74沸騰傳熱的模式

#7.4沸騰傳熱的模式液體的汽化(v叩orization)可區(qū)分為蒸發(fā)(evaporation)和沸騰(boiling)兩種。前者指發(fā)生在液體表面上的汽化過程，后者則指在液體內部以產(chǎn)生汽泡的形式進行的汽化過程。就流體運動的動力而言，沸騰過程又有大容器沸騰，又稱池沸騰(poolboiling)和管內沸騰(in-tubeboiling)?o大容器沸騰時流體的運動是由于溫差和汽泡的擾動所引起的，而管內沸騰則需外加的壓差作用才能維持。本節(jié)通過大容器沸騰的介紹闡明沸騰傳熱的機理和基本特點，管內沸騰則留待到沸騰傳熱的影響因素中去介紹。大容器飽和沸騰的三個區(qū)域現(xiàn)在來做一個觀察沸騰傳熱現(xiàn)象的實驗。在盛水的燒杯中置入一根不銹鋼細管，通電加熱以使其表面上產(chǎn)生汽泡。燒杯底下的電熱器用于將水加熱到飽和溫度，這樣在不銹鋼管表面上進行的沸騰稱為飽和沸騰( saturatedboiling)o隨著電流密度的加大，亦即表面溫度與飽和溫度的溫差 At=tw-ts(稱為過熱度)的增加，燒杯中的水與不銹鋼管表面之間的熱交換會依次出現(xiàn)以下區(qū)域(如圖7-14所示)：124610 100 10002(X)0型面過熱度AfT,TjP圖7-14飽和水在水平加熱面上沸騰的q?At曲線(p=1.013WsPa)自然對流區(qū)：壁面過熱度較小(對于水在一個大氣壓下的飽和沸騰為At<4°C)時，壁面上沒有汽泡產(chǎn)生，傳熱屬于自然對流工況。核態(tài)沸騰區(qū)(nucleateboiling):當加熱壁面的過熱度At>4c后，壁面上個別地點(稱為汽化核心)開始產(chǎn)生汽泡，汽化核心產(chǎn)生的汽泡彼此互不干擾，稱孤立汽泡區(qū)，其沸騰景象如圖7-15a所示。隨著A進一步增加，汽化核心增加，汽泡互相影響，并會合成氣塊及氣柱，圖景如圖7-15b所示。在這兩個區(qū)中，汽泡的擾動劇烈，傳熱系數(shù)和熱流密度都急劇增大。由于汽化核心對傳熱起著決定性影響，這兩區(qū)的沸騰統(tǒng)稱為核態(tài)沸騰(或稱泡狀沸騰) 。核態(tài)沸騰有溫壓小、傳熱強的特點，所以一般工業(yè)應用都設計在這個范圍。核態(tài)沸騰區(qū)的終點為圖7-14中熱流密度的峰值點。(3)過渡沸騰區(qū)(transitionboiling):從峰值點進一步提高A，傳熱規(guī)律出現(xiàn)異乎尋常的變化。熱流密度不僅不隨 At的升高而提高，反而越來越降低。這是因為汽泡匯聚覆蓋在加熱面上，而蒸汽排除過程越趨惡化。這種情況持續(xù)到到達最低熱流密度為qmin為止。這段沸騰稱為過渡沸騰，是很不穩(wěn)定的過程。(4)膜態(tài)沸騰區(qū)(filmboiling):從qmin起傳熱規(guī)律再次發(fā)生轉折。這時加熱面上已形成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)則地排離膜層， q隨At的增加而增大。此段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。穩(wěn)定膜態(tài)沸騰在物理上與膜狀凝結有共同點，不過因為熱量必須穿過的是熱阻較大的氣膜， 而不是液膜，所以傳熱系數(shù)比凝結小得多。穩(wěn)定膜態(tài)沸騰的照片示于圖7-15C。位于過渡沸騰與穩(wěn)定膜態(tài)沸騰之間的熱流密度最低的點，文獻中稱為萊登佛羅斯特(Leidenfrost)點。當將水潑在灼熱的鋼板上時，會在短時間內在鋼板上形成很多不斷跳躍的小水滴， 這是因為在灼熱的鋼板上形成了膜態(tài)沸騰， 小水滴不斷地被形成的氣流帶向上面所致。 萊登佛羅斯特(Leidengfrost)是德國18世紀的醫(yī)生，他研究了這一現(xiàn)象，故而命名之。習慣上將包含自然對流在內的圖7-14所示的q?At曲線稱為大容器飽和沸騰曲線（saturatedpoolboilingcurve,其中核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰三個區(qū)域屬于沸騰傳熱的范圍。由以上討論可見，對于沸騰傳熱，過程進行的動力是壁面的過熱度，所以牛頓冷卻公式中的溫差是 At=tw-ts（b）氣柱汽塊區(qū)（c）膜態(tài)沸騰區(qū)圖7-15加熱面為金屬絲時的不同沸騰區(qū)域（本照片承日本Kanagawa大學M.Shoji教授提供）臨界熱流密度及其工程意義上述熱流密度的峰值qmax有重大實踐意義，被稱為臨界熱流密度（criticalheatflux，CHF）（俄文文獻常稱之為沸騰危機）。下面從熱流密度可控與加熱壁溫可控兩種情形來討論。對于依靠控制熱流密度來改變工況的加熱設備（如電加熱器）以及冷卻水加熱的核反應堆，一旦熱流密度超過峰值，工況將沿過4儂）（點的虛線跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰線，H將猛升至近1000r，可能導致設備的燒毀，所以必須嚴格監(jiān)視并控制熱流密度，確保在安全工作范圍之內。也由于超過它可能導致設備燒毀，所以qmax亦稱燒毀點。在圖7-14中的燒毀點附近，有個比qmax的熱流密度略小，表現(xiàn)為q上升緩慢的核態(tài)沸騰的轉折點DNB（DeparturefromNucleateBoiling的縮寫，意即偏離核態(tài)沸騰規(guī)律），可以用它作為監(jiān)視接近qmax的警戒。對于蒸發(fā)冷凝器等壁溫可控的設備，這種監(jiān)視是重要的。因為一旦q超過轉折點之值，就可能導致膜態(tài)沸騰，在相同的壁溫下使傳熱量大大減少。圖7-14中的具體數(shù)據(jù)是對水在一個大氣壓下的飽和沸騰采用不銹鋼管作為加熱面而得出的。不同工質在不同壓力和不同的加熱面條件下沸騰的參數(shù)（沸騰起始點、沸騰轉折點DNB、臨界熱流密度等）會隨之而異，但是沸騰傳熱現(xiàn)象演變的總體規(guī)律是類似的。氣泡動力學簡介為什么沸騰傳熱有那樣高的傳熱強度由圖7-14可見，在核態(tài)沸騰的范圍內，水沸騰時的熱流密度可以高達105~106W/m2的量級，比相同溫差變化范圍內水的強制對流傳熱的熱流密度至少高一個數(shù)量級。這樣高的傳熱強度主要是由于汽泡的形成、成長以及脫離加熱壁面所引起的各種擾動所造成的。因此，要進一步強化沸騰傳熱就要設法增加加熱表面上能產(chǎn)生汽泡的地點——汽化核心（nucleationsite）。加熱表面上什么地點最容易成為汽化核心在傳熱學的發(fā)展史上，曾經(jīng)認為加熱表面上的微小突起是產(chǎn)生汽化核心的有利地點。經(jīng)過近幾十年的研究和工程實踐，現(xiàn)已查明：壁面上的凹坑、細縫、裂穴等最可能成為汽化核心（圖7-16）。這是因為：首先，在表面上的狹縫地帶，處于狹縫中的液體所受到的加熱的影響比位在平直面上同樣數(shù)量的液體要多得多（圖7-16a）;其次，狹縫中容易殘留氣體，這種殘留氣體就自然成為產(chǎn)生汽泡的核心（圖7-16b）。所以，增加表面上狹縫、空穴與凹坑成為工程中開發(fā)強化沸騰傳熱的基本目標。

(a)受熱面積大的空穴內的液體(b)殘存在空穴內的氣體是孕育汽泡的有利場所(c)汽泡的長大過程(a)受熱面積大的空穴內的液體(b)殘存在空穴內的氣體是孕育汽泡的有利場所(c)汽泡的長大過程圖7-16加熱面上最有利于成為汽化核心的地點及汽泡的成長加熱表面上要產(chǎn)生汽泡液體必須過熱即使是表面上的空穴地帶，也不是其溫度一上升到液體的飽和溫度就會產(chǎn)生汽泡，而必須達到一定的過熱度。為說明其理由，試分析位于液體中的一個球形汽泡。設在流體中存在一個球形汽泡，如圖7-17所示，它與周圍液體處于力平衡和熱平衡條件下。由于表面張力的作用，汽泡內的壓力 Pv必大于汽泡外的壓力Pi。根據(jù)力平衡條件，汽泡內外壓差應被作用于氣液界面上的表面張力所平衡，即2RPvP.2R式中C為氣液界面的表面張力。若忽略液柱靜壓的影響，則Pi可認為近似等于沸騰系統(tǒng)的環(huán)境壓力，即Pi-Ps。而熱平衡則要求汽泡內蒸氣的溫度為Pv壓力下的飽和溫度tvo界面內外溫度相等，即t=%,所以汽泡外的液體必然是過熱的，過熱度為ti-tso貼壁處液體具有最大過熱度tw-ts，加上凹穴處有殘存氣體，壁面凹處最先能滿足汽泡生成的條件(7-15)ps故汽泡都在壁面上產(chǎn)生。式(7-15)給出了對于半徑為R的汽泡所必需的壓力差，即液體的過熱度。禾U用工程熱力學中克勞修斯-克拉貝龍(Clausius￡l叩eyron)方程［26］，可得出產(chǎn)生半徑為R的汽泡所需的過熱度2TsTTTs—-S (7-16)rvR平衡狀態(tài)的汽泡是很不穩(wěn)定的。汽泡半徑稍微小于式(7-5)所示半徑，表面張力大于壓差，則汽泡內蒸氣凝結，汽泡瓦解。只有半徑大于式 (7-5)所示半徑時，界面上液體不斷蒸發(fā)，汽泡才能成長。綜上所述可知，在一定壁面過熱度條件下，壁面上只有滿足式(7-15)條件的那些地點，才能成為工作的汽化核心。隨著壁面過熱度的提高，壓差pv-ps越來越高。按式(7-15)，汽泡的平衡態(tài)半徑R將遞減。因此，壁溫tw提高時壁面上越來越小的存氣凹穴處將成為工作的汽化核心，從而汽化核心數(shù)隨壁面過熱度的提高而增加。關于加熱表面上汽化核心的形成及關于汽泡在液體中的長大與運動規(guī)律的研究，無論對于掌握沸騰傳熱的基本機理以及開發(fā)強化沸騰傳熱的表面都具有十分重要的意義?，F(xiàn)有的預測沸騰傳熱的各種物理模型都是基于對