沸腾换热进展

沸腾换热进展

当液体与高于其饱和温度的壁面接触时，液体被加热汽化而产生大量汽泡的现象称为沸腾。

液体在加热面上沸腾时的换热过程，是具有相变点的两相流换热。当加热壁

面温度T

W 超过液体的饱和温度 T

S

并达到一定数值时，液体即在加热面的某些点

上形成汽泡。这些点称为汽化核心，通常出现在加热表面的凹坑上。汽泡形成后不断长大、脱离、上浮。汽泡在成长大过程中吸收大量汽化潜热，汽泡的脱离和上升动又产生剧烈扰动，所以沸腾换热比单相流体的对流换热强烈得多。一．沸腾换热

1.沸腾换热分类

沸腾有多种形式。如果液体的主体温度低于饱和温度，汽泡在固体壁面上生成、长大，脱离壁面后又会在液体中凝结消失，这样的沸腾称为过冷沸腾；若液体的主体温度达到或超过饱和温度，汽泡脱离壁面后会在液体中继续长大，直至冲出液体表面，这样的沸腾称为饱和沸腾。如果液体具有自由表面，不存在外力作用下的整体运动，这样的沸腾又称为大容器沸腾（或池沸腾）；如果液体沸腾时处于强迫对流运动状态，则称之为强迫对流沸腾，如大型锅炉和制冷机蒸发器的管内沸腾。

（1）大空间沸腾与有限空间沸腾

高于饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所进行的沸腾，称为大空间沸腾，又称池沸腾；沸腾过程受到沸腾空间的限制，沸腾产生的蒸汽和液体混合在一起，构成汽液两相混合物（两相流），称为有限空间沸腾，又称受迫对流沸腾或管内沸腾。

图1 加热表面

（2）过冷沸腾与饱和沸腾

流体处于末饱和状态即流体温度低于饱和温度的沸腾现象，称为过冷沸腾；而液体温度始终保持大于液体的饱和温度，则称为饱和沸腾。

2. 沸腾换热机理

（1）气泡的成长过程

实验表明，沸腾只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面，这些产生气泡的点称为汽化核心，一般认为，壁面的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心。

图2 气泡的成长过程

（2）气泡存在的条件

气泡半径R 必须满足下列条件(克拉贝龙方程)才能存在：

()

min 2s v w s T R R r t t σρ≥=

-

其中： v w s r t t σρ--表面张力

－－汽化潜热

－－蒸气密度

－－壁面温度

－－对应压力下的饱和温度

可见，随过热度w s t t -增加，min R 减少，于是在同一加热面上min R R >的凹坑数将增多，即汽化核心数增加，产生气泡的密度增加。换热得到增强。

（3）均相泡核的形成

Cole [1]提出了均相泡核形成的运动学的看法。液体分子的能量是以一定方式分布的，其中只是一小部分的分子所具有的能量高于平均能量很多。由于液体中密度的波动有可能使足够数量的具有高于平均能量的分子聚合到一起，形成一个分子团，其平衡式为：

2()s v

L

c s fg L G

T r T T h σρρρρ=

--

对于活化分子团：

()1/2

3

216()3ln /s v

L

c s fg L G

T r T T h kT nkT J σρρπσρρυ⎡⎤=

⎢⎥--⎣⎦

（4）异相泡核的形成

Cole 提出在均相气核的形成式子上作如下修正：

()()1/2

3162()3ln /s v L

c s fg L G

f T r T T h kT nkT J πσθσρρρρυ⎡⎤=

⎢⎥--⎣⎦

对固体表面：

()()3

1

23cos cos 4

f θθθ=

+-

对球面凸面或空穴：

()()()()()3

22

1[1cos 2cos 1cos 2cos 2s c r f r θααφφ⎛⎫

=±-+--+ ⎪

⎝⎭

()()231cos cos 1cos ]2s c r r αθφ⎛⎫+-+- ⎪⎝⎭

平面 球面 锥形空穴

图3 平面、球面、锥形空穴气核

对圆锥形空穴，Kottowski [2]得出：

()()()31

23sin sin 4f θθφθφ⎡⎤=

--+-⎣

⎦ （5）气液界面平衡条件[3]

蒸汽温度与液体温度相等，并且均匀，即：G L T T =； 化学势相等，即：G L μμ=； 压强关系：2G L p p r

σ-=

，其中，G p 、L p 为界面两侧的蒸汽和液体的压力，

σ为表面张力，r 为界面半径。

图4 在加热面上的空穴上气泡的形成

（6）大容器沸腾－－饱和沸腾曲线

把一个加热器浸没在饱和水中，使之温度逐步增加，并观察加热器表面上的沸腾过程，并得出加热热流密度q 与过热度w s t t t ∆=-的关系曲线，这就是饱和水大空间沸腾曲线，如图所示。

图5 大容器饱和沸腾曲线

沸腾曲线可以分为四个主要的区域：

a.自然对流:当沸腾温差 比较小时（一般<5℃），加热面上只有少量汽泡产生，并且不脱离壁面，看不到明显的沸腾现象，热量传递主要靠液体的自然对流传递，因此可近似地按自然对流换热计算。

图6.自然对流

b.核态沸腾

如果沸腾温差 继续增加，加热面上产生的汽泡将迅速增多，并逐渐长大，直到在浮升力的作用下脱离加热面，进入液体。这时的液体已达到饱和，并具有一定的过热度，因此汽泡在穿过液体时会继续被加热并长大，直至冲出液体表面而进入气相空间。由于加热面处液体的大量汽化以及液体被汽泡剧烈地扰动，换热非常强烈，热流密度q 随t ∆迅速增加，直至出现峰值max q ,这一阶段的沸腾状态被称为核态沸腾（或泡态沸腾）。其汽泡的生成、长大及运动对换热起决定作用。核态沸腾的温差小（5℃<∆t<50℃）、换热强，在工业上被广泛应用。

图7 核态沸腾

c. 临界点的沸腾

当壁面过热度达到某一程度时，出现气泡来不及脱离加热面而连成不稳定的气膜，即从核态沸腾开始向膜态沸腾过渡。这时出现了临界点，其热流密度称为临界热负荷c q ，也就是图中的max q 。

图8 临界点的沸腾

d.过渡沸腾