超声波去除铝板表面霜层及融霜液滴的试验研究

超声波去除铝板表面霜层及融霜液滴的试验研究

【摘要】： 结霜现象常见于低温制冷、风力发电、航空航天等领域,常导致设备运行效率降低、安全性下降等严重危害。因此,开发高效的除霜抑霜方法,具有很大的科研意义和工程应用价值。除霜抑霜技术发展至今已经相对成熟,但传统热融霜技术所带来的的高能耗、温度波动、融霜液滴滞留等问题亟待解决。由于空化效应和表面毛细波效应,超声波对液体具有雾化作用,且波在介质传递时,会在媒介内部和表面产生强大的声压和应力,从而具有脱除媒介表面粘附物的可能。因此,超声波在除霜和脱除融霜液滴上有巨大的潜力。现有的超声研究忽略了对于融霜液滴的去除,且超声除霜也缺乏可视化和量化研究。因此,本文对超声激励下表面融霜液滴和霜层的去除规律进行了理论和试验研究,首先基于ANSYS Workbench对超声激励下平板表面等效应力分布进行理论分析和数值模拟,并结合等效应力分布特性对超声激励下表面融霜液滴及霜层的作用规律进行了可视化观测及量化分析。激励频率和板的形状结构极大地影响着超声激励下表面等效应力分布。圆板表面等效应力呈环状分布;矩形板和正方形板则呈现出较为复杂的分布形状,但在几何上呈现中心对称或轴对称性;平板表面应力分布形状与振幅无关,在数值上与振幅成正比;表面应力分布随频率的变化而改变,不同形状平板的频率响应特性不同。平板上液滴雾化特性受表面等效应力的大小和变化趋势影响,液滴总是向着应力较大的方向铺展;在雾化后期,表面应力较大的区域,液滴基本雾化完全,而因雾化喷射作用从表面离开的微滴,如果回落到应力较小的区域,则会发生集聚,最终滞留在表面上;雾化后期平板表面所呈现的滞留液滴分布与平板表面等效应力分布相似。超声激励下平板表面根据液滴群雾化后的滞留情况可划分为雾化区和非雾化区,这两种区域分别对应了表面应力的峰值区域和谷值区域。融霜液滴动态行为表现为3类:在雾化区内,液滴均匀铺展并快速雾化;毗邻雾化区的位置,液滴会向附近雾化区铺展,进入雾化区内的部分会发生雾化,其余部分在表面张力的作用下不断向雾化部分补充;非雾化区的液滴如果尺寸较小,无法在扰动下进入雾化区,则只会发生轻微形变,相距较小的液滴可能因扰动而合并。超声去除平板表面滞留的融霜液滴时,若结霜时间≥30 min,超声激励后液滴平均直径降低,液滴尺寸分布范围变窄;而在结霜15 min的情况下,由于非雾化区液滴合并的发生,超声激励后液滴的最大直径和平均直径增大。由于霜层融化过程中形成的大液滴位置具有随机性,液滴去除率与超声波功率或结霜时间之间未表现出明显的规律性关系,但当结霜时间超过30 min时,各工况下液滴的去除率均达到75%以上,意味着低功率下也能有效地去除液滴。在短时间、低功率的超声作用下,超声波对平板产生的热效应是非常有限的,所带来的温升不会对液滴雾化行为产生较大影响,且对系统及周围环境温度的影响也可以忽略。超声除霜过程中,霜层表面会呈现出与表面等效应力分布相一致的起伏,除霜过程受表面应力的影响,应力较大的区域霜层首先隆起并脱落,应力较小的区域霜层可能会滞留;霜晶在根部断裂并离开表面,霜层的基底粘附力较大,超声作用下无法去除;超声作用时间的延长可以有效提高霜层去除率,且结霜时间越长,去除率的提升越明显;超声功率的增大也可以有效提高霜层的去除率,但在同样的除霜效果下,其经济性远低于延长超声作用时间;在相同的作用时间及功率下,随着结霜时间增加,霜层的面积去除率降低而除霜质量和滞留的霜层质量均增加。当超声作用3 s,基底以上的霜层不能完全去除时,霜层的质量去除率则维持在45%左右,不随结霜时间而明显改变;当超声激励达到5 s,基底以上的霜层几乎完全去除时,霜层的质量去除率随结霜时间的增加而提高。

【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2020

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