质量流量对R134a流动沸腾迟滞特性的影响

2022-09-23逯国强

承德石油高等专科学校学报 2022年4期

逯国强

(河北石油职业技术大学热能工程系，河北承德 067000)

流动沸腾迟滞常见于制冷剂在蒸发器内的沸腾相变过程之中[1-2]，一般从两个方面描述这一现象。一方面，逐渐提高热流密度时，制冷剂温度达到某一压力对应的饱和温度时沸腾并不会起始，而是需要超过这一温度一定的数值(超过的数值称为过热度)，而沸腾一旦开始，维持沸腾所需的温度又会明显下降[3](下降的数值称为壁温过冲量)，这种迟滞称为成核滞后。另一方面，逐渐提高蒸发器热流密度至沸腾充分发生后，再逐渐降低热流密度，两者的沸腾曲线并不重合，这种迟滞称为湮灭滞后。成核滞后的存在使得制冷剂沸腾起始所需的热负荷和过热度无法准确确定。湮灭滞后的存在使得蒸发器增、减热负荷至同一数值时维持沸腾所需的过热度并不相同，造成沸腾发生的不确定性，在蒸发器负荷发生剧烈变动时，这一现象应尤其注意。总之，成核滞后和湮灭滞后的存在会使蒸发器运行可靠性下降。

制冷剂流量调节是制冷设备运行时常见的操作，对于螺旋管蒸发器内的制冷剂，不同质量流量下流动沸腾迟滞程度是不同的。本文以螺旋管蒸发器内R134a实际工作参数为依据，通过实验研究了质量流量对其流动沸腾迟滞特性的影响。

1 实验部分

1.1 实验装置

本实验的设备及循环示意图如图1所示。冷凝器9内的R134a液体流出后依次进入平衡段4和实验段3，工质从实验段3流出时处于汽液混合状态，流入冷凝器9被冷凝成液体，完成循环。整个循环的动力由计量泵1提供，冷凝器的冷源为冷水，由独立工作的冷水机组提供。

1.2 实验方法

实验时保持系统压强和制冷剂入口过冷度始终恒定，先调试出某一质量流量，在此流量下逐渐提高加热器的功率，使热流密度均匀增大，同时记录壁温变化情况，由此得到增大热流密度时的沸腾曲线；当沸腾达到充分发展状态时，再均匀减小热流密度，并记录壁温变化情况，由此得到减小热流密度时的沸腾曲线。将两条曲线绘制在同一坐标系内，即可分析得到该流量下R134在螺旋管蒸发器内的沸腾成核滞后和湮灭滞后特性。上述操作完成后，保持系统压强和制冷剂入口过冷度不变，再调试出一个新的流量，在此流量下重复上述增、减热流密度操作，得到该流量下的沸腾成核滞后和湮灭滞后特性。

2 结果讨论

2.1 成核滞后特性

为考查质量流量的影响，图2给出了稳定增大热流密度时螺旋管蒸发器某一测点的沸腾曲线，实验参数为压强0.479 MPa，工质入口过冷度6.0 ℃。

从图中可以看到，质量流量越大，成核滞后现象越明显，质量流量分别为147.5 kg/h、190.9 kg/h、226.9 kg/h时，对应壁温过冲量分别为5.3 ℃、6.1 ℃、7.1 ℃。这是由于质量流量越大，流速越高，温度边界层和速度边界层均变薄，工质带走热量的能力更强，要实现沸腾的起始就必须累积更高的“温势”，也就是需要更大的过热度。而沸腾一旦起始，换热面上已存在的汽化核心可以持续地提供核化点[4]，维持沸腾所需的过热度大幅减小，这一点从沸腾起始后三个质量流量下的沸腾曲线形态可以得到印证。

2.2 湮灭滞后特性

上一自然段通过增大热流密度操作得到了R134a的成核滞后特性。在此基础上，当加热功率升高到足够大，沸腾充分发展后再进行逐渐降低加热功率的操作，使沸腾最终停止，从而得到逐渐减小热流密度时的沸腾曲线。图3将增、减热流密度时的沸腾曲线绘制在同一坐标系内。某一质量流量下增、减热流密度时沸腾曲线的差异表征了沸腾的湮灭滞后特性。

为了量化表征湮灭滞后程度，对实验数据做了进一步处理：在某一质量流量下得到增大热流密度和减小热流密度至同一数值时的壁面过热度的差值，再将各热流密度对应的差值连成曲线，得到该质量流量下的曲线。将三个质量流量下的曲线绘制在同一坐标系内，最终得到图4所示的过热度之差-热流密度曲线。

图线整体越靠近上方，表示湮灭滞后程度越大。可以看到湮灭滞后随质量流量的变化未呈现出单调规律，质量流量为190.9 kg/h时湮灭滞后程度最大。质量流量对湮灭滞后的影响有正、反两个方面，最终表现出来的效果取决于两个方面的对比。一方面，工质质量流量越大，带走热量的能力越强，泡核沸腾起始所需的热流密度越大，沸腾起始后汽化核心的数量也就更多，因大量汽化核心的存在，降低热流密度时所需表面过热度更小，湮灭滞后程度更大。另一方面，泡核沸腾发生后，换热的机理为单向对流换热和沸腾相变换热的耦合。质量流量越大，沸腾相变换热所占比重相对越低，换热特性更接近汽体单相对流换热，湮灭滞后程度更小。