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TW 超过液体的饱和温度 TS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 vLc s fg L GT r T T h σρρρρ=--对于活化分子团：()1/23216()3ln /s vLc s fg L GT 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：()()1/23162()3ln /s v Lc s fg L Gf T r T T h kT nkT J πσθσρρρρυ⎡⎤=⎢⎥--⎣⎦对固体表面：()()3123cos cos 4f θθθ=+-对球面凸面或空穴：()()()()()3221[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：()()()3123sin 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 rσ-=，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.过渡沸腾继续提高沸腾温差t ∆（>50℃） ，则热流密度q 不仅没有增加，反而迅速降低至一极小值min q 。

这是由于产生的汽泡过多且连在一起形成了汽膜，覆盖在加热面上不易脱离，使换热条件恶化所致。

这时的汽膜不断破裂成大汽泡脱离壁面，其换热状态是不稳定的。

这一阶段称为过渡沸腾。

图9 过渡区e.稳定膜态沸腾之后，随着温差t ∆的继续提高，加热面上开始形成一层稳定的汽膜，此时的汽化在汽液界面上进行，热量除了以导热和对流的方式从加热面通过汽膜传到汽液界面外，热辐射传热方式的作用也随着 温差的增加而加大，因此热流密度q 也随之增大。

图10 稳定膜态沸腾3 沸腾换热影响因素影响沸腾换热的因素有多方面，包括影响汽泡在壁面上产生、长大、跃离过程的所以因素，其中最主要的是沸腾温差、压强、物性、壁面材料状况等。

故一般把它归纳为下列函数关系：()(),,,,,,,l v p w h f t g r c C ρρσλμ=∆-其中：w C 为沸腾液体与接触表面材料有关的系数。

大容器沸腾换热现象讨论影响沸腾换热的因素主要有：不凝结气体、过冷度、液位高度、重力加速度、沸腾表面的结构。

（1） 不凝结气体与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体存在会使沸腾换热得到某种程度的强化；（2） 过冷度只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时有()n w f h t t ∝-，因此，过冷会强化换热。

（3） 液位高度当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。

但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液 位的降低而升高(临界液位)。

液位高度对传热的影响见下图。

图11 水位高度与传热系数的关系（4） 重力加速度研究表明：从0.1 ~ 100⨯9.8 m/s 2 的范围内，重力加速度对核态沸腾换热规律没有影响，但对液体自然对流换热有显著影响。

（5） 沸腾表面的结构沸腾表面上的微笑凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。

近几十年来的强化沸腾换热的研究思路主要是增加表面凹坑。

目前有两种常用的手段：(1) 用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面上形成多孔结构。

(2) 采用机械加工方法造成多孔结构。

4 沸腾换热计算由于沸腾换热过程的复杂性，通过理论分析来解决沸腾换热问题几乎是不可能的，因而实验研究常常是解决沸腾换热的主要途径。

（1）罗森诺（Rohsenow ）计算式——广泛适用的强制对流换热公式()()31/2,,Pr p l w s l v l w l l c t t g q r C r ρρμσ⎡⎤--⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦可见，3~q t ∆，因此，尽管有时上述计算公式得到的q 与实验值的偏差高达 100％，但已知q 计算t ∆时，则可以将偏差缩小到33％。

这一点在辐射换热中更为明显。

计算时必须谨慎处理热流密度。

（2）米海耶夫的大空间沸腾计算式——适用压力范围：105～4⨯106 Pa 两种沸腾换热表面传热系数表示形式：0.70.150.533h qp=； 2.330.50.122h t p =∆其中：2/h W m K --⋅沸腾换热表面传热系数， p Pa －－沸腾绝对压力， t ∆－－壁面过热度 q －－壁面热流密度（3）适用于制冷工质沸腾换热的Cooper 关联式 沸腾换热表面传热系数表达式：0.670.50.55(lg )m rr r h C qM p p --=-其中：0.330.6690/()C W m K =⋅0.120.21l g {p m m R μ=-r M ——液体的分子量 r p ——对比压力 p R ——表面平均粗糙度 q ——热流密度 （4）大容器沸腾的临界热流密度1/41/2m ax 2()[]()24l v l vv vlg q r γρρρρπρρρ-+=实验修正值：1/21/4m ax 0.18[()]v l v q r g ργρρ=- （5）大容器膜态沸腾的关联式a.水平管外的膜态沸腾 换热系数：31/4()0.62[]()v l v vv w s gr h d t t ρρρλμ-=-式中，除了r 和l ρ的值由饱和温度 ts 决定外，其余物性均以平均温度 t m ＝( t w ＋t s ) / 2 为定性温度，特征长度取管子外径d 。

如果加热表面为球面，则把上式中的系数改为0.67b.考虑热辐射作用由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此有必要考虑热辐射换热的影响。

热辐射的影响存在有正反两个方面，一是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。

因此，必须综合考虑热辐射效应。

勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：4/34/34/3conv radhh h =+其中，辐射换热传热系数：44()w s rad w st t h t t εσ-=-二、沸腾换热研究进展沸腾的基本过程主要包括这样几个方面：汽泡的形成, 汽泡的成长,气泡的破碎。

蒸汽泡的形成需要汽化核心,它可以是加热壁面禹的饰痕或空穴, 也可以是被加热液体中悬浮的气体、蒸汽或其它微小的悬浮物[4]。