逯國強(qiáng)

(河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué) 熱能工程系，河北 承德 067000)

流動(dòng)沸騰遲滯常見于制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的沸騰相變過程之中[1-2]，一般從兩個(gè)方面描述這一現(xiàn)象。一方面，逐漸提高熱流密度時(shí)，制冷劑溫度達(dá)到某一壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)沸騰并不會(huì)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(huì)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(fù)荷和過熱度無法準(zhǔn)確確定。湮滅滯后的存在使得蒸發(fā)器增、減熱負(fù)荷至同一數(shù)值時(shí)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(fù)荷發(fā)生劇烈變動(dòng)時(shí)，這一現(xiàn)象應(yīng)尤其注意?？傊珊藴蠛弯螠鐪蟮拇嬖跁?huì)使蒸發(fā)器運(yùn)行可靠性下降。

制冷劑流量調(diào)節(jié)是制冷設(shè)備運(yùn)行時(shí)常見的操作，對(duì)于螺旋管蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑，不同質(zhì)量流量下流動(dòng)沸騰遲滯程度是不同的。本文以螺旋管蒸發(fā)器內(nèi)R134a實(shí)際工作參數(shù)為依據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)研究了質(zhì)量流量對(duì)其流動(dòng)沸騰遲滯特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備及循環(huán)示意圖如圖1所示。冷凝器9內(nèi)的R134a液體流出后依次進(jìn)入平衡段4和實(shí)驗(yàn)段3，工質(zhì)從實(shí)驗(yàn)段3流出時(shí)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(gè)循環(huán)的動(dòng)力由計(jì)量泵1提供，冷凝器的冷源為冷水，由獨(dú)立工作的冷水機(jī)組提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)保持系統(tǒng)壓強(qiáng)和制冷劑入口過冷度始終恒定，先調(diào)試出某一質(zhì)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(shí)記錄壁溫變化情況，由此得到增大熱流密度時(shí)的沸騰曲線；當(dāng)沸騰達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)時(shí)，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(shí)的沸騰曲線。將兩條曲線繪制在同一坐標(biāo)系內(nèi)，即可分析得到該流量下R134在螺旋管蒸發(fā)器內(nèi)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(qiáng)和制冷劑入口過冷度不變，再調(diào)試出一個(gè)新的流量，在此流量下重復(fù)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(jié)果討論

2.1 成核滯后特性

為考查質(zhì)量流量的影響，圖2給出了穩(wěn)定增大熱流密度時(shí)螺旋管蒸發(fā)器某一測點(diǎn)的沸騰曲線，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為壓強(qiáng)0.479 MPa，工質(zhì)入口過冷度6.0 ℃。

從圖中可以看到，質(zhì)量流量越大，成核滯后現(xiàn)象越明顯，質(zhì)量流量分別為147.5 kg/h、190.9 kg/h、226.9 kg/h時(shí)，對(duì)應(yīng)壁溫過沖量分別為5.3 ℃、6.1 ℃、7.1 ℃。這是由于質(zhì)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(zhì)帶走熱量的能力更強(qiáng)，要實(shí)現(xiàn)沸騰的起始就必須累積更高的“溫勢(shì)”，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(diǎn)[4]，維持沸騰所需的過熱度大幅減小，這一點(diǎn)從沸騰起始后三個(gè)質(zhì)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(chǔ)上，當(dāng)加熱功率升高到足夠大，沸騰充分發(fā)展后再進(jìn)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(shí)的沸騰曲線。圖3將增、減熱流密度時(shí)的沸騰曲線繪制在同一坐標(biāo)系內(nèi)。某一質(zhì)量流量下增、減熱流密度時(shí)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了進(jìn)一步處理：在某一質(zhì)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(shí)的壁面過熱度的差值，再將各熱流密度對(duì)應(yīng)的差值連成曲線，得到該質(zhì)量流量下的曲線。將三個(gè)質(zhì)量流量下的曲線繪制在同一坐標(biāo)系內(nèi)，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(zhì)量流量的變化未呈現(xiàn)出單調(diào)規(guī)律，質(zhì)量流量為190.9 kg/h時(shí)湮滅滯后程度最大。質(zhì)量流量對(duì)湮滅滯后的影響有正、反兩個(gè)方面，最終表現(xiàn)出來的效果取決于兩個(gè)方面的對(duì)比。一方面，工質(zhì)質(zhì)量流量越大，帶走熱量的能力越強(qiáng)，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(shí)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(jī)理為單向?qū)α鲹Q熱和沸騰相變換熱的耦合。質(zhì)量流量越大，沸騰相變換熱所占比重相對(duì)越低，換熱特性更接近汽體單相對(duì)流換熱，湮滅滯后程度更小。

3 結(jié)論

1)質(zhì)量流量對(duì)成核滯后有顯著影響，在本實(shí)驗(yàn)的參數(shù)范圍，質(zhì)量流量越大，成核滯后現(xiàn)象越明顯。

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