在蒸發(fā)器中,被冷卻介質(zhì)的熱量是通過傳熱壁傳給制冷劑,使液體制冷劑吸熱汽化。制冷劑在蒸發(fā)器中發(fā)生的物態(tài)變化,實(shí)際上是沸騰過程,習(xí)慣上稱其為蒸發(fā)。
制冷裝置蒸發(fā)器內(nèi)傳熱溫差不大,因此制冷劑液體的沸騰總處于泡狀沸騰。沸騰時在傳熱表面產(chǎn)生許多氣泡,這些氣泡逐漸變大、脫離表面并在液體中上升。它們上升后,在該處又連續(xù)產(chǎn)生一個個的氣泡。
那么,影響制冷劑液體沸騰換熱的因素有哪些呢?
下面我們就來一一分析。其實(shí)沸騰換熱系數(shù)與氣泡的大小、氣泡的速度等因素有關(guān)。
一:制冷劑液體物理性質(zhì)的影響
制冷劑液體的熱導(dǎo)率、密度、粘度和表面張力等有關(guān)物理性質(zhì),對沸騰換熱系數(shù)有直接的影響。
熱導(dǎo)率較大的制冷劑,在傳熱方向的熱阻就小,其沸騰換熱系數(shù)就大。
蒸發(fā)器在正常工作條件下,蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑與傳熱壁面的溫差,一般僅有2 ~ 5℃,其對流換熱的強(qiáng)烈程度,取決于制冷劑液體在汽化過程中的對流運(yùn)動程度。
沸騰過程中,氣泡在液體內(nèi)部的運(yùn)動,使液體受到擾動,這就增加了液體各部分與傳熱壁面接觸的可能性,使液體從傳熱壁面吸熱更為容易,沸騰過程更為迅速。密度和粘度較小的制冷劑液體,受到這種擾動就較強(qiáng),其對流換熱系數(shù)就越大。
制冷劑液體的密度及表面張力越大,汽化過程中氣泡的直徑就較大,氣泡從生成到離開傳熱壁面的時間就越長,單位時間內(nèi)產(chǎn)生的氣泡就少,換熱系數(shù)也就小。
氟利昂的熱導(dǎo)率比氨的小,密度、粘度和表面張力都比氨的大,因此其沸騰換熱系數(shù)比氨的小。
二:制冷劑液體潤濕能力的影響
如果制冷劑液體對傳熱表面的潤濕能力強(qiáng),則沸騰過程中生成的氣泡具有細(xì)小的根部,能夠迅速地脫離傳熱表面,換熱系數(shù)也就較大。
相反,若制冷劑液體不能很好地潤濕傳熱表面,則形成的氣泡根部很大,減少了汽化核心的數(shù)目,甚至沿傳熱表面形成氣膜,使換熱系數(shù)顯著降低。常用的幾種制冷劑均為潤濕性的液體,但氨的潤濕能力要比氟利昂的強(qiáng)得多。
三:制冷劑沸騰溫度的影響
制冷劑液體沸騰過程中,蒸發(fā)器傳熱壁面上單位時間生成的氣泡數(shù)目越多,則沸騰換熱系數(shù)越大。單位時間內(nèi)生成的氣泡數(shù)目,與氣泡生成到離開傳熱壁面的時間長短有關(guān),這個時間越短,則單位時間內(nèi)生成氣泡數(shù)目越多。此外,如果氣泡離開壁面時的直徑越小,則氣泡從生成到離開的時間將越短。
氣泡離開壁面時,其直徑的大小是由氣泡的浮力及液體表面張力的平衡來決定的。浮力促使氣泡離開壁面,而液體表面張力則阻止氣泡離開。氣泡的浮力和液體表面張力,又受飽和溫度下密度差(液體和蒸氣的密度差)的影響。氣泡的浮力和密度差成正比。液體的表面張力與密度差的四次方成正比。
所以,隨著密度差的增大,液體表面張力的增大速度,比氣泡浮力的增大速度大得多,這時氣泡只能依靠體積的膨脹來維持平衡,因此氣泡離開壁面時的直徑就大。密度差的大小與沸騰溫度有關(guān),沸騰溫度越高,飽和溫度下的密度差越小,汽化過程就會更迅速,換熱系數(shù)就更大。上面說明了在同一個蒸發(fā)器中,使用同一種制冷劑時,其換熱系數(shù)隨著沸騰溫度的升高而增大。
四:蒸發(fā)器構(gòu)造的影響
液體沸騰過程中,氣泡只能在傳熱表面上產(chǎn)生,蒸發(fā)器的有效傳熱面是與制冷劑液體相接觸的部分。所以,沸騰換熱系數(shù)的大小與蒸發(fā)器的構(gòu)造有關(guān)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,肋片管上的沸騰換熱系數(shù)大于光管,而且管束上的大于單管的。
這是由于加肋片以后,在飽和溫度與單位面積熱負(fù)荷相同的條件下,氣泡生成與增長的條件,肋片管比光管有利。
由于汽化核心數(shù)的增加和氣泡增大速度的降低,使得氣泡很容易脫離傳熱壁面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,肋片管束的沸騰換熱系數(shù)大于光管管束的。有資料介紹,在相同的飽和溫度下,Rl2在肋片管管束的沸騰換熱系數(shù)比光管管束大70%,而R22的大90%。
根據(jù)以上分析,蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)該保證制冷劑蒸氣能很快地脫離傳熱表面。
為了有效地利用傳熱面,應(yīng)將液體制冷劑節(jié)流后產(chǎn)生的蒸氣,在進(jìn)入蒸發(fā)器前就從液體中分離出來,而且在操作管理中,蒸發(fā)器應(yīng)該保持合理的制冷劑液體流量。
此外,制冷劑中含油,對沸騰換熱系數(shù)也有一定影響,而且其影響程度與含油濃度有關(guān)。
一般說,當(dāng)制冷劑含油濃度不大于6%時,可不考慮這項(xiàng)影響,含油量更大時,會使沸騰換熱系數(shù)降低。