汪峰¹   梁彩华²   张小松²   杨卫波¹   
1扬州大学水利与能源动力工程学院
2 东南大学能源与环境学院

    【摘  要】超疏水翅片表面的接触角滞后对其结霜过程及特性存在重要影响，仅从表面接触角的角度无法正确评判超疏水翅片的抑霜性能。本文通过制备具有相同接触角、不同接触角滞后的超疏水翅片，可视化观测获取超疏水翅片的结霜过程及微观行为特征，从而揭示接触角滞后对超疏水翅片抑霜性能的影响。实验结果表明，结霜初期，不同接触角滞后的超疏水翅片表面凝结液滴的行为特征、尺寸、分布及冻结时间均存在明显差异，且抑霜效果随着接触角滞后的减小而增强。因此，通过减小超疏水翅片的接触角滞后，可以提高其抑霜性能。

    【关键词】空气源热泵  超疏水翅片  抑霜  接触角滞后  接触角

Abstract:In this paper, the superhydrophobic fins with the same contact angle and different contact angle hysteresis were prepared, and the frosting behavior on fin surfaces were achieved by visual observation. The effect of contact angle hysteresis on the anti-frosting performance of superhydrophobic fin was revealed. The results show that the behavior characteristics, size, distribution and freezing time of the condensate droplets on the fin surfaces are different, and the anti-frosting performance increases with the decrease of the contact angle hysteresis. Therefore, as far as possible to reduce the contact angle hysteresis of superhydrophobic fin, can effectively improve the anti-frost performance.
Keywords:Air source heat pump  Superhydrophobic fin  Anti-frosting performance  Contact angle hysteresis  Contact angle

1 前言

    空气源热泵因具有兼顾制冷与制热、节能环保、安装灵活等优点，被广泛用作建筑空调冷热源，并在我国北方的“煤改清洁能源”过程中得到积极推广^[1-2] 。但是，空气源热泵冬季制热运行存在室外翅片管蒸发器结霜问题，由于霜层的生长，蒸发器与空气间的传热热阻增大，空气流量减小，导致热泵机组工作状况恶化，制热效率降低，严重影响机组的制热性能与运行稳定^[3-4] 。因此，探索有效的抑霜方法，对保障空气源热泵冬季高效、稳定运行具有重要意义。

    近年来，受荷叶效应等自然现象启发，许多学者开展了超疏水材料的制备与应用研究。将水滴滴于固体表面，两者形成的夹角θ称为表面接触角。当θ < 90°，表面为亲水表面；当90° < θ < 150°，表面为疏水表面；当θ > 150°，表面为超疏水表面^[5] 。由于超疏水制备技术的迅速发展，超疏水翅片被应用于抑霜研究。Kim等^[6]在可视化观测中发现，与普通翅片相比，结霜初期超疏水翅片的凝结液滴分布稀疏，尺寸较小且接近球形。徐文骥等^[7]实验表明，超疏水翅片可延迟结霜初期凝结液滴的冻结速率。Huang等^[8]通过实验指出，接触角越大的表面，凝结液滴冻结越晚。Liu等^[9]制备了接触角为162°的超疏水表面，在冷面温度为−10℃的条件下对其进行了抑霜性能测试。结果表明，结霜120min后，超疏水表面的霜层高度仅为普通表面的50.0%。周艳艳等^[10]比较了超疏水表面和普通表面的结霜过程，在实验工况下，超疏水表面的结霜量仅为普通表面的58.3%。超疏水翅片不仅抑制结霜，更能强化除霜。研究表明^[11,12] ，霜层部分融化后可从超疏水翅片表面剥落，从而缩短除霜时间，减少除霜耗热量。

    目前，对超疏水翅片的抑霜研究主要基于表征翅片表面被润湿性能的接触角，即通过比较具有不同接触角的翅片表面的结霜过程，获得接触角对抑霜性能的影响规律，但表征固体表面特性的另一个重要参数——接触角滞后则未被充分考虑。接触角滞后是固体表面黏附性的表征参数，接触角滞后越大，黏附性越强。对于接触角相同的超疏水表面，其接触角滞后可以相差很大^[13] ，仅通过接触角来评价超疏水翅片的抑霜性能不够全面。本文通过制备具有相同接触角、不同接触角滞后的超疏水翅片，可视化观测获取超疏水翅片的结霜过程，揭示接触角滞后对超疏水翅片抑霜性能的影响，为高效抑霜/型超疏水翅片表面结构设计提供更准确的指导。

2 实验装置

    超疏水翅片结霜可视化平台如图1所示，实验平台包括冷台和图像采集装置。冷台用于调节翅片表面温度，使翅片在设定温度下结霜。冷台采用半导体方式制冷，温度可通过温控仪进行调节和控制，调节范围为−20～150℃。为使冷台热端的热量及时散去，采用低温恒温槽制取冷却水对其进行冷却。实验中，将冷台竖直放置。图像采集装置实现对结霜过程的图像实时采集，包括CCD视频摄像头、体式显微仪等。利用CCD视频摄像头和体式显微仪分别记录翅片结霜侧面和正面图像。实验环境温度为20℃，相对湿度为80%，翅片表面结霜温度为−10℃，结霜测试时间为60min。

    利用OCA20型视频光学接触角测量仪对超疏水翅片表面的接触角和接触角滞后进行测量，如图2(a)所示。接触角的测量步骤如下：首先，将翅片固定在水平放置的载台表面，调节显微仪焦距使其聚焦于注射针针头并获得清晰的可视化图像，同时通过测量仪上的精调旋钮将针头移至镜头中间；然后，注射体积为3μL的去离子水于翅片表面，调节显微仪镜头对水滴的放大倍率直到水滴占图像面积的2/3左右；最后，利用测量仪自动检测基线与水滴外形轮廓线，通过软件计算出接触角。接触角滞后的测量通过将水平载台慢慢倾斜，直到水滴从翅片表面脱落，这期间测量仪全程自动记录水滴的前进角θa与后退角θr变化，取水滴离开翅片瞬间的前进角和后退角之差，即为接触角滞后△θ。

    超疏水翅片的制备方法如下：先在铝箔基底上喷涂FEVE氟碳树脂，树脂半固化后再喷涂SiO₂超疏水面漆。根据前期探索发现，通过砂纸打磨不同周期后，超疏水翅片表面的接触角变化不大，但接触角滞后有所提高。通过该方法制备了5组超疏水翅片，其接触角相差不大，但接触角滞后各不相同。对5组超疏水翅片进行编号为1#、2#、3#、4#和5#，对应的接触角大小分别为161.5°、160.3°、159.4°、161.1°和161.9°，对应的接触角滞后分别为49.1°、37.8°、24.4°、13.9和5.7°。

3 实验结果与分析

    实验中通过可视化观测发现，在结霜初始阶段，5组超疏水翅片均经历了水蒸气凝结与凝结液滴冻结，如图3所示。结霜初始阶段，湿空气中水蒸气在翅片表面凝结成液核，液核不断长大、合并形成宏观的凝结液滴，随着液滴温度不断下降，液滴逐渐冻结。5组翅片表面凝结液滴的形成和冻结过程是基本一致的。但受接触角滞后的影响，不同翅片表面凝结液滴的行为特征、尺寸、分布密度及冻结时间均存在明显差异。第一，接触角滞后最小的5#翅片表面频繁出现凝结液滴合并、跳跃脱落现象，而其他4组翅片均未观察到类似现象，这是5#翅片在结霜初始阶段最显著的行为特征。对比5#翅片在880s和885s时的图片可以看出，数个直径在50～200µm范围内的合并液滴都出现了跳跃现象离开了翅片表面，从而减少了大粒径液滴的数量以及降低了凝结液滴对翅片的表面覆盖率。其他4组翅片虽然都出现了液滴合并现象，但合并后的液滴仍滞留在翅片表面。凝结液滴合并后之所以会出现跳跃现象，是由合并前后表面自由能的变化导致的。众多合并前的小液滴与翅片表面形成的体系表面自由能为Es1，合并后形成的大液滴与翅片表面的体系表面自由能为Es2，Es1和 Es2之差即为体系释放出的能量Es，这部分能量需克服翅片表面对液滴的黏附功Ef才能转化为液滴的动能Ek，若克服黏附功后能量仍有剩余，即Ek > 0时，合并后的液滴将出现自跳跃脱离翅片。由于接触角滞后越大，翅片表面的黏附力就越大，故5#翅片表面的黏附力最小，因此Es在克服Ef仍有能量剩余。第二，凝结液滴的尺寸与分布密度不同。由于5#翅片表面的凝结液滴合并后会自跳跃脱离表面，这使得大粒径液滴的数量以及凝结液滴对翅片的表面覆盖率均减小。对比1#和5#翅片，1#翅片表面直径在50～100µm范围内的液滴较多，而5#翅片表面的液滴直径大多数在50µm以下。同时可以明显看出，凝结液滴在5#翅片的表面覆盖率要小于其他翅片。第三，凝结液滴的冻结时间不同。随着接触角滞后的减小，凝结液滴的冻结时间越晚。1#翅片表面凝结液滴全部冻结的时间约为540s，而5#翅片直到1320s时其表面凝结液滴尚未完全冻结。综述所述，减小翅片表面的接触角滞后，可降低结霜初始阶段凝结液滴的分布并有效延缓凝结液滴冻结。

    图4为凝结液滴冻结前的平均直径。平均直径即为翅片表面所有凝结液滴直径总和除以液滴数量。5组翅片在凝结液滴冻结前的平均直径分别为83.5、79.3、78.3、76.7和35.2µm。1#翅片的平均直径最大，2#～4#翅片的平均直径较为接近，而5#翅片的平均直径最小，仅为其他4组翅片的一半。这主要得益于大粒径凝结液滴通过自跳跃从翅片表面离开，降低了液滴的平均直径。定义凝结液滴对翅片表面的覆盖率为液滴在翅片表面所占面积与翅片表面面积之比。图5所示为凝结液滴冻结前对翅片表面的覆盖率。不同翅片的凝结液滴在直径和数量上的差异，直接导致液滴对翅片表面的覆盖率不同。通过对凝结液滴进行统计后计算得到5组翅片在凝结液滴冻结前的覆盖率分别为55.7%、46.6%、45.3%、46.6%和24.2%，这其中5#翅片的覆盖率最小，而1#翅片的覆盖率最大。从以上分析可以看出，凝结液滴冻结前的平均直径和翅片表面覆盖率大体随着接触角滞后的减小而减小，将超疏水翅片的接触角滞后控制在10°以内，可显著降低凝结液滴冻结前的平均直径和翅片表面覆盖率。由于凝结液滴冻结后，霜晶将在冻结液滴表面形成，因此降低凝结液滴冻结前的平均直径和翅片表面覆盖率，也在一定程度上减小了后续结霜的霜层高度。

    图6为凝结液滴的冻结时间，分别取翅片表面50%的凝结液滴被冻结和全部被冻结的时间进行对比。5组翅片凝结液滴被冻结一半的时间分别约为500、560、565、800和1320s，而全部被冻结的时间分别约为600、640、720、1080和1800s。可见，凝结液滴的冻结时间随着接触角滞后的减小而减小，相比于接触角滞后较大的1#翅片，5#翅片的液滴冻结时间延缓了2倍。因此，尽量减小超疏水翅片的接触角滞后，能够显著提高翅片抑制凝结液滴冻结的能力，从而在整个结霜过程中，延缓霜层的生长。接触角滞后较小的翅片之所以表现出明显的抑制凝结液滴冻结能力，与翅片表面的微观结构有关，下文将对此进行分析。

    翅片的抑霜性能可以从霜层生长高度直观看出。图7为霜层高度随结霜时间的变化。结霜时间持续60min后，5组翅片的霜高分别为1.53、1.35、1.30、1.10和1.02mm，霜高随着接触角滞后的减小而降低，这其中5#超疏水翅片的霜高比1#超疏水翅片减少了50%。5组翅片的接触角虽然相近，但由于其接触角滞后相差较大，所表现的抑霜能力也不相同。因此，在具有较大接触角的前提下，尽可能减小超疏水翅片的接触角滞后，可有效提高翅片的抑霜性能。

    接触角滞后较小的翅片表现出更出色的抑制凝结液滴冻结和霜层生长的能力，与翅片表面的微观结构密切相关。如前文所述，接触角滞后表征翅片表面的黏附性能。实际上，翅片表面的黏附性能在本质上受到表面微观结构的影响。研究人员建立了描述液体润湿固体表面微观结构的状态模型——Wenzel和Cassie模型^[14] 。假设翅片表面的微观结构为排列整齐的锯齿状，如图8所示。在Wenzel模型中，液滴完全渗透进入微观结构内，液滴与翅片表面的实际接触面积大于表观接触面积；Cassie模型中，液滴被微观结构托起，液滴与翅片表面的接触面积由两部分组成：一部分是液滴与翅片表面微观结构的接触面积，另一部分是与截留空气的接触面积，因而液滴与翅片的实际接触面积小于表观接触面积。实际情况中，液滴有可能部分润湿微观结构，从而处于Wenzel和Cassie模型的中间状态。液滴润湿翅片表面微观结构的状态影响翅片对液滴的黏附性能。将固体表面慢慢倾斜，液滴在自身重力作用下有离开表面的趋势，但固体表面产生的黏附力将阻碍液滴离开。当液滴呈Cassie状时，液滴很容易从表面脱离；而当液滴呈Wenzel状时，表面微观结构对液滴的黏附将使脱离过程变得困难。因此，接触角滞后不仅表征翅片表面对液滴的黏附性能，也反映出液滴在翅片表面润湿微观结构的状态。

    对于接触角滞后较大的1#翅片，凝结液滴与翅片表面呈Wenzel状，而对于接触角滞后较小的5#翅片，则呈Cassie状。一方面，相比于1#翅片，5#翅片与凝结液滴的实际导热面积更小，导致凝结液滴的冻结速率会更加缓慢。另一方面，呈Cassie状的凝结液滴部分与微观结构接触，部分则与微观结构间隙之间的空气接触，由于空气导热系数小，故空气的存在较大程度地削弱了翅片与液滴间的导热。凝结液滴冻结后，水蒸气在其表面凝华生长，同样使得5#翅片与霜层之间的导热较其他翅片更弱，从而延缓了结霜速率。综上所述，5#超疏水翅片利用自身表面结构，削弱了与凝结液滴的导热，从而抑制了液滴冻结及后续的霜层生长。因此，构造超疏水翅片表面的微观结构，使凝结液滴在翅片表面呈Cassie状，对抑制结霜具有重要意义。

4 结论

    通过制备具有相同接触角、不同接触角滞后的超疏水翅片，研究了接触角滞后对超疏水翅片抑霜性能的影响，得到如下结论：

    1）结霜初始阶段，受接触角滞后差异的影响，超疏水翅片表面凝结液滴的自跳跃行为特征、尺寸、分布密度及冻结时间均存在明显不同。减小超疏水翅片的接触角滞后，可降低凝结液滴的分布并有效延缓液滴冻结。

    2）超疏水翅片的抑霜性能随着接触角滞后的减小而提高，对于接触角相近，接触角滞后分别为49.1°和5.7°的超疏水翅片，接触角滞后最小的翅片其霜高比接触角最大的翅片减少了50%。因此，在具有较大接触角的前提下，尽可能减小超疏水翅片的接触角滞后，可有效提高抑霜性能。

    3）具有较小接触角滞后的超疏水翅片，利用自身表面微结构，削弱与凝结液滴的导热，从而抑制了液滴冻结及后续的霜层生长。因此，构造翅片表面的微结构，使凝结液滴在翅片表面呈Cassie状，对抑制结霜具有重要意义。

参 考 文 献

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    备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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