質量流量對R134a流動沸騰遲滯特性的影響

逯國強

(河北石油職業(yè)技術大學 熱能工程系，河北 承德 067000)

流動沸騰遲滯常見于制冷劑在蒸發(fā)器內的沸騰相變過程之中[1-2]，一般從兩個方面描述這一現(xiàn)象。一方面，逐漸提高熱流密度時，制冷劑溫度達到某一壓力對應的飽和溫度時沸騰并不會起始，而是需要超過這一溫度一定的數(shù)值(超過的數(shù)值稱為過熱度)，而沸騰一旦開始，維持沸騰所需的溫度又會明顯下降[3](下降的數(shù)值稱為壁溫過沖量)，這種遲滯稱為成核滯后。另一方面，逐漸提高蒸發(fā)器熱流密度至沸騰充分發(fā)生后，再逐漸降低熱流密度，兩者的沸騰曲線并不重合，這種遲滯稱為湮滅滯后。成核滯后的存在使得制冷劑沸騰起始所需的熱負荷和過熱度無法準確確定。湮滅滯后的存在使得蒸發(fā)器增、減熱負荷至同一數(shù)值時維持沸騰所需的過熱度并不相同，造成沸騰發(fā)生的不確定性，在蒸發(fā)器負荷發(fā)生劇烈變動時，這一現(xiàn)象應尤其注意?？傊珊藴蠛弯螠鐪蟮拇嬖跁拐舭l(fā)器運行可靠性下降。

制冷劑流量調節(jié)是制冷設備運行時常見的操作，對于螺旋管蒸發(fā)器內的制冷劑，不同質量流量下流動沸騰遲滯程度是不同的。本文以螺旋管蒸發(fā)器內R134a實際工作參數(shù)為依據，通過實驗研究了質量流量對其流動沸騰遲滯特性的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本實驗的設備及循環(huán)示意圖如圖1所示。冷凝器9內的R134a液體流出后依次進入平衡段4和實驗段3，工質從實驗段3流出時處于汽液混合狀態(tài)，流入冷凝器9被冷凝成液體，完成循環(huán)。整個循環(huán)的動力由計量泵1提供，冷凝器的冷源為冷水，由獨立工作的冷水機組提供。

1.2 實驗方法

實驗時保持系統(tǒng)壓強和制冷劑入口過冷度始終恒定，先調試出某一質量流量，在此流量下逐漸提高加熱器的功率，使熱流密度均勻增大，同時記錄壁溫變化情況，由此得到增大熱流密度時的沸騰曲線；當沸騰達到充分發(fā)展狀態(tài)時，再均勻減小熱流密度，并記錄壁溫變化情況，由此得到減小熱流密度時的沸騰曲線。將兩條曲線繪制在同一坐標系內，即可分析得到該流量下R134在螺旋管蒸發(fā)器內的沸騰成核滯后和湮滅滯后特性。上述操作完成后，保持系統(tǒng)壓強和制冷劑入口過冷度不變，再調試出一個新的流量，在此流量下重復上述增、減熱流密度操作，得到該流量下的沸騰成核滯后和湮滅滯后特性。

2 結果討論

2.1 成核滯后特性

為考查質量流量的影響，圖2給出了穩(wěn)定增大熱流密度時螺旋管蒸發(fā)器某一測點的沸騰曲線，實驗參數(shù)為壓強0.479 MPa，工質入口過冷度6.0 ℃。

從圖中可以看到，質量流量越大，成核滯后現(xiàn)象越明顯，質量流量分別為147.5 kg/h、190.9 kg/h、226.9 kg/h時，對應壁溫過沖量分別為5.3 ℃、6.1 ℃、7.1 ℃。這是由于質量流量越大，流速越高，溫度邊界層和速度邊界層均變薄，工質帶走熱量的能力更強，要實現(xiàn)沸騰的起始就必須累積更高的“溫勢”，也就是需要更大的過熱度。而沸騰一旦起始，換熱面上已存在的汽化核心可以持續(xù)地提供核化點[4]，維持沸騰所需的過熱度大幅減小，這一點從沸騰起始后三個質量流量下的沸騰曲線形態(tài)可以得到印證。

2.2 湮滅滯后特性

上一自然段通過增大熱流密度操作得到了R134a的成核滯后特性。在此基礎上，當加熱功率升高到足夠大，沸騰充分發(fā)展后再進行逐漸降低加熱功率的操作，使沸騰最終停止，從而得到逐漸減小熱流密度時的沸騰曲線。圖3將增、減熱流密度時的沸騰曲線繪制在同一坐標系內。某一質量流量下增、減熱流密度時沸騰曲線的差異表征了沸騰的湮滅滯后特性。

為了量化表征湮滅滯后程度，對實驗數(shù)據做了進一步處理：在某一質量流量下得到增大熱流密度和減小熱流密度至同一數(shù)值時的壁面過熱度的差值，再將各熱流密度對應的差值連成曲線，得到該質量流量下的曲線。將三個質量流量下的曲線繪制在同一坐標系內，最終得到圖4所示的過熱度之差-熱流密度曲線。

圖線整體越靠近上方，表示湮滅滯后程度越大?？梢钥吹戒螠鐪箅S質量流量的變化未呈現(xiàn)出單調規(guī)律，質量流量為190.9 kg/h時湮滅滯后程度最大。質量流量對湮滅滯后的影響有正、反兩個方面，最終表現(xiàn)出來的效果取決于兩個方面的對比。一方面，工質質量流量越大，帶走熱量的能力越強，泡核沸騰起始所需的熱流密度越大，沸騰起始后汽化核心的數(shù)量也就更多，因大量汽化核心的存在，降低熱流密度時所需表面過熱度更小，湮滅滯后程度更大。另一方面，泡核沸騰發(fā)生后，換熱的機理為單向對流換熱和沸騰相變換熱的耦合。質量流量越大，沸騰相變換熱所占比重相對越低，換熱特性更接近汽體單相對流換熱，湮滅滯后程度更小。

3 結論

1)質量流量對成核滯后有顯著影響，在本實驗的參數(shù)范圍，質量流量越大，成核滯后現(xiàn)象越明顯。

2)質量流量對湮滅滯后的影響沒有表現(xiàn)出單調性規(guī)律，湮滅滯后程度隨著質量流量的增大先增大后減小，質量流量主要通過影響邊界層厚度及換熱機理轉換影響湮滅滯后。