结霜现象广泛存在于航空航天、制冷、低温工程、热泵系统等领域中。而低温表面的结霜通常会增大表面热阻、降低介质流通的截面积，导致各类强化换热方式失效，从而降低设备运行效率甚至严重影响设备运行安全。因此，研究冷表面上的结霜机理，寻求切实有效的抑霜除霜方法显得尤其重要，受到国内外学者的广泛关注。
目前,现有的除霜方法主要有机械除霜、热力除霜、定时除霜等[ N. Hewitt, M. J. Huang. Defrost Cycle Performance for a Circular Shape Evaporator Air Source Heat Pump. International Journal of Refrigeration. 2008, 31(3): 444-452.]。机械除霜主要是借助于机械臂等工具对冷表面上的霜层进行清除,此时,[ 作者简介：盛伟(1977-)，男，副教授，河南理工大学研究生导师，河南省商城县人，E-mail：weisean@163.com
基金项目：本项目受到中国博士后基金，河南理工大学杰出青年基金（J2014-06）资助]在重力和惯性的作用下霜发生松动并脱落,从而达到除霜的目的，但是此方法费时、费力，并且当冷表面上霜层附着力较大时，不能有效地除霜。热力除霜是向换热器周期性提供热源，将其表面上的霜层融化进行除霜，该方法需要提供外加热源，耗能大，且大部分用于提高或降低换热器的温度，造成较大的能量损失[ 庄友明. 食品冷库除霜方法及其能耗分析[J]. 集美大学学报，自然科学版，2006，11(11)：62-65.]。定时除霜是通过设备运行的调整，周期性关闭冷气的流动或停止设备运行从而使霜层自动融化，该方法使系统负荷下降，不能保证系统连续正常工作。目前这些融霜过程不仅会增加能源消耗和额外的投资费用，而且会降低系统的运行效率和设备的使用寿命。所以迫切需要结合冷表面上的结霜机理找到一种切实有效的抑霜手段，使结霜现象在最初发生起就能得到有效的抑制，对于改善系统运行特性、提高效率降低能耗显得尤其重要。
一般认为结霜现象产生的机理为，当湿空气经过低温表面时，如果低温表面温度低于空气中水蒸气的露点温度，水蒸气就会发生相变并在该表面凝结，随着温度的逐步降低，低温表面上凝结的液滴会发生冻结，随后在冻结的液滴表面上就会出现霜晶，霜晶不断生长和累积从而形成霜层。当然，如果壁面温度非常低，空气中的水蒸气会在壁面直接凝华形成霜晶。结霜是一个相当复杂的传热传质过程，涉及水珠的生成、长大(包括水珠的合并)、冻结、初始霜晶的形成、霜晶成长(包括霜晶的倒伏)等过程。影响结霜过程的因素非常多，包括冷壁面的温度，周围空气的温度和湿度，周围气体的流动情况，以及低温表面的形状等[ 许旺发，吴晓敏. 水平冷面上霜晶生长规律的实验研究[J]. 低温工程，2003，1(6)：41-46.]。上述关于结霜机理的研究结果表明，结霜有两种方式：凝结冻结和直接凝华。
国内外学者根据结霜机理，从影响结霜的各个因素出发展开大量的研究工作，探索了多种抑制或延缓冷表面结霜的可能途径，目前的抑霜技术手段主要有三种：一、通过降低来流湿度抑制结霜；二、利用外加电场、磁场、超声波等抑制结霜；三、通过表面改性抑制结霜。
1来流湿度对结霜过程的影响
由于湿空气流经冷表面时，如果冷表面温度低于空气中水蒸气的露点温度，就会发生相变结霜现象，所以可以推断空气中水蒸气含量的大小对冷表面的结霜程度有一定的影响，介于上述原因，国内外学者展开了大量的研究工作。
在国外，KondePudi[ S. Kondepudi, K. Murali, H. Lorsch. Voiding Heat Pump Evaporator Frost through the Use of Desiccants. ASME-JSES-JSME Internatio- al Solar Energy Confe- rence, New York, 1995, (1): 25-29.]等对固体干燥剂在抑制蒸发器表面结霜方面的作用进行研究，他们分别对使用和不使用固体干燥剂条件下换热器表面的结霜情况进行分析，发现干燥剂在最初一段时间内可以有效地降低空气含湿量，从而明显的抑制霜层的生长，但随着时间的增长，干燥剂的吸收能力不断减弱，抑霜作用也逐渐失效。Kinsara[ A. Kinsara, M. Elsayed, A. L Rabghi. Proposed Energy Efficient Air-conditioning System Using Liquid Desiccant[J]. Applied Thermal Engineering, 1996, 16(10):791-806 . ]等通过设计一套可以连续工作的液体干燥系统用于空调系统抑霜，并且获得了良好的效果，但是由于该系统过于复杂，需要增加额外的制冷系统和部件，因而增加了初始费用。
在国内，上海理工大学的孟微佳[ 孟微佳，翁文兵，王腾飞，等. 干燥剂抑制冷冻冰柜内表面结霜的实验研究[J]. 上海理工大学学报，2014，36(1)：1-4.]等通过对比在冰柜内放置和不放置物理干燥吸附剂的实验结果,分析冰柜内表面结霜量的差异,得出硅胶、蒙脱石、分子筛三种固体干燥剂对冰柜内表面结霜都有明显的抑制作用,但是随着实验时间的增长,三种固体干燥剂的吸湿能力都逐渐减弱,对冰柜内表面结霜的抑制能力也逐渐降低，不能起到长时间抑霜的效果。学者Jia、Zhang[ Jia C X, Dai Y J, et al. Use of compound desiccant to develop high performance desicc- ant cooling system[J]. Int. J. Refrigeration, 2007,30 (2): 345-353.
8 Zhang L, Hihara E, Saikawa M. Combination of air-source heat pumps with lipuid desiccant dehumidification of air[J]. Energy Conversion and Management, 2012, 57: 107-116.
9 Zhang L, T Fujinawa. M Saikawa. A new me- thod for preventing air-source heat pump wat- er heaters from frosting[J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35(5): 1327-1334.]利用固体除湿换热器对被处理的空气进行除湿，达到了抑制或延缓结霜的效果，但是随着时间的增长，干燥剂吸收水分的能力减弱，抑霜效果也逐渐失效。
为了解决干燥剂不能连续除湿的难题，西安交通大学的王志华[10 王志华，王沣浩，郑煜鑫，等. 一种新型无霜空气源热泵热水器实验研究[J]. 制冷学报，2015，36（1）： 52-58.
1 Wang Fenghao, Wang Zhihua, Zheng Yuxin. Performa- nce investigation of a novel frost -free air-source heat pump water heater com- bined with energy storage and dehumidifica- tion[J]. Applied Energy, 2015, 139: 212-219.
2 Wang Zhihua, Zheng Yuxin, Wang Fenghao. Experim-ental analysis on a novel frost-free air-source heat pu-mp water heater system[J]. Applied Thermal Enginee-ring, 2014, 70: 808-816.
13 陈效鹏，程久生，尹协振. 电流体动力学研究进展及其应用[J].科学通报, 2003, 48(7): 637 -646.]10-12等提出一种新型无霜空气源热泵热水器，其利用翅片表面涂有固体干燥剂的除湿换热器对室外空气首先进行干燥除湿，使得室外空气含量低于结霜条件来实现无霜运行；一段时间后，当固体干燥剂的含水量逐渐增大、除湿换热器的除湿能力减弱时，利用蓄热装置回收的冷凝预热对干燥剂加热，使干燥剂再生，从而达到长时间连续抑霜的效果。
虽然通过使用固体干燥剂和液体干燥系统降低来流空气湿度可以起到抑制冷表面结霜的作用，但该方法不能长时间有效，在实际应用中不能够大量推广。
2 外场、超声波对结霜过程的影响
2.1 电场作用下结霜过程的研究
作为流体力学的一个分支，“电流体动力学（Electrohydrodynamics,EHD）”分析了电场对流体介质的作用，随着对其研究的不断深入，外加电场对霜层生长的影响逐渐受到国内外学者的关注[ 郑捷庆，庄友明，张军. 高电压技术在制冷设备除霜中的应用[J]. 高电压技术，2007，33（12）：97-100.]。
最先把电场应用到结霜过程研究的学者是Schaefer[ Schaefer V J. Project Cirrus. General electric research labo-ratory[R]. Schenectady, New York, Final Report, 1953, 52 -53.]，他发现在霜层形成的初期，由于外加电场的作用，冷表面上生成许多须状的霜晶。Bartlett等[ J. T. Bartlett, V. D. Heuval and B.J. Mason. The Growth of Ice Crystals in an Electric Field[J]. Zeitschrift Fur Angewa-ndte Mathematik Und Physik, 1963, 14: 599-610.]在实验中发现，当外加电场超过500时，霜晶呈针状快速生长。同时他们发现电场中形成的霜晶沿着电场的方向会自然折断。Maybank等[17 Maybank. J. and N. N. Barthakur. 1967. Growth and Destruction of Ice Filaments in an Electric Field[J]. Nature. 216: 50-52.]17通过实验发现，当施加电场超过200的强度时，生成的冰晶多而细，容易折断，并随着电场强度的增加而迅速增长。Chuang和Velkoff[ T. H. Chuang and H. R. Velkoff. Frost Formation in a Nonuniform Electric Field[J]. Chemical Engineering Progress Symposium Series, 1971, 67(113): 10-18.]报道了电场电流的大小对结霜过程的影响：他们发现霜沉积的速度随着电场电流的减小而减小，并且只有当施加的电势超过某临界电势时，生成霜的质量才会随着电流的增加而增加。Munakatat[ T. Munakata, A. Yabe and I. Tanasawa. Effect of Electric Fields on Frosting Phenomenon [J]. In The 6th International Symposium on Tran- sport Phenomena in Thermal Engineering. 1993:381-386.]等探索了抑制冷表面上霜的生长过程，他们观察到，当网孔状电极电压为7.5kV时，形成的霜量减少，超过这个电压时，霜量又会增加。Blanford[ Blanford, M. D. M. M. Ohadi and S.V. Dessiatoun. 1995 Compound Air-Side Heat Tra- nsfer Enhancement in a Cross–Flow Refrigerant -to-Air Heat Exchanger[J]. ASHRAETransactio- ns. 101(2).]分析了强制对流条件下，外加电场对结霜过程的影响情况。他发现，当电流大小为20mA时，霜的形成量可减少20％；当电流增大到120mA时，霜的形成量增加。Wang等人[ C. C. Wang, R. Huang, E. J. Sheu, et al. Some Observations of the Frost Formation in Free Convection: with and without the Presence of Electric Field. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2004, 47: 3491-3505.]研究了在静电场作用下霜的形成过程，他们发现正、负电极处形成的霜晶不同，负电极处形成的霜细而且更易折断。同时，他们对比发现在施加静电场作用下形成的霜层稀疏，有利于空气和冷表面之间的传热，此时冷表面的温度比无电场作用时高2℃左右。Tudor[ Tudor V. Control of frost growth in refrigeration systems using the EHD techniq- ue[D]. University of Maryland, 2003.]则在直流电场作用下观察到了霜层生长的两种现象：当不间断的施加电场时，冷板表面上形成很长的针状霜晶；突然撤去电场时，霜晶脱落。Joppolo等[ Cesare Maria Joppolo. Experimental analysis of frost formation with the presence of an electric field on fin and tube evaporator[J]. SciVerse ScienceDirect, 2012, 35: 468-474.]研究了直流电场对翅片管式换热器表面上霜层生长的影响，实验发现，直流电场作用下，霜的形成量明显减少，有效抑制了霜的生长，并且同等制冷效率下消耗的能量有所减少。
天津商学院的刘清江、申江、韩学廷等利用CCD摄像系统对高压电场下自然对流蒸发器表面的结霜过程进行了可视化研究，他们发现受不均匀高压静电场的影响，铜管外表面的结霜厚度随着离电极距离的增加逐渐加厚，而离电极最近处几乎无结霜[ 刘清江，韩学廷，申江，等. 高压电场对蒸发器表面结霜影响的研究[J]. 制冷，2006，25 (3)：15-17.
5 刘清江，申江，邹同华，等. 高压电场下自然对流蒸发器结霜的试验研究[J]. 制冷与空调，2007，7(2)： 59-60.]。孟繁炯等[ 孟繁炯，马鸿斌，岳丹婷，潘延龄. 高压静电场中凝华结霜的强化相变传热. 纪念中国高等航海教育暨大连海运学院校庆八十周年学术报告会，大连，1989：38-44.]分别将冷壁面处于单根导线电极和多根导线电极与铜板电极形成的静电场中展开实验研究，并按一维稳态对霜层进行处理，建立了静电场作用下水蒸汽凝华结霜传热传质过程数学模型。研究发现，当冷壁面处于多根导线电极和铜板电极形成的静电场中时，其表面形成的霜晶呈针状，且结霜量比无电场作用时少；当处于单根导线与平板电极形成的电场中时，导线施加的电压超过一定值后，会出现电晕风现象，从而使凝华结霜过程中的传热传质得到了强化。为了进一步探索电场作用下的结霜机理，北京工业大学的张新华等[ 张新华，刘中良，王皆腾，等. 电场作用下竖直板表面特性对霜层生长的影响[J]. 制冷学报，2006，27(3)：54 - 58. ]对自然对流条件下直流电场中竖直表面上的结霜过程进行了可视化研究，并对不同电场强度下的霜晶形态进行了拍摄。他们发现，在结霜的初期，冷壁面上形成水珠的体积随着电场强度的增加而减小。同时，在前人研究的基础上，张新华等通过分析冰晶的电场特性引入电场力，建立了静电场作用下霜层生长的二维传热传质数学模型，较为完善的反映了电场作用下霜层生长的物理过程[28 张新华，刘中良，王皆腾，等. 外电场对自然对流条件下霜层生长影响的实验研究[C]. 自然科学进展，2006，16(3).
29 张新华. 外电场对竖直冷表面上自然对流结霜过程影响的研究[D]. 北京：北京工业大学，2006年5月.]27。
2.2 外加磁场对结霜过程的影响
磁场以其独特的用途已在众多领域得到广泛应用,并获得了很好的效果。纵观现有的各类文献，目前为止关于外加磁场作用下对结霜机理的研究尚很欠缺，但国内外有关磁场对水性质的改变以及磁化水的报道却比较多。