第五章流动沸腾传热

第五章流动沸腾传热

主要内容 5.1 流动沸腾概述 5.2 欠热沸腾传热 5.3 饱和沸腾传热 5.4 临界热流密度 5.5 临界热流后传热区

5.1 流动沸腾概述 一、管内流动传热

5.1 流动沸腾概述 一、管内流动传热上图是低加热热流和高加热热流下垂直均勻加热管道内流动沸膊下的流型演变、传热工况过渡、壁温和流体温度分布变化概图。上图左边为入口欠热液体，管壁受低热流密度加热，质量流速大小恰使流道出口为单相蒸气流动。下面为大家介绍上面各图中的分区。

1.单相流休对流传热区(A区) • 该段内液体受热升温，滠度低于饱和值，虽部分区段加热面壁温髙于饱和温度，但仍低于形成气泡所需的壁面过热度值。液体与壁面之间的传热机理与管内单相液体的对流传热相同，两者之间的温度差基本保持不变。 • 2.欠热泡核沸腾区（B区） • 壁温高于水昀饱和温度，壁面热附面层的某些点上具备成核条件，产生了少量气泡，这些场合称为沸腾起始点。一旦开始核化后，可能因俘获残留蒸气或气体作用，壁温出现明显降落，即核化所需过热度比初始值降几度。这一区域视主流欠热度的高低可细分为高欠热泡核沸腾区和低欠热泡核沸腾区。

(1)高欠热泡核沸腾区 • 又称局部欠热沸腾区或壁面含气区，主流具有很高的欠热度，即使离加热表面约0.1mm处，液体温度也比饱和温度低得多。由于沸騰气泡的扰动作用，壁温基本保持不变，主流温度升髙，传热强度高于单相对流区，两者之间的温差沿流道呈线性关系。 • (2)低欠热泡核沸腾区 • 简称低欠热沸腾区，又称充分发展欠热沸腾区。随着液体逐渐受热，靠近壁面的液体边界层温度和壁面温度不断升高、不断升温，伹主流仍处于欠热状态。一方面，壁面上气化核心增多，气泡布满壁面；另一方面，气泡可以长大到逸离壁面的尺寸，并渗人主流，可能在主流中凝缩，流型处于泡状流。壁面和管内流体间的传热主要由泡核沸腾控制，传热强度提高，气泡份额快速增大，体系处于热力学不平衡状态。

3.饱和泡满腾区（C，D区） • 饱和泡核沸鵬区又称为主流沸腾区，流体主流温度达到饱和温度。可以出现泡状流动、弹状流动和环状流动。在整个饱和泡核沸腾区内，因沸腾的作用，传热强度极离。又由于沿途含气率不断增加，两相流速不断提高，沿途传热系数略有升高，壁面温度略有降低。 • 4.强制对流蒸发区（E，F区） • 在环状流区，主流处于饱和温度。液膜因不断蒸发和液滴夹带，逐渐变薄，膜流体流速大，管壁对液膜的传热系数髙，使壁面过热度下降。在一定条件下，壁面过热度可能下降到低于核化形成气泡所需的过热度值。使核化抑制，传热机理发生变化，气液交界面处液体发生气化，进人两相强鯆对流蒸发传热，传热非常有效，传热系数又有增加，壁面与主流之间的温差进一步降低。

5.缺液区传热（G区） • 由于液膜蒸发剧烈，液膜愈来愈薄，某一定临界含气率下，液膜蒸发殆尽，这一现象称为干涸。此时，液相以液滴状态弥散在气流中，壁面与流体之间的液膜层已为气液混合物代替，因而传热恶化，传热系数陡降，壁温显著升高，传热机理发生了变化，故也称临界热流现象。当壁温超过Leidenfrost温度后，液滴与壁面之间呈干碰撞，壁面处逐渐形成稳定的蒸气膜。壁温不断上升，蒸气相出现过热，液相仍处于饱和温度状态，两相再次处于热力学不平衡状态。同时，随著壁温升高，管内两相流速不断增高，辐射传热份额开始增加，使总传热系数可能有提高，称为缺液区传热。 • 6.单相蒸气对流传热（H区） • 气流夹带的液滴全部蒸发完后，进人单相蒸气区，传热变成为壁面与单相过热蒸气之间的对流传热，体系又处于热力学平衡态,气体与壁面之间的温差又基本保持不变。

二、沸腾图 上述竖直管内向上流动流体传热演变简单分析表明，随着流体沿途蒸发，流型发生变化，表征了传热特性发生变化。随着含气率变化，传热系数也在改变。局部传热系数和平衡含气率分别定义为（5-1）（5-2）式中，Tb为主流温度，是流体平均焓达到液体饱和焓时的流道长度。将h-x图或q-x图称为沸腾图，分别示于下图a、b。

图上分别定性地标明了对应的传热区间，由图5-2b可见，曲线1对应较低热流密度下的垂直向上流工况。它经历单相液体对流区A,欠热沸腾区B,饱和泡核沸腾区C和D,强制对流蒸发区E和F，通过干涸点后进人缺液区G,最后达到单相蒸气对流区H。对应地，于图a内,单相液体区的对流传热系数，随液体温度升高缓慢地呈线性增加;在欠热沸腾区内，因沸腾传热加强，使h(z)快速增大；饱和沸腾区内，液体的平均温度处于饱和状态，传热主要由沸腾控制，传热温差基本不变，使h(z)基本上为一定值；在强制对流区内，由于流速不断增加，对流传热逐渐加强，h(z)再次快速呈线性并高，直到干涸点；进人缺液区后，传热系数降到最低点后又逐渐增加。在图b内，由于是均勻加热，上述变化表现为一条平行于x轴的直线。干涸（或临界热流密度）之前的区域称为临界热流前传热区，干涸（或临界热流）之后的区域，则称为临界热流后传热区(Post-CHF)。

图中，其余六条曲线，是在同入口流量，不同加热热流密度下的定性变化过程。曲线（II）与曲线（I）变化基本相同，由于热流密度増大，起始沸腾点向入口方向移动，沸腾出现早。泡核沸腾区内，传热温差基本不变，h随q增大而增强。强制对流区，传热系数没有什么变化，仅在较低的含气串处发生干涸。曲线(III), (IV), (V)变化类似，由于加热热流密度增大，一方面起始沸腾点出现更早，欠热沸腾区和饱和泡核沸腾区传热系数进一步增加；另一方面在更低的含气率处出现传热恶化，由于热流密度较高，使壁面发生强烈沸腾，这种临界热流密度现象与大容器池内沸腾的临界热流密度现象相似c局部地区的气泡底部干涸斑扩大，或大量产生气泡，并聚集于壁面，形成隔离液体主流的气膜层，导致传热系数急剧下降，壁温骤然升髙。与高含气率下的干涸现象相比，壁温升高更多，甚至可能发生金扃迅速烧毁。在q-x图中，标注了这种实际烧毁线。这种临界热流现象又称为偏离泡核沸腾(DNB)或沸腾危机。

曲线(VI)和(VII)变化相似，在欠热沸腾区即出现临界热流密度现象，从饱和泡核沸腾转变成饱和膜态沸腾，或欠热泡核沸腾转变成欠热膜态沸腾，发生转变的初期，流型为反环状流，尔后随含气量增大，转变为气膜块状流，弥散流，最后进人单相蒸气区。其流型演变、流体温度变化及壁温变化如图b。图c和d是用热流密度q、流动质量含气率x和温度作为坐标表示的三维流动沸腾传热区曲面图，称为沸腾曲面。图c上标注了对应图b的各传热区曲面，田d上标注了对应（I) - (VII)7种工况的变化迹线

图5-3是均匀加热垂直流道截面Z处的沸腾曲线。在一定条件下，使试验段下游末端发生临界热流现象后，继续增加均匀热流密度，则干涸点上移并超过断面Z,使其处于膜态沸腾，测得实线表示的沸腾曲线。随后降低均勻热流，Z处壁温按虚线变化，与增加q的曲线相重合，经qCHF点返回泡核沸腾，测不到延迟现象。三、当地流动沸腾实验曲线

图5-4采用两个独立电源加热。最初按q1=q2方式加热，并使在q1末端出现干涸，则整个q2段处于膜态沸腾，测定Z处沸腾曲线，如实线所示。尔后保持q1不变，降低q2，测定Z处壁湿变化，则得虚线变化过程。发现当q2仍低于qCHF达一定值后，Z处再润湿，进入泡核沸腾。测得显著的类似池内沸腾曲线的延迟现象。热流控制法和准溫度控制法类似于这种加热过程

图5-5为瞬态实验。长流道末端的热块处于高温，该末端处于临界热流工况，Z处沸腾曲线如实线所示。尔后使热块迅速冷却，测定热块的温度随时间变化曲线，如图（b）所示，热块导热好、热容大，可作为集总参数系统处理。因此，图（b）代表了Z处的壁温随时间变化关系。因而 ,得到了（c）中虚线表示的壁温下降曲线，测得了过渡沸腾现象，但。

尽管流动沸腾复杂得多，出现了不同于池内沸腾的传热特性和传热区域，但也有相似之处。流动沸腾也具有欠热沸腾、饱和沸腾、临界热流密度现象、膜态沸腾等不同的沸腾工況。在低热流密度下，也有与池内沸腾相似的曲线。流动沸腾下qmin比qCHF小得多。当质量流速增大时，随qCHF增大，也增大。但是，值受到最大液体润湿温度控制，即不会超过的对应值。因而，一旦达到这种情况，qCHF = qmin,即直接由泡核沸腾向膜态沸腾转变，或由膜态沸腾反向泡核沸腾转变，发生在同一热流密度值。

对于水平布置均匀加热的管内流动，当质量流速不太小时，其流型变迁，传热模式变化和竖直管道的基本相同。但在低质量流速下，因重力和浮力效应，会引起相分布不对称性和层状流动。在波状流或环状流区，管道上部可能会发生间歇性干涸和润湿。不仅影响传热特征，还可能使临界热流现象提早出现。四、水平流道

5.2 欠热沸腾传热 欠热流体流动传热是指主流液体的平均温度低于饱和温度情况下的传热过程，它包括无沸腾段区的单相液体对流传热区，高欠热沸腾区和低欠热沸腾区。欠热沸腾区空泡份额计算已在第四章中作了介绍，本节主要介绍其传热计算。

一、各特征点计算 1.沸腾起始点（5-4）（5-5）（5-6）

过热度条件： 起始沸腾位置：根据Bowring:

2.低欠热沸腾

Pe<7000, Pe>7000, Pe=Nu∕St Pe>7000,St=常数； Pe<7000,St-Pe曲线的斜率为-1，即Nu=常数。

二.高欠热沸腾传热分析 传热从单相强迫对流传热向高欠热沸腾过渡，部分壁面产生气泡并为气泡覆盖，气泡之间的表面仍为单相传热控制。进入低欠热沸腾区，则加热面全部为气泡覆盖，传热主要由泡核沸腾控制。在整个高欠热沸腾区，Bowring提出传热由单相对流传热分量和沸腾传热分量构成。

高欠热沸腾传热密度方法 1.Bowring方法 2、Rohsenow方法 3、Bergles和Rohsenow方法

三.低欠热沸腾传热分析 实验表明，当流体表明组合一定时，低欠热泡核沸腾与饱和泡核沸腾的传热特性非常接近，常用相同的经验关系式估计。（5-29）（5-30）

四.欠热沸腾参数影响 • 迄今为止已进行了大量欠热沸腾实验研究，参数影响五分复杂，其机理尚无统一解释，不少论述彼此矛盾，存有争议，因此目前主要采用经验关系式。本节主要介绍其参数影响。

1.延迟效应 在池内沸腾下，活动成核起始点的热流密度值与其加热流加热时，所需起始成核热流密度高于按减少方向使其停止产生气泡所需的热流密度值，表现出沸腾延迟效应。另一方面，在同一入口流速下，随着热流密度增加，其实沸腾点向入口移动，沸腾区域扩大。但当减少热流密度时，可以在低得多的加热热流下，保持同一区域出于沸腾状态。

2.固体表面效应 增加放热面的表面粗糙度或用它减少表面能的方法可以提高泡核沸腾传热效率，目前人们正在研究其工业应用。 3、溶解气体效应溶解气体影响到孕育初始气泡的位置、高欠热沸腾区和较低热流密度下的沸腾区。对于较高热流密度区或低欠热沸腾区，溶解气体影响消失。

4.进口流速和进口欠热度影响 在欠热沸腾区内，传热强度由单相对流传热和泡核沸腾传热强弱决定，进口流体流速及其欠热度对传热系数应有巨大影响。实际并非如此，因为在低欠热沸腾区泡核沸腾传热系数远大于单相对流下的传热系数，使流速和欠热度的影响不显著。

5.3 饱和沸腾传热 从液体主流温度达到饱和灞度至临界热流密度点的传热区，称为饱和沸腾传热。一般包括饱和泡核沸腾，饱和泡核沸腾抑止和（双相）强制对流蒸发区。涉及泡状流、弹状流和环状流。常用热力学平衡含气率xe=0的点标志进人饱和沸腾区。

一、饱和泡核沸腾传热 严格说来，在饱和泡核沸腾区内，即使整个液体达到饱和温度，壁面仍有液体过热附面层，主流液体滠度达不到当地压力下的饱和温度，仍处于热力学不平衡状态。在实用计算中，饱和泡核沸腾传热机理与低欠热泡核沸腾—致，令流体平均温度。可以运用同样的经验式计算。可以传递的热流密度髙达3.5 x56W/m2量级。

二、泡核沸腾抑制 随著泡核沸腾推进，含气率增大，流型进人环状流，传热主要由液膜内的泡核沸腾控制。液膜因气化和夹带不断变薄，与此同时，流体不断加速，又促进液膜变薄过程，并增强对流传热贡献。液膜内温降不断减少，导致泡核沸腾抑止。这是与起始沸腾相反的一种过程，可以运用液膜内的温度分布代替Hsu的起始沸腾准则计算中的温度分布，导出抑止泡核沸腾准则。两相对流传热关系式两相对流传热系数hTP将随含气率x(z)和质量流速增加而增大。在给定的加热热流密度下，由上式，便会随x和G增加而减少。当降低到低于核化必须的过热度值（即式（8-41)规定的数值）时，泡核沸腾便被抑止。联合式（8-41)和上式,可以得到饱和泡核沸腾与强制对流蒸发区之间的过渡边界计算式：

由于表面空穴大小里一分布，并非一固定值。泡核沸腾抑止也不会是一个固定值，存在一个部分泡核沸腾过渡区。在该过渡区内，泡核沸腾传热分量和受迫对流传热分量都很重要。不同尺寸的空穴，随减少，逐步停止产生气泡，最后沸腾消失。

三、强制对流蒸发区传热 强制对流蒸发区内泡核沸腾完全停止，壁面与两相之间的传热是经过液体薄膜中的导热与对流以及气液界面上液体的强烈蒸发进行的。环状液体薄膜，膜层内扰动激烈，管道芯部流体速度离，液膜界面上蒸发剧烈。因此，传热系数相当高。对于水，可高达200000W/(m2.。C)。

四、饱和沸腾经验关系式 在髙欠热沸腾区内，q和x较小，泡核沸腾和单相强迫对流传热都有贡献。低欠热沸腾区和泡核沸腾区，传热强度与混合物流速和含气率无关，主要受沸腾控制。在弥散环状流区内，沸腾和强迫对流传热又同时起作用，传热随流速和含气率增大而增加。即在整个饱和沸腾传热区，单相强迫对流、沸腾气化和两相对流传热三种传热机理的相对贡献随含气率不同、流型不同而变化，呈复杂耦合关系。不少学者运用一种通用的指数形式叠加表示两相传热系数为：例如Chen关系式n= 1。已发展不少按流型不同综合的经验式，但按控制传热机理叠加原理综合的经验式，相互间的差别较大，由赖以建立的实验数据决定。

1.饱和沸腾经验式 沸腾传热强度与液体的蒸发速度有关,单相强迫对流传热与液体流速有关。若用J表示流体的表观速度,于是强迫流动沸腾的传热系数与无因次准则数有关，KW可以表征两种传热机理的相对大小。在给定的情况下,每种液体有一极限值。超过此值后，单相介质扰动交换机理的影响可略去不计。文献[13]中提出低含气率下沸腾时可用下式计算。为单相强迫对流计算式，湍流流动下，可用估计。

2.Chen关系式 1963年J.C.Chen检验了594组典型实验数据，提出一个新的关系式。认为在饱和泡核沸腾区和两相强制对流蒸发区内均存在两种基本传热模式：泡核沸腾传热和强制对流传热，可表示为式中，表示对流传热分量，又称宏观传热分量；描述泡核沸腾传热，也称微观对流传热分量。在饱和沸腾下，式(5-36)便化简为

3.环状流区解析计算法 进入沸腾抑止后的环状流区的强制对流蒸发传热，完全可以按照液膜的流态：层流或湍流，进行分析。严格地讲，热量除由壁面加入外，还有随压力降落、饱和温度变化引起的液体放热。但后一热源远小于外加热量，故一般假定，气液交界面处传递的热流密度qi即为外加总热流密度q。

4.Shah关系式

5.Gimgoii-Winterton 关系式 1986年 Gungon 和 Winterton 运用水，制冷剂（Rll，R12，R22，R113和R114)以及乙二醇等流体的垂直向下、向上和水平流动实验数据共3693组发展了一种新的陈式形式关系式。该数据库既包括核态沸腾区数据，也包含对流沸騰区数据。

6.Steiner-Taborek 关系式 1986年起，Steiner等研究垂直管内向上、向下流动沸腾传热特性，运用Karlsruhe大学的数据库12607组数据。其中水之数据5262组，4种制冷剂(R11, R12, B22和R113)、7 种烃类（苯、正庚烷、正戊烷、环己烷、甲醇、乙醇、正丁醇）、三种低温流体（氮、氢和氦气)和氨的数据类2345组。扬弃传统的统计处理实验数据关系式方法，基于池内沸腾和对流沸腾一些熟知原理，形成一种适于不断发展的合理的流动沸腾机理模型，使组成量可彼此独立地不断改进，综合出一个迄今最为精确的通用关系式。

5.4 临界热流密度 实验表明，在流动沸腾条件下，可以在泡状流、弹状流和环状流区域发生临界热流密度现象。而且临界热流现象可以发生在流道的某一区域，也可以出现在流道中几个局部地点；它既受流动参数彩响，又受加热条件和方式的影响；既可能受局部效应控制，又可能受其上游条件左右。虽然迄今对临界热流现象进行了广泛的实验和理论研究，但由于现象过于复杂、对物理过程实质的认识和现象的基本物理含义的看法尚不一致、不能统一，甚至尚无统一的术语定义。本书主要采用临界热流密度这一术语。

一、垂直向上流动下的临界热流现象 在研究临界热流工况中，存在着多种机理解释模型，本书择要介绍垂直向上流动下的几种典型解释。 1.欠热或低含气率下的临界热流现象图5-4示有欠热和低含气率下的三种临界热流现象机理假设。 (1)气泡下形成干斑 (2)近壁处气泡壅塞和形成蒸气壳 (3)气块下液膜蒸发

第五章 流动沸腾传热