汪峰¹   梁彩華²   張小松²   楊衛波¹   
1揚州大學水利與能源動力工程學院
2 東南大學能源與環境學院

    【摘  要】超疏水翅片表面的接觸角滯后對其結霜過程及特性存在重要影響，僅從表面接觸角的角度無法正確評判超疏水翅片的抑霜性能。本文通過制備具有相同接觸角、不同接觸角滯后的超疏水翅片，可視化觀測獲取超疏水翅片的結霜過程及微觀行為特征，從而揭示接觸角滯后對超疏水翅片抑霜性能的影響。實驗結果表明，結霜初期，不同接觸角滯后的超疏水翅片表面凝結液滴的行為特征、尺寸、分布及凍結時間均存在明顯差異，且抑霜效果隨著接觸角滯后的減小而增強。因此，通過減小超疏水翅片的接觸角滯后，可以提高其抑霜性能。

    【關鍵詞】空氣源熱泵  超疏水翅片  抑霜  接觸角滯后  接觸角

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

    空氣源熱泵因具有兼顧制冷與制熱、節能環保、安裝靈活等優點，被廣泛用作建筑空調冷熱源，并在我國北方的“煤改清潔能源”過程中得到積極推廣^[1-2] 。但是，空氣源熱泵冬季制熱運行存在室外翅片管蒸發器結霜問題，由于霜層的生長，蒸發器與空氣間的傳熱熱阻增大，空氣流量減小，導致熱泵機組工作狀況惡化，制熱效率降低，嚴重影響機組的制熱性能與運行穩定^[3-4] 。因此，探索有效的抑霜方法，對保障空氣源熱泵冬季高效、穩定運行具有重要意義。

    近年來，受荷葉效應等自然現象啟發，許多學者開展了超疏水材料的制備與應用研究。將水滴滴于固體表面，兩者形成的夾角θ稱為表面接觸角。當θ < 90°，表面為親水表面；當90° < θ < 150°，表面為疏水表面；當θ > 150°，表面為超疏水表面^[5] 。由于超疏水制備技術的迅速發展，超疏水翅片被應用于抑霜研究。Kim等^[6]在可視化觀測中發現，與普通翅片相比，結霜初期超疏水翅片的凝結液滴分布稀疏，尺寸較小且接近球形。徐文驥等^[7]實驗表明，超疏水翅片可延遲結霜初期凝結液滴的凍結速率。Huang等^[8]通過實驗指出，接觸角越大的表面，凝結液滴凍結越晚。Liu等^[9]制備了接觸角為162°的超疏水表面，在冷面溫度為−10℃的條件下對其進行了抑霜性能測試。結果表明，結霜120min后，超疏水表面的霜層高度僅為普通表面的50.0%。周艷艷等^[10]比較了超疏水表面和普通表面的結霜過程，在實驗工況下，超疏水表面的結霜量僅為普通表面的58.3%。超疏水翅片不僅抑制結霜，更能強化除霜。研究表明^[11,12] ，霜層部分融化后可從超疏水翅片表面剝落，從而縮短除霜時間，減少除霜耗熱量。

    目前，對超疏水翅片的抑霜研究主要基于表征翅片表面被潤濕性能的接觸角，即通過比較具有不同接觸角的翅片表面的結霜過程，獲得接觸角對抑霜性能的影響規律，但表征固體表面特性的另一個重要參數——接觸角滯后則未被充分考慮。接觸角滯后是固體表面黏附性的表征參數，接觸角滯后越大，黏附性越強。對于接觸角相同的超疏水表面，其接觸角滯后可以相差很大^[13] ，僅通過接觸角來評價超疏水翅片的抑霜性能不夠全面。本文通過制備具有相同接觸角、不同接觸角滯后的超疏水翅片，可視化觀測獲取超疏水翅片的結霜過程，揭示接觸角滯后對超疏水翅片抑霜性能的影響，為高效抑霜/型超疏水翅片表面結構設計提供更準確的指導。

2 實驗裝置

    超疏水翅片結霜可視化平臺如圖1所示，實驗平臺包括冷臺和圖像采集裝置。冷臺用于調節翅片表面溫度，使翅片在設定溫度下結霜。冷臺采用半導體方式制冷，溫度可通過溫控儀進行調節和控制，調節范圍為−20～150℃。為使冷臺熱端的熱量及時散去，采用低溫恒溫槽制取冷卻水對其進行冷卻。實驗中，將冷臺豎直放置。圖像采集裝置實現對結霜過程的圖像實時采集，包括CCD視頻攝像頭、體式顯微儀等。利用CCD視頻攝像頭和體式顯微儀分別記錄翅片結霜側面和正面圖像。實驗環境溫度為20℃，相對濕度為80%，翅片表面結霜溫度為−10℃，結霜測試時間為60min。

    利用OCA20型視頻光學接觸角測量儀對超疏水翅片表面的接觸角和接觸角滯后進行測量，如圖2(a)所示。接觸角的測量步驟如下：首先，將翅片固定在水平放置的載臺表面，調節顯微儀焦距使其聚焦于注射針針頭并獲得清晰的可視化圖像，同時通過測量儀上的精調旋鈕將針頭移至鏡頭中間；然后，注射體積為3μL的去離子水于翅片表面，調節顯微儀鏡頭對水滴的放大倍率直到水滴占圖像面積的2/3左右；最后，利用測量儀自動檢測基線與水滴外形輪廓線，通過軟件計算出接觸角。接觸角滯后的測量通過將水平載臺慢慢傾斜，直到水滴從翅片表面脫落，這期間測量儀全程自動記錄水滴的前進角θa與后退角θr變化，取水滴離開翅片瞬間的前進角和后退角之差，即為接觸角滯后△θ。

    超疏水翅片的制備方法如下：先在鋁箔基底上噴涂FEVE氟碳樹脂，樹脂半固化后再噴涂SiO₂超疏水面漆。根據前期探索發現，通過砂紙打磨不同周期后，超疏水翅片表面的接觸角變化不大，但接觸角滯后有所提高。通過該方法制備了5組超疏水翅片，其接觸角相差不大，但接觸角滯后各不相同。對5組超疏水翅片進行編號為1#、2#、3#、4#和5#，對應的接觸角大小分別為161.5°、160.3°、159.4°、161.1°和161.9°，對應的接觸角滯后分別為49.1°、37.8°、24.4°、13.9和5.7°。

3 實驗結果與分析

    實驗中通過可視化觀測發現，在結霜初始階段，5組超疏水翅片均經歷了水蒸氣凝結與凝結液滴凍結，如圖3所示。結霜初始階段，濕空氣中水蒸氣在翅片表面凝結成液核，液核不斷長大、合并形成宏觀的凝結液滴，隨著液滴溫度不斷下降，液滴逐漸凍結。5組翅片表面凝結液滴的形成和凍結過程是基本一致的。但受接觸角滯后的影響，不同翅片表面凝結液滴的行為特征、尺寸、分布密度及凍結時間均存在明顯差異。第一，接觸角滯后最小的5#翅片表面頻繁出現凝結液滴合并、跳躍脫落現象，而其他4組翅片均未觀察到類似現象，這是5#翅片在結霜初始階段最顯著的行為特征。對比5#翅片在880s和885s時的圖片可以看出，數個直徑在50～200µm范圍內的合并液滴都出現了跳躍現象離開了翅片表面，從而減少了大粒徑液滴的數量以及降低了凝結液滴對翅片的表面覆蓋率。其他4組翅片雖然都出現了液滴合并現象，但合并后的液滴仍滯留在翅片表面。凝結液滴合并后之所以會出現跳躍現象，是由合并前后表面自由能的變化導致的。眾多合并前的小液滴與翅片表面形成的體系表面自由能為Es1，合并后形成的大液滴與翅片表面的體系表面自由能為Es2，Es1和 Es2之差即為體系釋放出的能量?Es，這部分能量需克服翅片表面對液滴的黏附功Ef才能轉化為液滴的動能Ek，若克服黏附功后能量仍有剩余，即Ek > 0時，合并后的液滴將出現自跳躍脫離翅片。由于接觸角滯后越大，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，凝結液滴的尺寸與分布密度不同。由于5#翅片表面的凝結液滴合并后會自跳躍脫離表面，這使得大粒徑液滴的數量以及凝結液滴對翅片的表面覆蓋率均減小。對比1#和5#翅片，1#翅片表面直徑在50～100µm范圍內的液滴較多，而5#翅片表面的液滴直徑大多數在50µm以下。同時可以明顯看出，凝結液滴在5#翅片的表面覆蓋率要小于其他翅片。第三，凝結液滴的凍結時間不同。隨著接觸角滯后的減小，凝結液滴的凍結時間越晚。1#翅片表面凝結液滴全部凍結的時間約為540s，而5#翅片直到1320s時其表面凝結液滴尚未完全凍結。綜述所述，減小翅片表面的接觸角滯后，可降低結霜初始階段凝結液滴的分布并有效延緩凝結液滴凍結。

    圖4為凝結液滴凍結前的平均直徑。平均直徑即為翅片表面所有凝結液滴直徑總和除以液滴數量。5組翅片在凝結液滴凍結前的平均直徑分別為83.5、79.3、78.3、76.7和35.2µm。1#翅片的平均直徑最大，2#～4#翅片的平均直徑較為接近，而5#翅片的平均直徑最小，僅為其他4組翅片的一半。這主要得益于大粒徑凝結液滴通過自跳躍從翅片表面離開，降低了液滴的平均直徑。定義凝結液滴對翅片表面的覆蓋率為液滴在翅片表面所占面積與翅片表面面積之比。圖5所示為凝結液滴凍結前對翅片表面的覆蓋率。不同翅片的凝結液滴在直徑和數量上的差異，直接導致液滴對翅片表面的覆蓋率不同。通過對凝結液滴進行統計后計算得到5組翅片在凝結液滴凍結前的覆蓋率分別為55.7%、46.6%、45.3%、46.6%和24.2%，這其中5#翅片的覆蓋率最小，而1#翅片的覆蓋率最大。從以上分析可以看出，凝結液滴凍結前的平均直徑和翅片表面覆蓋率大體隨著接觸角滯后的減小而減小，將超疏水翅片的接觸角滯后控制在10°以內，可顯著降低凝結液滴凍結前的平均直徑和翅片表面覆蓋率。由于凝結液滴凍結后，霜晶將在凍結液滴表面形成，因此降低凝結液滴凍結前的平均直徑和翅片表面覆蓋率，也在一定程度上減小了后續結霜的霜層高度。

    圖6為凝結液滴的凍結時間，分別取翅片表面50%的凝結液滴被凍結和全部被凍結的時間進行對比。5組翅片凝結液滴被凍結一半的時間分別約為500、560、565、800和1320s，而全部被凍結的時間分別約為600、640、720、1080和1800s。可見，凝結液滴的凍結時間隨著接觸角滯后的減小而減小，相比于接觸角滯后較大的1#翅片，5#翅片的液滴凍結時間延緩了2倍。因此，盡量減小超疏水翅片的接觸角滯后，能夠顯著提高翅片抑制凝結液滴凍結的能力，從而在整個結霜過程中，延緩霜層的生長。接觸角滯后較小的翅片之所以表現出明顯的抑制凝結液滴凍結能力，與翅片表面的微觀結構有關，下文將對此進行分析。

    翅片的抑霜性能可以從霜層生長高度直觀看出。圖7為霜層高度隨結霜時間的變化。結霜時間持續60min后，5組翅片的霜高分別為1.53、1.35、1.30、1.10和1.02mm，霜高隨著接觸角滯后的減小而降低，這其中5#超疏水翅片的霜高比1#超疏水翅片減少了50%。5組翅片的接觸角雖然相近，但由于其接觸角滯后相差較大，所表現的抑霜能力也不相同。因此，在具有較大接觸角的前提下，盡可能減小超疏水翅片的接觸角滯后，可有效提高翅片的抑霜性能。

    接觸角滯后較小的翅片表現出更出色的抑制凝結液滴凍結和霜層生長的能力，與翅片表面的微觀結構密切相關。如前文所述，接觸角滯后表征翅片表面的黏附性能。實際上，翅片表面的黏附性能在本質上受到表面微觀結構的影響。研究人員建立了描述液體潤濕固體表面微觀結構的狀態模型——Wenzel和Cassie模型^[14] 。假設翅片表面的微觀結構為排列整齊的鋸齒狀，如圖8所示。在Wenzel模型中，液滴完全滲透進入微觀結構內，液滴與翅片表面的實際接觸面積大于表觀接觸面積；Cassie模型中，液滴被微觀結構托起，液滴與翅片表面的接觸面積由兩部分組成：一部分是液滴與翅片表面微觀結構的接觸面積，另一部分是與截留空氣的接觸面積，因而液滴與翅片的實際接觸面積小于表觀接觸面積。實際情況中，液滴有可能部分潤濕微觀結構，從而處于Wenzel和Cassie模型的中間狀態。液滴潤濕翅片表面微觀結構的狀態影響翅片對液滴的黏附性能。將固體表面慢慢傾斜，液滴在自身重力作用下有離開表面的趨勢，但固體表面產生的黏附力將阻礙液滴離開。當液滴呈Cassie狀時，液滴很容易從表面脫離；而當液滴呈Wenzel狀時，表面微觀結構對液滴的黏附將使脫離過程變得困難。因此，接觸角滯后不僅表征翅片表面對液滴的黏附性能，也反映出液滴在翅片表面潤濕微觀結構的狀態。

    對于接觸角滯后較大的1#翅片，凝結液滴與翅片表面呈Wenzel狀，而對于接觸角滯后較小的5#翅片，則呈Cassie狀。一方面，相比于1#翅片，5#翅片與凝結液滴的實際導熱面積更小，導致凝結液滴的凍結速率會更加緩慢。另一方面，呈Cassie狀的凝結液滴部分與微觀結構接觸，部分則與微觀結構間隙之間的空氣接觸，由于空氣導熱系數小，故空氣的存在較大程度地削弱了翅片與液滴間的導熱。凝結液滴凍結后，水蒸氣在其表面凝華生長，同樣使得5#翅片與霜層之間的導熱較其他翅片更弱，從而延緩了結霜速率。綜上所述，5#超疏水翅片利用自身表面結構，削弱了與凝結液滴的導熱，從而抑制了液滴凍結及后續的霜層生長。因此，構造超疏水翅片表面的微觀結構，使凝結液滴在翅片表面呈Cassie狀，對抑制結霜具有重要意義。

4 結論

    通過制備具有相同接觸角、不同接觸角滯后的超疏水翅片，研究了接觸角滯后對超疏水翅片抑霜性能的影響，得到如下結論：

    1）結霜初始階段，受接觸角滯后差異的影響，超疏水翅片表面凝結液滴的自跳躍行為特征、尺寸、分布密度及凍結時間均存在明顯不同。減小超疏水翅片的接觸角滯后，可降低凝結液滴的分布并有效延緩液滴凍結。

    2）超疏水翅片的抑霜性能隨著接觸角滯后的減小而提高，對于接觸角相近，接觸角滯后分別為49.1°和5.7°的超疏水翅片，接觸角滯后最小的翅片其霜高比接觸角最大的翅片減少了50%。因此，在具有較大接觸角的前提下，盡可能減小超疏水翅片的接觸角滯后，可有效提高抑霜性能。

    3）具有較小接觸角滯后的超疏水翅片，利用自身表面微結構，削弱與凝結液滴的導熱，從而抑制了液滴凍結及后續的霜層生長。因此，構造翅片表面的微結構，使凝結液滴在翅片表面呈Cassie狀，對抑制結霜具有重要意義。

參 考 文 獻

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    備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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