冷表面結(jié)-融霜行為及超聲波去除表面融霜液滴試驗研究.pdf

1、結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于制冷與低溫、風力發(fā)電、航空航天等領(lǐng)域，霜層的存在嚴重影響制冷空調(diào)系統(tǒng)運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，這些液滴會對再次結(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，對除霜產(chǎn)生不利影響。因此，探求簡便高效的脫除液滴的方法，在結(jié)霜前期營造無液環(huán)境，對抑制霜層生長具有重要的科學意義和工程應(yīng)用價值。
　　目前，對

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，但同時也帶來了脫除時間長、能耗高、溫度波動大等弊端。
　　近年來，超聲波以其頻率高、波長短、能量集中的特點，廣泛運用于暖通空調(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、熱力學、相變動力學、界面學等相關(guān)理論，全面深入地研究了水平冷表面霜層生長過程，并利用反復融結(jié)霜過程，分析了融霜液滴的生長分布規(guī)律，提出融霜

3、液滴對再結(jié)霜過程的不利影響。對外加超聲波脫除表面液滴的可行性進行了探索性研究。概括起來，本論文主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)設(shè)計并搭建了水平冷表面霜層生長的微觀可視化試驗平臺，仔細觀察并描述了水平冷表面霜層生長的整個過程，根據(jù)霜層生長過程中的特點和霜晶演化規(guī)律，將結(jié)霜過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、霜晶生長階段、霜層充分生長階段四個階段。并對霜層生長過程各階段劃分標準以及各階段主要生長特征進行了描

4、述。
　　(2)對結(jié)霜前期冷表面水蒸氣凝結(jié)成核進行了理論分析，提出水蒸氣凝結(jié)成核的驅(qū)動力為相變驅(qū)動力，并根據(jù)相變動力學和界面學等理論推導了相變驅(qū)動力關(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)動力也就越大，水蒸氣越容易在冷表面凝結(jié)。過冷度越大，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的微觀可視化試驗平臺，通過

5、反復融結(jié)霜過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)霜時間下隨結(jié)霜次數(shù)的變化規(guī)律。得出結(jié)論:當液滴平均粒徑在0.1mm以下時，影響液滴覆蓋率的主導因素為霜沉積量;當液滴平均粒徑在0.1mm～1.0mm范圍內(nèi)時，影響液滴覆蓋率的主導因素為液滴聚合作用;當液滴平均粒徑在1.0mm以上時，影響液滴覆蓋率的主導因素為霜沉

6、積量。
　　試驗同時表明:融霜液滴的存在給再結(jié)霜過程帶來了嚴重的不利影響。首先，融霜液滴在凍結(jié)后促使霜晶提前生長;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)定生長高度，霜層最大高度超過穩(wěn)定生長高度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，進行了超聲波

7、與加熱蒸發(fā)脫除液滴的對比試驗，試驗驗證了超聲波脫除水平表面液滴的可行性，并通過對比凸顯了超聲波在脫除液滴的過程中時間短、能耗低、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)勢。超聲波脫除液滴所用時間至多是加熱法的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，并且鋁板溫度波動在25min后未恢復至原有溫度。
　　試驗表