PDF《冷表面上 水滴冻结 过程 的研 究》

第 卷第 期年月工程热物理学报,,

冷表面上水滴冻结过程的研究 王皆 腾 刘中良 勾星君 张新华 程水源 北京工业大学环境与能源工程学院 , 北京 摘要本文对冷表面上 的水滴冻结过程进行 了研究 用显微成像系统对该过程进行了现象观察 , 采用热电偶对水滴中 心温度进行了测量 实验发现 , 水滴温度随冷表面温度下降而下降 , 稍低于 时没有显著相变 水滴温度继续降低到 约一时发生明显相变 , 同时 , 水滴中心温度迅速回升并维持在稍低于三相点温度 , 冻结锋面到达热电偶所在的水滴中 心位置后又逐渐下降 , 直到非常接近冷表面温度 建立 了该过程的数学模型并进行 了数值模拟 , 结果与实验基本符合 关扭词 结霜 过冷 水滴 相变 中圈分类号 文献标识码 文章编号 一问卿叭叭 一一母肠讨 亡助越沙 肠叮,亩宜妙了石鳍,伪,,

一即・即引言低温表面在设备启动或进行热力除霜后要经历 一个温度逐渐 降低的过程 当冷表面温度降低到湿 空气的饱和温度以下 时,湿空气中的水蒸气会凝结 并附着在冷表面上 形成微小的水滴 .

随着凝结的不 断进行水滴逐渐长 大,并相互之 间发生 团聚形成更 大 的水滴 . 冷表面温度继续降低会使水滴发生冻 结并随后发生霜 的生长 . 水滴冻结是结霜过程 中的 重要一 环,又是霜层 晶体生长 的初始条件 . 关于它 的研 究具有重要 的理论意义 由于体积小 , 成核困 难,水滴相变前存在较大 过冷度 因此冷表面上 的 微小水滴具有与宏观尺度下水冻结不 同的特点 关于空气中过冷状态下 圆球状液滴冻结过程 的传热和 热力学分析 已有很多文献发表 "一】.而对冷表面上 的水滴 , 等人 研究了冷表面上 不同形 状的过冷状态的水滴冻结 采用高速摄像的 方法发现冷表面上 的水滴在冻结末尾阶段水滴顶部 有凸起形成 . 我们先前的研 究对 凸起 的成 因进行 了 理论分析和数值模拟 . 但没详细分析水滴的过冷 状态 本文 的主要 目的是综合运 用实验与数值模拟 手段研究冷表面上 的水滴冻结过程 中的状态变化 实验装置及步骤 采用如 图 所示 的实验装置 冷表面 被固定在 制冷头 上,其温度可 以通 过温度 自动控制装置调 节 冷表面采用紫铜板制作 , 大小为 、 在铜板 的两侧各钻两个孔 , 直径 , 深度 , 分别放置铜 一 康铜热电偶 以测量铜板温度 收稿 日期 一.今修订 日期 一压苍金项 目 国家重点基础研 究发展规划项 目 国家 自然科学基金项 目 北京市 自然科学基金项 目 年北京市拔尖创新新人才选拔计划项 目 作者简介 王 皆腾 一,男,山东嘉样人 , 博士研究生 , 主要从事强化传热及其在高新技术中的应用研究 工程热物理学报卷数学模型 为了使问题简化 , 做如下假设 在整个相 变过程中 , 不考虑水滴的蒸发和凝结 , 水滴的总质 量守恒 滴只通过导热与冷表面发生换热 , 水滴上表面与空气的换热为对流换热 , 内部只有导 热没有对流 不考虑重力的影响 , 忽略冻结前后 的密度 、 形状变化 相变在整个水滴内同时发 生,并将其看作一个化学反应 方程式为 相 平板大小及热电偶位置如图 中 所示 采用天津 中环 电子制冷技术应用所生产的半导体制冷装置 , 它 由电子制冷电源 提供电力并控制温度 最低工 作温度可达 一"冷却水供水管 和 出水管 内的冷却水把热量带走以保证设备 和 的正 常工 作 北京玻璃仪器厂 生产的共聚焦显微镜 、 摄像头 、 以及 共同组成观察和测量系统 , 显微镜 放大倍数为 、 倍 图像采集软件 将获得的图像保存在计算机硬盘 上,利用图像处 理 软件 对图像进行分析从而获得水滴的 几何尺寸 用数据采集仪 获得水滴 中心及冷表面的温度 . 实验时照 明由冷光源提供 . 用注射器将一 微小水滴放置到冷表面上合 适位置 底面直径 , 水滴中心不放置热电 偶 开启制冷装置 电源 , 将要达到的表面温度设置 为 调节显微镜和 图像采集系统到能够获得清 晰的图像 , 开启冷却水 , 打开 电源使制冷 台开 始工 作 观察液滴的透光性 , 记录其形状 、 铜板表面温度 随时间的变化 , 空气 、 水滴与铜板表面初始温度均 为,空气相对湿度为 实验时 , 冷表面 温度缓慢下 降并逐渐稳定在 并设此时为 二 时刻 , 再次设定冷表面温度为 一 测得冷表面 温度按如下关系式变化 井不同位置过冷度不 同,相变的速率也不同 , 变的速率和水的质量分数有关 争一一"" 一二其中 , 表示液相 或固相 的质量分数 参照定律可确定 相变时会放出相变潜 热..・一・丁一其中 , 二 表示时间 , 单位 与 表示铜板表面温 度,单位 " . 在冷表面重新放置水滴 , 并在水滴中心放置 热电偶 由两根直径 的偶丝组成 , 分度号为 以测量水滴温度的变化 , 如图中 所示 . 热电偶 的连线平行于冷表面引出 , 其它条件与实验 相同,重新进行实验 . . 户.一其中 , 刀一是水滴内任意点的过冷度 三相 点温度与水滴实际温度的差 , 单位 为活化 能,单位 , 为气体常数 , . 为指 前因子 为相变潜热 液相与固相的比热 、 导热系数 均不相同 , 温度 随坐标和时间变化 , 其导热方程为 二豁一'''・其中 , 为水滴密度 , 入 为液滴的导热系数 , 上表面 与周围空气的对流换热可表示为 一入赢,一"'一 ' ・ ' ・ 其中 , 表示该表面 的外法线方 向,.为空气与液 滴外表面之 间的对流换热系数 . 为空气温度 , 水 滴的初始温度为 , 冷表面的温度按公式由式 确定 . 水源 制冷电源 制冷头 冷表面 热电偶 数据采集卡 显微镜 摄像镜头 计算机 电缆 冷却水供水管 冷却水出水管 图 实验装置示意图 结果与分析 冻结前与冻结过程 的照片如 图 所示 我们先 前的研究 已经 对这一冻结过程 的现象进行 了详 细 的描述与分析 . 实验测得水滴中心 的温度变化如 图 所示 , 可 以看出 , 冷表面上水滴的冻结过程一般 可 分成 个阶段 过冷阶段 、 再升温阶段 卜、冻结阶段