（化学工程专业论文）池核沸腾传热与CaCOlt3gt垢生成的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文对池核沸腾时的传热及加热面上c a c 0 3 垢的生成等复杂过程进行了实验研究 与理论分析。主要工作如下： 采用极限扩散电流技术( l d c t ) 与直接传热测定同时进行的方法研究池核沸腾时 的界面汽化热阱效应以及沸腾滞后和由自然对流向核沸腾转变过程中加热面上沸腾泡 核的发展状况。结果表明，界面汽化热阱效应和对流是核沸腾传热的两个主要途径，界 面汽化热阱效应对传热的贡献随着热通量的增大而增大，随着系统压力提高也增大。并 从沸腾中所包含的各个子过程问相互作用，相互竞争的观点分析沸腾传热的机理。研究 发现不同的加热方式对沸腾滞后影响明显：当热通量逐渐增加时，出现滞后现象，而此 后逐渐降低热通量，会产生t d 滞后( t e m p e r a t u r ed e v i a t i o n ) 。研究还发现在传热脱离 自然对流至充分发展的沸腾阶段内界面汽化热阱效应是逐渐增强的，说明了在沸腾起始 阶段，加热面上沸腾泡核的形成是一个渐进过程。另外，依据泡核激活机制的转变并结 合界面汽化热阱效应对沸腾滞后进行机理分析。 针对池核沸腾时水平加热表面上c a c 0 3 的结垢过程，首先采用动态热阻法对结垢规 律进行了系统的实验研究，考察了热通量、垢质浓度和溶液主体温度对结垢行为的影响。 此外，分别在疏水的氟硅烷修饰紫铜基表面以及亲水的紫铜表面上进行了c a c 0 3 结垢实 验，实验结果及理论分析均表明该疏水表面具有较好的抗垢性能。本文还对过冷池核沸 腾条件下的结垢过程进行了实验研究，发现过冷沸腾时传热系数的变化趋势和饱和池核 沸腾时相同，但传热系数及结垢速率均较饱和沸腾时的低。并分析了沸腾初期出现的负 污垢热阻现象。根据沸腾传热的特点，分析界面汽化热阱效应以及对流传热效应各自作 用下的结垢机理。此外还分析了传热面上污垢的形成和汽化核心之间的相互作用，进而 解释污垢的生成对沸腾传热的影响机理，结果表明污垢的生成对沸腾传热的影响主要源 于对可生成沸腾泡核的活化空穴数目和结构上的改变。 关键词：池核沸腾：传热；界面汽化热阱效应；沸腾滞后；碳酸钙垢 池核沸腾传热与c a c o a 垢生成的研究 i n v e s t i g a t i o n o nh e a tt r a n s f e ra n dc a l c i u mc a r b o n a t es c a l ef o r m a t i o n d u r i n gn u c l e a t ep o o lb o i l i n g a b s t r a c t h e a tt r a n s f e ra n ds c a l ef o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i e sd u r i n gn u c l e a t ep o o lb o i l i n gh a sb e e n e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e da n dt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e di n t h i sp a p e r t h em a i nw o r ki sa s f o l l o w s ： t h em e t h o do fa p p l y i n gl i m i t i n gd i f f u s i o nc u r r e n tt e c h n o l o g y ( l d c n 诵t hh e a tt r a n s f e r m e a s u r i n gs i m u l t a n e o u s l yh a sb e e nu s e dt os t u d yt h ei n t e r f a c i a lv a p o r i z a t i o nh e a ts i n ke f f e c t a n dh y s t e r e s i sd u r i n gn u c l e a t ep o o lb o i l i n g ，a n dt h es p r e a d i n gp r o c e s so fb o i l i n gn u c l e io nt h e h e a tt r a n s f e rs u r f a c ei nb o i l i n gi n c i p i e n c e n er e s u l t sr e v e a lt h a th e a tt r a n s f e rd u r i n gn u c l e a t e b o i l i n gi sm o s t l yc o n t r i b u t e db yt h ei n t e r f a e i a lv a p o r i z a t i o nh e a ts i n ke f f e c ta n de o n v e e t i o n , t h ec o n t r i b u t i o no fi n t e r r a c i a lv a p o r i z a t i o nh e a ts i n ke f f e c tt oh e a tt r a n s f e ri n c r e a s a sw i t h i n c r e a s i n gh e a tf l u xo rs y s t e mp r e s s u r e n eh e a ti r a n s f e rm e c h a n i s mh a sb e e na n a l y z e db y t h ei n t e r a c t i o no ff u n d a m e n t a lp r o c e s s e sc o n t a i n e di nn u c l e a t ep o o lb o i l i n g 1 1 l eh e a t i n g m e t h o d sh a v ee v i d e n te f f e c t so nh y s t e r e s i s h y s t e r e s i so c c u r su n d e rt h ec o n d i t i o no f i n c r e a s i n gt h eh e a tf l u xw i t hc o n s t a n tp r e s s u r e w h i l et dh y s t e r e s i s ( t e m p e r a t u r ed e v i a t i o n ) o c c i , 1 1 - sw h e nd e c r e a s i n gt h eh e a tf l u x t h er e s u l t sa l s or e v e lt h a tt h ei n t e r r a c i a lv a p o r i z a t i o n h e a ts i n ke f f e c te n h a n c e sd u r i n gb o i l i n gi n c i p i e n c e ，w h e nt h ef o r m a t i o no fb o i l i n gn u c l e ii sa g r a d u a lp r o c e s s t 1 1 eb o i l i n gh y s t e r e s i sm e c h a n i s mh a sb e e na n a l y z e do nt h eb a s eo ft h e i n t e r f a c i a lv a p o r i z a t i o nh e a ts i n ke f f e c ta n dt h ec h a n g ei na c t i v a t i o nw a y o f b o i l i n gn u c l e i t h ee h a r a e t e r i s t i e so fc a c 0 3s c a l ef o r m a t i o no n ah o r i z o n t a lr o u n dh e a tt r a n s f e rs u r f a c e h a sb e e ni n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yt h r o u g hd y n a m i ct h e r m a lr e s i s t a n c ee x p e r i m e n t sw h i c h r e v e a lt h ee f f e c t so f h e a tf l u x ，s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n ds o l u t i o nb u l kt e m p e r a t u r eo nf o u l i n g r e s i s t a n c e t h ee x p e r i m e n t so f c a c 0 3s c a l ef o r m a t i o nw e r ea l s oc a r d e do u to nah y d r o p h o b i c c u - f s 2 6 1s u r f a c ea n dah y d r o p h i l i cc us u r f a c e n ee x p e r i m e n t sr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i sb o t hr e v e a lt h ea n t i f o u l i n gc h a r a c t e r i s t i co fc u f $ 2 6 1s u r f a c e s t u d yo fc a c 0 3s c a l e f o r m a t i o nd u r i n gs u b c o o l e dn u c l e a t ep o o lb o i l i n gs h o w st h a tt h ec h a n g et r e n do fh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ti st h es a l r l ew i t hw h i c hd u r i n gs a t u r a t e dn u c l e a t ep o o lb o i l i n g , w h i l et h ev a l u e so f h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n df o u l i n gr a t ea r el e s st h a nt h a to fs a t u r a t e dn u c l e a t ep o o lb o i l i n g n 伧n e g a t i v ef o u l i n gr e s i s t a n c ep h e n o m e n o nh a sb e e nf o u n di nb o i l i n gi n c i p i e n c ea n dt h e m e c h a n i s mi sa n a l y z e d t w od i f f e r e n ts c a l ef o r m a t i o nm e c h a n i s md u r i n gn u c l e a t eb o i l i n gi s f u r t h e ra n a l y z e d n l ee f f e c tm e c h a n i s mo fs c a l ef o r m a t i o no nn u c l e a t eb o i l i n gh e a tt r a n s f e r h a sb e e nf u r t h e ra n a l y z e do nt h eb a s eo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns c a l ef o r m a t i o na n db u b b l e 大连理工大学硕士学位论文 n u c l e a t es i t e ，a n di tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ee f f e c to fs c a l ef o r m a t i o no nn u c l e a t eb o i l i n g h e a tt r a n s f e ri sm o s t l ya t t r i b u t e dt ot h ec h a n g ei ns t r u c t u r ea n da m o u n to f t h ea c t i v ec a v i t i e s k e yw o r d s ：n u c l e a t ep o o lb o i l i n g ：h e a tt r a n s f e r ：i n t e r r a c i a lv a p o r i z a t i o nh e a ts i n k e f f e c t ：b o i l i n gh y s t e r e s i s ：c a l c i u mc a r b o n a t es c a l e i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 2 2 ：! i ：翌 一 盔垄堡蔓塑主塑壅兰兰垡鲨茎 一 _ _ 一 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博t 学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 耋丛 笼 大连理工大学硕士学位论文 引言 沸腾传热是一种高效的传热方式，其具有传热速率高、需要的传热温差小等特点， 在日常生活和动力、化工、热能等工程技术领域得到了广泛的应用。 几十年来，人们对沸腾传热进行了广泛的研究，通过实验积累了大量的数据，并以 此发展了许多经验的或唯象的关系式i l j 。这些数据常常是测定其宏观的平均参数值，但 实际上沸腾包含了众多的沸腾泡核生成、长大、脱离等一系列子过程，并产生十分显著 的界面汽化热阱效应，十分复杂，难以用一个宏观的关联式来综合。而要阐明泡核沸腾 的本质机理，对其中所包含这一系列的子过程进行过程动力学的分析就显的尤为重要。 由于微电子设备技术中常用不导电的高有机介电液体以沸腾传热来取出热量，而这类液 体对固体壁面具有高润湿性，在核沸腾开始时产生严重的壁面温度偏异和滞后，使放热 壁面产生显著的波动，从而严重的影响了它们的操作性能与使用寿命。对于沸腾滞后， 已经由作为一种现象来认识进入到实际生产上必须解决的问题来研究。近年来，虽然对 于影响沸腾滞后的各项因素以及减轻和消除沸腾滞后的方法等方面有了比较深入的工 作【2 4 1 ，但是由于这一问题极其复杂，即它与换热表面的性状，可作为活化中心的空穴 的大小、结构与分布，液体介质的性质，液体中空气等不凝性气体的含量以及加热操作 方法的不同等等多种因素有关。因此，对于沸腾滞后这一问题还有待进一步的阐明和更 深入的研究。综上，本文将对池核沸腾传热中所包含的各个子过程间相互协作、相互竞 争形成的时空结构进行分析，阐明这些予过程间的相互关系。进一步对沸腾滞后的现象， 产生滞后的基本原理，结合理论与实验加以分析和讨论，以求获得一个比较清楚的认识。 在工业生产的许多领域中，污垢广泛存在。换热设备的效率经常会由于加热壁面上 污垢的生成而大大下降。结垢问题是强制对流传热过程中尚未解决的主要问题【”，而且 在沸腾传热过程中由于下述原因结垢会更加严重1 6 1 ： ( a )根据汽泡生成机制，加热面附近垢质的浓度可以增加几个数量级； ( b )核沸腾的传热系数比强制对流时显著增加，因此污垢热阻对它影响更大； ( c )换热设备高温高压下操作，壁面过热可能会造成塑性变形和断裂。 很长时间以来，人们非常重视研究污垢的生成对换热设备传热性能的影响，也进行 了一些实践及理论上的研究以寻找合适的抗垢阻垢的方法。m j a m i a l a h m a d i l 6 等曾在实 验中观察到沸腾时的结垢分为三个阶段，开始时传热系数明显降低，而后又行上升，然 后进入传热系数持续下降的垢层形成阶段。同时，实验还观察到沸腾时传热面上的活化 中心数目在操作中不断改变，由少增多，而后又减少而渐趋于稳定。其形成的垢层亦更 为复杂，包含着两种形态，实际上反映了对流条件下的垢层沉积和沸腾时垢层沉积两种 池核沸腾传热与c a c o 、垢生成的研究 机理。他们的工作给我们提供了很多启示。对于沸腾时的结垢，其中包含的子过程要比 核沸腾复杂得多，有对流传热、对流传热条件下的结垢，有沸腾泡核的形成、长大和脱 离，界面汽化热阱效应、界面汽化热阱效应作用下的结垢，以及结垢对沸腾各个阶段的 不同影响等等。因此我们将对其中所包含的子过程做深入的动力学研究，以这些子过程 相互影响的观点来分析结垢过程的内在机理。另外本研究中通过改变各种操作参数以及 对传热面进行处理等方式对池核沸腾条件下的c a c 0 3 的结垢行为进行研究，掌握污垢的 形成规律。为更好的研究探索抗垢阻垢方法提供理论与实践基础。 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 相变是自然界和各种生产过程中常见的现象。相交是在原单一的均匀相中生成新相 的过程，其中有许多不易解决的难题并又充满着令人激动的发现机遇。沸腾是在加热表 面上原均匀的液相中产生汽泡相，在这个新相生成过程中包括泡核的生成、汽泡的生长、 汽泡的脱离和新的泡核生成等系列子过程，同时一个泡核在其动态演化过程中还和周围 其它的泡核发生极其复杂的交互作用。如果沸腾工质中存在着可在加热表面上析出的垢 质，其过程更为复杂。在沸腾泡核产生的同时，汽液界面上会有垢质晶体析出，这是一 个多个新相同时生成的过程。前人在沸腾传热以及结垢方面进行了广泛的研究，在此基 础之上，本章将结合论文研究工作，对相关研究现状加以分析、综述。 1 1 沸腾传热 1 1 1 概述 沸腾是一种高效的传递热量方式，在较低的传热温差下可以获得较高的传热系数。 一般用水作为沸腾介质，价廉易得，而且其汽化热高，热容量大。因此，在核能建设、 热能工程、冷冻工业、化学工程等领域中得到了广泛应用。正是由于这些领域，特别是 核反应堆、发热电子元件的冷却等大功率、高热流密度的传热要求，大大激发了沸腾传 热的研究与迅速发展，这使得利用核沸腾传热从小体积内取出大量热的研究成为热控研 究中十分前沿的课题1 7j 。 沸腾是加热表面上众多泡核的生成、长大、脱离和新的泡核生成的新相生成过程， 其中伴随着能量的转移和加热表面温度的周期性变化。人类对沸腾现象的观察和利用历 史悠长，但是对其规律性的探索和认识始于1 8 世纪，1 7 5 6 年德国医学博士l e i d e n f r o s t 哺j 观察与测量了液滴在高温金属板上的蒸发速度。而一般认为对沸腾传热进行科学的研究 始于2 0 世纪3 0 年代。1 9 3 4 年日本科学家s n u k i y a m a 【9 】报道了金属丝浸没于大空间液体 中的沸腾实验结果，提出了著名的且沿用至今的沸腾传热曲线。沸腾曲线示出了在沸腾 的发展过程中不同的沸腾的形态。 图1 1 所示的即为典型的沸腾曲线。在加热表面不断的将热量传给表面液体过程中， 加热表面的温度升高的同时，液体的温度也升高，此时过程由于液体的内能提高而向克 服液体表面能生成沸腾泡核的方向发展，此时为单相自然对流传热阶段( a b 段) 。当 加热表面的温度升高到一定程度时，液体的内能升高到足以克服液体表面能而产生沸腾 泡核，在加热表面已活化的空穴处开始有汽泡生成，并且汽泡在其动态的变化过程中对 其周围尚未活化的空穴有一定的激活作用，使汽泡的生成区域在加热表面上不断的扩 池核沸腾传热与c a c 0 。垢生成的研究 a t - - 兀( k ) 图1 1 典型的沸腾曲线 f i g 1 1t y p i c a lb o i l i n gc u r v e 展，同时由于从加热表面移出的热量随泡核生成的数目的增加而提高，表面的温度迅速 降低( b c 段) 。当整个加热表面布满了沸腾泡核时，沸腾进入了充分发展的核沸腾阶 段( c d 段) 。而当表面的温度提高到一定程度时，由于大量的沸腾泡核在表面形成， 而且汽泡相互连接和相互重叠，在表面形成了一层汽膜，此时沸腾为膜状沸腾( e f 段) 。 由于汽膜的导热系数较低，因而膜状沸腾传热系数也较低。由核沸腾向膜状沸腾的发展 阶段为过渡沸腾( d e 段) 。过渡沸腾既具有核沸腾的机理也具有膜状沸腾的特点。在 沸腾曲线上由核沸腾转变为过渡沸腾点d 所对应的热负荷称为临界热负荷( 或烧毁点) 。 1 1 2 沸腾传热机理研究 人们对于核沸腾传热的应用给与了很大的重视，对于核沸腾传热的特点和规律进行 了广泛的研究，在核沸腾传热机理的研究方面也有了一定的进步。沸腾时要在原本均匀 的液相中产生一个新的气泡相，包含着气泡的生成、长大、脱离等一系列子过程，这些 子过程相互协作、相互竞争，十分复杂。为了揭示沸腾传热的本质机理，人们针对沸腾 的上述特征，提出了一些机理模型，其中具有代表性的主要模型有： 1 、汽泡扰动模型 该模型认为，沸腾时汽泡的生成、长大和脱离对加热壁面附近的液体引起了可观的 扰动，从而使沸腾传热得以强化。基于这种设想r o h s e n o w i 加i 提出了底层微对流模型 ( m i c r o c o n v e c t i o ni nt h es u b l a y e r ) ，得到如下的关联式： n u ：j r e 0 6 7p r _ 0 7 白 大连理工大学硕士学位论文 其中，c s f 为由表面和液体组合情况决定的参数。此外，t i e n l l l 】的尾流模型( w a k ef l o w m o d e l ) 和z u b e r 1 2 1 的增强自然对流模型( e n h a n c en a t u r a lc o n v e c t i o nm o d e l ) 都是这类观点 的代表。 但是后来的研究表明，尽管汽泡的扰动效应对泡核沸腾传热起着一定的作用，然而 将沸腾传热的高效性单纯地归结于汽泡扰动的观点是不全面的。其原因在于由汽泡生 长、脱离而引起的扰动所形成的流体湍动程度由于流体阻力而有一定的限度，不可能使 这种单相湍流自然对流的传热系数和很高的沸腾传热系数相等同。 2 、汽液交换模型 f o s t e r 认为f i 引，汽泡在生长、脱离和破裂过程中，不断地将壁面处的过热液体推离 加热壁面，同时又不断地将液相主体的液体吸至加热壁面，沸腾传热是通过这种过热液 体与主体液体的位置的交换来实现的，传热速率为： ，下j 下 q = c d ( 专万r 二) ( 二! - j 二生一瓦) ( 1 2 ) jz 其中f 气泡生成频率，n 为气泡数密度。 h a r t 和g r i f f i t h i 1 采用了主要是针对过冷核沸腾提出的汽液交换模型的基础上，以 确定饱和池沸腾孤立气泡区的热流密度，提出了容积对流模型： g = 笔每境 ( 1 3 ) 以上两种模型的共同点是，将核沸腾与单相对流的某一特征相类比。提出核沸腾传 热机理，而未能反映核沸腾的重要特征一气泡产生及生长过程的传热，因之其所获得的 关联式中包含的参数以及其所反映的本质在机理上存在着缺陷。同时，各模型亦未能和 实验结果较好地符合。例如，k a s t i ”】的研究表明，按底层微对流模型计算，核沸腾传热 系数最大为2 0 0 0 w m - 2 k - 1 ，比实际的核沸腾传热系数低1 2 个数量级。又如，按照气液 交换模型，过热层的厚度应当与气泡脱离直径大小相当，但实际测定的过热层厚度比气 泡脱离直径小一个数量级，因此按这种模型计算的传热量远大于实际的传热量。 3 、微层蒸发模型 s n y d e r 和e d w a r d 首先提出“微层蒸发( m i e r o l a y e re v a p o r a t i o n ) ”的概念来解释核 沸腾传热系数较高的原因。他们设想，加热壁面和气泡底部之间存在一过热液体微层， 气泡生长过程中微层内的过热液体向气泡内部迅速蒸发扩散，同时从加热壁面吸收热量 作为汽化潜热，致使壁温降低，传热系数提高。m o o r e 和m e s l e l d l 6 1 进行了一项有意义的 试验，验证了微层蒸发的存在。实验中以水平放置的镀镍表面为沸腾表面，表面上开一 人工微孔作为汽化核心，汽化核心下部安装n i c r 热电偶测量壁温。热电偶响应时间为 池核沸腾传热与c a c o 、垢生成的研究 毫秒级，故可测得汽化核心处的瞬时壁温。实验发现汽化核心处的壁温不是恒定的，而 是呈周期性波动。一个周期中，2 毫秒的时间内壁温迅速下降1 1 1 1 6 7 0 c ，而后在1 0 2 0 毫秒时间内温度逐渐回升到下降前水平。壁温在极短的时间内如此大幅度的下降，这一 点是气泡扰动模型和气液交换模型等单相传热机理模型无法解释的，而也正是存在微层 蒸发的有力证据。 微层蒸发模型的提出，在当时引起了传热界的广泛的关注，在m o o r e 和m e s l e r 实 验之后，又有许多人通过各种实验手段验证了微层蒸发模型的可靠性。并在此模型的基 础上提出了各种核沸腾传热计算式。 4 、组合模型1 7 经验表明，实际的泡核沸腾过程十分复杂，可能多种机理同时存在，用单一的机理 模型无法概括大量实验结果，因此有人提出了组合模型。该模型认为，实际的沸腾表面， 既含有气泡产生点，又含有非沸腾表面。在活动成核点，气泡呈单个或多个状态出现， 周期性地生长和逸离，构成沸腾面积部分，其余为非沸腾面积。沸腾区中，又分气泡区、 气泡扰动影响区、和等待成核区。气泡区主要是其底面处的微液层蒸发；气泡扰动影响 区系增强湍流对流区：等待成核区可用一维瞬态导热过程估计。非沸腾区是湍流自由对 流区，可用自由传热对流估计。要解决这种组合模型的计算，除必须知道每一类的面积 大小外，尚需确定气泡数、气泡生长循环过程、表面润湿特性等，并需确定对沸腾传热 起作用的各种机理的贡献大小，因此，对于组合模型，无论是理论上还是实验上都有待 继续深入。 总之，数十年来人们对沸腾现象已进行了相当广泛的研究，积累了大量的实验数据， 获得了不少经验的或唯象的关联式。然而，大多关联式只能局限地用于较窄的范围，在 推广应用时常具有相当大的偏异。这是因为过去传统的对沸腾传热的研究，常常是测定 其宏观的位置与时间的平均参数值，但实际上沸腾是包含着众多的沸腾泡核生成、长大， 脱离等一系列子过程的十分复杂的现象，而且加热表面的性状及其与沸腾液体间的相互 作用还起着重要作用。这样一个复杂现象，难以用一个宏观的关联式来综合。s h o j i 【l 7 】 在总结了近期沸腾机理研究状况后指出，目前沸腾机理研究不够成功的根本原因在于沸 腾行为的非线性特征。由于沸腾现象具有很强的非线性，这使得传统机理模型中所应用 的假设，如壁温均一恒定等不再适用。因此，机理模型若要有所突破，必须考虑非线性 影响因素。另外，测量局部和空间瞬时特征的实验方法或手段还不够完备，也是沸腾机 理研究很难取得突破的原因。柴立和等1 1 8 1 分析了传统沸腾传热学的研究思路和方法，主 张从新的角度来发展沸腾传热的基本理论，并断言引入非线性科学将是目前处于发展阶 段的沸腾传热学走出困境和徘徊状态的重要新视角。 大连理工大学硕士学位论文 s a d a s i v a n 等曾把沸腾传热过程看作是“加热器”、“加热器流体界面”和“流 体”三个区域间的相互联系和作用，来分析核沸传热过程的非线性问题。沈自求等【1 9 1 认为在沸腾传热中要研究的问题可以划分为两个区域：一是加热壁面与沸腾介质之间的 传热问题。在这个区域内，包含了对流传热、沸腾泡核的生成、长大和脱离等子过程， 这些子过程相互交替、相互作用，都与传热紧密相关。加热面上的沸腾两相流主体可以 看作是第二个区域，在其中沸腾气泡向上运动。由于其周围液体的温度都较平衡温度为 高，是过热的：这一过热就传递到气泡的界面上使液相汽化，使之转化成为沆化热，由 气泡带出。沸腾气泡的运动还造成了湍流，使第一个区域中的对流传热增强，又影响到 沸腾泡核的生成和脱离。显然，上面所说的这两个区域是相互联系、相互作用的，而且 这两个区域中都包含了一些子过程，大多是非线性的，使问题变得十分复杂。尽管问题 十分复杂，但却可看到沸腾传热过程的基本特征： ( 1 ) 沸腾传热中包含着一系列子过程的相互交替，尤其是沸腾泡核的生长和脱离，使 过程呈现明显的波动特征。 ( 2 ) 在沸腾泡核成长时，形成了一个极薄的液体微层，产生十分显著的“界面汽化热阱 效应”，使传热显著增强。 ( 3 ) 沸腾中包含了液体的汽化，但汽化本身不是一种传热方式。在沸腾传热中的传热方 式还仍然是换热壁面与液相间的对流传热和导热。但在沸腾传热中，热量的最终带出还 都是由液相转变为蒸气，以汽化热的形式与蒸气一起逸出系统的。 综上所述，尽管对于沸腾传热研究已经取得了一定的成果，但人们对沸腾的本质的 认识上还是比较表面的、模糊的和不很确切的。若想对沸腾过程有一个根本的认识，深 入地揭示沸腾现象的本质，必须考虑沸腾过程中的非线性因素，注重微观和宏观的结合。 无论采取何种研究方法，沸腾现象本身的复杂性和非线性性都注定对于沸腾传热理论的 进一步研究将是极具挑战性的，基础研究工作任重而道远。 1 1 3 界面汽化热阱效应 尽管微层蒸发模型在解释沸腾机理方面具有十分重要的意义，但是由于模型未对泡 核动态变化过程中汽液界面的温度状况进行必要的描述，因而在理论和实际应用方面仍 有较大的缺陷。在描述沸腾是气液界面的温度状态方面，近年来提出的“界面汽化热阱 效应”具有一定的进步意义。“界面汽化热阱效应”是文献【2 0 】在研究“惰气冲击冷剂液 浴中放热壁面的强化冷却”时提出的，文献1 2 l j 作了进一步发展。 惰气冲击冷剂液浴中放热壁面的强化冷却的方法是在1 9 8 5 年于北京召开的国l 琢传 热会议上，m a 和b e r g l e s 以“在液浴中以异气射流冲击增强传热的一个新方法”为题提 出的。他们发现当气体冲击液浴中的微小放热面时，传热获得了很大的增强，甚至在放 池核沸腾传热与c a c o 。垢生成的研究 热面的温度低于浴温时，传热仍在进行，出现了“负温差传热”的奇异现象。当时引起 传热界的很大兴趣，提出了各种不同的看法：在负温差下进行传热是否与热力学第二定 律相矛盾? 在空气的作用下传热的增强是否有其特有的机制? 利用空气冷却的能力有 没有极限和极限应该是多少? 文献阻2 3 】对此作了理论的分析，认为m a 的实验结果并不 违背热力学第二定律，传热的基本方式还只能是传导、对流和辐射。液体的沸腾、汽化 都不应该看作是一种传热的基本方式，而是一种帽变现象。在惰气射流冲击液浴中的放 热壁面时，由于气液界面上液相的迅速汽化，带出大量潜热，形成了一个热阱面，并使 之温度下降，这就使放热面上极薄液体微层中导热的温度梯度变陡，显著地增强了传热。 在一定的传热速率下，它使放热壁面温度相应降低。而当壁面温度低于浴温时，就像是 传热在负温差的条件下进行。文献l 将这一“界面汽化热阱效应”模型用图1 2 来表示。 图中皖表示在惰气冲击下邻近放热壁面的对流传热边界层的虚拟厚度，皖表示冲击气 体前沿与放热面之间存在的极薄的液层厚度。若只考虑液体在扰动增强下的对流传热， 则其在传热边界层中的温度分布为瓦t 一乃( 虚线所示) 。但是由于气- 液界面上液 相的迅速汽化，形成热阱，温度下降为l ，因之温度分布应为l 一一一乃( 实线所示) 。 以l 一乃表示的惰气冲击时极薄液体微层中的温度梯度显然要仅比考虑扰动对流传热 时的温度梯度( 以l 一表示) 要大的多。因之其导热速率大大增强。如图所示，当乙 低于正时，即相当于“负温差传热”的情况。 看 曾 焉 士 6 。 1 。 t 图1 2 界面汽化热阱模型 f i g 1 2i n t e r f a c i a lv a p o r i z a t i o nh e a ts i n km o d e l ( a ) p h y s i c a lm o d e lc o ) t e m p e r a t u r ep r o f i l ei nt h eh e a tt r a n s f e rt h e r m a lb o u n d a r y 大连理工大学硕士学位论文 “界面汽化热阱效应”的概念可以用来分析各种具有气( 汽) 液界面且在界面上有 液相迅速汽化的传热过程。前已述及，泡核沸腾时在换热面与蒸汽汽泡之间亦形成了一 极薄的液体微层，h o s p e t i 与m e s l c 一”1 曾通过实验测量，其厚度仅约o 7 7l an l ，要比一 般的传热边界层厚度约小两个数量级，因而其传热速率将大大加快，即“界面汽化热阱 效应”十分显著，这正是沸腾传热较一般对流传热速率大得多的主要原因。为了定量描 述“界面汽化热阱效应”，文献口3 】将以q 和h 表示的“热阱效应”值分别定义为： 纸= g f q 。k = 啊一睫 ( 1 4 ) 并采用极限扩散电流技术( l d c t ) 和传热测定同时进行的实验方法定量的分离了沸 腾传热中的“界面汽化热阱效应”。在以往的核沸腾传热机理模型中，虽然对汽泡的扰 动、微层蒸发的作用和对流传热的影响分别作过讨论与模拟，但很少见到对于沸腾传热 时所产生的沸腾泡核的形成、长大以及脱离时所包含的一系列子过程进行系统的分析和 研究，亦未见到对形成微层蒸发阶段、汽液界面的温度状态和其形成热阱的过程动力学 分析及其对增强传热的作用。用“晃面汽化热阱效应”增强传热的原理可以对核沸腾中 的诸多问题做出解释。 1 1 4 沸腾滞后 从如图1 1 所示的沸腾曲线中可以发现本来在换热壁温达到c 点对应的温度时就可 以开始沸腾，而实际上要达到b 点对应的温度才脱离自然对流传热而转变为核沸腾开始。 因此把由b 到c 这一段的过热温度称之为壁温过冲，以t o s ( t e m p e r a t u r eo v e r s h o o t ) 表示，这种现象即叫做沸腾滞) 雷( b o i l i n gh y s t e r e s i s ) 。 沸腾起始时的滞后现象早在2 0 世纪5 0 年代就己发现【2 5 1 。近些年来，在微电子设备技 术中采用高介电有机液体以沸腾传热的形式取出热量以强化微电子元件的冷却，而这类 液体对固体表面具有高润湿性，在核沸腾开始时产生严重的壁温偏离和波动，导致微电 子器件在操作时产生噪音，严重地影响了它们的操作性能与使用寿命。因此，从实际生 产的需要来讲，沸腾滞后和核沸腾开始时的壁温过冲受到了人们的关注，并进行了不少 实验研究和理论方面的探讨。 关于沸腾滞后现象产生的原因，b e r g l e s t 2 6 1 在评述高热通量沸腾应用于热控微电子元 件冷却时指出，由于高润湿性的有机介电液体能够使大的汽化中心失活，所以激活这些 汽化中心需要较大的过热度，而当整个加热面被激活时，壁面的温度迅速下降。 沸腾是要在均相液体中产生一个沸腾泡核新相，这常常需要在远离平衡的条件下进 行，因此要有一个较高的传热温差。文献【1 9 1 从沸腾泡核生成时需要克服液体表面能和泡 核生长时产生界面汽化热阱效应两方面阐述了这一问题，认为一方面是由于沸腾泡核生 池核沸腾传热与c a c o ，垢生成的研究 成时需要克服液体表面能，另一方面是由于界面温度降低而使核沸腾传热得以增强的效 应，使壁面温度迅速下降，从而使自然对流开始向核沸腾转变时的壁温与核沸腾开始时的 壁温不一致，即产生了核沸腾起始过程中的滞后现象。 影响沸腾滞后的因素很多，例如沸腾液体的性质，加热壁面的特点，沸腾液体与加 热壁面的接触性能，溶解气体的含量和操作方式等等。 b e r g l e s 和c h y u 2 6 】通过实验考察了表面结构，液体类型，表面老化，表面过冷，以 及热通量变化方式等参数对沸腾滞后的影响，得出结论如下：1 以水作为研究介质时， 起始的过冷度大，则沸腾起始时的壁温过冲较大，两表面结构对沸腾滞后影响不大；2 以f r e o n 作为研究介质时，起始过冷度对滞后影响不大，但热通量变化方式及表面老化 处理对壁温过冲有影响，逐步改变加热功率时的壁温过冲要比连续改变加热功率时的壁 温过冲低。文中指出，最简单的避免壁温过冲的方法是采用较高的热通量或是较大的温 差使沸腾发生。有些系统会由于扰动剧烈或引入了气体而不易发生沸腾滞后。 o 脚【2 7 】分别考察了平滑表面，喷沙表面，k o h 蚀刻表面以及枝晶表面对沸腾滞后 的影响。他认为人工地改变加热表面空穴的大小和分布能够有效减小壁面过热度，但在 低热流率情况下不能完全消除壁温过冲。 b a r - c o h e n 和s i m o n l 2 8 】详细总结并对比了关于沸腾滞后的相关研究，指出不同液体， 不同加热表面壁温过冲大小有所不同。他们还报道了在电加热的不锈钢管中，r 一1 1 3 在强制对流沸腾时溶解气体对沸腾起始时的“滞后”的影响，从其结果可以看出，在有溶 解气体的情况下，由单相对流传热开始向核沸腾转变时的壁温以及核沸腾开始时的壁温 均较无溶解气体时明显降低。 目前，对于如何减轻或消除沸腾初期的滞后现象，人们提出了很多方法。o k t a y t 2 ” 用液体灌装组件l e m ( 1 i q u i de n c a p s u l a t e dm o d u l e ) 来改善电子组件的热移除。s h i 和 m a 认为若l e m 中加置适当比重与大小的固体颗粒，将会随着汽液两相流形成固体颗 粒流化循环，进一步减轻沸腾滞后1 2 w 。 h a l l 等1 3 0 在考察淬冷过程中水空气两相射流冲击沸腾传热时，发现射流中引入气 体可以消除沸腾起始时的壁温偏离。h a l l 等认为，这是由于空气泡的引入会活化接近沸 腾起始时的空穴从而消除壁温偏离。w a n gj u n 等【3 l 】在考察通入空气对竖直圆柱形环隙 内的沸腾传热的影响时，亦发现通气对沸腾滞后有一定的抑制作用。 w j y a n g 等 3 2 1 研究了戊烯在g r - a i 与g r - c u 的组合表面上的沸腾滞后，与c u 及 a l 表面进行比较，其滞后现象中的t o s 显著减小。 m u d a w a r 等1 3 如以圆柱形物压紧在平换热面上形成极窄的人工核化空穴，显著地促进 了沸腾的提早开始，减少了核沸腾开始的t o s 。 大连理工大学硕士学位论文 c o o p e r1 3 4 1 报导了利用电水动力方法( e h d ) 增大沸腾传热系数和消除沸腾滞后的方 法。他们对r 1 1 4 在翅片管上沸腾进行实验研究，用外加电场的方法消除了沸腾滞后， 其传热系数几乎增大一个数量级。 由上可见，对于沸腾滞后，已经由作为一个现象来认识进入到生产实际上必须解决 的问题来进行研究。近年来，对于影响沸腾滞后的各项因素，对现象机理的阐明以及其 减轻和消除的方法等各个方面，有了比较深入的工作1 8 】。然而，由于沸腾滞后这一问题 的极其复杂性，它与加热表面的特征，流体的性质，沸腾液体和加热表面以及所产生的 蒸汽之间的相互关系，沸腾液体中空气等不凝性气体的含量以至加热操作方法的不同等 多种因素有关。当前要提出一个模型，揭示其真实机理，并导出个方程来表达或预示， 是有相当的难度的。所以必须对这一复杂现象作深入的机理分析与过程动力学的研究， 才有可能进而解决有关的问题。 1 2 污垢研究 1 2 1 概述 传热过程中加热壁面上污垢的生成是长期困扰着人们的一个难以解决的问题。据统 计，9 0 以上的换热设备不同程度的存在着污垢问题1 3 5 1 。由于加热过程中壁面上生成的 污垢的导热系数很低，一般在o 5 w m k 3 w m k 之间1 3 6 】，这与常用的金属传热材料的 导热系数差别很大，从而导致了传热速率显著地降低使换热设备的效率下降。污垢的生 成还会使换热设备中流体的流动阻力增大，使管道的输送能力下降，从而需要加大动力 设备的功率，严重时甚至生成的污垢会堵塞管道而造成停产事故。此外污垢的生成对设 备会产生程度不同的腐蚀而缩短了设备的使用寿命。所以，污垢的问题是影响生产、生 活并造成能源浪费的严重问题。目前，世界各国对解决污垢问题都非常重视。很长时间 以来，人们非常重视研究污垢的生成和生成的污垢对换热设备传热性能的影响，也进行 了一些机理上的研究以寻找合适的抗垢阻垢的方法。 最早关于污垢的报导仍是1 7 5 6 年l e i d e n f r o s t 的文献 s l 。他在观察水滴在热金属板 表面蒸发时发现，加热面总会留有一层沉积物。而在其后至上个世纪2 0 年代前，这方 面的问题并没有受到人们的十分重视，这方面的研究文献也很少。其因可能与当时的工 业水平不高、规模不大和水质污染较轻换热面上的污垢生成不是十分严