高等传热学-相变-第4章

第四章流动沸腾液体在管道或回路中流动时，产生的沸腾现象称为流动沸腾。这种流动可能是外力强制形成，也可能是回路内的流体的密度差引起的自然循环。由于流动沸腾中伴随着各种类型的汽液两相流动，所以比池内沸腾更复杂。目前还无法对流动沸腾过程进行解析求解，研究的途径主要是实验。§4-1流型与沸腾工况流动沸腾的特点:1).由于管道的沿途加热和液体蒸发，汽液两相流的流型会发生一系列的变化。2).随着容积流量的增大，流体逐步加速使压力降增大，而引起系统压力的下降，饱和温度也随之降低，这反过来对流型和沸腾产生影响。因此，对沿加热管的流动沸腾，需分段进行分析计算。3).工程上，加热管的配置有竖直和水平两种典型方式（倾斜布置管道处于二者之间）。在这两种情况下的流动和沸腾特性有明显的差别，一般分开研究。一、竖直管内流动沸腾的流型和换热工况如图，是典型的竖直管内流动沸腾的流型和换热工况。当单相流体从下部进入加热管后，①一开始，加热壁上尚不具备成核条件，这时流动为单相流，换热工况为液体的单相对流换热（A区）。②随着液体被加热，温度升高，逐步使壁面上的某些开始满足成核条件，开始出现小汽泡。当汽泡长大到一定尺寸后，脱离壁面进入主流，在汽泡刚开始产生的阶段，液体核心区的温度高低于对应的主流压力下的饱和温度，使脱离壁面而后的小汽泡很快在过冷的液体中凝结，加速液体升温，使换热增强。这时的换热工况为流动过冷沸腾，其流型是泡状流(B区)。③当液体的主流温度达到饱和温度后，进入主流的汽泡不再凝结，换热进入饱和沸腾工况。④随着液体中汽泡数量的不断增加，小汽泡之间发生碰撞与合并，开始出现较大的汽团或称弹状大汽泡，其流型由泡状流演变为弹状流动(仍为饱和沸腾)。⑤随着液体的进一步汽化，含汽量的增加，两相流型转变为环状流，即汽相在管中心区，而液相附着于管壁上。⑥随着液层的变薄，壁面上的沸腾逐渐被抑制，汽化转变为汽液分界面上的蒸发，换热工况由饱和沸腾逐步变为强制对流蒸发。这时，若壁面温度很高或壁面热流密度很大，则从环状流可以一直演变为雾环状流和雾状流，或者以泡状流直接过度到反环状流。环状流与反环状流的区别与成因：a).环状流发生在两相流干度(质量含汽率x大)较高的条件，（汽多），核心区以蒸汽夹带夜滴为主；b).反环状流则发生在高热负荷低干度（x小）的条件下，在壁面上形成一层气膜，主流核心区则是液体。⑦当加热壁面无液膜后，进入雾状流动，蒸汽中夹带小液滴。对应的换热工况称为干涸后换热或缺液区换热。⑧当蒸汽中的液体全部蒸发后，进入蒸汽的单相流动和换热工况。注意：a).从加热面与液体直接接触演变到与蒸汽直接接触，中间有一段不稳定的过渡区。b).过冷沸腾和饱和沸腾通常发生在泡状流区，饱和沸腾也可发生在弹状流、甚至环状流区，过热沸腾通常发生在不稳定流动区。膜态沸腾则发生于反环状流或雾状流区。（壁面上形成一层汽膜）。△液体从过冷被加热到饱和状态后，在两相流动区内，一直维持饱和温度不变，干涸点后的蒸汽过热，但蒸汽中的液滴仍然维持饱和温度，直到液体全部蒸发后，气温开始大幅度升高。△壁面温度总是高于液体的温度，在过冷沸腾后。由于换热系数高于单相区，壁温会有所下降，在干涸点后，由于换热系数突然下降，壁温迅速升高，在雾状流区，由于液滴的蒸发，两相流流速增加，换热系数相应加大。换热系数相应增大，而使壁温略微下降，进入纯蒸汽区后，壁温和蒸汽温度同时均匀升高。二、水平管内流动沸腾的流型水平加热管内汽液两相流型的演变过程与竖直管内的流型演变过程大致类似。但由于加热管水平放置，使蒸汽在管内截面上的分布不均匀(浮升力作用)。大部分汽泡聚集在管子的上部空间，当蒸汽含量较大时会出现汽液分层流动，流速越低，分层流动的趋势愈大。随着汽液两相相对速度的增大，两相分界面会出现波动，当这种波动很剧烈时，会引起液体周期性地冲刷管壁上表面，在某些部位出现间断式的干涸状态。随着蒸汽含量进一步增大，两相流发展为环状流动和雾状流动，最后形成蒸汽的单相对流结构。三、干度x与截面空隙率ϕ干度x截面上的蒸汽质量流量占截面总质量流量的份额，称为蒸汽干度，或质量含汽率。空隙率ϕ截面上汽相占整个截面面积的份额，称为空隙率或截面含汽率。vvvlAAAAAϕ==+§4-2流动过冷沸腾一、过冷沸腾的起始点起始点：液体从单相对流换热向核态沸腾换热过渡的标志，发生在壁温超过当地液体饱和温度的某些地点。由壁面上汽化核心活化的判剧，起始点应当满足：汽泡温度曲线和管壁附近过热液体层中温度分布曲线相切的条件，这时的壁面热流密度即是流动沸腾的起始热流密度iq：()Pr28LfgvwsislhTTqTλρσ−=（4.1）上式对水和其它液体都适用。在lgiq与lg()wsTT−的坐标图上，该式为一条直线。若将单相液体强制对流换热的公式对应的直线也画在该图上，则两条直线的交点，就是实际流动沸腾的起始点。这种方法得出的iq和()wsiTT−与实验值较符合。临界气泡温度Tb过热液体温度Tl二、流动过冷沸腾换热实验关联式1.过冷沸腾曲线如图。a).“部分过冷沸腾”：过冷沸腾起始时，气泡只在加热面的个别地点产生，气泡未脱离壁面时就被冷凝而消失，或者以小气泡的形式，一直附着再壁面上，这时的沸腾工况称为“部分过冷沸腾”。部分过冷沸腾时，热量由单相对流和核态沸腾共同传递，即：cnqqq=+（4.2）式中，q—总热流；cq—单相对流换热热流分量；nq—核态沸腾换热分量。b).“充分发展过冷沸腾”:随着液体温度的上升，当液体主流温度仍低于主流压力下的饱和温度，而整个加热面都被汽泡所布满时，换热过程完全由核态沸腾控制，这时的沸腾工况称为“充分发展过冷沸腾”。2.流动过冷沸腾换热计算流动过冷沸腾换热分成三个区域计算：a).wONBTT（ONBT是沸腾起始点温度）时，为单相强制对流换热:()clwbqqhTT==−(4.3)lh是单相强制对流换热系数.b).ONBwFDBTTT≤≤（FDBT是充分发展过冷沸腾点温度）时，为部分过冷沸腾换热:()()1wsncblwbTTqqqhTTc−=+=−+(4.4)实验发现，在局部过冷沸腾区，过冷度sT∆和流速w对换热影响很大。c).wFDBTT时，为充分发展过冷沸腾换热:()1wsnbTTqqc−==(4.5)式中，常数c和指数n应根据充分发展过冷流动沸腾的实验数据整理得到。1972年Moles&Shaw推荐了一个无量纲综合关系式:.....Pr()()()04605306707785fgvflplsfgvlhhqhcThwρρρ=∆(4.6)式中，h是过冷流动沸腾的换热系数。过冷度10ossbTTTC∆=−，bT是截面的液体平均温度。§4-3流动饱和沸腾当液体的核心区温度达到对应系统压力下的饱和温度时，液体进入饱和沸腾工况。从原理上讲，流动饱和沸腾的机理与池内沸腾的机理与池内沸腾的机理相同，流速和干度对沸腾不会产生明显的影响。但实验证明，除质量流速较低或者汽泡布满加热面的高热流密度这两类情况外，采用池内沸腾公式来计算流动饱和沸腾换热是不可靠的，差别很大。一、流动饱和沸腾的特点一般来说，当流动饱和沸腾液体中的含汽量增加到一定程度时，总会导致致环状流型。因为，随汽泡流中含汽率的增加，根据伯努利效应，在加速的两相流中，在同样的压力梯度作用下，密度小的一相可获得较高的流速，所以气泡慢慢集中到中心高速区，而形成环状流。当环状液层的厚度较大时，核态沸腾仍可在液层中发生，随着液体不断蒸发，液层变薄，最后变成附着在加热面上的一层液膜。这时，汽液界面和蒸汽核心区都处于（当地压力）饱和温度，壁温为：wsLTTT=+∆(4.6)LT∆—液膜的温度降，即wLTT∆=∆（壁面过热度等于液膜的温度降）。由于液膜厚度δ的变小，壁面过热度及它附近液体的过热度都较小，汽化核心的活化受到抑制，使核态沸腾难以维持。此时，核心区蒸汽的流速很高，汽液界面波动剧烈，换热机制发生了变化。热量主要靠导热和对流从加热面通过液膜传递到汽液分界面上，在汽液界面上进行蒸发，换热系数受流动状况的影响很明显。通常把这种核态沸腾受到抑制的传热状况称为两相强制对流蒸发。二、两相强制对流蒸发液膜内分层流和湍流两种不同的流态。1.层流液膜换热模型：对管径不太小的竖直园管内的环状液膜，可近似的看成是无限大竖直qδyx平面上的二维层流液膜，忽略轴向导热，粘性耗散。液膜传热过程控制方程为：22pllzlTTcwzyρλ∂∂=∂∂(4.7)可解出，液膜的换热系数为：()2122LiLLwsLqhTTVλτλδµ⋅===−⋅(4.8)其中，δ－液膜温度；iτ－界面切应力，22LiLLdwdVdydyτµµ===常数；V是单位时间流过液膜单位宽度的液体量。0zVwdyδ=∫(4.9)2.湍流液膜()lNuFw+=(4.10)这里，lLQwρµ+⋅=是无量纲液膜流量。3.液膜换热的经验关联式()1nltthAhX=(4.11)其中，h是强制对流蒸发的换热系数；lh是管内液体单相对流换热系数；A，n，实验常数，对水：.29A=，.066n=。ttX：是两相流的马蒂内利参数，...0501091vlttlvxXxρµρµ⎛⎞⎛⎞−⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠(4.12)三、流动饱和沸腾换热计算核态沸腾和强制对流蒸发同时发生，其相互关系随液厚度变化。工程上广泛采用Chen氏公式。陈氏假定核态沸腾与强制对流蒸发的贡献是叠加的，总换热系数为：macmichhh=+(4.13)其中，mach是强制对流蒸发的换热系数；mich是核态沸腾的换热系数。.Re()Re08TPmaclllhhFh=⋅=⋅(4.14)..()051781ttFX−=+(4.15)micnhSh=⋅(4.16)式中，nh是池内核态沸腾换热系数；S是沸腾抑制因子。（1S≤）。则流动饱和沸腾的换热系数为：lnhFhSh=⋅+⋅(4.17)