辐射空调铝基亲/疏水换热表面凝露特性研究

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(1.广州大学土木工程学院， 广东广州510006；2.广州大学广东省建筑节能与应用技术重点实验室， 广东广州510006)

0 引言

与传统对流换热为主的空调形式相比，辐射供冷在室内热舒适度、卫生条件及能源消耗等方面有较大优势[1-6]，近年来引起了广泛关注，但辐射冷板表面凝露问题制约了其工程应用[7]。为此，许多研究人员针对辐射冷板表面凝露问题开展了研究工作，主要分为三类：一是辐射冷板表面温度控制；二是露点温度的控制；三是新技术、新材料的应用[8-11]。

辐射冷板表面温度控制主要是通过对管内水温和流量的控制，达到控制辐射冷板表面温度高于室内空气露点温度以达到防止凝露的目的[12]，露点温度控制主要是通过除湿设备承担室内全部湿负荷，以达到辐射冷板防凝露的目的，该方法当辐射冷板表面温度低于空气露点温度而停止冷板冷冻水供应，会造成室内空气参数波动。采用新材料、新技术抑制辐射冷板表面结露、减缓凝露速度日益引起研究者的关注，其中辐射冷板采用疏水表面可以延迟凝露。但目前关于疏水表面对凝露的影响规律方面的研究并不完善，无法合理利用凝露变化规律达到防凝露的目标[13]。

本文通过降低铝基的表面能制备出疏水铝基表面[14]，显微观测疏水铝基表面凝露初期的液滴产生过程，分析了室内温湿度及铝基表面接触角对于液滴产生的影响，为抑制辐射冷板表面凝露提供参考。

1 实验部分

1.1 实验装置及测试仪器

实验装置如图1所示，采用BLT1-20半导体低温冷台(控制铝片表面温度)，控温范围：室温～-40 ℃，控温精度：±1 ℃；低温恒温槽(半导体冷台散热)，型号THD-3006，温度范围：-30 ℃～100 ℃，温度波动：±0.05 ℃；体视显微镜(观察铝片表面凝露情况)，型号SMZ168-TL，放大倍数为60倍，Moticam ProCCD摄像头，型号282A，传感器ICX282AQ，分辨率2580 pt×1944 pt，与显微镜连接，通过视频电缆将

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experiments

图像传输至计算机；温湿度记录仪(监控人工环境室温湿度),型号testo625，测量范围：温度-10 ℃～60 ℃、相对湿度(RH)0-100 %，精度：温度±0.5 ℃、相对湿度(RH)±2.5 %；K型热电偶(监控铝基表面温度)，测温范围：-40 ℃～350 ℃，精度±0.5 ℃。

1.2 表面制备

将2块8 mm×8 mm铝片采用无水乙醇(CH3CH2OH)和去离子水(H2O)依次使用东森超声波清洗机(DS-00S)超声清洗处理20 min，然后用去离子水(H2O)冲洗5 min，并置于恒温干燥箱中以温度60 ℃恒温干燥2 h，并标记为1#试片、2#试片，1#试片不再处理，2#试片用放置于恒温干燥箱以温度60 ℃加热融化为液体状态的切片石蜡浸泡20 min,然后采用恒温干燥箱以温度10 ℃冷却2 h, 然后把1#、2#试片放于培养皿中放置于温度20 ℃环境中保存。

1.3 接触角测试

使用光学视频接触角测试仪(DSA100，德国KRUSS公司)测试试片表面的静态接触角。

图2为试片表面接触角测试结果，1#试片表面接触角为67.5 °，为亲水表面。2#试片接触角为112.2 °，为疏水表面[15]。

(a) 1#试片

(b) 2#试片

图2 试片的接触角
Fig.2 Contact Angle of the specimen

1.4 实验目的

当冷板正常工作,室内空气参数为26 ℃、50 %(相对湿度),无其他干扰因素，如人员的进出、开关门窗等，此时两种试片表面没有液滴产生。

当冷板正常工作，室内条件发生瞬变时，如突然进来大量人员、门窗被完全打开等引起室内热湿负荷突然增加，观察冷板表面液滴形成情况。实验工况设置为：干球温度为26 ℃,相对湿度从50 %分别增加到60 %、70 %、80 %。每种工况实验观察时间为1 h。

1.5 实验过程

实验在人工环境室内进行，人工环境室温湿度调节范围：干球温度(DB)15～40 ℃、湿球温度(WB)12～25 ℃，控制精度：±0.1 ℃。

实验时，设定人工环境室温湿度参数，当参数达到设定目标值并稳定 15min，然后设定冷台温度，将试片放置于半导体冷台表面，使试片达到所需温度。为防止实验前环境温湿度对于样品的影响，实验前在样品表面放置密闭罩，在显微镜开始拍摄时将其移除，利用显微镜观测实验过程液滴的形成过程。

此次实验中，人工环境室内温度控制在26 ℃，试片表面温度恒定为17 ℃时，依次调节相对湿度为50 %、60 %、70 %、80 %，观察试片表面凝露过程。

1.6 误差分析

由于液滴的数值是通过统计图片中的液滴的像素值得到的，所以统计过程中会产生误差[16]。

实验中CCD摄像头拍摄的图片分辨率为320 pt×240 pt。图像处理时采用1 pt为基准，1 mm2包含40 000个像素点，图像处理时，边界有一定误差，但不超过5个像素点，可以得到由于边界所产生的误差为：

(1)

式中：δa1为式样边界处像素误差，个；a1—试样所包含的像素点，个。

实验中液滴的面积主要集中在0.000 5 mm2以上 ，最小刻度值为0.000 025 mm2(1个像素点的面积值)，则测量误差为：

(2)

式中：δa2为液滴直径测量误差，mm；a2为液滴直径最小测量值，mm。

则液滴直径值的最大相对误差为：

(3)

2 结果分析与讨论

2.1 液滴形成过程

初始凝露时间是衡量表面防凝露效果的重要参数。本次实验中设定室内空气温度为26 ℃，当相对湿度为50 %时，由于冷板表面温度高于空气露点温度，1#试片、2#试片均未出凝结现象；当相对湿度为60 %时，1#试片表面5 min时开始出现细小液滴，2#试片表面15 min时出现细小液滴；当相对湿度为70 %时，1#试片表面40 s时出现细小液滴，2#试片表面90 s时出现细小液滴；当相对湿度为80 %时，1#试片表面20 s时出现细小液滴，2#试片表面60 s时出现细小液滴。可见，表面改性后的2#试片初始凝露时间明显迟于1#试片。

2.2 液滴覆盖

图3是在不同相对湿度情况下，两种试片凝露情况对比。显微观察区域为1 600 μm×1 200 μm。

图3 不同相对湿度下试片的凝露过程
Fig.3 Condensation process of the specimen under different relative humidity

从图3中可以看出，在5 min、10 min、20 min、30 min、60 min的各时间点，不同相对湿度(60 %、70 %、80 %)条件下，1#试片的液滴大小与2#试片不同，同时，1#试片的液滴覆盖率与2#试片也不相同。利用软件Motic Images Plus2.0对显微图片进行数值化分析得到表面液滴覆盖率。

图4反映了1#、2#试片表面液滴覆盖率随时间变化过程，通过对比可以看出，在某相对湿度条件下，不同时刻，1#试片表面的液滴覆盖率高于2#试片，特别是在相对湿度为80 %时，30 min以后1#试片表面液滴覆盖率比2#试片高10 %以上，反映出2#试片较1#试片具有明显的抑制凝露效果。

图4 不同相对湿度液滴覆盖率Fig.4 Droplet coverage with different relative humidity

通过对比1#试片、2#试片在不同相对湿度(60 %、70 %、80 %)情况下的表面液滴覆盖率，可以看出，在各时间段，随着相对湿度的增大，1#、2#试片表面液滴覆盖率差别逐渐增大，说明随着相对湿度的增加，2#试片较1#试片抑制凝露的效果更好。

2.3 液滴生长过程观察

2.3.1 液滴生长过程

分别选取试片在室内空气相对湿度为60 %、70 %、80 %的情况下，记录1#、2#试片表面最大液滴每5 min液滴接触面面积变化情况，如图5所示。

图5 液滴生长情况Fig.5 Droplet growth

图6 液滴受力示意图Fig.6 Force diagram

从图5可以看出，在相同相对湿度情况下，1#试片表面最大液滴的液滴接触面面积大于2#试片，反映出2#试片表面较1#试片表面具有明显的抑制液滴增长的效果。

此外，再观察相对湿度为60 %、70 %、80 %时试片表面最大液滴覆盖面积的变化情况，可以发现,2#试片表面最大液滴接触面积的变化比1#试片更加平稳，说明2#试片比1#试片能更好地避免因相对湿度突增而引起的表面液滴尺寸剧烈变化，拓宽了辐射空调系统的可适用环境。

若辐射空调换热表面液滴出现跌落，说明系统应用失败。液滴跌落主要受接触面与液滴的表面张力、液滴重力、室内风速等条件的影响，为了方便计算，对于液滴跌落计算采用主要影响因素：表面张力、重力。

2.3.2 液滴受力分析

液滴受力情况如图6所示。本次实验中仅考虑冷表面凝露问题，未考虑辐射空调系统实际运行中新风承担湿负荷的问题。由于室内空气相对湿度突然增加，造成试片表面温度低于室内空气露点温度，会产生凝露现象，随着时间推移，液滴在试片表面汇聚生长，如果辐射冷板表面与液滴之间的表面张力不能承受液滴自身的重力，液滴就会脱落[17]。为了便于分析液滴受力情况，假设液滴是悬挂于试片上，液滴为球冠状，球冠高为h,半径为R,球冠接触面半径为r，接触角为θ。

VADB=πh2(R-h/3)，

(4)

h=LCD=R-Rcosθ，

(5)

R=r/sinθ。

(6)

液滴体积：V=πR2(1-cosθ)2(R-R/3-Rcosθ)=(πR3/3)(1-2cosθ+cos2θ)(2+cosθ)=(πR3/3)(2+cosθ-4cosθ-2cos2θ+2cos2θ+cos3θ)=(πR3/3)(2-3cosθ+cos3θ)。

(7)

接触面周长：

2πr=2πRsinθ。

(8)

接触面面积：

πr2=π(Rsinθ)2。

(9)

力平衡原则：F(2πRsinθ)sinθ=mg=ρgV=ρg(πR3/3)(2+cosθ-4cosθ-2cos2θ+2cos2θ+cos3θ)。

(10)

(11)

(12)

质量为：m=ρV=

(13)

F≈72×10-3N/m，ρ≈1 000 kg/m3，g=9.8 m/s2。

根据测得的接触角，试片1为67.5 °，试片2为112.2 °。

可得，液滴跌落时接触面面积为：1#试片为111.12 mm2,#试片为33.05 mm2。

从本次实验条件及实验结果来看，当室内相对湿度为60 %，60 min后1#试片所产生最大液滴的接触面面积为0.030 6 mm2，2#试片所产生最大液滴的接触面面积为0.008 475 mm2，均未出现跌落现象；室内相对湿度为70 %，60 min后1#试片所产生最大液滴的接触面面积为0.182 525 mm2，2#试片所产生最大液滴的接触面面积为0.047 1 mm2，未出现跌落；60 min后1#试片所产生最大液滴的接触面面积为0.445 525 mm2，2#试片所产生最大液滴的接触面面积为0.182 575 mm2，未出现跌落。

3 结论

搭设辐射冷板凝露实验装置，通过对铝基表面改性，分析表面特性对凝露过程的影响。在室内空气温度条件相同的情况下，改变室内空气相对湿度，疏水表面辐射冷板凝露时间明显迟于亲水表面，相对湿度为60 %时，改性后的辐射冷板凝露时间延迟10 min，表现了良好的抑制凝露效果，且随着相对湿度的增加，抑制凝露效果更加明显，相对湿度为80 %时，30 min后改性后辐射冷板的液滴覆盖率较未改性辐射冷板低10 %以上，表明改性后的试片有良好的抑制凝露效果；且改性后的辐射冷板的液滴生长速度更加平稳，能明显的抑制液滴生长，拓宽了辐射空调系统的可适用环境。