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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。
< br>
（
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<
/p>
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
< br>（
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：
R
?
R<
/p>
min
?
2
?<
/p>
T
s
r
?
v
?
t
w
?
t
s
?
其中：
?
?
?
表
面
张
力
r
－
－
汽
化
潜
热<
/p>
?
v
－
－
蒸
气
密
度
t
w
－
－
壁
面
温
度
t
s
－
－
对
应
压
力
下<
/p>
的
饱
和
温
度
可见，随过热度
t
w
?
t
s<
/p>
增加，
R
min
减少，于是在同一加热面上
R
?
R
min
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。
（
< br>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。
< br>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：
r
c
?
2
?
T
s
?
v
?
L
(
T
?
< br>T
s
)
h
fg
?
L
?
?
G
对于活化分子团：
r
c
?
2
?
T
s
?
v
?
L
(
T
?<
/p>
T
s
)
h
fg
?
L
?
?
G
3
?
?
16
??
?
?
3
kT
ln
nkT
/
?
J
?
?
?
?
< br>1/
2
（
4
）异相泡核的形成
Cole<
/p>
提出在均相气核的形成式子上作如下修正：
r
c
?
2
?
T
s
?
v<
/p>
?
L
(
T
?
T
s
)
h
fg
?
L
?
?
G
?
< br>16
??
3
f
< br>?
?
?
?
?
?
3
kT
ln
nkT
/
?
J
?
?
?
?
1/
2
对固体表面：
f
?
?
?
?
1
?
2
?
3<
/p>
cos
?
?
co
s
?
?
4<
/p>
3
对球面凸面或空穴：
1
?
r
?
f
?
?
?
?
[
?
?
s<
/p>
?
2
?
r
c
?
3
?
r
?
?
?
s
?
2
?
r
c
?
2
3
?
1
?
co
s
?
?
?
2<
/p>
?
cos
?
?<
/p>
?
?
1
?
cos
?
?
?
2
?
cos
?
?
?
1
?
cos
?
?
cos
?
?
?
1
?
cos
?
?
]
2
2
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]<
/p>
得出：
f
?<
/p>
?
?
?
1
?
2
?
3
sin
?
?
?
?
?
?
sin
3
?
?
?
?
?
?
?
4
?
（
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：
T
G
?
T
L
；<
/p>
化学势相等，即：
?
< br>G
?
?
L
；
压强关系：
p
< br>G
?
p
L
?
2
?
r
，
其中，
p
G
、
p
L
为界面两侧的蒸汽和液体的压力，
?
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
<
/p>
（
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
?
t
?
t
w
?
t
s
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<
/p>
℃）
，
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
q
max
,
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
q
c
，也就是图中的
q
max
。
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
q
min
。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
< br>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，
< br>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，<
/p>
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：
h
?
f
?
?
t
,
g<
/p>
?
?
l
?
?
v
?
,
r
,
?
,
c
p
,
?
,
?
,
C
w
?
其中：
C
w
为沸腾液体与接触表面材料有关的系数。
< br>
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