相對濕度對固體冷表面上液滴凝結(jié)過程規(guī)律影響的研究

張 哲 尚惠青 嚴 雷 楊文哲 袁 暉 張秋梅

(1 天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

(2 維克(天津)有限公司 天津 301700)

1 引言

液滴在固體冷表面上發(fā)生凝結(jié)是日常生活中常見的一種現(xiàn)象,諸如荷葉上的水珠、清晨的露珠等;在工業(yè)領域中也能時常發(fā)現(xiàn),諸如低溫狀態(tài)下一些管道外壁上附著的冷凝水、換熱設備外側(cè)附著的冷凝水等。換熱設備在制冷行業(yè)中被廣泛應用,但凝結(jié)方式對換熱設備的換熱效率有著一定的影響,當換熱器中大都以珠狀凝結(jié)的方式呈現(xiàn)時,對提高能源利用率、降低成本和減小傳熱面積等方面都是有幫助的。

對固體冷表面上液滴凝結(jié)現(xiàn)象發(fā)生的研究受到了眾多研究學者的關注。房正達等[1]在研究低溫狀態(tài)鋁表面上的液滴凍結(jié)受溫濕度影響的過程中,發(fā)現(xiàn)在其實驗條件下液滴凝結(jié)的數(shù)量呈現(xiàn)出隨溫度升高而降低、隨相對濕度升高而減少的趨勢。夏松柏等[2]利用探針檢測冷凝前后鎂表面氧元素的變化和分布情況,研究發(fā)現(xiàn)形成珠狀凝結(jié)初始液滴的機理時發(fā)現(xiàn)初始液滴的分布具有不均勻性、隨機性。蘭忠等[3]利用反射光譜研究了滴狀冷凝的過程,發(fā)現(xiàn)脫落后的液滴會在其冷表面原位置的空白區(qū)域形成蒸氣凝聚的某種形式,而此區(qū)域附近的其它蒸氣分子會在此區(qū)域上成核并形成新的液滴。M Praveen 等[4]模擬了在亞低溫疏水表面上鉍蒸氣的液滴冷凝過程,發(fā)現(xiàn)珠狀凝結(jié)在鉍表面上的成核、生長和聚合過程,并對近水平和垂直曲面進行了研究,發(fā)現(xiàn)液滴的合并是一個瞬態(tài)的過程,所需時間是毫秒級,分析了熱流通量和壁面剪切力對速度的敏感性。Rongfu Wen 等[5]在研究低溫表面結(jié)構對液滴凝結(jié)過程的影響時,提出了一種具有納米線結(jié)構的銅基疏水冷表面,發(fā)現(xiàn)具有此種結(jié)構的冷表面上的冷凝換熱效果大大地得到了提升,并實現(xiàn)了24K 大過冷和調(diào)節(jié)冷凝表面附近的蒸氣密度差的目的,使得最終形成的液滴具有移動性。Fuqiang Chu 等[6]通過研究凝結(jié)液滴發(fā)生液滴合并現(xiàn)象與冷表面的潤濕性之間的關系,在觀察研究液滴形成形狀的規(guī)則程度以及液滴聚集合并的過程中,發(fā)現(xiàn)隨著冷表面接觸角的不斷增大、接觸角滯后的不斷降低,液滴在聚集合并的過程中所受到的阻力就會減小,液滴的聚集合并過程就會變得相對平滑、形狀也會變得更加規(guī)則。李成[7]等利用數(shù)值模擬的方法研究了濕空氣在豎直壁面上凝結(jié)的傳熱傳質(zhì)模型,并充分考慮各方面因素對凝結(jié)過程的影響,得到了影響傳熱傳質(zhì)速率的一個決定性的因素,即冷壁面溫度的大小;且在不考慮較薄凝結(jié)液膜的影響時,模型的誤差能夠控制在1% 以內(nèi)。Quan Liu等[8]在研究短垂直平板上凝結(jié)過程時,探究了重力等因素對凝結(jié)的影響,發(fā)現(xiàn)傳熱性能會隨著重力的減小而降低,造成這種趨勢的原因是由于在重力變化的影響下凝結(jié)所形成膜的厚度在增加。

本文在研究液滴冷凝的過程中,以疏水材料四氟乙烯平板為基底。選用該材料是其在換熱設備中的應用相較于金屬材質(zhì)的換熱設備具有一定的優(yōu)越性,其本身具有防腐蝕特點、用在換熱設備中成本更低且維護簡單,因此該材料被廣泛應用[9-11]。探究277.15 K溫度下該平板冷表面上的液滴凝結(jié)過程,通過控制變量法,改變冷表面附近的環(huán)境相對濕度條件,獲取凝結(jié)液滴尺寸大小及數(shù)量多少的數(shù)據(jù),分析濕度影響下隨時間變化的相關性。

2 實驗設備及方法

實驗選用冷凝底板材料為四氟乙烯,其尺寸為80 mm ×80 mm ×2 mm。四氟乙烯平板冷表面上液滴凝結(jié)實驗裝置示意圖如圖1 所示。該實驗裝置主要由凝結(jié)圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(操作主機和3D 視頻顯微鏡)和溫濕度控制系統(tǒng)(溫濕度控制器、溫度記錄儀、濕度記錄儀和低溫恒溫水槽)組成。在觀察冷表面液滴凝結(jié)的過程中,采用3D 視頻顯微鏡的高倍鏡觀察整個凝結(jié)過程,3D 視頻顯微鏡負責捕捉清晰的液滴凝結(jié)圖像數(shù)據(jù),并將圖像數(shù)據(jù)傳到電腦端以便之后的圖像分析、處理;便攜式溫度記錄儀進行四氟乙烯冷凝上表面溫度的測量、記錄;濕度記錄儀采集液滴凝結(jié)表面附近的濕度并將信號傳出。溫、濕度記錄儀的相關參數(shù)如表1 所示。

表1 溫濕度記錄儀的相關參數(shù)Table 1 Parameters of temperature and humidity recorder

圖1 四氟乙烯平板冷表面上液滴凝結(jié)實驗裝置示意圖1-操作主機;2-RH-2000 3D 視頻顯微鏡;3-溫濕度控制腔;4-溫度控制器;5-低溫恒溫水槽;6-濕度記錄儀;7-便攜式溫度記錄儀;8-濕度控制器Fig.1 Schematic diagram of experimental device of liquid drop condensation on cold surface of tetrafluoroethylene plate

在液滴凝結(jié)實驗開始之前需要對四氟乙烯平板的表面進行清潔,大致的工作流程為:首先,使用酒精棉球擦拭四氟乙烯平板表面,將表面上的雜質(zhì)去除;其次,使用蒸餾水對四氟乙烯平板進行沖洗后,在超聲波清洗儀中注入適量的蒸餾水,將四氟乙烯平板完全浸沒于蒸餾水中,啟動清洗儀對四氟乙烯平板清洗5—8 min;最后,將四氟乙烯平板取出晾干、待用。在液滴凝結(jié)實驗的過程中,控制過冷度ΔT為20 K,即冷凝表面的溫度控制在4 ℃,相對濕度控制范圍為50%—90% RH,間隔為10%,即相對濕度條件為50%RH、60% RH、70% RH、80% RH、90% RH。在凝結(jié)實驗的過程中,通過依次調(diào)節(jié)冷表面附近環(huán)境的相對濕度獲取液滴凝結(jié)的圖像并記錄,時間間隔為120 s。

3 實驗數(shù)據(jù)與分析

液滴凝結(jié)實驗的過程中四氟乙烯平板冷表面的溫度為4 ℃,周圍環(huán)境溫度為24 ℃,冷表面上的液滴在不斷長大、合并,凝結(jié)液滴直徑和數(shù)量受到相對濕度大小的影響也一直發(fā)生著變化。

3.1 相對濕度對冷表面上液滴大小的影響

圖2展示出來的是四氟乙烯平板冷表面溫度維持在4 ℃(即過冷度ΔT為20 K)、濕度為50%RH 和80%RH 條件下液滴在冷表面上的凝結(jié)過程。通過實驗圖像對比表明,在高相對濕度80% 的情況下凝結(jié)穩(wěn)定時間短,液滴凝結(jié)過程的持續(xù)時間為1 200 s,在此之后凝結(jié)的液滴才會趨于穩(wěn)定,凝結(jié)液滴的生長、合并過程才會結(jié)束,此時的液滴直徑達到了274.68 μm,而此時低相對濕度情況下的液滴還處于生長狀態(tài)。并且在觀察不同濕度下液滴凝結(jié)可知,在濕度較大時凝結(jié)的液滴較飽滿,形成的初始液滴也比較大;而在濕度較小時,凝結(jié)液滴不飽滿,且視野中的液滴大多呈現(xiàn)橢圓狀的外形。

圖2 濕度分別為50%、80%條件下液滴凝結(jié)過程Fig.2 Condensation process of droplets under humidity of 50% and 80% respectively

圖3 展示的是液滴直徑隨凝結(jié)時間的變化趨勢及不同相對濕度條件下液滴直徑大小與凝結(jié)所需時間的線性擬合。從圖中不同相對濕度下直徑數(shù)據(jù)的變化中可以看出,總的趨勢為冷表面上液滴凝結(jié)過程的持續(xù)時間會隨著相對濕度的不斷增大而減小、液滴直徑的大小則會隨著相對濕度的不斷增加而增大。在凝結(jié)前期,液滴依靠吸收周邊濕空氣中的水分子凝結(jié)長大,液滴直徑隨凝結(jié)時間持續(xù)增長,待在冷表面上鋪滿液滴時,液滴相鄰之間距離足夠小,就會發(fā)生合并現(xiàn)象。在每次合并完成后,由于表面張力的存在致使液滴發(fā)生輕微收縮,在收縮完成后,液滴達到穩(wěn)定狀態(tài);正是由于表面張力的存在凝結(jié)液滴的直徑并不是呈直線增大的,而是有一定的波動性,這在圖中也能明顯的觀察出來。濕度為50% RH 的情況下液滴的整個凝結(jié)過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時所需要的時間為3 120 s 左右,并且在約2 000 s 時液滴發(fā)生較大規(guī)模的合并現(xiàn)象,使得液滴的直徑出現(xiàn)一個較大的波動;而高濕度80% RH、90% RH 情況下穩(wěn)定所需的時間僅為1 200 s 左右,縮短幅度達到了60%。通過焓-濕圖可發(fā)現(xiàn)當濕度增大時會導致水蒸氣分壓力也增大,此時水蒸氣遇冷表面更容易達到凝結(jié)時的露點溫度,換言之就是更容易達到凝結(jié)的條件,所以整個過程所需要的時間會縮短。從圖中線性擬合的結(jié)果來看,不同濕度的擬合線斜率與相對濕度呈正相關,即相對濕度越大,斜率越大,這就說明在濕度較大的情況下凝結(jié)過程完成的快;但是在濕度90%RH 的條件時液滴直徑?jīng)]有達到最大值,最終的直徑相較80%RH 條件下要小很多,這是因為在這種情況下由于濕度較大,被追蹤的液滴被相鄰的大液滴合并,即濕度在80%RH 時,被追蹤的液滴發(fā)生了合并。在濕度相對較大的情況下,液滴合并過程發(fā)生較快且比較容易形成大液滴,而在濕度相對較小的情況下,凝結(jié)過程緩慢且凝結(jié)液滴直徑較小,合并液滴后也較小,不易形成大液滴。

圖3 不同相對濕度條件下的擬合Fig.3 Fitting under different relative humidity conditions

通過圖3 中相應數(shù)據(jù)擬合的相關性分析,利用α=0.05 進行檢驗,檢驗結(jié)果如表2 所示?？梢缘贸鲆旱沃睆脚c凝結(jié)時間呈顯著性相關,通過回歸方程,可以得到在某時刻時液滴直徑大小的計算值。

表2 液滴直徑大小與凝結(jié)時間的相關性分析Table 2 Correlation analysis of droplet diameter and condensation time

3.2 相對濕度對冷表面上液滴數(shù)量的影響

在研究不同相對濕度對冷表面上液滴凝結(jié)數(shù)量產(chǎn)生影響的過程中,通過視頻顯微鏡所觀察到的視野范圍為352 μm2,所以在獲取單位面積(1 m2)上液滴凝結(jié)的數(shù)量時,利用相似原理進一步估算出1 m2的四氟乙烯平板冷表面上凝結(jié)液滴的數(shù)量變化情況。

圖4 是不同相對濕度條件下液滴凝結(jié)數(shù)量隨凝結(jié)時間的趨勢變化圖。從圖中可以看出,每種條件下的變化曲線都大致存在一個峰值,這是在液滴沒有發(fā)生大規(guī)模合并現(xiàn)象之前液滴快速生長的結(jié)果;并且由于相對濕度的不同,峰值狀態(tài)下的液滴數(shù)量是存在一定差異的。在冷表面上的凝結(jié)液滴完成凝結(jié)、合并后,冷表面上的數(shù)量最終趨于平穩(wěn),但是在相對降低的濕度下最終視野區(qū)域中的液滴數(shù)量要多于高濕度的情況,出現(xiàn)這樣的情況是因為在高濕度情況下在視野區(qū)域的冷表面上更容易凝結(jié)出體積大的液滴,如圖5、圖6 所示。當冷表面上液滴合并現(xiàn)象發(fā)生后,液滴在大量合并后數(shù)量快速減少,新的核化中心重新暴露出來,就會在冷表面上有新的液滴凝結(jié)形成第二代凝結(jié)液滴。由于第二代液滴成核區(qū)域取決于第一代液滴合并的速度,第二代液滴是再成核以后生成的液滴并且直徑大小存在著明顯的差異,所以第二代液滴生成的速率很大一部分取決于第一代液滴,而不僅僅是受驅(qū)動力的單一影響,受多重因素的影響,因此二代液滴的凝結(jié)很難呈現(xiàn)有規(guī)律的正態(tài)分布。在此之后新形成的液滴所受影響同第二代液滴一樣。

圖4 不同相對濕度條件下液滴凝結(jié)數(shù)量的情況Fig.4 Drop condensation quantity under different relative humidity conditions

圖5 不同濕度情況下t=600 s 時的液滴凝結(jié)圖像Fig.5 Image of droplets condensation under different humidity conditions at t=600 s

圖6 不同濕度情況下t=600 s 時液滴直徑對比Fig.6 Comparison of droplet diameter under different humidity conditions at t=600 s

同時,液滴數(shù)量也會影響液滴與冷表面總的接觸面積,通過將液滴凝結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)時的圖像數(shù)據(jù)進行二值化處理后得到穩(wěn)定狀態(tài)下冷表面上液滴面積的覆蓋率,如圖7 所示,發(fā)現(xiàn)隨著濕度的增加冷表面上液滴的覆蓋率呈現(xiàn)遞減的趨勢。

圖7 冷表面上液滴面積覆蓋率趨勢Fig.7 Tendency of droplet area coverage on cold surface

4 結(jié)論

通過可視化的實驗設備觀察四氟乙烯平板冷表面上的液滴凝結(jié)過程,研究在過冷度ΔT=20 K 情況下不同相對濕度對液滴凝結(jié)過程的影響,分析在該實驗條件下液滴直徑及單位面積上液滴數(shù)量的變化情況。結(jié)論如下:

(1)相對濕度對液滴凝結(jié)有著顯著的影響,并且高相對濕度更容易達到液滴凝結(jié)發(fā)生的條件;高相對濕度下液滴數(shù)量峰值最先出現(xiàn),且高相對濕度90%情況下凝結(jié)穩(wěn)定時間相較低相對濕度50% 降低了60%左右。

(2)通過擬合發(fā)現(xiàn)濕度較大時擬合線斜率也較大,說明液滴凝結(jié)速率與濕度呈現(xiàn)正相關性,并且相對濕度從50%增加到90%的過程中液滴凝結(jié)速率提高了4 倍左右。

(3)濕度對冷表面上液滴覆蓋率的影響中,相對濕度越低,最終的面積覆蓋率越高。