超低温表面上结霜现象的实验研究

发布时间：2017-07-29 13:21

  本文关键词：超低温表面上结霜现象的实验研究

  更多相关文章： 结霜 超低温表面 自然对流 液态空气 不均匀性 超疏水

【摘要】：结霜现象广泛存在于低温工程、冰箱、空调系统和航天工业等领域。在过去的几十年里,人们对结霜现象和结霜机理的研究多停留在普通低温阶段(≥-30℃),而对超低温表面(≤-100℃)的结霜研究却少之又少。为此,本文利用自主设计的超低温结霜实验台,进行了一系列超低温表面结霜现象的实验研究。着重对自然对流条件下冷板水平和竖直放置时超低温表面的结霜现象,尤其是结霜前期的实验现象和结霜机理进行了系统的研究。另外,大量的研究表明,霜层在低温设备上的大量堆积,往往会给系统和设备的运行带来巨大的危害,因而人们开发出了很多抑霜控霜的技术,例如通过表面改性制成的亲水或者疏水表面,并应用到各类换热器表面,都取得了不错的抑霜效果。然而这些抑霜效果的取得都是在普通低温表面上完成的,而对于超低温情况下的抑霜效果,并没有进行实验研究。本文的另外一项工作,就是通过化学刻蚀的方法,制备不锈钢基的超疏水表面,并进行超低温超疏水表面的结霜实验,通过对超低温超疏水表面结霜性能的研究,进而探索超疏水表面在超低温情况下的抑霜可能性。通过大量的超低温结霜实验,我们发现,在冷板水平放置时,当冷表面的温度低于-165℃时,最先在冷表面形成的是液态空气,然后才是霜晶,而且这种液态空气属于富氧空气,用带火星的纸条接近它,纸条会迅速燃烧起来。这是结霜领域首次发现这一现象。通过进一步观察,发现在液态空气上形成的霜晶不是静止的,相对于液态空气而言,它们会相对彼此游动。另外,对冷表面温度、空气相对湿度和空气温度对霜层生长的影响规律做了大量的研究,发现随着冷表面温度的降低,霜层厚度也随之降低,这与普通低温下,冷表面温度对霜层厚度的影响作用完全相反,而随着相对空气湿度和空气温度的增加,霜层厚度会随之增加,这与普通低温下,两者对霜层厚度的影响作用是一致的。同样,我们对冷板竖直放置下的超低温结霜现象进行了研究,发现在冷板竖直放置时,当冷表面温度低于-165℃时,冷表面上也会出现液态空气,但与水平放置时相比,由于重力的影响,液态空气会很快滚落冷表面,液态空气在冷表面的持续时间只有几分钟左右。当液态空气消失以后,冷表面开始长霜,但在自然对流条件下,超低温表面的霜层生长表现出了强烈的不均匀性,霜层会首先在冷表面的上边缘形成,然后逐渐向下推进生长,而且在霜层向下生长的过程中,未被霜层占据的裸露部分会保持不结霜。霜层的这种不均匀性生长现象完全不同于普通低温时冷表面的结霜现象,与水平放置时的超低温表面结霜现象也不相同。最后我们进行了自然对流超低温超疏水表面的结霜实验,发现在超低温情况下,在整个结霜过程,超疏水侧的霜层厚度和霜晶形态与普通不锈钢侧基本上是一样的,也就是说超疏水表面在自然对流超低温情况下基本没有抑制结霜的性能。所以未来我们需要从其它技术入手,探索新的超低温情况下的抑霜技术。
【关键词】：结霜 超低温表面 自然对流 液态空气 不均匀性 超疏水
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB6;TK124
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11-13
• 1.2 结霜现象的研究现状13-17
• 1.2.1 成霜过程和结霜机理的研究13-16
• 1.2.2 霜层结构的物理模型和霜层生长的数学模型的研究16-17
• 1.3 冷表面特性对结霜现象影响的实验研究17-18
• 1.4 结霜研究存在的问题及本文的研究内容18-21
• 1.4.1 结霜研究存在的问题18-19
• 1.4.2 本文的研究内容19-21
• 第2章 水平放置超低温表面上自然对流结霜现象的实验研究21-51
• 2.1 引言21
• 2.2 超低温结霜实验台的搭建21-25
• 2.3 实验方法和过程25
• 2.4 冷表面温度的变化情况25-27
• 2.5 水平放置超低温表面的结霜现象27-34
• 2.6 水平放置主要因素对超低温表面霜层生长的影响34-48
• 2.6.1 冷表面温度对霜层生长的影响34-44
• 2.6.2 相对空气湿度对霜层生长的影响44-46
• 2.6.3 空气温度对霜层生长的影响46-48
• 2.7 本章小结48-51
• 第3章 竖直放置超低温表面上自然对流结霜现象的实验研究51-87
• 3.1 引言51
• 3.2 实验方法和过程51-52
• 3.3 冷表面温度的变化情况52-53
• 3.4 竖直放置时超低温表面的结霜现象53-59
• 3.5 竖直放置时主要因素对超低温表面霜层生长的影响59-76
• 3.5.1 冷表面温度对霜层生长的影响59-73
• 3.5.2 相对空气湿度对霜层生长的影响73-74
• 3.5.3 空气温度对霜层厚度的影响74-76
• 3.6 竖直放置时主要因素对霜层沿冷板竖直方向生长的影响76-83
• 3.6.1 冷表面温度对霜层沿冷板竖直方向生长的影响77-79
• 3.6.2 相对空气湿度对霜层沿冷板竖直方向生长的影响79-81
• 3.6.3 空气温度对霜层沿冷板竖直方向生长的影响81-83
• 3.7 霜层不均匀性生长出现的临界温度83-85
• 3.8 本章小结85-87
• 第4章 自然对流超低温超疏水表面上的结霜实验研究87-97
• 4.1 引言87
• 4.2 超疏水表面的制备87-90
• 4.2.1 制备过程87-88
• 4.2.2 制备效果88-90
• 4.3 自然对流条件下超疏水表面与普通不锈钢表面结霜过程的对比90-96
• 4.3.1 实验过程90-91
• 4.3.2 实验现象和结果91-96
• 4.4 本章小结96-97
• 结论与展望97-99
• 参考文献99-103
• 攻读学位期间发表的学术论文103-104
• 致谢104

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本文编号：589403