表面特性对自然对流条件下竖直冷平板上结霜过程影响的实验研究

摘要

结霜广泛存在于各种低温设备与系统中，往往给系统的运行带来巨大的危害，如增大了换热器表面的热阻、降低介质流通的截面积等，所以必须定期融霜。融霜的过程又会增加初投资和能源消耗，因此找到有效的抑霜手段，使结霜现象在最初发生那时起就能得到有效的抑制，无疑是非常重要的，这也是本文所要研究的主要内容。 针对目前亲水涂料所存在的种种缺陷，缺乏实用性这一制约先进亲水涂料发展的角度出发，在原有涂料配方的基础上研制了两种新型的亲水性抑霜涂料配方并申请了国家发明专利。这两种涂料在成膜的厚度、表面硬度、与金属壁面结合的牢固程度等方面较以往亲水涂料有明显的改善，如新涂料的成膜厚度可以非常薄，目前已经实现的涂层厚度为0.04mm，而以前的涂料成膜最薄也在0.3mm以上，仅为原来厚度的15％。而且，新涂料的抑霜效果比以前有了明显改善，尤其是开发的第二种涂料在高湿度、低壁温的环境中比以往涂料的抑霜时间可增加两个小时以上。此外，我们还对环境湿度及冷面温度的变化对这两种涂料抑霜效果的影响进行了系统的实验研究与分析。将新研发的抑霜涂料实际应用到某个冰箱内表面，对比实验表明，涂有防霜涂料的部分在冰箱连续运行六个月后仍然表现出非常好的抑霜性能，说明这种涂料已经具备了工程应用的基本条件。对这种亲水涂料的抑霜机理进行了分析讨论，认为可能与其所含的高分子类树脂和水分子的极性特点有关。 在国内外率先对仿生超疏水表面上的结霜现象进行了研究。仿生超疏水表面是近几年研究的一个热门问题，这种表面是由多重微米．纳米级的结构组成，与水滴的接触角可高达150。以上，滚动角在5。以下。考虑到表面的疏水性与水滴凝结及结霜的关系，应用这种表面于制冷防霜的领域中，将具有非常广阔的前景。我们加工制造了这种表面(接触角为162°)并通过实验研究了这种表面上的结霜现象，发现这种仿生表面确实有很强的抑霜作用，能延迟初始霜晶的出现在55分钟以上；尤为重要的是，实际观察证明，在这种仿生超疏水表面上的成霜过程非常特殊，完全不同于普通固体表面：霜晶围绕一个个局部中心横向生长，最后形成一簇簇类似菊花状或麦穗状的霜晶团。这种独特的霜层结构到目前为止还没有见诸报道。这种现象产生的原因可能和该表面所特有的微观结构及规则的初始霜晶形状有关。对磁性表面上结霜现象进行了初步的实验研究并探索了利用磁性表面抑霜的可能性。实验观察发现，磁性表面上水滴的凝结、霜晶的形成过程和霜晶的形态与无磁性表面上的情况是完全不同的，水滴凝结的大小、分布的均匀性及霜晶的疏密程度都会受到磁场的影响，所形成的霜层非常特殊，结构更加规则，完全不同于普通非磁性表面上的霜层结构。实验结果还表明，在一定磁场强度的条件下，霜晶的形成过程会受到明显抑制，说明磁性表面可能是一种新的抑霜表面。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2结霜机理

1.2.1霜层物性的研究

1.2.2霜层生长规律及其影响因素的研究

1.2.3结霜过程传热传质的研究

1.3抑霜手段的探索

1.4主要研究内容

第二章自然对流条件下亲水表面上的抑霜实验研究

2.1引言

2.2亲水涂料二的抑霜实验研究

2.2.1亲水表面的制作过程

2.2.2实验装置及实验过程

2.2.3抑霜实验结果

2.3亲水涂料三的抑霜实验研究

2.3.1亲水表面的制作过程

2.3.2不同实验条件下亲水表面与紫铜表面上结霜情况的比较

2.3.3亲水涂料二、三的抑霜效果对比情况

2.3.4亲水表面经反复使用后的抑霜效果

2.3.5亲水涂料三在制冷设备中实际应用的情况

2.4环境湿度和冷面温度对亲水涂料二、三抑霜效果的影响

2.5亲水涂料抑霜的理论分析

2.6本章小结

第三章自然对流条件下仿生超疏水表面上结霜研究

3.1引言

3.2仿生超疏水表面的制备

3.3仿生超疏水表面和紫铜表面上结霜过程的对比实验

3.3.1实验过程

3.3.2实验现象

3.3.3仿生表面延迟霜晶生长原因的理论分析

3.4仿生超疏水表面和紫铜表面上水珠冻结及冻结水珠表面上霜晶形成过程实验

3.4.1实验步骤

3.4.1实验结果

3.4.3仿生表面上霜晶成横向生长原因的理论分析

3.5本章小结

第四章磁场条件下的结霜实验研究

4.1引言

4.2实验材料及实验步骤

4.3实验结果

4.3.1水蒸汽在磁性表面与非磁性表面上凝结及冻结过程的实验

4.3.2磁性表面与非磁性表面上霜晶形成过程的实验

4.4机理分析

4.5本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢