冷铜表面上水滴冻结时的变形-中国科学.PDF

1344 中国科学 E 辑 技术科学 2006, 36(11): 1344~1354 * ** 王皆腾 刘中良 勾昱君 张新华 程水源 (北京工业大学环境与能源工程学院, 北京 100022) 摘要 研究了水滴和花生油液滴在冷铜表面的冻结过程. 实验中观察到水滴 冻结时与冷表面接触的底面形状不变, 但在垂直于底面的方向上发生明显生长. 冻结的末尾阶段水滴顶部出现小的突出, 但花生油冻结时几乎不发生形状变化 且无突出产生. 提出了对此现象的解释, 认为形状变化和突出的形成是冻结过程 中相变造成的体积膨胀和表面张力共同作用所致. 采用这一理论建立了相应的 数学模型, 计算出的水滴冻结后的形状与实验结果能够很好地吻合. 对实验中观 察到的液滴突出部霜的生长快于其他位置的现象进行了分析. 关键词 结霜 水滴 冻结 突出形成 表面张力 结霜是低温、制冷和空调工程中的常见现象. 采用热力除霜的换热设备每次 完成除霜操作后要经历一个温度逐渐下降的过程. 这时, 湿空气与低于露点温度 的冷表面相接触, 空气中的水蒸气凝结并黏附在冷表面上, 形成直径很小的液 滴, 随着凝结的进行, 液滴逐渐长大, 且相互之间发生团聚, 形成更大的液滴. 冷表面温度继续降低到冰点以下时, 水滴发生冻结. 然后, 霜在其表面上开始生 长. 结霜会对换热器产生不良影响, 例如, 增加传热热阻和流动阻力损失, 降低 其传热能力. 严重时可能堵塞空气通道, 损坏换热设备. Hayashi等人 [1]把结霜分成三个阶段: 霜晶生长阶段、霜层生长阶段和霜层 充分生长阶段. 目前, 结霜研究大都集中在霜层生长阶段和充分生长阶段以及电 场 [2]和表面性能对结霜的影响等方面 [3~5], 关于初始阶段内冷表面上水滴冻结过 程的研究, 特别是水滴冻结过程中发生变形的理论和实验研究相对较少. 冻结所 需的时间非常短, 在初始阶段中只占一个很小的时间段, 常被研究者忽视. 但水 滴的冻结不仅是结霜的起点, 而且是结霜过程数值模拟的初始条件. 它还与成 收稿日期: 2006-03-22; 接受日期: 2006-06-17 * 国家自然科学基金项目(批准号:、国家重点基础研究发展规划项目(批准号: G2005CB724201) 和北京市拔尖创新人才选拔计划项目资助 ** 联系人, E-mail: liuzhl@ SCIENCE IN CHINA Ser. E Technological Sciences 第 11 期 王皆腾等: 冷铜表面上水滴冻结时的变形 1345 核、相变等问题密切相关, 因此, 对水滴冻结进行研究具有重要的意义. Feuillebois 等人 [6] 对过冷状态下圆球状液滴的冻结过程进行了传热分析. Richard和Mochel[7]对液滴相变的热力学问题进行了详细分析. Tabakova等人 [8]假 设水滴表面温度始终等于周围气体温度,