管內(nèi)傳熱熱負(fù)荷對沸騰換熱的影響

如果進(jìn)入管子的水流量不變，加在管子上的熱負(fù)荷不斷升高，則換熱區(qū)域和放熱系數(shù)

但是，當(dāng)熱負(fù)荷大于某一界限值后再增加，則過冷沸騰進(jìn)一步提前，飽和核沸騰區(qū)逐漸縮短。雖然核沸騰區(qū)的

當(dāng)熱負(fù)荷非常高時(shí)，甚至在過冷區(qū)域就會(huì)偏離核沸騰而轉(zhuǎn)入膜態(tài)沸騰，如圖2中的曲線5所示。2100433B

管內(nèi)沸騰是強(qiáng)制對流與沸騰2種現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生的換熱過程，也是其與大容器沸騰的根本區(qū)別，因此又稱為對流沸騰。強(qiáng)制對流換熱的放熱系數(shù)主要取決于流速，并且是通過流體物性參數(shù)的變化顯示出來，而沸騰換熱的換熱強(qiáng)度取決于熱負(fù)荷（或稱熱流密度）。對于圖1所示的對流沸騰，在各換熱區(qū)間中對流與沸騰2種換熱方式所起的作用是不一樣的，具有不同的換熱機(jī)理，其管內(nèi)局部對流沸騰放熱系數(shù)沿管長（即隨x）的變化關(guān)系如圖2所示。圖2中每條曲線表示某一熱負(fù)荷，A，B，…，G為相應(yīng)于圖1的換熱區(qū)間。下面先討論熱負(fù)荷不太高，即圖2中曲線1的情況。

在單相液體區(qū)（A段)，換熱機(jī)理為單相強(qiáng)制對流換熱，熱負(fù)荷的影響很微弱，放熱系數(shù)

進(jìn)入表面沸騰區(qū)后（B段)，放熱系數(shù)

在飽和核態(tài)沸騰區(qū)（C段）初始階段，x約小于0.3時(shí)，熱量傳遞主要是沸騰換熱，換熱強(qiáng)度取決于熱負(fù)荷，而單相對流，即流速的影響趨近于零。當(dāng)熱負(fù)荷一定時(shí)，

進(jìn)入雙相強(qiáng)制對流換熱區(qū)域后（D段)，隨著液膜的逐漸減薄，使液膜的導(dǎo)熱性增強(qiáng)而不再形成汽泡，此時(shí)由管壁傳來的熱量以強(qiáng)制對流的方式，通過液膜的導(dǎo)熱而傳遞到汽水分界面上，在該界面上液體不斷被蒸發(fā)，使液體的汽化過程從核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)入表面蒸發(fā)。由于汽水混合物流速的進(jìn)一步提高，放熱系數(shù)沿流動(dòng)方向繼續(xù)增大，沸騰換熱的影響逐漸下降，而對流換熱的份額越來越大，當(dāng)混合物流速相當(dāng)高時(shí)，熱負(fù)荷的影響漸趨消失，因此流速成為決定性因素。

在干涸點(diǎn)E，由于液膜被蒸干或撕破而消失，a突然下降到接近于飽和蒸汽對流換熱的數(shù)值。

干涸后的欠液換熱區(qū)（F段)，是傳熱惡化后濕蒸汽與管壁的換熱。此時(shí)工質(zhì)處于熱力學(xué)不平衡狀態(tài)，熱量傳遞過程相當(dāng)復(fù)雜：熱量可以由壁面?zhèn)鹘o蒸汽，使蒸汽過熱后再傳給液滴，從而使液滴蒸發(fā)，熱量也可以從壁面直接傳給能撞擊到壁面上的液滴而使其蒸發(fā)。若壁溫很高，熱量還可以由壁面以輻射的方式傳給蒸汽和液滴。這一區(qū)段中的放熱系數(shù)

進(jìn)入過熱蒸汽區(qū)后（G段），換熱又遵循單相強(qiáng)制對流的規(guī)律。由于蒸汽溫度比內(nèi)壁溫度增加得快一些，放熱系數(shù)

管壁溫度沿管長的變化取決于局部放熱系數(shù)，見圖1所示。在單相水和表面沸騰區(qū)，壁溫與工質(zhì)溫度差值不大，并隨工質(zhì)溫度的提高而增加。當(dāng)進(jìn)入飽和核態(tài)沸騰和雙相強(qiáng)制對流換熱區(qū)時(shí)，由于放熱系數(shù)

當(dāng)未飽和水在均勻受熱的垂直管中向上流動(dòng)直到形成過熱蒸汽時(shí)，如果熱負(fù)荷不太高，則流動(dòng)工況、換熱方式、管壁溫度及流體溫度的變化示意圖如圖1所示。其中，當(dāng)工質(zhì)在管內(nèi)作對流沸騰時(shí)，沸騰換熱的狀況與汽水混合物的流型有很大關(guān)系，按換熱規(guī)律可以分為以下幾個(gè)區(qū)間。

區(qū)間A為單相液體強(qiáng)制對流換熱區(qū)。此區(qū)段液體溫度尚未達(dá)到飽和溫度，管壁溫度稍高于水的飽和溫度，但低于產(chǎn)生汽泡所必須的過熱度。

區(qū)間B為表面沸騰（也稱過冷沸騰)區(qū)。此區(qū)段位于泡狀流動(dòng)的初期，管壁溫度已具有形成汽化核心的過熱度，內(nèi)壁面上開始產(chǎn)生汽泡，但由于主流的平均溫度仍低于飽和溫度，存在過冷度，因此形成的汽泡或者脫離壁面進(jìn)入中心水流后即被冷凝而消失，或者仍然附著在壁面上。此時(shí)管子截面上的熱力學(xué)含汽率x<0，當(dāng)所有的水均加熱到飽和，即x=0時(shí)，此區(qū)段結(jié)束。

區(qū)間C為飽和核態(tài)沸騰區(qū)。此區(qū)段流動(dòng)結(jié)構(gòu)包括泡狀流動(dòng)，彈狀流動(dòng)和部分環(huán)狀流動(dòng)。由于此時(shí)管內(nèi)水的溫度已達(dá)到飽和溫度，汽泡脫離壁面后不再凝結(jié)消失，含汽率x值由0開始增加。在環(huán)狀流動(dòng)的初期階段，貼壁的液膜尺寸較厚，內(nèi)壁上還是能形成汽泡，此時(shí)換熱狀態(tài)仍可近似認(rèn)為屬于核態(tài)沸騰。當(dāng)液膜中不再產(chǎn)生汽泡，沸騰傳熱機(jī)理發(fā)生變化時(shí)，該區(qū)段結(jié)束。

區(qū)間D為雙相強(qiáng)制對流換熱區(qū)。隨著x的增加，工質(zhì)進(jìn)入液滴環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。由于環(huán)狀液膜的厚度逐漸減薄，因而液膜的導(dǎo)熱性增強(qiáng)，最后使得緊貼管壁的液體不能過熱形成汽泡時(shí)，核態(tài)沸騰的作用受到抑制。

圖1中的E點(diǎn)稱為干涸點(diǎn)。隨著液膜不斷地蒸發(fā)及被中心汽流卷吸的結(jié)果，沿著流動(dòng)方向液膜愈來愈薄，最終管壁上的液膜在某一x值下被蒸干或撕破而完全消失，出現(xiàn)干涸，即傳熱惡化現(xiàn)象。這時(shí)壁面直接同蒸汽接觸，使得壁面溫度急劇地上升。

區(qū)間F為干涸后的換熱區(qū)，也稱為欠液區(qū)。蒸干后，管內(nèi)為蒸汽攜帶液滴的霧狀流動(dòng)，直到液滴完全蒸發(fā)變成干蒸汽為止。這一區(qū)段的換熱依靠液滴碰到壁面時(shí)的導(dǎo)熱及含液滴蒸汽流的對流換熱，此時(shí)可能處于蒸汽有些過熱，而液滴仍為飽和溫度的熱力學(xué)不平衡狀態(tài)。因此，在該區(qū)段管子的某一截面上，熱力學(xué)含汽率x=1。

區(qū)間G為單相蒸汽強(qiáng)制對流換熱區(qū)。在此區(qū)段中，汽流攜帶的液滴全部蒸發(fā)成蒸汽，此時(shí)的流動(dòng)工況為單相的過熱蒸汽。

在20世紀(jì)70年代初期采用的是光滑管，換熱管水平放置，制冷劑蒸汽走管內(nèi),管外走空氣，主要用于空調(diào)器中制冷劑蒸汽的冷凝。為了強(qiáng)化管外的換熱，一般在管外加翅片。許多研究者對于光滑管內(nèi)的冷凝換熱的機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究，換熱管直徑在3~以上，制冷劑為純質(zhì)制冷劑、近共沸混合物制冷劑及非共沸混合物制冷劑。

研究證實(shí)，冷凝換熱的強(qiáng)度與流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)，光滑管內(nèi)的冷凝過程一般可分為環(huán)狀流、分層流、波狀流、團(tuán)狀流和柱狀流，團(tuán)狀流和柱狀流在冷凝過程的末端出現(xiàn)，不同的流動(dòng)狀態(tài)，冷凝換熱系數(shù)的大小不同。而流動(dòng)狀態(tài)是由蒸汽的剪切力和重力的大小決定的，當(dāng)蒸汽剪切力起主要作用時(shí)，流動(dòng)表現(xiàn)為環(huán)狀流，當(dāng)重力起主要作用時(shí)，流動(dòng)表現(xiàn)為分層流、波狀流和團(tuán)狀流。

毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的相變現(xiàn)象廣泛存在于自然界和許多領(lǐng)域中，是一個(gè)較為復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，迄今對其機(jī)理還缺乏比較系統(tǒng)的認(rèn)識。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，近幾年在前蘇聯(lián)、美國和德國等技術(shù)發(fā)達(dá)國家業(yè)已開始了這方面相關(guān)的研究工作。毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的蒸發(fā)傳熱過程與常規(guī)蒸發(fā)過程在本質(zhì)上有差異。毛細(xì)管是毛細(xì)多孔材料的基本結(jié)構(gòu)形式之一，其有效孔徑可由毫米量級到數(shù)十納米量級，并在化工、制冷和空間技術(shù)等許多方面具有廣泛的應(yīng)用背景。毛細(xì)管內(nèi)的汽化和凝結(jié)過程是復(fù)雜毛細(xì)結(jié)構(gòu)中汽液相變過程的基礎(chǔ)。

汽液彎月面上的蒸發(fā)傳熱過程因在各種毛細(xì)材料中的汽液兩相過程中起著相當(dāng)重要的作用而受到重視。P.C.W ayner Jr、S.A.Kovalev和S.L.Solovyev以及D .Khrustalev等研究了汽液彎月界面上的蒸發(fā)傳熱過程，并指出其擴(kuò)展微細(xì)液膜區(qū)在整個(gè)彎月面的傳熱過程中起著重要的作用。毛細(xì)管內(nèi)的蒸發(fā)是一個(gè)毛細(xì)管內(nèi)所形成的空間彎曲界面上的熱質(zhì)傳遞過程,熱量的傳遞主要通過相變過程中質(zhì)量的遷移來實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn) 在綜合考慮毛細(xì)管內(nèi)擴(kuò)展微細(xì)液膜和彎月界面上傳熱傳質(zhì)過程的基礎(chǔ)上，對毛細(xì)管內(nèi)的蒸發(fā)傳熱機(jī)理進(jìn)行較為深入的分析，提出了其傳熱性能的計(jì)算方法，并作了實(shí)例計(jì)算。毛細(xì)管內(nèi)的蒸發(fā)彎月面可分為平衡穩(wěn)定液膜區(qū)、過渡液膜區(qū)和彎月面彎曲區(qū)。熱質(zhì)傳遞過程發(fā)生在過渡液膜區(qū)和彎月面彎曲區(qū)。計(jì)算結(jié)果表明:在過渡液膜區(qū)具有很高的換熱系數(shù)，毛細(xì)管徑的增大將導(dǎo)致毛細(xì)管內(nèi)換熱系數(shù)的下降。2100433B

對流傳熱沸騰傳熱

液體和高于其飽和溫度的壁面接觸時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沸騰，此時(shí)，壁面向流體放熱的現(xiàn)象稱為沸騰傳熱。對液體加熱時(shí)，在液體內(nèi)部伴有由液相變成汽相而產(chǎn)生氣泡的進(jìn)程稱為沸騰。

沸騰產(chǎn)生的方法：將加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面處受熱沸騰，稱為大容器沸騰。液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰。

對流傳熱冷凝傳熱

當(dāng)飽和蒸氣與低于飽和溫度的壁面相接觸時(shí)，蒸氣將放出潛熱，并冷凝成液體。

蒸汽冷凝的方式：膜狀冷凝（film-type condensation）和滴狀冷凝 (dropwise condensation)。

若冷凝液能潤濕壁面并能形成一層完整的液滴，稱膜狀冷凝由于表面張力的作用，冷凝在壁面上形成許多液滴最終會(huì)形成膜狀冷凝。