沸腾换热现象及分析

       在固-液界面上发生的蒸发,称之为沸腾。当表面温度Ts超过相应液体压力下的饱和温度ts时,就发生这种过程。热量从固体表面传向液体,牛顿冷却定律的相应形式为(3-1)
      其中山△t=tw-ts称为过热度.tw为壁面温度,ts为液体的饱和温度。这种过程的特点是有蒸汽泡形成,它们长大后脱离表面。蒸汽泡的生长和它的动态特性、过热度、表面特性以及诸如表面张力等流体的热物理参数之间有着很复杂的关系。反过来,蒸气泡形成的动态特性又影响表面附近流体的运动,从而对换热系数有强烈的影响。对于这些影响的洋细描述已超出本书范围。
      沸腾可以在各种不同条件下发生。例如,池内沸腾(或称大容器沸腾)指的是,液体总体是静止的,在表面附近的运动是由于自然对流以及气泡生长及脱离造成的扰动所致。与此不同,在强迫对流沸腾时,流体的运动除了由于自然对流和气泡造成的扰动以外,还由于外力所致。沸腾还可按照它是过冷的或是饱和的来分类;在过冷(或局部)沸腾时,液体的温度低于饱和温度,因而固体表面上形成的气泡最后还是要在液体中凝结,相反,饱和沸腾时,液体的温度超过饱和温度,固体表面上形成的气泡会在浮升力的推动下穿过液体,最后从自由表面上逸出。

(1)大容器饱和沸腾及其沸腾曲线

      加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称大容器沸腾。此时产生的气泡能自由浮升,穿过液体自由表面进人容器空间。 
      液体主体温度达到饱和温度ts,壁温tw高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。在饱和沸腾时,随着壁面过热度△t=tw-ts的增高,会出现4个换热规律全然不同的区域。水在一个大气压下的饱和沸腾曲线(图3-1)具有代表性。图中横坐标为壁面过热度面△t(对数坐标),纵坐标为热流密度q。这4个区域的换热特性如下:      壁面过热度小时(图3-1中△t<4℃),沸腾尚未开始,换热服从单相自然对流规律。 
      从起始沸腾点开始,在加热面的某些特定点上(称汽化核心〕产生气泡。开始阶段,汽化核心产生的气泡彼此互不干扰,称孤立气泡区,其沸腾景象如图3-2(a)所示。随着△t进一步增加,汽化核心增加,气泡互相影响.并会合成气块及气柱,图景如图3-2(b)所示。在这两区中,气泡的扰动剧烈,换热系数和热流密度都急剧增大。由于汽化核心对换热起着决定性影响,这两区的沸腾统称为核态沸腾(或称泡状沸腾)。核态沸腾有温差小、换热强的特点,所以一般工业应用都设计在这个范围。核态沸腾区的终点为图3-1中热流密度的峰值点。
      从峰值点进一步提高△t,换热规律出现异乎寻常的变化。热流密度不仅不随△t的升高而提高,反而越来越低。这是因为气泡汇聚覆盖在加热面上,而排除蒸汽过程越趋艰难。这种情况持续到到达最低热流密度qmin为止。这段沸腾称为过渡沸腾,是很不稳定的过程。图3-2(c)是过渡沸腾的照片。 
      从qmin起换热规律再次发生转折。这时加热面上已形成稳定的蒸汽膜层,产生的蒸汽有规则地脱离膜层,q随△t增加而增大。此段称为稳定膜态沸腾。稳定膜态沸腾在物理上与膜状凝结有共同点,不过因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜,而不是液膜,所以换热系数比凝结小得多。稳定膜态沸腾的照片示于图3-2(d)。
      上述热流密度的峰值qmax有重大意义,它被称为临界热流密度CHF(Citical Heat Flux)。对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备,如电加热器、对冷却水加热的核反应堆,一旦热流密度超过峰值,工况将沿qmax虚线跳至稳定膜态沸腾线,山将猛升至近1000℃,可能导致设备的烧毁,所以必须严格监视并控制热流密度,确保在安全工作范围之内。也由于超过它可能导致设备烧毁,所以qmax亦称烧毁点。在烧毁点附近(比qmax的热流密度略小),有个在图3-1上表现为q上升缓慢的核态沸腾的转折点DNB(Departure fiorll Nuclear Boling,意即偏离核态沸腾)点,它作为监视接近qmax的警戒,是很可靠的。对于蒸发冷凝器等壁温可控的设备,这种监视是重要的。因为一旦q超过转折点,就可能导致膜态沸腾,在相同的壁温下使换热量大大减少。
      以上是水的饱和沸腾曲线的概述。不同工质、不同压力、沸腾参数不同的沸腾现象的演变和其规律是类似的

沸腾换热现象及分析 

图3-2 不同沸腾状态(金属丝加热)

(a)孤立气泡区(核态沸腾)

(b)气块区(核态沸腾)

(c)过渡沸腾 

(d)稳定膜态沸腾

(2)汽化核心的分析 
      在核态沸腾区,气泡的扰动对换热起支配作用。气泡产生在汽化核心处。对影响汽化核心的因素和汽化核心数与壁面过热度的依变关系的分析,将有助于对核态沸腾现象及其换热规律的理解。 
      目前普遍认为,壁面的凹穴、裂缝最可能成为汽化核心。这些凹穴中残留的气体(包括蒸汽),由于液体表面张力的原因,很难彻底逐出,它们就成为孕育新生气泡的有利场所。下面我们对汽化核心的形成作一番分析。假设在流体中存在一个球形气泡,如图3-3所示,它与周围液体处于力平衡和热平衡。由于表面张力的作用,气泡内的压力pv必大于气泡外的压力pl。根据力平衡条件,气泡内外压差应被作用于汽液界面上的表面张力所平衡,即 
目前普遍认为,壁面的凹穴、裂缝最可能成为汽化核心。这些凹穴中残留的气体(包括蒸汽),由于液体表面张力的原因,很难彻底逐出,它们就成为孕育新生气泡的有利场所。下面我们对汽化核心的形成作一番分析。假设在流体中存在一个球形气泡,如图3-3所示,它与周围液体处于力平衡和热平衡。由于表面张力的作用,气泡内的压力pv必大于气泡外的压力pl。根据力平衡条件,气泡内外压差应被作用于汽液界面上的表面张力所平衡,即πR2(pv-pl)=2πRγ (3-2)式中,γ为单位长度汽液界面的表面张力(N/m)。若忽略液柱静压的影响,则pl可认为近似等于沸腾系统的环境压力,即pl≈ps。而热平衡则要求气泡内蒸汽的温度为pv压力下的饱和温度tv。界面内外温度相等,即ti=tv,所以气泡外的液体必然是过热的过热度为tv-ts。贴壁处液体具有最大过热度tw-ts,加上凹穴处有残存气体,壁面凹缝处最先能满足气泡生成的条件 (3-3) 故气泡都在壁面上产生。

      平衡状态的气泡是很不稳定的。气泡半径用小于式(3-3)所示的半径,表面张力大于压差,则气泡内蒸汽凝结,气泡瓦解。只有半径大于式(3-3)所示半径时,界面上液体不断蒸发,气泡才能成长。 
综上所述可知,在一定段面过热度条件下,壁面上只有满足式(3-3)条件的那些地点,才能成为工作的汽化核心。 
      随着壁面过热度的提高,压差pv-ps值越来越高。按式(3-3),气泡的平衡态半径R将递减。因此,壁温tw提高时,壁面上越来越小的存气凹穴处将成为工作的汽化核心,从而汽化核心数随壁面过热度的提高而增加。 
      关于加热表面上汽化核心的形成及关于气泡在液体中的长大与运动规律的研究,无论对于掌握沸腾换热的基本机理以及开发强化沸腾换热的表面都具有十分重要的意义。现有的预测沸腾换热的各种物理模型都是基于对成核理论及气泡动力学的某种理解而建立起来的。正是20世纪50年代末关于汽化核心首先是在表面上一些微小凹坑上形成的这一基本观点的确立,才导致了20世纪70年代关于沸腾换热强化表面开发工作的开展。关于汽化核心问组的近期研究成果可参阅文献。

(3)强迫对流沸腾简介 
      在大容器沸腾中,由加热面上产生气泡,气泡受浮力作用上浮,因此流体的运动主要受浮力驱动。而强迫对流沸腾(forced convection boiling)中,流体流动则是液体的直接运动和浮力的共同作用的结果。和强迫对流类似,强迫对流沸腾可分为外部强迫对流沸腾和内部强迫对流沸腾,后者一般被称为两相流(two-phase flow),它是以在流动方向上由液体迅速变为蒸汽为特征的。 
      1)外部强迫对流沸腾 
      对一加热平板的外部流动,其热流密度可利用标准的强迫对流关系式一直估算到沸腾开始之时。随着加热板温度增加,核态沸腾出现,引起热流密度增加。若蒸汽产生率不大,而且液体过冷,Bergles和Rohsenow建议用纯强迫对流和池内沸腾的组合来估算总热流密度。 
      2)管内沸腾(两相流)
      管内强迫对流沸腾时,由于产生的蒸汽混入液流,出现多种不同形式的两相流结构,换热机理亦很复杂。作为举例,图3-4显示了坚管内沸腾可能出现的流动类型及换热类型。流人管内的末饱和液体被管壁加热,到达一定地点时经面上开始产生气泡。此时液体主流尚未达到饱和温度,处于过冷状态,这时的沸腾为过冷沸腾。继续加热而使活流达到饱和温度时,即进入饱和核态沸腾区。饱和核态沸腾区经历着泡状流和块状流(气泡汇合成块,亦称弹状流)。含汽量增长到一定程度,大汽块进一步合并,在管中心形成汽芯,把液体排挤到暨面,呈环状液膜,称为环状流。此时换热进人液膜对流沸腾区。环状液膜受热蒸发,逐渐减薄,最终液膜消失,反蒸汽直接与壁面接触。液膜消失称为蒸干。此时,由于换热恶化,会使壁温猛升,造成对安全的威胁。对湿蒸汽流的继续加热,使工质最后进人于蒸汽单相换热区。横管内沸腾时,重力场对两相结构有影响而出现新的特点,所以管的位置是影响管内沸腾的因素之一。在管内沸腾中,最主要的影响参数是含汽量(即蒸汽干度)、质量流量和压力。

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