道蒸发器两相流数值模拟

电动冷藏车制冷系统微通道蒸发器结霜特性研究

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低温与超导 2022年第6期50卷 60-65页

作者：赵晓丹余壮郑州经贸学院土木建筑学院郑州451191

为探究冷藏车制冷系统在结霜工况下的性能,同时研究影响结霜的外部因素,搭建了电动冷藏车制冷系统实验台,主要研究系统在微通道蒸发器结霜时的性能。研究结果表明,当蒸发器结霜完成后,其表面出现结霜不均匀现象;在同一库内相对湿度70%下... 详细信息

为探究冷藏车制冷系统在结霜工况下的性能,同时研究影响结霜的外部因素,搭建了电动冷藏车制冷系统实验台,主要研究系统在微通道蒸发器结霜时的性能。研究结果表明,当蒸发器结霜完成后,其表面出现结霜不均匀现象;在同一库内相对湿度70%下,当库内温度分别为6℃、2℃与-2℃时,在结霜过程中,系统制冷量分别降低了73.1%、78.2%与80.6%,COP分别降低了65.5%、68.4%与73.4%;在同一库内温度2℃下,当库内相对湿度分别为为60%、70%与80%时,在结霜过程中,系统制冷量分别降低了74.6%、78.7%、83.2%,COP分别降低了65.6%、69.4%与69.7%。

关键词：冷藏车制冷系统微通道蒸发器结霜制冷性能

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金属冷表面凝水运动及结霜特性研究

金属冷表面凝水运动及结霜特性研究

作者：董丽玮天津大学

学位级别：硕士

空气源热泵系统由于其能效高、环保无污染等优势成为我国应用广泛的空调设备之一。但其在温度较低和湿度较高的地区运行时,会出现凝露和严重的结霜现象。本文针对目前对凝水运动和结霜研究存在的不足,开展了单表面、双表面凝结、竖直壁... 详细信息

空气源热泵系统由于其能效高、环保无污染等优势成为我国应用广泛的空调设备之一。但其在温度较低和湿度较高的地区运行时,会出现凝露和严重的结霜现象。本文针对目前对凝水运动和结霜研究存在的不足,开展了单表面、双表面凝结、竖直壁面液滴运动和双表面结霜融霜研究。主要研究内容如下:开展了单表面凝结实验。采用不同方法制备了裸铜、裸铝表面,疏水铜、疏水铝表面,超疏水铜、超疏水铝表面以及混合润湿性条纹铜表面。搭建了竖直单表面凝结实验台,对以上表面开展实验。研究发现,裸铜亲水表面液膜分布紧密,超疏水铜表面的液滴尺寸小且分布稀疏。混合润湿性条纹表面的激光加工区域能有效抑制大尺寸液膜和液滴的形成和滞留。通过搭建竖直双表面凝结实验台,并选择了6种不同润湿性组合开展了双表面凝结实验。研究发现,裸铜表面的液膜下端形成的大尺寸液膜极易与另一侧表面上的液滴接触形成液桥。超疏水表面的液滴尺寸小且覆盖率低,在一定程度上抑制了液桥的形成。超疏水+超疏水的组合具有最佳效果,间距为1.5mm和2.0mm时均不会形成液桥,间距为1.0mm时到108min才开始形成液桥。开展了竖直壁面液滴运动仿真研究。通过编写动态接触角UDF并加载至壁面边界条件,实现液滴运动过程的动态模拟。结果表明,疏水表面液滴覆盖率小,滑落壁面所需的时间更短。减小接触角滞后可以加速液滴的滑落,此结论对亲水和疏水表面同样适用。增加液滴质量虽然会引起表面覆盖率的增加,但能加速液滴的滑落,减小液滴在壁面上的滞留时间。在凝结实验的基础上开展了双表面结霜融霜实验。探究了冷表面温度、表面润湿性以及冷表面间距对霜层生长和融霜水滞留特性的影响。结果表明,冷表面温度越低,冷表面间距越大,霜层生长速度越快。疏水+超疏水的组合具有最好的延缓结霜的效果,间距为2mm时较疏水+亲水的组合完成结霜时间延缓了18min。组合表面的融霜时间取决于融霜较慢的表面。冷表面间距的减小会增加形成液桥的可能性,超疏水表面则由于滞留的融霜水滴尺寸小,在一定程度上避免了液桥的形成。

关键词：表面润湿性凝结结霜融霜双表面液滴液桥

两种硅烷偶联剂修饰的铝合金表面超疏水性能研究

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表面技术 2023年第9期52卷 340-350页

作者：李文艳杨含铭夏祖西彭华乔石涛中国民航局第二研究所成都610041 民航航油航化产品适航与绿色发展重点实验室成都610041 西南交通大学地球科学与环境工程学院成都611756

目的探究硅烷偶联剂对铝合金超疏水表面性能的影响。方法通过化学刻蚀并结合硅烷偶联剂修饰,在AMS 4037铝合金上制备超疏水表面。首先,通过HCl/H_(2)O_(2)混合液对铝合金进行刻蚀,在其表面构造具有多级蜂巢状的微/纳复合结构,再分别采... 详细信息

目的探究硅烷偶联剂对铝合金超疏水表面性能的影响。方法通过化学刻蚀并结合硅烷偶联剂修饰,在AMS 4037铝合金上制备超疏水表面。首先,通过HCl/H_(2)O_(2)混合液对铝合金进行刻蚀,在其表面构造具有多级蜂巢状的微/纳复合结构,再分别采用硅烷偶联剂和含氟硅烷进行疏水改性。详细研究2种改性剂的浓度对刻蚀铝合金表面润湿性的影响。采用接触角测量仪对材料表面润湿性和表面自由能进行测试,通过扫描电镜、能谱仪、激光共聚焦显微镜对表面微观结构和化学成分进行表征。同时,对2种硅烷偶联剂修饰的铝合金超疏水表面进行液滴冻结时间、防覆冰及自清洁行为测试。结果铝合金表面的疏水性并不总是与改性剂的浓度呈正相关。当改性剂的质量分数为0.5%时,经硅烷偶联剂修饰后其刻蚀表面的接触角为156.3°,但滚动角大于30°,而经含氟硅烷修饰后其表面的接触角可达164.4°,滚动角为6°。液滴在硅烷偶联剂和含氟硅烷修饰后的超疏水表面的冻结时间分别为37、45 s。结论相较于硅烷偶联剂修饰的刻蚀表面,含氟硅烷改性后其表面能更低,疏水效果更好。相较于未处理的铝合金表面,经硅烷偶联剂修饰后铝合金超疏水表面可显著抑制液滴的冻结过程,具有更长的冻结时间和延迟覆冰的能力,并且含氟硅烷修饰后表面的防冰性能更佳。自清洁实验也证明经含氟硅烷修饰后的表面具有更好的自清洁性能,其表面的微小灰尘颗粒更易被带走。

关键词：铝合金超疏水冻结时间结霜自清洁

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飞机部件结霜数值模拟研究

飞机部件结霜数值模拟研究

作者：韩笑南京航空航天大学

学位级别：硕士

遭遇低温环境形成的结霜过程是航空器在飞行途中无法避免的物理现象,作为高安全性要求的交通工具,必须消除所有影响其正常工作的危险因素,保证其安全起飞与降落。为了得到飞机及其设备复杂表面在多环境参数联动时的结霜规律,本文对结霜... 详细信息

遭遇低温环境形成的结霜过程是航空器在飞行途中无法避免的物理现象,作为高安全性要求的交通工具,必须消除所有影响其正常工作的危险因素,保证其安全起飞与降落。为了得到飞机及其设备复杂表面在多环境参数联动时的结霜规律,本文对结霜机理展开详细讨论,并分别采用实验研究和数值模拟相结合的方式,对结霜过程进行了系统研究,主要工作内容如下:(1)对冷表面的结霜过程展开实验研究。分别建立了平面、曲面结霜实验系统,描述了实验步骤以及实验方法,并对霜层质量与厚度的测量方法进行误差分析,最终得到不同来流温度、湿度、速度以及冷表面温度下的结霜特性,并分析这些环境参数对结霜质量、霜层厚度以及密度的影响。(2)建立冷表面霜层生长预测模型。详细分析霜层表面及内部的传热传质过程,并基于海拔高度对湿空气特性进行研究;将结霜模型编写为UDF(User-Defined Functions,用户自定义函数)嵌入Fluent软件中,并将能量源项与质量源项添加到控制方程,从而体现结霜过程中的热质传递;对平面与曲面模型进行结霜数值计算,将计算结果与实验结果进行对比,验证结霜模型的有效性。(3)使用已建立的结霜模型分别对机翼和机载控制器进行数值瞬态计算。在对机翼油箱的结霜模拟中,得到了飞机起飞前与降落后机翼上下蒙皮的结霜情况,并分析了油箱所在位置对机翼结霜分布的影响。在对机载控制器的结霜模拟中,得到了飞机降落过程中与起飞前控制器内外部件的结霜情况,并对比分析了各部件的霜层质量、厚度、密度的不同。

关键词：结霜航空器实验研究数值模拟传热传质瞬态计算

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积灰翅片表面自清洁机制及结霜特性研究

积灰翅片表面自清洁机制及结霜特性研究

作者：王志豪扬州大学

学位级别：硕士

空气源热泵凭借其节能和环保等特性被广泛用作建筑空调系统的冷热源,符合国家“碳中和、碳达峰发展战略”和清洁供暖的需求。然而,空气源热泵的运行状况并非十分理想,究其原因是其运行过程中出现的积灰和结霜等问题。积灰会堵塞翅片间... 详细信息

空气源热泵凭借其节能和环保等特性被广泛用作建筑空调系统的冷热源,符合国家“碳中和、碳达峰发展战略”和清洁供暖的需求。然而,空气源热泵的运行状况并非十分理想,究其原因是其运行过程中出现的积灰和结霜等问题。积灰会堵塞翅片间的空气流动空间,使翅片换热效率降低,同时也增加了热交换器的压降,使得机组能耗增加;结霜导致空气源热泵蒸发器与空气侧的传热热阻增大,空气流量减小,致使机组制热效率降低,严重影响其冬季制热运行的高效稳定。因此,探索合适的抑霜、除霜和抑灰、除灰措施则十分重要。超疏水表面凭借其低表面自由能和低黏附力在空气源热泵抑霜领域有较好的效果,但其在积灰工况下的结霜特性和抑霜性能及其自身与灰尘颗粒的作用效果还有待进一步研究。为此,本文通过实验与理论相结合的方法,首先分析不同因素对灰尘沉积的影响,并在此基础上开展了超疏水翅片自清洁实验研究,最后探究积灰对结霜过程不同阶段的影响。具体的研究内容和结果如下:不同因素对灰尘沉积的影响。首先,建立灰尘快速沉积装置,在不同沉积时间和不同风速条件下进行灰尘沉积,获得不同影响因素下的灰尘沉积规律;接着通过红外热像仪对沉积灰尘的翅片进行温度分布测量。结果表明,当沉积时间从10min增长到40min,干工况下翅片表面灰尘颗粒物质量从0.1634g增长到0.4795g,表面覆盖率逐渐增加至100%。且在湿工况环境下,由于液滴的高粘附性,灰尘颗粒物更难以逃离,从而导致沉积质量在40min时已达到1.3856g,表面覆盖率更早达到100%。当风速从0.5m/s增长到2.0m/s,干工况下翅片表面灰尘颗粒物质量从0.2128g增长到0.3973g,湿工况下翅片表面灰尘颗粒物质量从0.2942g增长到1.0938g。另外通过对翅片进行传热分析发现,灰尘层的存在使得翅片表面传热热阻增加,而在湿工况下,由于水的导热系数约为空气的22倍,从而导致热量传递需要克服的湿积灰层热阻较干工况小。翅片表面自清洁机制研究。针对换热器翅片表面积灰问题,提出了喷淋、析湿和化霜除灰三种自清洁方法。冷凝析湿除灰:对于无涂层的普通翅片,湿空气透过灰尘层在翅片表面凝结并逐渐长大,冷凝水在长大过程中会黏附灰尘,并最终从翅片表面滑落,滑落的过程中对路径上的灰尘起到一定的冲刷作用。对于超疏水翅片,湿空气透过灰尘层在翅片表面凝结,并在灰尘沉积层下面逐渐长大,直至将灰尘与翅片表面分离开来,形成较大的湿灰尘团从翅片表面脱落。化霜除灰:在不平衡表面力和不平衡Young氏力的共同作用下,含尘霜层边缘首先发生卷曲现象,而这种现象也得益于超疏水表面的低黏附性。对于无涂层的普通翅片,虽然同样存在两种不平衡力,但是由于翅片表面超高的黏附力,从而抵消了这两种不平衡力的作用,防止边缘卷曲现象的发生。喷淋除灰:对于无涂层的普通翅片,喷淋水在翅片表面迅速聚集并裹挟翅片表面的灰尘,当达到一定量时从翅片表面滑落,滑落途中会对灰尘进行冲刷。对于超疏水翅片,喷淋水在翅片表面迅速收缩成球并黏附灰尘。此时的含尘液滴会发生两种现象,即较小的含尘液滴发生跳脱运动和含尘液滴间合并聚集成较大的湿灰尘团。当湿灰尘团聚集到一定程度后便会发生剥落现象,从而将翅片表层灰尘全部带走,留下干净的翅片。实验结果表明,超疏水翅片喷淋水除灰效率可以达到100%,化霜水除灰效率在90%以上,析湿除灰虽然耗时较长,但除灰效果也相对较好。积灰对结霜过程不同阶段影响的研究。首先将结霜过程定义为三个不同的结霜阶段,即液滴冻结时的相变时间T1,视野中出现第一次霜枝断裂的时间T2,第一次发生反向融化的时间T3。研究发现当普通翅片表面由无积灰增加到0.4g积灰时,T1阶段持续的时间增长了 85s;T2阶段持续的时间增长了 195s;T3阶段持续的时间增长了 305s。当超疏水翅片表面由无积灰增加到0.4g积灰时,T1阶段持续的时间增长了 289s;T2阶段持续的时间增长了 344s;T3阶段持续的时间增长了 464s。另外超疏水翅片凭借其良好的抑霜性能,使得早期的结霜量要小于普通翅片,但随着翅片表面积灰量的增多,超疏水翅片的抑霜性能逐渐降低。最后测得普通翅片霜层表面粗糙度为0.1g积灰>无积灰>0.2g积灰>0.4g积灰,超疏水翅片表面粗糙度变化无明显规律,这是由于超疏水翅片表面凝结液滴合并与弹跳过程导致翅片表面部分区域出现结霜空白区。本文主要围绕空气源热泵室外换热器积灰现象、超疏水翅片表面自清洁机制和积灰对结霜过程的作用机理及影响进行了实验和理论分析,为空气源热泵在积灰工况下的适宜性研究提供指导和依据。

关键词：翅片积灰结霜自清洁超疏水表面

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铝基超疏水表面结霜特性及融霜机制

铝基超疏水表面结霜特性及融霜机制

作者：刘耀河南理工大学

学位级别：硕士

受能源局势日渐紧张的影响,节能成为了工业领域的焦点话题。在制冷领域中,换热器结霜会显著增加翅片传热热阻,堵塞翅片间隙,降低换热器传热效率,造成经济损失,能源浪费。为了保证设备的稳定运行,各种抑霜除霜方法被开发出来,但现有的方... 详细信息

受能源局势日渐紧张的影响,节能成为了工业领域的焦点话题。在制冷领域中,换热器结霜会显著增加翅片传热热阻,堵塞翅片间隙,降低换热器传热效率,造成经济损失,能源浪费。为了保证设备的稳定运行,各种抑霜除霜方法被开发出来,但现有的方法存在一些局限性,如消耗额外能源、造成温度波动等等。因此,为提高换热器的能效、减少由于换热器结霜引起的不必要经济损失,对现有抑霜除霜方法的改进十分必要。表面改性作为材料领域的新兴技术,由于其耗能低、操作便捷、效果显著而受到欢迎。本文将系统研究表面改性技术在换热器表面上的结霜效果,特别是超疏水冷表面结霜特性及融霜的机制,主要研究内容如下:(1)超疏水表面抑霜及除霜机理的探究:结合固体表面润湿特性与经典成核理论,分析超疏水表面在结霜过程特别是在结霜前期冷凝过程中的抑制成核作用机理,并揭示超疏水表面融霜水的收缩规律。结果表明:超疏水表面对结霜前期冷凝液滴的成核具有一定的抑制作用,且随接触角增加,表面成核所需能量越大,即表面成核越困难。在融霜过程中,接触角的增加会更有利于融霜液滴收缩,进而有利于融霜液滴从表面去除。(2)不同润湿性表面的制备及倾斜超疏水表面结霜特性的研究:采用化学刻蚀与水热法制备亲水、裸铝、疏水及超疏水表面。作为以往研究的补充,对超疏水表面的抑霜能力,特别是对不同倾角的超疏水表面的抑霜能力进行探究。对比分析倾斜表面与水平表面、裸铝表面与超疏水表面的结霜情况,从而对超疏水表面的抑霜效果有更全面的认知。结果表明:超疏水表面对结霜前期冷凝液滴的生长与冻结过程有显著的抑制效果。倾斜角度对表面结霜过程有一定影响,特别是在超疏水表面结霜过程中,适当的倾角会促进表面冷凝液滴脱离表面,进而达到抑霜效果。(3)超疏水表面融霜排液特性探究:基于可视化融霜实验系统,实验对比不同表面特性对融霜排液的影响,揭示不同润湿性表面分别在水平状态和竖直状态下融霜规律。结果表明:水平条件下,不同润湿性表面融霜形貌、融霜水覆盖率均有所不同,其中超疏水表面融霜液滴最为规律且覆盖率最低,粘滞性最弱。竖直条件下,超疏水表面保水量及保水率均为最低,实验验证了超疏水表面具有最优的除霜效果。在此基础上,实验研究了表面倾角、结霜时间及融霜风机的启停对超疏水表面融霜过程的影响。其中,表面倾角对超疏水表面融霜行为的影响较为显著,表面倾角大于30°时,超疏水表面融霜液滴即可大部分脱落。值得注意的是,实验中融霜风机会显著加快超疏水表面融霜及蒸发速率,但也同样会耗费额外能源,实际应用中应灵活应用。本文共有图54幅,表7个,参考文献93篇。

关键词：结霜融霜超疏水表面液膜收缩相变

寒冷地区电动汽车热泵空调系统结霜与制热性能研究

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寒冷地区电动汽车热泵空调系统结霜与制热性能研究

作者：蔺浩哈尔滨商业大学

学位级别：硕士

随着社会与环境的发展变化,电动汽车逐渐成为主要交通工具。电动汽车没有发动机,因此电动汽车空调系统无法利用发动机余热达到制热目的,目前电动汽车普遍将PTC系统作为空调的制热组成部分。PTC系统耗电量大,对电动汽车的续航里程有较大... 详细信息

随着社会与环境的发展变化,电动汽车逐渐成为主要交通工具。电动汽车没有发动机,因此电动汽车空调系统无法利用发动机余热达到制热目的,目前电动汽车普遍将PTC系统作为空调的制热组成部分。PTC系统耗电量大,对电动汽车的续航里程有较大影响,需要发展新型热泵空调作为电动汽车空调系统,但热泵空调具有冬季室外换热器易结霜的缺点。针对此问题,本文通过对电动汽车空调系统进行理论计算,确定了电动汽车空气源热泵系统的冬季热负荷,并设计了空气源热泵空调系统,即利用电动汽车原有的空调系统,将其改造为夏季可制冷、冬季可制热的空气源热泵空调系统。并搭建试验台,通过实验研究了电动汽车热泵空调系统在低温环境下受不同因素影响的结霜特性与制热性能变化,并对其进行分析。本文主要的研究结果如下:(1)环境温度对电动汽车热泵空调系统室外换热器的结霜情况与制热性能的影响都较为严重。随着环境温度的降低,室外换热器开始结霜的时间逐渐延后,但结霜面积增大。同样,随着环境温度的降低,系统在同样运行时间下的制热量也在逐渐减小,在环境温度-10℃时,由于系统制热量过低,无法满足乘员舱内供热需求,需要使用其他供热系统。(2)车内、外换热器风速过高或过低都会对电动汽车热泵空调系统室外换热器的结霜情况与系统制热性能产生影响,均会导致车外换热器稳定结霜面积的增大,同时导致系统制热量变低,COP减小。(3)较低的环境湿度中,由于环境中的水蒸气含量较少,水蒸气附着在车外换热器表面凝结成霜的驱动力较弱,可以减缓电动汽车热泵空调室外换热器的结霜情况,提高系统的制热性能。(4)在低温环境下,电动汽车热泵空调系统在运行600s后系统COP已经普遍小于1,此时使用热泵系统对乘员舱内供热的节能优势已不明显,可以设置其他供热系统对乘员舱进行辅助供热。

关键词：电动汽车空气源热泵结霜制热性能