热质交换原理与设备-第三章VIP专享VIP免费

§3.1沸腾换热§3.2凝结换热§3.3固液相变传热第三章相变热质交换原理第三章相变热质交换原理3.1沸腾换热3.1.1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。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，最后从自由表面上逐出。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入容器空间。液体主体温度达到饱和温度，壁温高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。在饱和沸腾时，随着壁面过热度的增高，会出现4个换热规律全然不同的区域。水在1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(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Δt＜4℃)，沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流规律。(1)大容器饱和沸腾及其沸腾曲线从起始沸腾点开始，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，随着Δt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。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苦决定性影响，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。从峰值点进一步提高，换热规律出现异乎寻常的变化。热流密度不仅不随Δt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。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Δt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(4)。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(CriticalHeatFlux)。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，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(DeparturefromNuclearBoiling，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。不同上质、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。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...