高等传热学课程论文--沸腾传热特点简介

研究生“高等传热学”论文重庆大学动力工程学院沸腾传热特点的综述摘要：介绍了水平管内及竖直管内流动沸腾的流型图，池沸腾及管内流动沸腾的传热强化技术，窄微流道内沸腾的传热特性。并对沸腾传热的研究方进行了展望。关键词：沸腾传热、流型图、强化技术、传热特性1、引言沸腾传热和汽液两相流是由本质上十分复杂的沸腾和两相流动两种物理现象耦合在一起的一种热流体流动过程，在核能、火箭、航天、材料等技术领域和能源、动力、石油、化工、冶金、制冷、食品、造纸等工业中得到了广泛的应用。管内流动沸腾按管道布置方式主要有水平管内流动沸腾，竖直管内流动沸腾两种方式；按流道结构分主要有圆管内流动沸腾与矩形流道内的流动沸腾；按流道的尺寸分主要有常规流道及窄微流道两种。本文主要对不同管内流动方式的特点进行综述。2、水平管内流动及竖直管内流动沸腾2.1水平管内的流型水平流动下流场受到重力场作用，呈较显著的相分布不均匀性。常见的水平同向流动的流型主要有弥散泡状流、层状流、间歇流和弥散环状流。弥散泡状流的示意图如图1所示，从图中可以看出汽泡收到浮力影响，弥散在流道顶部。随着流速增大汽泡成泡沫状弥散与整个流道。图1弥散泡状流的示意图层状流又可细分为纯层状流和波状层状流。纯层状流的示意图如图2所示，从图中可以看出汽相在流道上部流动，液相在流道底部流动，重力使两相完全分离，两相交界面光滑。随着汽相流速增大，汽液相界面呈波状，便进入波状层状流，其示意图如图3所示。图2纯层状流示意图图3波状层状流示意图间歇流的示意图如图4所示，从图中可以看出间歇流是液相和汽相各自呈不同的构形在流道内交替出现。其中间歇流又可细分为塞状流、半弹状流和弹状流。塞状流：汽泡呈弹状且偏离于流道顶部流动。弹状流：液相呈连续相，夹杂有小液滴的汽块偏置于流道顶部并与泡沫状液块相同。这两种流型的间歇性都可能导致压力突然变化，引起工程中最感困惑的流道振荡破坏。半弹状流与弹状流的差异仅是泡沫状液块界面呈波状且不与流道顶部相接触。图4间歇流的示意图弥散环状流的示意图如图5所示，从图中可以看出水平弥散环状流的基本特征与垂直流动下的相同。主要差异是因重力作用液膜厚度周向不均匀，流道底部处膜厚大于顶部处的液膜厚度。一般不出现纯环状流流动，汽芯中往往夹带着大量弥散液滴。图5弥散环状流的示意图2.2竖直管内流动沸腾的流型实验表明垂直向上两相流动经常出现以下五种类型的流型：泡状流、弹状流、搅拌流、环状流、液束环状流。泡状流：液相呈连续状态，汽相以大小不同、形状各异的汽泡弥散在连续液相内，并与液相一起流动。弹状流：大块弹状汽泡与含有弥散小汽泡的液块间隔出现，在弹状汽泡的外围，液相呈降落膜状态。当泡状流中的汽相流量增大到一定值时可能发生汽泡聚合，甚至会聚合成接近管径大小的大块弹状流汽泡。Radovcich和Moissis在分析了泡状流的特征后认为：当空泡份额0.1，汽泡碰撞频率较低；大于此临界值后，碰撞频率陡增；当=0.3过渡到弹状流。搅拌流：在孔径较大的流道中，液相呈不定型形状上下振荡运动，呈搅拌状态。在弹状流动下，若流速进一步增大，汽泡发生破裂，伴随发生在这类振荡运动。但是在小孔径流道中，不一定发生这类搅拌运动。可能发生弹状流向环状流直接平稳过渡。环状流：液相沿管壁呈膜状流动，汽相在流道芯部流动。实际上，纯环状流工况的参数范围很窄，通常呈环状弥散流状态，亦即部分液相以液滴状态混杂在连续汽芯中一起流动。有时液膜内会夹杂少量汽泡。液束环状流：当液相流量进一步增大时，汽液交界面呈波状流动，汽芯卷吸的液量增加，使汽芯的夹带液滴浓度增大，聚合成束状液块。弥散流：在这种流型中，通道内的流体变成许多细小的液滴悬浮在蒸汽主流中随着蒸汽流动。而且越接近通道的出口，液滴的数量越少，液滴的尺寸也越小，直到形成单相蒸汽时为止。图6竖直流动沸腾的流型示意图竖直流道内流动沸腾的流型示意图如图所示，从左至右依次为：泡状流、弹状流、搅拌流、环状流、弥散流。3、窄微流道内的流动沸腾流道的几何尺寸影响流动沸腾换热现象，根据流道特征尺寸，一般可分为常规流道（＞5.0mm），窄空间流道或者受限空间流道（0.5~5.0mm），微通道（0.01~0.5mm），毛细流道（＜0.01mm）。由于窄流道的换热强化、组成元件结构紧凑等显著特点，特别适合用于高压下的结构，在工程中，近十年来，得到了广泛的应用。与常规流道不同，在窄微流道内由于汽泡极易长大到与流道尺寸相当的大小，因此在窄微流道内汽泡的生长特性、汽泡的脱离行为及汽泡行为对压降的影响。目前，有很多学者采用了不同方法研究了不同的流道结构、不同过冷度、不同热流密度、不同质量流速等，对窄微流道内汽泡的演化特性。但是，由于窄微流道流道内的沸腾换热过程相当的复杂，并且受到很多的不确定性因素的影响，目前，还没有统一的能描述窄微流道内沸腾换热过程的数学表达式及统一相关理论，学者们大多得到的是一些适用于特定流道结构及特定的工况范围经验理论。因此，对窄微流道内的沸腾换热特性的研究具有重要意义。4、沸腾传热强化技术沸腾传热强化技术是强化传热领域中一个非常重要的方面。其目的是为了进一步提高换热设备的效率，减少能量传递过程的不可逆损失，更合理和有效地利用能源；减少换热面积，降低金属消耗；尽可能地降低换热元件的壁面温度，保证换热设备的安全运行。此外，降低制造成本，减少运行费用等也是改进换热设备时所必须考虑的。无论是大容器的池沸腾还是管内沸腾，在加热面上产生汽泡是其共同的特点，也是使沸腾换热比无相变的传热强烈的最基本因素。因此，强化沸腾传热的基本原则就是尽量增加加热面上汽化核心，及产生汽泡的地点。由于，加热面上的微小凹坑最容易形成汽化核心，近几十年来强化沸腾传热主要思想是增加汽化核心密度和提高汽泡脱离频率。4.1池沸腾传热强化技术（1）流体特性参数的影响汽体压力增高能使汽化核心增多，汽泡脱离频率增大，因而能使沸腾传热增强。流体与换热表面的接触角小，则汽泡脱离频率增高，因而能增强沸腾传热。（2）换热面特性的影响换热面的加工方法、表面粗糙度、材料特性以及新旧程度都能影响沸腾传热的强弱。试验表明，同一液体在抛光壁面上沸腾传热时，其传热系数比在粗糙壁面上沸腾传热时低，这主要是由于光洁表面上汽化核心较少的缘故。液体在新的换热面上沸腾时，传热系数较高，随着运行时间增长，一部分汽化核心丧失了汽化能力，于是传热系数逐渐下降到某一稳定值。传热面材料能否被液体湿润，对传热系数也有相当影响，同样条件下，液体和材料特性组合得好，湿润程度大，则传热系数高。（3）换热面布置及形状的影响当换热面为水平平板且由上向下放热时，由于汽泡不易从换热面上散出，因而传热系数低于换热面由下向上放热的情况。对水平放置的管束，由于上升的蒸汽在上部流速较大，引起了附加扰动，因而位于其上部管子的传热系数比下部管子的传热系数高。此外，换热面和容器的几何形状，对汽泡运动和沸腾传热均有影响。4.2管内流动沸腾的传热强化技术（1）各种特殊加工和处理表面内螺纹槽管的强化沸腾传热在低热流下，该强化管的效果最为明显，在高热流下，强化效果虽然有所下降，但仍然是相当不错的。内表面带有螺旋肋的管子可以延迟核沸腾向膜沸腾的过渡，即使在高含汽率下也是如此。螺旋槽管对流动沸腾也有很好的强化效果。（2）肋化表面为了取得高换热率和低压力损失，可以采用较低的肋片高度和比较紧密的螺距。高肋片管、微肋片管和插入扭带管的沸腾换热过程均比光滑管的传热系数高很多。（3）移置式强化物将强化物置于非传热面而使传热得到强化，这是移置式强化物的特征。如将扰流环置于环形通道的外套管内，不但可使内管的沸腾传热得以强化，而且可以提高临界热负荷。（4）涡流装置最普遍采用的涡流装置是扭曲带，这种装置结构简单、制造方便、成本低廉，并且不必对已有设备作大的改动，就可应用于现有设备。扭曲带的应用，对于沸腾两相流的各种流型都有强化效果。对于过冷流动沸腾，其主要效果是提高临界热流。已有的研究表明，对于水，临界热流可以提高一倍之多。对于环状流，扭曲带可以增加壁面上液膜的稳定性，这是因为离心力作用的结果，从而使传热得以改善。此外，扭曲带在极广阔的含汽量范围内，都使临界热流得到提高。在临界状态之后的两相流沸腾传热也可以用扭曲带来强化。螺旋管也是一种有效的涡流装置，目前在研究和应用方面均形成了一定的规模。螺旋管对流动沸腾的强化是十分有效的，螺旋管的曲率半径越小，强化效果越显著。因为在管内出现了二次流，在离心力作用下形成两个对称的涡流，促进了传热过程。但是，其强化效果与两个参数，即几何条件参数和两相流参数，有很密切的关系。如果参数不适当，可能效果不明显，甚至有恶化的可能，对此必须十分谨慎。（5）振动有研究表明振动对低热流下的核沸腾传热会有所加强，但临界热流未受此影响，而对高热流下的核沸腾传热则影响不大。对于充分发展的沸腾传热，超声波的振动作用不大。（6）添加剂添加剂对流动沸腾的影响比对池内沸腾更为复杂。已有的研究表明，由于添加剂含量的不同，沸腾传热可能改善也可能恶化。无论对于水或有机介质，静电场使核沸腾、临界热流和膜沸腾的传热强度都得到提高。5、展望沸腾流动传热相比于一般的单相流动传热其具有较高的传热系数，因此在近几十年来得到了广泛的研究和应用，如果航空航天、反应堆工程、微电子等领域。目前，很多学者采用不同的方法实验方法及数值模拟的方法，研究了不同的流道结构、不同系统压力、不同过冷度、不同热流密度、不同质量流道等对沸腾传热的影响。除了研究上述传统参数对沸腾传热的影响，随着研究的发展，根据科学技术的需要很多学者已经开始研究不同介质，如：低熔点的金属，锂、钠等，微重力条件下，在流体中加入各种添加剂、在流道内加入电场、磁场等附加势场的研究。目前，传统参数对沸腾换热过程的研究已经得到了相当成熟的理论，但是对一些现象的描述在不同的参数下仍然没有形成统一的理论，此外，随着科学技术的发展，沸腾传热过程的研究不断出现新的内容，因此，对沸腾传热是一个非常前沿的课题。