过冷度对R134a流动沸腾迟滞特性的影响

2021-11-23逯国强

承德石油高等专科学校学报 2021年5期

逯国强

(承德石油高等专科学校热能工程系，河北承德 067000)

流动沸腾迟滞广泛存在于制冷剂汽液相变换热过程之中[1-2]，它包含两方面的特性。一方面，一定压强下液体温度达到饱和温度时泡核沸腾并未起始，只有达到一定过热度后沸腾才发生，而沸腾起始后壁温又急剧下降(下降的数值称为壁温过冲量)，这一现象称之为成核滞后；成核滞后造成的热应力会减小换热器寿命，通过相变换热冷却电子元器件时，这一点需要特别关注[3]。另一方面，当沸腾充分发展后，逐渐减小热流密度时的沸腾曲线与逐渐增大热流密度时的沸腾曲线并不重合，这一现象称之为湮灭滞后；湮灭滞后影响相变换热设备的可靠性，因沸腾所需过热度大小随运行参数和操作方式的不同而变化，使得沸腾的发生具有不确定性，换热器的运行可靠性难以保证，对于冷冻工况时的制冷系统蒸发器，这一现象尤为明显[4]。

在制冷系统中，经节流装置节流后流入蒸发器的制冷剂具有一定的过冷度，本文实验研究了过冷度对卧式螺旋管内R134a流动沸腾迟滞特性的影响，研究结果可为螺旋管式蒸发器的设计和运行提供指导。

1 实验部分

1.1 实验装置

本实验的系统示意图如图1所示。液态R134a自冷凝器9流出，经计量泵1加压后流入实验段螺旋管3，在管内发生沸腾。4为平衡段螺旋管，实验时，每给实验段螺旋管3增加一个热流量，平衡段螺旋管4就对应减小相同的热流量，以维持系统的平衡和稳定。从平衡段4流出的气液混合物最终进入到冷凝器9，被冷凝成为具有一定过冷度的液体后再次循环使用。

1.2 实验方法

实验时通过采集壁温的变化情况判断沸腾的起始，沸腾发生时传热系数急剧升高，螺旋管壁面温度会突然降低，此时的热流密度即为沸腾起始点的热流密度。实验时应控制系统的压强和工质的质量流量不变，在某一入口过冷度下逐渐增大或减小加热的热流密度，同时采集壁温的变化情况，由此得到该过冷度下增、减热流密度的沸腾曲线。进行下一组操作时，调节出新的入口过冷度，重复上述操作。

2 实验结果讨论

2.1 成核滞后特性

为考查过冷度对成核滞后的影响，图2给出了卧式螺旋管底部截面某一测点在质量流量为185 kg/h，压强为0.455 MPa工况下，不同过冷度下的增大热流密度时的沸腾曲线。

实验时入口过冷度分别为5.0 ℃、7.9 ℃、11.0 ℃，结果显示对应的壁温过冲量分别为5.8 ℃、6.5 ℃、10.1 ℃。可以看到，不同过冷度下增大热流密度时的沸腾曲线形态有显著差异，显示出过冷度越大，成核滞后现象越严重。这是由于泡核沸腾一般起始于换热表面上的核化孔隙，液体过冷度通过改变孔隙内蒸汽量而影响成核滞后。一定压强下过冷度越大，核化孔隙内蒸汽凝结越充分，孔隙内的液体越多，核化孔隙被淹没的程度越深，失活程度加剧，沸腾起始变得困难，从而使成核滞后变得严重。

2.2 湮灭滞后特性

上一自然段分析得到了过冷度对增大热流密度时沸腾曲线形态的影响，从而得到了过冷度影响成核滞后的规律。图3将增、减热流密度时的沸腾曲线绘制在同一坐标系下。

可以看到，三个过冷度下减小热流密度时的沸腾曲线接近重合，显示出过冷度对减小热流密度时的沸腾曲线形态无显著影响。这是由于减小热流密度是在沸腾已充分发展的条件下进行的，换热面上已经存在充足的汽化核心，过冷度已对沸腾的发生无影响，因而不同过冷度下，减小热流密度时的沸腾曲线接近重合。尽管如此，同一过冷度下增、减热流密度的曲线形态显著不同，这种不同表征了该过冷度下湮灭滞后的程度。为了更直观地描述湮灭滞后的程度，对实验数据做了进一步处理：先得到某一过冷度下增大热流密度至某一数值和减小热流密度至同样的数值时壁面过热度的差值。再将该过冷度下各热流密度对应的过热度差值连成曲线，得到该过冷度下的曲线。最终将不同过冷度下的曲线绘制在同一坐标系内，得到图4所示的过热度之差-热流密度曲线。

曲线反映出湮灭滞后的强度，曲线整体越靠近上方，表示湮灭滞后强度越高，曲线的峰值一般称为最大滞后温差。从图中可以看到，过冷度越大，湮灭滞后越严重。