過冷度對R134a流動沸騰遲滯特性的影響

逯國強

(承德石油高等專科學校 熱能工程系，河北 承德 067000)

流動沸騰遲滯廣泛存在于制冷劑汽液相變換熱過程之中[1-2]，它包含兩方面的特性。一方面，一定壓強下液體溫度達到飽和溫度時泡核沸騰并未起始，只有達到一定過熱度后沸騰才發生，而沸騰起始后壁溫又急劇下降(下降的數值稱為壁溫過沖量)，這一現象稱之為成核滯后；成核滯后造成的熱應力會減小換熱器壽命，通過相變換熱冷卻電子元器件時，這一點需要特別關注[3]。另一方面，當沸騰充分發展后，逐漸減小熱流密度時的沸騰曲線與逐漸增大熱流密度時的沸騰曲線并不重合，這一現象稱之為湮滅滯后；湮滅滯后影響相變換熱設備的可靠性，因沸騰所需過熱度大小隨運行參數和操作方式的不同而變化，使得沸騰的發生具有不確定性，換熱器的運行可靠性難以保證，對于冷凍工況時的制冷系統蒸發器，這一現象尤為明顯[4]。

在制冷系統中，經節流裝置節流后流入蒸發器的制冷劑具有一定的過冷度，本文實驗研究了過冷度對臥式螺旋管內R134a流動沸騰遲滯特性的影響，研究結果可為螺旋管式蒸發器的設計和運行提供指導。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本實驗的系統示意圖如圖1所示。液態R134a自冷凝器9流出，經計量泵1加壓后流入實驗段螺旋管3，在管內發生沸騰。4為平衡段螺旋管，實驗時，每給實驗段螺旋管3增加一個熱流量，平衡段螺旋管4就對應減小相同的熱流量，以維持系統的平衡和穩定。從平衡段4流出的氣液混合物最終進入到冷凝器9，被冷凝成為具有一定過冷度的液體后再次循環使用。

1.2 實驗方法

實驗時通過采集壁溫的變化情況判斷沸騰的起始，沸騰發生時傳熱系數急劇升高，螺旋管壁面溫度會突然降低，此時的熱流密度即為沸騰起始點的熱流密度。實驗時應控制系統的壓強和工質的質量流量不變，在某一入口過冷度下逐漸增大或減小加熱的熱流密度，同時采集壁溫的變化情況，由此得到該過冷度下增、減熱流密度的沸騰曲線。進行下一組操作時，調節出新的入口過冷度，重復上述操作。

2 實驗結果討論

2.1 成核滯后特性

為考查過冷度對成核滯后的影響，圖2給出了臥式螺旋管底部截面某一測點在質量流量為185 kg/h，壓強為0.455 MPa工況下，不同過冷度下的增大熱流密度時的沸騰曲線。

實驗時入口過冷度分別為5.0 ℃、7.9 ℃、11.0 ℃，結果顯示對應的壁溫過沖量分別為5.8 ℃、6.5 ℃、10.1 ℃。可以看到，不同過冷度下增大熱流密度時的沸騰曲線形態有顯著差異，顯示出過冷度越大，成核滯后現象越嚴重。這是由于泡核沸騰一般起始于換熱表面上的核化孔隙，液體過冷度通過改變孔隙內蒸汽量而影響成核滯后。一定壓強下過冷度越大，核化孔隙內蒸汽凝結越充分，孔隙內的液體越多，核化孔隙被淹沒的程度越深，失活程度加劇，沸騰起始變得困難，從而使成核滯后變得嚴重。

2.2 湮滅滯后特性

上一自然段分析得到了過冷度對增大熱流密度時沸騰曲線形態的影響，從而得到了過冷度影響成核滯后的規律。圖3將增、減熱流密度時的沸騰曲線繪制在同一坐標系下。

可以看到，三個過冷度下減小熱流密度時的沸騰曲線接近重合，顯示出過冷度對減小熱流密度時的沸騰曲線形態無顯著影響。這是由于減小熱流密度是在沸騰已充分發展的條件下進行的，換熱面上已經存在充足的汽化核心，過冷度已對沸騰的發生無影響，因而不同過冷度下，減小熱流密度時的沸騰曲線接近重合。盡管如此，同一過冷度下增、減熱流密度的曲線形態顯著不同，這種不同表征了該過冷度下湮滅滯后的程度。為了更直觀地描述湮滅滯后的程度，對實驗數據做了進一步處理：先得到某一過冷度下增大熱流密度至某一數值和減小熱流密度至同樣的數值時壁面過熱度的差值。再將該過冷度下各熱流密度對應的過熱度差值連成曲線，得到該過冷度下的曲線。最終將不同過冷度下的曲線繪制在同一坐標系內，得到圖4所示的過熱度之差-熱流密度曲線。

曲線反映出湮滅滯后的強度，曲線整體越靠近上方，表示湮滅滯后強度越高，曲線的峰值一般稱為最大滯后溫差。從圖中可以看到，過冷度越大，湮滅滯后越嚴重。

3 結論

1)過冷度對逐漸增大熱流密度時的沸騰曲線形態有顯著影響，過冷度越大，成核滯后現象越明顯。

2)過冷度對逐漸減小熱流密度時的沸騰曲線形態無顯著影響，但由于其對逐漸增大熱流密度時的沸騰曲線形態有顯著影響，導致增、減熱流密度曲線形態的差異，這種差異表征了湮滅滯后特性。過冷度越大，湮滅滯后現象越明顯。