引用本文
金敬福, 韩丽曼, 曹敏, 李杨, 齐迎春, 丛茜. 水滴结冰相变体积膨胀规律. 2016, 46(5): 1546-1551
JIN Jing-fu, HAN Li-man, CAO Min, LI Yang, QI Ying-chun, CONG Qian. Volume expansion rule of water droplets during freezing process. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2016, 46(5): 1546-1551  
Permissions
Copyright©2016, 吉林大学学报编辑部
版权所有.吉林大学学报编辑部
水滴结冰相变体积膨胀规律
金敬福1, 韩丽曼1, 曹敏2, 李杨1, 齐迎春1, 丛茜1,3
1.吉林大学 生物与农业工程学院,长春130022
2.吉林大学 学报编辑部,长春130022
3.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130022
通信作者:丛茜(1963-,女,教授,博士生导师.研究方向:工程仿生学.E-mail:congqian@jlu.edu.cn

作者简介:金敬福(1978-,男,副教授,博士.研究方向:机械表面效应及表面技术.E-mail:jinjingfu@jlu.edu.cn

基金:吉林省教育厅“十二五”科学研究项目(2015-473,2015-471); 吉林大学研究生创新基金项目(2016167)
摘要

利用自制的半导体制冷显微试验观察装置,对冷表面水滴结冰过程中的相变发生点、相变瞬间时长和相应的水滴体积变化规律进行了定量测定,并着重对水滴结冰相变过程中的直径变化系数、高度变化系数和体积膨胀系数进行统计分析。试验结果表明,冷表面水滴结冰过程中相变自下而上完成;结冰过程中水滴超过1.09的体积膨胀集中发生在相变瞬间;相对于液体进入过冷状态的时间,相变瞬间短暂而迅速。研究结论在解释结冰过程中的短时间内大体积膨胀系数及变形带来的冻胀危害根源的同时,提出利用水结冰过程中自发的相变膨胀释能来降低部件表面结冰附着强度,为一种新型除冰/防结冰方法提供了理论和试验依据。

关键词: 工程热力学; 结冰; 相变; 体积膨胀系数
中图分类号:TB131 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2016)05-1546-06
Volume expansion rule of water droplets during freezing process
JIN Jing-fu1, HAN Li-man1, CAO Min2, LI Yang1, QI Ying-chun1, CONG Qian1,3
1.College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China
2.Editorial Department of Journals, Jilin University, Changchun 130022, China
3.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University,Changchun 130022,China
Abstract

The phase transition point, duration and volume change rule of water droplet during freezing process were quantitatively determined using a self-made semiconductor refrigeration device. The diameter variation coefficient, height variation coefficient and the volume expansion coefficient in phase change process are statistically analyzed. Experimental results show that the phase transition of water droplet freezing is from bottom to top. In the freezing process, the volume expansion of more than 1.09 occurs in the instant of phase transition. Compared to the duration as the liquid goes to the cold state, the phase transition is much fast. The results of this study may explain the root of frost heave during freezing process with high volume expansion coefficient and deformation. The results also suggest that the spontaneous phase transition expansion can be used to reduce or resolve the ice adhesion strength on a object surface, thus, providing theoretical and experimental basis for developing new deicing method.

Keyword: engineering thermodynamics; icing; phase transformation; volume expansion coefficient
0 引 言

冷表面水滴结冰现象严重影响人们的日常生活、限制经济和社会发展, 例如制冷系统结冰会降低制冷效率、增加用电量和维护费用, 造成经济损失, 甚至会引起系统瘫痪[1]; 进气系统结冰会限制空气流量、降低性能、引起故障、造成安全事故[2, 3]。现今, 防结冰/除冰方法主要有加热除冰(包括电热除冰、气热除冰、红外线除冰)、人工除冰、机械除冰、化学品除冰/防冰、电脉冲除冰、涂覆疏水涂层防冰、压电制动器除冰等, 但是都存在一些问题, 如除冰效率低、经济性不好、成本高、使用寿命短、存在安全隐患等。Koenig等[4]发现红外除冰的效率低、热响应慢、初始安装成本高; Ryerson[2]和李斌[5]指出化学品除冰存在腐蚀性、毒性、导致水体富营养化等问题; Parent等[6]发现涂层除冰技术使表面疏水, 但涂层寿命有限, 且疏水性随时间而减弱, 应用后表面存在残留污染[7]。人工除冰消耗大量人力和财力且对环境依赖性强。

单纯的水结冰过程研究是解决结冰危害的基础。水结冰过程受多种因素的影响, 主要有温度、湿度、液滴尺寸、基板表面形态。丁金波等[8]通过试验发现, 随着温度的降低单位面积黏附力先快速增大, 随后缓慢增大, 当温度低于-20 ℃后, 单位面积上的黏附力几乎不发生改变。Kuhn等[9]针对尺寸依赖性进行了试验, 分析表明经典的体积形核理论对大液滴有效, 随着液滴半径的减少, 表面形核越来越占主导地位, 水滴半径为5 μ m时, 表面形核和体积形核作用大小是一样的。Mishchenko等[10]发现闭孔结构比开放结构压力稳定, 砖状和蜂窝状结构比针柱状、叶片状压力稳定, 表面压力越稳定越能维持疏水性能。Zou等[11]研究得出, 表面粗糙度可以打破裂纹扩展的连续路径, 从而提高了表面的冰黏附强度。Jung等[12]提出, 表面湿度越大, 黏附力越强。Oberli和Momen等指出[13, 14], 针对超疏水涂层而言, 经多次结冰、除冰循环后或在高湿度条件下其疏水性能降低。Fumoto等[15]对撞击固体表面上过冷液滴的冻结特性进行了研究, 发现撞击到固体表面上的过冷液滴冻结最初发生在液滴表面和固体表面的界面上, 随后沿着液体表面生长出树枝状的结构。王皆腾等[16, 17, 18]一直对水滴的冷却与冻结进行研究, 发现冷表面水滴冻结过程先后经历过冷、再升温、冻结和降温4个阶段, 水滴冻结后期顶部有突出尖端。

冷表面结冰问题不同于以环境为冷源的自然结冰, 本文采用自制的结冰试验观察装置, 以制冷平台为冷源, 观察了冷表面纯净水滴结冰过程, 定量分析了水滴相变瞬间时长和水滴结冰过程中直径变化系数(冻结过程中水滴直径与水滴初始直径的比值)、高度变化系数(冻结过程中水滴高度与水滴初始高度的比值)和体积膨胀系数(冻结过程中水滴体积与水滴初始体积比值), 为基于相变膨胀释能的防结冰方法提供了试验依据, 完善和发展了除冰、防结冰领域的研究思路, 为开发高效、无污染、寿命长、可持续循环、节约能源和资源的除冰方法提供了基础。

1 试验方案

为了定量分析水结冰规律、结冰相变瞬间时长、结冰过程直径变化系数、高度变化系数、体积膨胀系数及水滴结冰内部温度的变化, 利用自制的冷台显微试验观察装置, 采用冷表面及水滴同时降温的方法, 对纯净水滴的结冰相变过程进行了观察和分析, 水滴结冰过程体积的变化采用轮廓拟合方法计算, 通过试验数据总结水滴结冰形态变化特性、直径变化系数、高度变化系数、体积膨胀系数、相变瞬间时长特性。

1.1 试验装置

图1为自制的用于测量水滴结冰相变过程变化规律特性的制冷显微试验观察台示意图和实物照片。观察装置具体结构参见文献[19]中结冰过程显微观察试验装置, 该装置主要由制冷系统、高速摄像系统、温度测量系统组成。以直径为6 mm的薄铝片材料为试验对象, 将其安装到半导体制冷片上, 通过改变半导体制冷片的电压来控制制冷片的最终温度。利用显微镜观察结冰过程现象, 同时采用多通道温度记录仪和CCD摄像记录基板温度、环境温度、水滴温度的变化数据。着重观察相变发生时水滴形态变化、相变瞬间时长及同步的水滴温度变化。装置采用水浴循环对半导体制冷片热端进行散热, 半导体制冷片电压和制冷温度存在对应关系, 以环境温度-20 ℃为基础, 标定目标温度和电压的关系, 进而进行后续试验。

图1 制冷显微试验观察台示意图和实物照片Fig.1 Schematic diagram of the observation device for refrigeration and a photo

1.2 试验参数

(1)试验环境温度为-21.5 ℃, 冷台目标温度分别设定为-10~-11 ℃、-11~-12 ℃、-12~-13 ℃、-13~-14 ℃、-14~-15 ℃。

(2)试验所采用的水滴量分别为8、9、10、11、12 μ L。

1.3 试验方法

将10 μ L水滴滴定在与环境温度相同的-21.5 ℃冷表面上, 随后开始制冷, 目标温度为-12~-13 ℃。观察记录水滴结冰过程中形态及温度随时间的变化情况。以目标温度-10~-11 ℃、-11~-12 ℃、-12~-13 ℃、-13~-14 ℃、-14~-15 ℃分别进行10 μ L水滴的结冰试验, 每个目标温度下进行5次试验, 用取平均值的方法得到各个目标温度下水滴相变瞬间平均时长。以目标温度-12~-13 ℃进行8、9、10、11、12 μ L的纯净水滴的结冰试验, 每个水滴尺寸下进行5次试验, 得到水滴相变瞬间时长, 然后用均值法得到不同水滴尺寸下的水滴相变瞬间平均时长。

在CCD摄像机记录的目标温度为-11~-12 ℃的10 μ L水滴的相变视频中提取水滴相变过程的不同形态图片, 用CATIA软件进行处理。将图片导入Sketch Tracer模块, 确定待建模型的坐标系。在草图界面中对图片中的水滴外形轮廓进行描点, 测量图片水滴与基板接触面的半径、水滴的高度及长度尺寸, 数据保留到小数点后六位。然后通过旋转近似计算图片所示水滴体积, 体积尺寸数据保留到小数点后六位, 再进行归一化处理, 得到水滴结冰相变过程的直径变化系数、高度变化系数和体积膨胀系数。

2 试验结果及分析
2.1 水滴结冰过程中温度的变化规律

图2是环境温度为21.5 ℃、目标温度为-12 ℃时10 μ L水滴结冰过程中温度随时间的变化情况。水滴温度经历了快速降温T1阶段, 平稳过冷T2阶段, 相变T3阶段, 以及持续稳定阶段。由于水滴相变放热, 水滴温度在T3阶段会出现骤然升高现象, 持续短暂时间后很快又下降到与基板同一温度。除此阶段外, 水滴温度与基板温度基本同步变化, 从温度记录仪上的数据得到T1、T2、T3阶段的时长依次为458、483、10 s, 其比值大致为46:48:1, 相对于快速降温、平稳过冷、持续稳定阶段, 水滴结冰相变时间短暂且迅速。

图2 目标温度为-12~-13 ℃时10 μ L水滴结冰过程温度随时间的变化图Fig.2 Temperature variation chart of 10 μ L water droplet freezing process during -12~-13 ℃ target temperature

针对不同基板目标温度对水滴相变过程特性的影响进行了试验, 根据试验结果, 在环境温度21.5 ℃下, 目标温度分别为-10~-11 ℃、-11~-12 ℃、-12~-13 ℃、-13~-14 ℃、-14~-15 ℃时10 μ L水滴结冰过程中的温度对比如图3所示, 并未发现相变时间先后与目标温度的关系, 但水滴结冰过程都存在相变迅速的特点, 相变瞬间平均时长依次为14.8、13.2、13.8、12.6、13.2 s。目标温度为-11.5 ℃, 体积为8、9、10、11、12 μ L的水滴结冰过程中温度随时间的变化如图4所示。其中, 相变瞬间平均时长依次为12.8、13.6、13.8、14.4、15.2 s。由分析可知, 不同的目标温度或水滴尺寸下, 水滴发生相变瞬间时长都很短暂, 目标温度对水滴相变瞬间时长影响不显著, 而水滴尺寸越大, 水滴相变瞬间时长相对越大一些, 但是均为10~20 s左右, 水滴结冰相变存在普遍的时间短暂性。

图3 目标温度分别为-10~-11 ℃、-11~-12 ℃、-12~-13 ℃、-13~-14 ℃、-14~-15 ℃时 10 μ L水滴结冰过程内部温度对比图Fig.3 Temperature variation chart of 10 μ L water droplet freezing process during-10~-11 ℃, -11~-12 ℃, -12~-13 ℃, -13~-14 ℃, -14~-15 ℃ target temperature

图4 目标温度为-11.5 ℃, 体积分别为8、9、10、11、12 μ L的水滴结冰过程中内部温度随时间的变化Fig.4 Temperature variation chart of 8, 9, 10, 11, 12 μ L ater droplet freezing process during-11.5 ℃target temperature

2.2 纯净水滴在相变过程中的体积变化规律

结合图2及录像视频发现, 水滴内部温度突然增高阶段恰为水滴发生相变阶段, 对于水滴进入过冷状态的时间, 相变瞬间时长短暂而快速。图5为对应图2(目标温度-12 ℃、10 μ L水滴结冰过程)的形态变化图。水滴形态先后经历浑浊、冰界面的形成、冰界面的上移和最终液滴顶部的突起。初始未冻结水滴见图5(a); 随后冻结过程水滴处于过冷状态先变浑浊, 见图5(b); 然后结冰界面从底部开始, 逐渐上移, 见图5(c)~(f); 随后结冰水滴上部逐渐突起, 见图5(g)~(h); 最后冻结后水滴的上部出现了明显的尖端, 变形不再继续, 冻结完成, 如图5(i)所示。水滴过冷开始结冰会产生冰晶, 冰晶导致了水滴内部的浑浊, 此外, 在降温过程中, 水滴与基板接触界面的温度是最低的, 故冰界面先出现在水滴与基板接触面上, 随着温度下降, 水滴上部温度达到结冰温度后也逐渐结冰, 出现冰界面上移现象, 最后, 当冰界面逐渐上移, 达到水滴顶部时, 此时其余部位已形成了冰结构, 四周形成冰壳, 不易变形, 相变膨胀体积加大后, 水滴只能从最上部变形。

图5 目标温度为-12 ℃、体积为10 μ L的水滴结冰过程形态变化图Fig.5 Morphological change chart of 10 μ L water droplet freezing process during-12 ℃ target temperature

2.3 液滴相变体积随时间变化特性

本文对水滴相变变形量进行定量分析, 图6为CATIA软件的水滴描点测量图, 通过轮廓拟合方法测量水滴按比例缩放后尺寸数据。经过计算分析得到图5中目标温度为-12 ℃时10 μ L水滴在冻结相变过程中的体积膨胀系数、高度变化系数、直径变化系数和水滴内部温度随时间的变化, 如图7所示。从图7中可见, 水滴结冰相变过程中直径变化系数只略有增加, 原因是水滴自重克服了表面张力导致; 而高度变化系数和体积膨胀系数在水滴相变过程中都先缓慢略有降低, 然后快速增大; 图7中水滴相变体积膨胀系数最高可达到1.099 364, 高度变化系数最高可达到1.100 858, 从数据的角度说明了结冰相变发生膨胀, 体积变化明显; 同时发现, 超过1.09的体积膨胀集中发生在相变瞬间, 相变瞬间的体积膨胀短暂而强烈。

图6 CATIA软件的水滴描点测量图Fig.6 Water dropplet contour tracing point in CATIA software

图7 水滴结冰相变过程的体积膨胀系数、高度变化系数、直径变化系数和水滴内部温度随时间的变化Fig.7 Variation chart of volume expansion coefficient, height variation coefficient, diameter variation coefficient and temperature variation of the water droplet during freezing process

水结冰过程的体积膨胀大部分都发生在相变时期, 水滴结冰持续时间短暂, 变形强烈, 也解释了水结冰导致的路面隆起、暖气管炸裂等危害的根源。

3 结 论

(1)水滴结冰相变过程中温度经历快速降温阶段, 平稳过冷阶段, 相变阶段(骤然升高、持续短暂、快速下降)和持续稳定阶段。水滴结冰相变时形态会发生变化, 依次经历整体浑浊、冰界面形成、冰界面上移、顶部出现尖状突起的过程。

(2)水滴结冰相变相对于整个降温过程而言存在普遍的时间短暂性。水滴相变产生膨胀, 变形主要发生在高度方向, 其直径方向几乎不变化, 相变后体积膨胀显著; 体积膨胀主要发生在相变阶段, 至少90%的水滴体积膨胀发生在相变阶段。

(3)目标温度对水滴相变瞬间时长影响不显著, 而水滴尺寸越大, 水滴相变瞬间时长相对越大。

(4)小液滴结冰先从过冷度大的部分(靠近冷表面)开始, 其表面形核占主导地位。

(5)可以考虑应用相变膨胀释能来降低冰黏附强度, 据此设计一种新型除冰方法。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Wu X M, Webb R L. Investigation of the possibility of frost release from a cold surface[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2001, 24(3): 151-156. [本文引用:1]
[2] Ryerson C C. Ice protection of offshore platforms[J]. Cold Regions Science and Technology, 2011, 65(1): 97-110. [本文引用:2]
[3] Lee S, Bragg M B. Investigation of factors affecting iced-airfoil aerodynamics[J]. Journal of Aircraft, 2003, 40(3): 499-508. [本文引用:1]
[4] Koenig G G, Ryerson C C. An investigation of infrared deicing through experimentation[J]. Cold Regions Science and Technology, 2011, 65(1): 79-87. [本文引用:1]
[5] 李斌. 飞机除冰防冰液及除冰技术[J]. 清洗世界, 2012, 28(1): 26-31.
Li Bin. Brief survey of deicing /anti-icing fluid and techniques for aircraft[J]. Cleaning World, 2012, 28(1): 26-31. [本文引用:1]
[6] Parent O, Ilinca A. Anti-icing and de-icing techniques for wind turbines: critical review[J]. Cold Regions Science and Technology, 2011, 65(1): 88-96. [本文引用:1]
[7] Lazauskas A, Guobiene A, Prosyˇcevas I, et al. Water droplet behavior on superhydrophobic SiO2 nanocomposite films during icing/deicing cycles[J]. Materials Characterization, 2013, 82: 9-16. [本文引用:1]
[8] 丁金波, 董威. 表面粗糙度对冰冻黏强度影响试验研究[J]. 航空发动机, 2012, 38(4): 42-46.
Ding Jin-bo, Dong Wei. Experimental study of influence of surface roughness on ice adhesion[J]. Aeroengine, 2012, 38(4): 42-46. [本文引用:1]
[9] Kuhn T, Earle M E, Khalizov A F, et al. Size dependence of volume and surface nucleation rates for homogeneous freezing of supercooled water droplets[J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2011, 11(6): 2853-2861. [本文引用:1]
[10] Mishchenko L, Hatton B, Bahadur V, et al. Design of ice-freenanostructured surfaces based on repulsion of impacting water droplets[J]. ACS Nano, 2010, 4(12): 7699-7707. [本文引用:1]
[11] Zou M, Beckford S, Wei R, et al. Effects of surface roughness and energy on ice adhesion strength[J]. Applied Surface Science, 2011, 257(8): 3786-3792. [本文引用:1]
[12] Jung S, Tiwari M K, Doan N V, et al. Mechanism of supercooled droplet freezing on surfaces[J]. Nature Communications, 2012, 3: 615. [本文引用:1]
[13] Oberli L, Caruso D, Hall C, et al. Condensation and freezing of droplets on superhydrophobic surfaces[J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2014, 210: 47-57. [本文引用:1]
[14] Momen G, Jafari R, Farzaneh M. Ice repellency behaviour of superhydrophobic surfaces: effects of atmospheric icing conditions and surface roughness[J]. Applied Surface Science, 2015, 349: 211-218. [本文引用:1]
[15] Fumoto K, Kawanami T. Study on freezing characteristics of supercooled water droplets impacting on solid surfaces[J]. Journal of Adhesion Science and Technology, 2012, 26(4/5): 463-472. [本文引用:1]
[16] 王皆腾, 刘中良, 黄玲艳, 等. 冷空气中水滴的冷却与冻结过程研究[J]. 工程热物理学报, 2008, 29(8): 1360-1362.
Wang Jie-teng, Liu Zhong-liang, Huang Ling-yan, et al. Investigation of cooling and freezing of water droplet in the cold air[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2008, 29(8): 1360-1362. [本文引用:1]
[17] 王皆腾, 刘中良, 勾昱君, 等. 冷表面上水滴冻结过程的研究[J]. 工程热物理学报, 2007, 28(6): 989-991.
Wang Jie-teng, Liu Zhong-liang, Gou Yu-jun, et al. Study of freezing process of water droplet on cold surface[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(6): 989-991. [本文引用:1]
[18] 王皆腾, 刘中良, 勾昱君, 等. 冷铜表面上水滴冻结时的变形[J]. 中国科学E辑: 技术科学, 2006, 36(11): 1344-1354. [本文引用:1]
[19] 陈廷坤. 冷表面结冰规律及防治新方法的研究[D]. 长春: 吉林大学生物与农业工程学院, 2014.
Chen Ting-kun. The law of cold surface freezing and new de-icing methods[D]. Changchun: College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, 2014. [本文引用:1]