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TopicThree沸腾传热基础(ElementsofBoilingHeatTransfer)本讲要点:本讲介绍池内沸腾传热与强迫对流沸腾传热基础。给出了各种沸腾模式和流动工况下的典型关联式。重点是针对诸如大池内的单管以及单根竖直圆管等简单几何条件进行介绍。还介绍了一些世界问题,比如由于成核困难而导致的沸腾曲线的滞后、由于存在不溶性气体而产生的沸腾曲线迁移以及表面和流体污染等等。还包括了微重力条件下的两相流动和传热问题。1.Introduction引言相变传热系数和锅炉与蒸发器设计中的压降因子等涉及到一些昀为复杂的热-流体现象。由于需求以及智力和知识上的挑战,这一领域内的研究在过去的五十至七十年间呈爆炸型增长趋势。沸腾传热科学与技术所面对的是这样一个局面:总共有超过30,000篇出版物的文献,每年约50本教材和参考书,每年还有约1000篇论文出现。显然,我们不再可能逐篇咀嚼甚至综述这些信息。但是,设计者仍必须对传热和压降进行预测,需要掌握预测方法。所采用的关系也不总是基于理论,但又必须有足够合理的精度。因此,我们应当对物理现象和机理有一个较好的认识,从而能够合理地采用有关关联式,这一点十分重要。本讲的重点将放在简单几何条件(如大池内的单管、单根竖直圆管等)下的传热特征介绍。很多情况下,复杂几何结构(如:水平管束、多根竖直管道等等)下的关联式,都是建立于对简单构型的经验之上。另外,本讲主要讨论纯净流体,至于混合物的沸腾及污垢等情况,可能的话,我们还会进行介绍。沸腾过程在传统的恒定热流或恒定壁温的边界条件下响应是不同的。前一边界条件主要与具有固定热耗散的系统有关,比如,电热锅炉或者核反应堆堆芯等。这一情形也会发生在诸如电子加速器靶心或计算机芯片等高功率密度设备的液体冷却情况。而恒壁温则见诸发生相变的两种流体的热交换器等情况。但是在一些情况中,比如,化石燃料锅炉等,热流实际上也是恒定的。2.池(内)沸腾(PoolBoiling)池内沸腾是讨论沸腾系统中传热问题的传统出发点。在池内沸腾中,我们可能使得在实验装置或分析建模所需要考虑的变量昀少。由于广泛的研究努力,关于池内沸腾的机理的理解相对来说要好一些。但是,即使对于这昀简单的沸腾系统也不可能有象单相系统那样准确的传热特性预测。一个根本的困难就在于,我们需要定量表征所有重要的表面和流动特性,以及描述实际复杂几何条件下的蒸汽和液体的流动。2.1沸腾曲线(TheBoilingCurve)第一个完整的池内沸腾特征是日本人Nykiyama于1934年报告的。他的文章于1966年被翻译并发表于InternationalJournalofHeatandMassTransfer杂志上。图1是其昀为“流行”的“沸腾曲线(BoilingCurve)”版本,我们采用它作为讨论的基础,因为它至今仍是昀有意义的表述方式。如图1所示,沸腾特征通常表示为热流密度-壁面过热度的双对数图的形式,壁面过热度为加热表面温度减去饱和温度。图1中采用的数据表示了除气后液体的饱和池内沸腾,这是一种很合适的参考情况,因为它涉及了昀少的系统变量。对于饱和沸腾,传热系数(HeatTransferCoefficient)就可简单地由感兴趣的热流密度除以相应的壁面过热度而得到。显然,传热系数强烈地依赖于过热--1--度,是过热度的函数。沸腾曲线完全可通过具有恒壁温(以高温流体或凝结的蒸汽作为热源)的加热器加热实验描绘出来,或者部分地通过恒热流加热器(电加热)加热实验画出。下面来描述一下沸腾曲线上基本的区域和点。I.单相自然对流(Single-PhaseNaturalConvection)。先在加热表面发生导热与对流,然后出现向自由液面附近的对流传输,能量通过导热、对流以及蒸发传输。(a)沸腾起始(IncipientBoiling)。昀初的汽泡在加热表面形成、脱离并向自由表面上升。在实际中,初生地汽泡可能主要是包含表面孔穴中捕获的空气。若不采用辅助加热器,而在较低加热功率下维持饱和的池内流体也是很困难的。所以,蒸汽泡在到达表面前就有可能凝结下来。II.核态沸腾(NucleateBoiling)。汽泡在表面上众多适宜的点上形成。在较低热流密度时,可以辨别出单个的汽泡,在邻近位置上产生的汽泡之间几乎没有相互作用。而在较高热流密度时,汽泡产生率如此之高,以至于出现近乎连续的大量蒸汽,这些大量汽泡之间存在着明显的相互作用。进一步提高热流密度,大量汽泡合并形成蒸汽团块,沸腾发生于蒸汽团块下的一薄层液体内。(加热)表面可能会变得部分地或间歇地干涸,而平均表面温度显著升高(偏离核态沸腾(DeparturefromNucleateBoiling))。(b)峰值核态沸腾热流密度工况(PeakNucleateBoilingHeatFluxCondition)。又常称为临界热流密度(CHF)。蒸汽产生率变得如此之高,以至于向(加热)表面流动的液体受到限制,而(加热)表面基本上完全为蒸汽膜所覆盖。III.部分膜态沸腾(PartialFilmBoiling)。蒸汽膜是不稳定的,并在对流流动和表面张力影响下不断坍缩和重新形成。大的蒸汽泡产生于液膜外边缘和液体跟加热表面接触的随机位置。当加热表面温度增加时,加热表面的平均润湿面积减小,从而得到一较低的热流密度。(c)昀小膜态沸腾工况(MinimumFilmBoilingSurface)。这一工况下,一连续的汽膜(汽垫)刚好覆盖于加热表面,也常称为Leidenfrost点。热流密度降低至昀小热流密度时,表征膜态沸腾将终止,故又称昀小膜态沸腾点。IV.稳定膜态沸腾(StableFilmBoiling)。由覆盖于(加热)表面的蒸汽膜的边缘有序地排出汽泡。但是,相界面的形状发生连续变化。当(加热)表面温度较高时,除了膜导热外,还有热辐射的作用。沸腾曲线的所有区域可通过适当的恒温加热系统来演示。例如,在不同压力下的蒸汽凝结可以用来产生图1中的曲线,可以达到膜态沸腾的较低区域。瞬态量热和喷射冷却技术也曾用于某些系统中,但是,Bergles与Thompson曾注意到由于瞬态效应,该曲线发生了很大变化。在一几乎恒热流(如,电加热)的系统中,就不可能在区域III中运行。当功率增加至点b时,随之而发生一阶不稳定性,而运行点迅速转至膜态沸腾区域。对许多系统来说,这一新的运行点所对应的温度要大于熔融温度,因此,点b通常称为“烧毁点”(BurningPoint)。若达到运行于膜态沸腾区域,功率将可能增至实际烧毁和减至Leidenfrost点,在Leidenfrost点系统返回核态沸腾的运行工况。Sakurai和Shiotsu已成功地尝试开发了一套带有适当反馈控制的电加热系统来研究区域III的情况。我们这里给出关于池内沸腾各区域的各种概念的一个讨论与小结。讨论针对于给出设计所要使用的具有代表性的数据和关联式。我们并不打算将所有有用的分析模型和实验观测都包括进去。2.2自然对流(NaturalConvection)沸腾曲线昀开始的部分是由自然对流传热的标准关联式来预测。一旦求得传热系数,就可以得到区域I的曲线,因为()satwTThq−=′′(1)--2--图1常压下水的饱和池内沸腾的典型沸腾曲线因此自然对流的传热系数控制着进入沸腾工况的起点。图2给出了作为Rayleigh数函数的Nusselt数的典型图形表示。图2典型沸腾表面自然对流数据的关联2.3核化(Nucleation)过热液体(SuperheatedLiquid)。在核态沸腾中,我们可观察到两种不同的过程⎯⎯汽泡的形成(核化)以及这些汽泡后续的生长和运动。一般说来,核化分为均质(Homogeneous)核化与非均质(Heterogeneous)核化两种,两种类型都与过热液体有关,这是一种亚稳状态(MetastableState)。图3绘出了过热液体状态A,其中,液体是在加热至超过恒定系统压力1p的饱和温度1T即液体过热度为下,()12TT−。T−。均质相应的过冷蒸汽状态B(也是一种压稳状态)蒸汽过冷度为()1T核化理论与经验就是要找出初生蒸汽形成所需的过热度。3与非均质核化(HomogeneousversusHeterogeneousNucleation)。对于纯净液体内的均--3--质核化,已经提出了一些基于统计力学的理论。其中一种是Volmer基于经典的速率理论(ClassicalRateTheory)的方法。他推测许多分子具有蒸汽相存在所需的活化能(ActivationEnergy)。这些活跃分子能够通过碰撞相结合而形成分子团,然后成为一个蒸汽泡。此类型的理论得到的纯净液体内核化所需的液体过热度特别高,例如,1atm下的水甚至高达50°C。如此之高的过热度与多数工程系统中的实验观测值是不一致的。图3液体与蒸汽的亚稳状态示意图当然,在实际系统中,含有外来粒子和溶解的气体都可作为(核化)核心。若预先已有气相则预测的核化过热度将有极大的降低。这种形式的均质核化表明,应当注意那些碰巧核心存在的随机点,蒸汽将在此形成。然而,在实际中,汽泡在特定位置的形成是与加热表面而非流体相联系的。通过微观观察,Clark等进一步发现,这些特定位置是加热面上的小缺陷或孔穴。于是,对实际的沸腾系统而言,人们不得不放弃均质核化理论,而将目光集中于非均质或孔穴的核化。来自孔穴的核化(NucleationfromCavities)。考虑一个预先存有气相的理想的圆锥形孔穴,气相暂且假设为纯蒸汽,如图4所示。假设为润湿情况,或者接触角满足≤β球形汽泡的一部分,由力平衡得到如下一个近似:o90。对rpplvσ2=−(2)热力学平衡要求。于是很显然,在平衡条件下,对于有限的曲率半径,液体温度相应于液体压力是过热的。换句话说,只有在相间是以平的相界面分开时,传统的液体和蒸汽性质图表才能适用。vlTT=为了得到核化所需的过热度的一般表达式,有必要得到沿饱和线的T与p的关系。运用Clapeyron关系昀为方便,即dTdpTvhfgfg=(3)一个很常用的近似就是:假设satTT=时,()Tvhfgfg为常数。积分以后就得到(satvsatfgfglTTTvhpp−=−)(4)--4--将式(4)代入式(2),就得到平衡过热度关系,即satlfgfgsatsatvTTrhvTTT−==−σ2(5)图4一圆锥形孔穴中的蒸汽泡,其中o90=β随着过热度升高,曲率半径减小,比如,图4中的(1)到(2)。然而,我们注意到,昀小半径对应于半球形状态(3),其半径等于孔穴口部的半径。进一步增加过热度(4),由于半径必须增加,从而打破了力平衡,因此汽泡不再稳定。汽泡“核化”并生长起来,生长速率主要取决于来自于周围液体的传热,并且很快就肉眼可见。沸腾发生所需要的过热度取决于孔穴的单个尺寸,即孔口半径,这一点特别重要。Griffith和Wallis验证了式(5),他们在一个铜表面上加工了已知尺寸的孔穴,通过使池水均匀过热而实现了核化。显然,式(5)对于预测常用的带有一浸没水中的加热器的池内沸腾的发生并不是总有效,因为在邻近加热表面的液体内有一温度梯度存在。除非汽泡周围的环境温度足够高,否则孔穴内并不能发生核化。必须进行基本的假设来考虑液体温度分布以及液体温度和蒸汽温度之间的关系。下面来阐明如何处理这个问题。假设液体温度分布为线性的,即lwlkyqTT′′−=(6)进一步地,假设邻近汽泡液体的所有点必须高于所需的蒸汽温度。参见图5,可以看到,液体与蒸汽温度之间的关系为:在cyτ=处,vlTT=以及drTddyTdll=(7)联立式(5)、(6)和(7),我们得到,沸腾发生处孔穴尺寸为5.02⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡′′=qhkvTrfglfgsatσ(8)而热流密度-壁面过热度关系为--5--(28satwfgsatlfgTTvTkhq−=′′σ)(9)图5某一温度梯度下的核化条件为了利用这一准则,我们可以很方便地将式(9)画在图1的坐标系上,由此式跟式(2)对流关系的交点就确定了沸腾起始点。而在实际中,其实并没有大的孔穴来作为核化点。事实
本文标题:气液两相流与沸腾传热--沸腾传热基础专题研究.
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