【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:Inthispaper,thesuperhydrophobicfinswiththesamecontactangleanddifferentcontactanglehysteresiswereprepared,and,size,distributionandfreezingtimeofthecondensatedropletsonthefinsurfacesaredifferent,andtheanti-frostin,asfaraspossibletoreducethecontactanglehysteresisofsuperhydrophobicfin,:AirsourceheatpumpSuperhydrophobicfinAnti-frostingperformanceContactanglehysteresisContactangle
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θ90°，表面为亲水表面；当90°θ150°，表面为疏水表面；当θ150°，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、3和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Ek0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翅片，1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翅片表面凝结液滴全部冻结的时间约为540s，而5翅片的平均直径最大，2翅片的平均直径较为接近，而5翅片的覆盖率最小，而1翅片，5超疏水翅片的霜高比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，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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