对流沸腾换热

沸腾换热是我们所讨论过的换热现象中影响因素最多、最复杂的换热过程，实验关联式与实验点之间的离散度、不同实验关联式之间的偏差也相当大。

1、不凝结气体

与膜状凝结不同，溶解于液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种强化。这是因为，随着工作液体温度的升高，不凝结气体会从液体中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成为汽泡的胚芽，从而使沸腾曲线向着减小的方向移动，即在相同的下产生更高的热流密度，强化了换热。

但对处于稳定运行下的沸腾换热设备来说，除非不断地向工作液体注入不凝结气体，否则它们一经逸出，也就起不到强化作用了。

2、过冷度

如果在大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度，则这种沸腾称为过冷沸腾。对于大容器沸腾，除了在核态沸腾起始点附近区域外，过冷度对沸腾换热的强度并无影响。在核态沸腾起始段，过冷会使该区域的换热有所增强。

3、液位高度

在大容器沸腾中，当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关但当液位降低到一定值时，沸腾换热的表面传热系数会明显地随液位的降低而升一高。这一特定的液位值称为临界液位。

4、重力加速度

随着航空航天技术的发展，超重力及微重力情况下的传热规律的研究近几十年中得到很大的发展。关于重力场对拂腾换热的影响，

现有的研究成果表明，在很大

的变化范围内重力加速度几乎对核态沸腾的换热规律没有影响。但重力加速度对液体自然对流则有显著的影响(自然对流随加速度的增加而强化)。

5、对流沸腾表面的结构

沸腾表面上的微笑凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。

目前有两种常用的手段：

(1)用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面上形成多孔结构。

(2)机械加工方法。

对流沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即

但对于对流沸腾换热的h却又许多不同的计算公式。 2100433B

对流沸腾换热分为大容器沸腾(或称池内沸腾)和强制对流沸腾(主要应用是管内沸腾)。这些又可分为过冷沸腾和饱和沸腾。

1、大容器沸腾（池内沸腾）：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾。其特点产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进入容器空间。

液体主体温度达到饱和温度、壁温高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。在饱和沸腾时，随着壁面过热度的增高，会出现4个换热规律全然不同的区域。

2 、强制对流沸腾（管内沸腾）：强制沸腾换热构成汽液两相混合物，形成两相流，沸腾状态随流向变化。

强制对流沸腾换热取决于管的放置情况（垂直水平或者倾斜）、管长、管径、管壁壁面状况、汽液比例、液体初参数、流量等。

管内强制对流沸腾时，由于产生的蒸气混入液流，出现多种不同形式的两相流结构，换热机理亦很复杂。

流入管内的未饱和液体被管壁加热，到达一定地点时壁面上开始产生汽泡。此时液体主流尚未达到饱和温度，处于过冷状态，这时的沸腾为过冷沸腾。继续加热而使液流达到饱和温度时，即进入饱和核态沸腾区。饱和核态沸腾区经历着泡状流和块状流(汽泡汇合成块，亦称弹状流)。

含汽量增长到一定程度，大汽块进一步合并，在管中心形成汽芯，把液体排挤到壁面，呈环状掖膜，称为环状流。此时换热进入液膜对流沸腾区。环状液膜受热蒸发，逐渐减薄，最终液膜消失，湿蒸气直接与壁面接触。液膜消失称为蒸干。此时，由于换热恶化，会使壁温猛升，造成对安全的威胁。

（1 ）液体汽化吸收大量的汽化潜热；

（2 ）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。

影响对流换热的因素是影响流动和影响流体中热量传递因素的综合作用。主要有以下五个方面。

（1）流体流动的起因

由于流动的起因不同，对流可以分为强制对流和自然对流换热两大类。两种流动的成因不同，流体中的速度场有差别，所以换热规律也不一样。

（2）流体有无相变

当流体没有相变时对流换热中的热量交换是由于流体的显热变化而实现的；而在有相变的换热过程（如沸腾或凝结），流体的相变潜热往往起着主要作用，因而换热规律与无相变时不同。

（3）流体的流动状态（单相流动）

层流时流体微团沿着主流方向作有规律的分层流动，而湍流时流体各部分之间发生强烈的混合，因而换热能力不同。

（4）流体的物性条件

流体的密度、动力黏度、导热率等不仅对流体的流动有影响，而且对流体中热量传递也有影响，因此流体的物理性质对流体换热有着很大的影响。

（5）换热表面的几何因素

这里的几何因素指换热面的形状、大小、换热表面与流体运动的相对方向及换热面的状态（光滑或粗糙）。

形成对流的原因有两种：流体各部分因温度引起的密度差所形成的运动称为自然对流；由风机、泵等所驱动的流体运动称为受迫对流。相应的换热过程分别称为自然对流换热和受迫对流换热。

右图所示实线为进口过冷度及质量流速一定时，离进口Z处的管壁温度随热流密度增加而增大的曲线。

此曲线可分为三段：单相液体区段AB，部分过冷沸腾区段BCDE和充分发展过冷沸腾区段EF。在过冷流动沸腾区域中，在开始段，壁上发生汽泡的点数不多，热量是依靠单相液体强制对流传热和过冷沸腾传热方式进行传递的，因而称为部分过冷沸腾区。

在部分过冷沸腾区中，工质的过冷度和质量流速对传热有影响，亦即对反映壁温和热流密度的关系曲线有影响，因为此时一部分热量的传递是靠单相液体强制对流传热进行的。随着热流密度增大，整个壁面将全部或近乎全部为汽泡所菠盖，过冷沸腾得到充分发展，传热主要靠过冷沸腾进行，这一区域称为充分发展过冷沸腾区。

在此区中，工质的过冷度和质量流速对传热近乎无影响，因为此时主要依靠过冷沸腾传热，单相液体强制对流传热的影响已不再存在。