党超，贾力等
（微细尺度流动与相变传热北京市重点实验室）
图1 核态池沸腾实验装置
Fig. 1 Experimental setup of nucleate pool boiling
该部分研究内容以R134a/R245fa非共沸混合制冷剂及其纯组分工质作为实验工质，开展了核态池沸腾特性的实验研究，并进行传热机理分析。明确了纯制冷剂与非共沸混合制冷剂核态池沸腾曲线及传热系数变化情况的异同之处，在此基础上，提出了非共沸混合制冷剂的传热退化因子，进而构建了非共沸混合制冷剂核态池沸腾模型，提出了沸腾过程中的“三个阶段”与“两个转捩点”的概念，并建立了相关分析模型。
图2核态池沸腾曲线与传热系数
Fig. 2 Nucleate pool boiling curves and heat transfer coefficient
在孤立气泡区域（Zone II），纯制冷剂R134a与R245fa的热流密度随壁面过热度的增长速度均明显小于气泡聚并区域（Zone III），这主要是因为在孤立气泡区域，沸腾表面的气化核心尚未被充分激活，且自然对流效应的存在及其影响仍不容忽略。但随着热流密度的上升，沸腾表面上越来越多的气化核心不断被激活，且传热机理逐渐由核态沸腾机制主导，核态池沸腾传热系数随热流密度的增长速度反而会稍大一些。在气泡聚并区域（Zone III），沸腾表面的气化核心基本上已被充分激活，传热机理由核态沸腾机制主导，自然对流效应的作用可以忽略不计，故核态沸腾曲线的斜率明显增大。尽管该区域沸腾表面附近已经出现较为明显的气泡聚并现象，但气泡的脱离情况仍然十分良好，因此，纯制冷剂R134a与R245fa核态沸腾传热系数依旧保持稳定较快增长的趋势。在气泡聚并区域，R245fa的核态沸腾传热系数明显高于R134a，这与孤立气泡区域的情况恰好相反，因为R245fa具有较大的液-气密度比，对于气泡的脱离非常有利。
实验混合工质Mix 1至Mix 5的沸腾起始点（ONB）均出现显著延迟，因为非共沸混合制冷剂中低沸点组分工质R134a会首先起沸，但其气化成核过程需要克服由于高沸点组分工质R245fa存在而造成的附加传质阻力。此外，混合工质Mix 1至Mix 5各自的孤立气泡区域也呈现出不同程度的整体滞后的现象，但是，在气泡聚并区域，Mix 1至Mix 5在高热流密度时对应的壁面过热度均比相同实验条件范围内纯组分工质R134a要小，同时，考虑到非共沸混合制冷剂具有较高的CHF，其最重要的原因是附加传质阻力的存在弱化了气泡聚并程度，进而延迟了气块气柱的出现。另外，对于混合工质Mix 1与Mix 2而言，其孤立气泡区域的范围明显小于另外三种混合工质Mix 3至Mix 5，因为混合工质Mix 1与Mix 2具有较大的液-气密度比，导致其核态池沸腾过程中气泡脱离直径较大。
图3非共沸混合制冷剂核态池沸腾传热退化因子及转捩点
Fig. 3 Nucleate pool boiling heat transfer degradation factor and inflection points of zeotropic mixtures
- 虚拟充分发展核态沸腾（从ONB点到第一个转捩点）: R134a/R245fa非共沸混合制冷剂中低沸点组分R134a首先起沸，并且其核化程度随热流密度增加而逐渐增强。
- 虚拟双沸腾（从P-FDNB点到第二转捩点）: R134a/R245fa非共沸混合制冷剂中低沸点组分R134a的核化程度已经不再增强，并且高沸点组分R245fa仍然没有起沸。
- 滞后沸腾（P-DB点之后）:R134a/R245fa非共沸混合制冷剂中高沸点组分R245fa开始起沸，并且其核化程度随热流密度增加而逐渐增强。值得注意的是，低沸点组分R134a在该阶段仍处于沸腾过程中。与虚拟双沸腾阶段相反的是，高沸点组分工质逐渐增强的沸腾过程会使其在沸腾表面附近的局部微浓度相对降低，导致混合工质Mix 3至Mix 5的附加传质阻力轻微上升，而Mix 1与Mix 2则轻微下降，这也解释了该阶段混合工质Mix 3至Mix 5传热退化因子上升速度相对较快的原因。
- 对于P-FDNB点而言：P-FDNB点处对应的壁面过热度变化情况与非共沸混合制冷剂温度滑移特性曲线的变化情况相似。因为在该点处，混合工质核态池沸腾过程中，不仅需要克服核化后气泡生长脱离时从初始状态到气-液相平衡状态过程中的传质阻力，还需要克服低沸点组分工质核化过程中由于高沸点组分工质存在而造成的核化阻力。
- 对于P-DB点而言：P-DB点处对应的壁面过热度基本不随工质混合比的变化而变化，稳定在某一值附近。这表明非共沸混合制冷剂中高沸点组分工质与低沸点组分工质在该点处可以以既定比例同时沸腾，也就是说，在该点处，混合工质核态池沸腾过程中需要克服的附加传质阻力仅包含核化后气泡生长脱离时从初始状态到气-液相平衡状态过程中的传质阻力。
结论
- 对所有实验工质而言，核态池沸腾曲线在孤立气泡区域的斜率均小于气泡聚并区域，而核态池沸腾传热系数斜率的变化情况则与之相反。
- 非共沸混合制冷剂的核态池沸腾CHF比对应纯组分工质高；非共沸混合制冷剂的ONB点甚至整个孤立气泡区域均有所滞后，且滞后程度与工质混合比相关；除了部分热流密度较高的情况外，非共沸混合制冷剂的核态池沸腾传热系数均低于对应的理想传热系数。
- 根据传热退化因子的变化趋势以及附加传质阻力的分析，提出了非共沸混合制冷剂核态池沸腾的三阶段假说模型，包括虚拟充分发展核态沸腾（P-FDNB）、虚拟双沸腾（P-DB）和滞后沸腾阶段；随着局部微浓度场的变化，Mix 1与Mix 2附加传质阻力的变化与Mix 3至Mix 5相反。
- 非共沸混合制冷剂在ONB点与P-FDNB点处对应的壁面过热度随工质混合比的变化趋势与其温度滑移特性曲线相似，但是，在P-DB点处对应的壁面过热度则基本不随工质混合比变化。
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