1、研究生“高等傳熱學”論文重慶大學動力工程學院沸騰傳熱特點的綜述摘要：介紹了水平管內(nèi)及豎直管內(nèi)流動沸騰的流型圖，池沸騰及管內(nèi)流動沸騰的傳熱強化技術，窄微流道內(nèi)沸騰的傳熱特性。并對沸騰傳熱的研究方進行了展望。關鍵詞：沸騰傳熱、流型圖、強化技術、傳熱特性1、引言沸騰傳熱和汽液兩相流是由本質(zhì)上十分復雜的沸騰和兩相流動兩種物理現(xiàn)象耦合在一起的一種熱流體流動過程，在核能、火箭、航天、材料等技術領域和能源、動力、石油、化工、冶金、制冷、食品、造紙等工業(yè)中得到了廣泛的應用。管內(nèi)流動沸騰按管道布置方式主要有水平管內(nèi)流動沸騰，豎直管內(nèi)流動沸騰兩種方式；按流道結構分主要有圓管內(nèi)流動沸騰與矩形流道內(nèi)的流動沸騰；按流道

2、的尺寸分主要有常規(guī)流道及窄微流道兩種。本文主要對不同管內(nèi)流動方式的特點進行綜述。2、水平管內(nèi)流動及豎直管內(nèi)流動沸騰2.1 水平管內(nèi)的流型水平流動下流場受到重力場作用，呈較顯著的相分布不均勻性。常見的水平同向流動的流型主要有彌散泡狀流、層狀流、間歇流和彌散環(huán)狀流。彌散泡狀流的示意圖如圖1所示，從圖中可以看出汽泡收到浮力影響，彌散在流道頂部。隨著流速增大汽泡成泡沫狀彌散與整個流道。圖1彌散泡狀流的示意圖層狀流又可細分為純層狀流和波狀層狀流。純層狀流的示意圖如圖2所示，從圖中可以看出汽相在流道上部流動，液相在流道底部流動，重力使兩相完全分離，兩相交界面光滑。隨著汽相流速增大，汽液相界面呈波狀，便進入

3、波狀層狀流，其示意圖如圖3所示。圖2純層狀流示意圖間歇流的示意圖如圖4所示，從圖中可以看出間歇流是液相和汽相各自呈不同的構形在流道內(nèi)交替出現(xiàn)。其中間歇流又可細分為塞狀流、半彈狀流和彈狀流。塞狀流：汽泡呈彈狀且偏離于流道頂部流動。彈狀流：液相呈連續(xù)相，夾雜有小液滴的汽塊偏置于流道頂部并與泡沫狀液塊相同。這兩種流型的間歇性都可能導致壓力突然變化，引起工程中最感困惑的流道振蕩破壞。半彈狀流與彈狀流的差異僅是泡沫狀液塊界面呈波狀且不與流道頂部相接觸。彌散環(huán)狀流的示意圖如圖5所示，從圖中可以看出水平彌散環(huán)狀流的基本特征與垂直流動下的相同。主要差異是因重力作用液膜厚度周向不均勻，流道底部處膜厚大于頂部處的

4、液膜厚度。一般不出現(xiàn)純環(huán)狀流流動，汽芯中往往夾帶著大量彌散液滴。2.2 豎直管內(nèi)流動沸騰的流型實驗表明垂直向上兩相流動經(jīng)常出現(xiàn)以下五種類型的流型：泡狀流、彈狀流、攪拌流、環(huán)狀流、液束環(huán)狀流。泡狀流：液相呈連續(xù)狀態(tài)，汽相以大小不同、形狀各異的汽泡彌散在連續(xù)液相內(nèi)，并與液相一起流動。彈狀流：大塊彈狀汽泡與含有彌散小汽泡的液塊間隔出現(xiàn)，在彈狀汽泡的外圍，液相呈降落膜狀態(tài)。當泡狀流中的汽相流量增大到一定值時可能發(fā)生汽泡聚合，甚至會聚合成接近管徑大小的大塊彈狀流汽泡。Radovcich和Moissis在分析了泡狀流的特征后認為：當空泡份額a<0.1,汽泡碰撞頻率較低；大于此臨界值后，碰撞頻率陡增；

5、當a=0.3過渡到彈狀流。攪拌流：在孔徑較大的流道中，液相呈不定型形狀上下振蕩運動，呈攪拌狀態(tài)。在彈狀流動下，若流速進一步增大，汽泡發(fā)生破裂，伴隨發(fā)生在這類振蕩運動。但是在小孔徑流道中，不一定發(fā)生這類攪拌運動?？赡馨l(fā)生彈狀流向環(huán)狀流直接平穩(wěn)過渡。環(huán)狀流：液相沿管壁呈膜狀流動，汽相在流道芯部流動。實際上，純環(huán)狀流工況的參數(shù)范圍很窄，通常呈環(huán)狀彌散流狀態(tài)，亦即部分液相以液滴狀態(tài)混雜在連續(xù)汽芯中一起流動。有時液膜內(nèi)會夾雜少量汽泡。液束環(huán)狀流：當液相流量進一步增大時，汽液交界面呈波狀流動，汽芯卷吸的液量增加，使汽芯的夾帶液滴濃度增大，聚合成束狀液塊。彌散流：在這種流型中，通道內(nèi)的流體變成許多細小的液滴

6、懸浮在蒸汽主流中隨著蒸汽流動。而且越接近通道的出口，液滴的數(shù)量越少，液滴的尺寸也越小，直到形成單相蒸汽時為止。圖6豎直流動沸騰的流型示意圖豎直流道內(nèi)流動沸騰的流型示意圖如圖所示，從左至右依次為：泡狀流、彈狀流、攪拌流、環(huán)狀流、彌散流。3、窄微流道內(nèi)的流動沸騰流道的幾何尺寸影響流動沸騰換熱現(xiàn)象，根據(jù)流道特征尺寸，一般可分為常規(guī)流道（5.0mm）,窄空間流道或者受限空間流道（0.55.0mm）,微通道（0.010.5mm）,毛細流道（0.01mm）。由于窄流道的換熱強化、組成元件結構緊湊等顯著特點，特別適合用于高壓下的結構，在工程中，近十年來，得到了廣泛的應用。與常規(guī)流道不同，在窄微流道內(nèi)由于汽泡

7、極易長大到與流道尺寸相當?shù)拇笮?，因此在窄微流道?nèi)汽泡的生長特性、汽泡的脫離行為及汽泡行為對壓降的影響。目前，有很多學者采用了不同方法研究了不同的流道結構、不同過冷度、不同熱流密度、不同質(zhì)量流速等，對窄微流道內(nèi)汽泡的演化特性。但是，由于窄微流道流道內(nèi)的沸騰換熱過程相當?shù)膹碗s，并且受到很多的不確定性因素的影響，目前，還沒有統(tǒng)一的能描述窄微流道內(nèi)沸騰換熱過程的數(shù)學表達式及統(tǒng)一相關理論，學者們大多得到的是一些適用于特定流道結構及特定的工況范圍經(jīng)驗理論。因此，對窄微流道內(nèi)的沸騰換熱特性的研究具有重要意義。4、沸騰傳熱強化技術沸騰傳熱強化技術是強化傳熱領域中一個非常重要的方面。其目的是為了進一步提高換熱設

8、備的效率，減少能量傳遞過程的不可逆損失，更合理和有效地利用能源；減少換熱面積，降低金屬消耗；盡可能地降低換熱元件的壁面溫度，保證換熱設備的安全運行。此外，降低制造成本，減少運行費用等也是改進換熱設備時所必須考慮的。無論是大容器的池沸騰還是管內(nèi)沸騰，在加熱面上產(chǎn)生汽泡是其共同的特點，也是使沸騰換熱比無相變的傳熱強烈的最基本因素。因此，強化沸騰傳熱的基本原則就是盡量增加加熱面上汽化核心，及產(chǎn)生汽泡的地點。由于，加熱面上的微小凹坑最容易形成汽化核心，近幾十年來強化沸騰傳熱主要思想是增加汽化核心密度和提高汽泡脫離頻率。4.1池沸騰傳熱強化技術（1）流體特性參數(shù)的影響汽體壓力增高能使汽化核心增多，汽泡脫

9、離頻率增大，因而能使沸騰傳熱增強。流體與換熱表面的接觸角小，則汽泡脫離頻率增高，因而能增強沸騰傳熱。（2）換熱面特性的影響換熱面的加工方法、表面粗糙度、材料特性以及新舊程度都能影響沸騰傳熱的強弱。試驗表明，同一液體在拋光壁面上沸騰傳熱時，其傳熱系數(shù)比在粗糙壁面上沸騰傳熱時低，這主要是由于光潔表面上汽化核心較少的緣故。液體在新的換熱面上沸騰時，傳熱系數(shù)較高，隨著運行時間增長，一部分汽化核心喪失了汽化能力，于是傳熱系數(shù)逐漸下降到某一穩(wěn)定值。傳熱面材料能否被液體濕潤，對傳熱系數(shù)也有相當影響，同樣條件下，液體和材料特性組合得好，濕潤程度大，則傳熱系數(shù)高。（3）換熱面布置及形狀的影響當換熱面為水平平板且

10、由上向下放熱時，由于汽泡不易從換熱面上散出，因而傳熱系數(shù)低于換熱面由下向上放熱的情況。對水平放置的管束，由于上升的蒸汽在上部流速較大，引起了附加擾動，因而位于其上部管子的傳熱系數(shù)比下部管子的傳熱系數(shù)高。此外，換熱面和容器的幾何形狀，對汽泡運動和沸騰傳熱均有影響。4.2 管內(nèi)流動沸騰的傳熱強化技術（1）各種特殊加工和處理表面內(nèi)螺紋槽管的強化沸騰傳熱在低熱流下，該強化管的效果最為明顯，在高熱流下，強化效果雖然有所下降，但仍然是相當不錯的。內(nèi)表面帶有螺旋肋的管子可以延遲核沸騰向膜沸騰的過渡，即使在高含汽率下也是如此。螺旋槽管對流動沸騰也有很好的強化效果。（2）肋化表面為了取得高換熱率和低壓力損失，可

11、以采用較低的肋片高度和比較緊密的螺距。高肋片管、微肋片管和插入扭帶管的沸騰換熱過程均比光滑管的傳熱系數(shù)高很多。（3）移置式強化物將強化物置于非傳熱面而使傳熱得到強化，這是移置式強化物的特征。如將擾流環(huán)置于環(huán)形通道的外套管內(nèi)，不但可使內(nèi)管的沸騰傳熱得以強化，而且可以提高臨界熱負荷。（4）渦流裝置最普遍采用的渦流裝置是扭曲帶，這種裝置結構簡單、制造方便、成本低廉，并且不必對已有設備作大的改動，就可應用于現(xiàn)有設備。扭曲帶的應用，對于沸騰兩相流的各種流型都有強化效果。對于過冷流動沸騰，其主要效果是提高臨界熱流。已有的研究表明，對于水，臨界熱流可以提高一倍之多。對于環(huán)狀流，扭曲帶可以增加壁面上液膜的穩(wěn)定

12、性，這是因為離心力作用的結果，從而使傳熱得以改善。此外，扭曲帶在極廣闊的含汽量范圍內(nèi)，都使臨界熱流得到提高。在臨界狀態(tài)之后的兩相流沸騰傳熱也可以用扭曲帶來強化。螺旋管也是一種有效的渦流裝置，目前在研究和應用方面均形成了一定的規(guī)模。螺旋管對流動沸騰的強化是十分有效的，螺旋管的曲率半徑越小，強化效果越顯著。因為在管內(nèi)出現(xiàn)了二次流，在離心力作用下形成兩個對稱的渦流，促進了傳熱過程。但是，其強化效果與兩個參數(shù)，即幾何條件參數(shù)和兩相流參數(shù)，有很密切的關系。如果參數(shù)不適當，可能效果不明顯，甚至有惡化的可能，對此必須十分謹慎。（5）振動有研究表明振動對低熱流下的核沸騰傳熱會有所加強，但臨界熱流未受此影響，而對高熱流下的核沸騰傳熱則影響不大。對于充分發(fā)展的沸騰傳熱，超聲波的振動作用不大。（6）添加劑添加劑對流動沸騰的影響比對池內(nèi)沸騰更為復雜。已有的研究表明，由于添加劑含量的不同，沸騰傳熱可能改善也可能惡化。無論對于水或有機介質(zhì)，靜電場使核沸騰、臨界熱流和膜沸騰的傳熱強度都得到提高。5、展望沸騰流動傳熱相比于一般的單相流動傳熱其具有較高的傳熱系數(shù)，因此在近幾十年來得到了廣泛的研究和應用，如果航空航天、反應堆工程、微電子等領域。目前，很多學者采用不同的方法實驗方法及數(shù)值模擬的方法，研究了不同的流道結構、不同系統(tǒng)壓力、不同過冷度、不同熱流密度、不同質(zhì)量流道等對沸騰傳熱的影響。除了研究上述傳統(tǒng)參