（工程热物理专业论文）电解质溶液的沸腾换热实验研究.pdf

摘要 本文对电解质溶液的沸腾换热机理和应用进行了较为深入的探讨，工作内容 包括实验和理论分析两个部分首先对电解质溶液的沸腾换热进行了实验研究， 工作内容包括： 1 建立了沸腾换热试验台，该试验台可用于各种溶液在不同压力下、不 同试验管外的池沸腾实验。经过实验测量比较，该试验台具有较高的 可靠性： 2 对不同浓度的n a c l 水溶液在不同管材外的核态池沸腾换热进行了实 验研究，得出了可靠的实验数据，这些实验数据可以为以后的进一步 研究提供参考； 3 对实验结果进行了分析比较，得出了电解质溶液核态池沸腾换热的一 般性质 在理论分析部分，本文研究分析了汽泡的生长、运动过程中的传热传质现象， 以及各个过程所需的条件和机理。然后对汽泡底部微区域及大区域的耦合模型进 行了详细的阐述对微区域的传热传质的现象和机理进行了仔细的分析。对基于 “厚液层”理论的临界热流理论进行了初步的探讨。对沉浸式壳管蒸发器的强化 传热机理，强化表面的构造方式，以及影响沸腾传热性能的几个方面：管束、润 滑油浓度等，进行了较为深入的研究和探讨 最后，在前人研究的基础上，根据本课题的实验研究结果，提出了适合于电 解质溶液沸腾换热系数的理论计算公式该公式与实验结果及其它预测公式进行 了比较。计算值与实验值的最大误差为9 2 。 关键词：核态沸腾，池空间，强化传热，高效蒸发管，微区域，计算模型 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , at h o r o u g hi n v e s t i g a t i o no nt h em e c h a n i s mo ft h ep o o ln u c l e a t eb o i l i n g h e a tt r a n s f e ro fe l e c t r o l y t es o l u t i o n sw a sm a d et h r o u g he x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n d a n a l y s i so n t h et h e o r e t i c a lm o d e l s o f b o i l i n gh e a ta n dm a s s t r a n s f e r f i r s t l y , m a k es o m ed i s c u s s i o no nt h eg r o w t h ，m o v e m e n t ，a n dc o n c r e s c e n c ep r o c e s so f t h eb u b b l e sa n dt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rp h e n o m e n o n d u r i n gt h e s ep r o c e s s e s ，t h e n i n t r o d u c e ds o m ec a l c u l a t i o nm o d e l so f b o i l i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t st h a ti n c l u d e d m i c r o s c a l eh e a ta n dm a s st r a n s f e rp h e n o m e n ai nt h es o c a l l e dm i c r o r e g i o n ，i e ，t h e t h i nf i l ma r e a 、v h e r et h el i q u i dv a p o rp h a s ei n t e r f a c ea p p r o a c h e dt h ew a l l i nt h i s p a p e ri t a l s op r e s e n t e da no v e r v i e wo ft h eh e a tu a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fs h e l la n d t u b ef l o o d e de v a p o r a t o r sa n db o i l i n go nt h eo u t s i d eo ft u b e sa n dt u b e b u n d l e s g e n e r a le x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n sw e r eh i g h l i g h t e d ，a sw e r et h e o r e t i c a lm o d e l sf o r p r e d i c t i n g t h eh e a tt r a n s f c rc o e f f i c i e n t so n s i n g l et u b e sa n dt u b eb a n k s i nt h ef o u r t hc h a p t e r , w em a d ead e t a i l e di n t r o d u c t i o na b o u tt h ee x p e r i m e n tr i n ga n d t h eo p e r a t i o n p r o c e s s t h a ta p p l yf o rt h ee x p e r i m e n to f t h e p o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e ro f e l e c t r o l y t es o l u t i o n s ，i n v e s t i g a t i o n so n t h ei n f l u e n c eo f s o m e p a r a m e t e r st ot h eb o i l i n g h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tl i k e ：m a t e r i a lo ft h es o l i dw a l l ，t h er o u g h n e s so ft h es u r f a c e ， t h ei o n i cs t r e n g t ho f t h e e l e c t r o l y t es o l u t i o n ，e t c t h er e s u l t ss h o w e dt h a th e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t sc o u l db e c o n s i d e r a b l yl o w e r t h a nc o r r e s p o n d i n gv a l u e sf o rd i s t i l l e dw a t e r b a s e do nt h ec o n c l u s i o no ft h i se x p e r i m e n t ，a l la p p r o p r i a t ec a l c u l a t i o nf o r m u l aw a s d e v e l o p e df r o m t h ef o r m e rr e s e a r c h e st op r e d i c tt h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f e l e c t r o l y t es o l u t i o n s a s s u m i n gt h a tt h em a s st r a n s f e rr e s i s t a n c ew a sl i m i t e dt ot h e l i q u i ds i d e ，t h ep r o p o s e dm o d e la l l o w e dt h ep r e d i c t i o no fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s f r o mb o i l i n gp o i n td a t ao ft h e r e s p e c t i v es o l u t i o n s c o m p a r i s o nw i t has i g n i f i c a n t n u m b e ro f e x p e r i m e n t a ld a t af o rd i f f e r e n ts y s t e m si n d i c a t e dt h a tt h em o d e lp r e s e n t e d h e r ew a sa c c u r a t ee n o u g hf o rm o s t p r a c t i c a lu s e k e y w o r d ：n u c l e a t e b o i l i n g ；p o o lb o i l i n g ；e n h a n c e dh e a t t r a n s f e r ；h i g h f l u x e v a p o r a t i o nt u b e ；m i c r o r e g i o n ；c a l c u l a t i o nm o d e l i i 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文：电龌厦溶液的超腾换热塞验 艘。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或来公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：自彳吕 万年月7 o 日。 k ，导热系数 a 传热面积 q 沸腾换热系数 a t 温差 d体积膨胀系数 v 运动粘滞系数 d 外径 u 电压 a 导温系数 。 表面张力 p 压力 h ，沁汽化潜热 6厚度 m 质量 p r 普朗特数 r e 雷洛数 c 离子浓度 符号表 q 热流密度 w m 2 q热流量 w t 、。壁面温度 t f容积液体温度 p 密度k 咖2 动力粘滞系数k e j s 1 长度 m m i 电流 a 质量浓度 中接触角度 r 凹穴开口半径 m m g重力加速度 m s 。 c 比热k j k g k n u 驽谢尔特数 s r 斯坦顿准数倒数 c “溶液与表面影响系数 n 组分速率 m s 下标：1 液体v 汽体s a t 饱和状态i n t 初始状态o u t 边界n b 核态沸腾 c 临界t u n 通道e x 外部 w 水组分 s 电解质组分 i 理想状态 上述列出的符号为论文中所用的符号，其具体意义以文中图、表、公式后的说明为准 m 存耐 眦瓤一v觑肼帆岬k 一 同济大学硕i ：学位论文 第一章绪沦 第一章绪论 第一节、沸腾强化传热技术的历史及发展前景 过去的研究可以分为两大类：第一类的研究是以获得多种独立参数，如加热 器尺寸、形状和表面状况、加热器厚度、加热手段、液体温度、系统压力、流体 的热物性以及流动条件等影响下的沸腾传热数据。实验数据被拟合为半经验模型 碳璐俄 或无因次裂绪叮包含独立和非独立变量的) 。这些关联式在实际中很有用处。然 而关联式只能在其关联的数据的范围内起作用，超出这一范围则会产生很大的误 差第二类的研究式针对各个独立的沸腾子系统的研究，目的是可以为建立以壁 面过热度或其它独立变量为自变量的热流密度的预测模型提供良好的基础。其中 包括对初始过热度、核化点密度、汽泡运动、液固接触面的面积比例及持续接触 时间、传热机理、界面不稳定性以及界面传热传质。然而，对这些独立现象的基 本研究均未能得出满意的结果其中主要是因为这些研究未能正确地包含这些子 系统之间的相互作用，例如，汽泡运动能够强烈地影响微液层的传热、汽泡界面 周围的蒸发以及在汽泡生长脱离期间产生的对流模式反过来这些因素也会对汽 泡运动产生影响。 r o h s o n o w 提出了既可用于离散汽泡区域又可应用于“蒸汽菇”区域的关联式， 此关联式并没有区别部分和充分发展核态沸腾现象的不同尽管这一关联式在物 理意义上并不十分正确，但是仍被广泛应用随后，s t e p h a n 和a b l e l k s a l a m 对不同液体的核态池沸腾提出了全面的关联式。w a n g 和o h i r “1 也提出了另一蒸 汽气体洞穴捕集的条件根据这些条件，可以得出：只要接触角大于穴口角度， 洞穴就能捕集气体h s u ”1 第个提出了空穴核化所需的过热度参照h s u 提出 的条件，如果“蒸汽胚”顶端的液体温度大于或等于汽泡内压力对应的饱和温度， 那么“蒸汽胚”就可成长为汽泡用另一种现在更常用的理论解释，沸腾的初始 阶段对应蒸汽一液体界面的临界点如果界面的曲率随着蒸汽体积的增大而增 加，就可认为关联式包括基于液体和固体的物性的无量纲数组，但没有考虑加热 器的形状c o o p e r “。”1 对核态池沸腾提出了一个简单的关联式：以压力比、分子 质量和壁面粗糙度为关联变量尽管这一关联式考虑了壁面粗糙度的影响，但是 同济大学顽+ 学传i 仑文 第一章绪沦 并没考虑液体对表面润湿性的影响。同样，关联式中的引出常数依赖于加热面的 几何形状。 b a n k o f f “首先提出表面的契形空穴会捕集蒸汽气体，只要液体的前锋面韵 界面是稳定的或准稳定的使用不稳定性概念并且注意到于空穴外界面无量纲曲 率达到最大时发生核化这一现象，w a n g 和o h i r 12 1 获得了个过热度和空穴直径 之间的关联式。 丁：黑k。(11)h n l g d 。”“ ”“ 其中儿，时无量纲最大曲率。当接触角巾小于9 0 。时，儿与中数值相等；当巾大 于9 0 。时，尼，与s i n 由相等。通过大量的实验，w a n g 验证了方程1 - 1 。 w a n g 和d h i r “。”1 提出了计算活化核化点数量密度的方法他们的计算方法需 要知道全部空穴的尺寸、形状和开口角度。另外，通过探索气体捕捉和初始过热 条件，他们能够确定所有空穴中活化点所占的比例从工作中得出的另一个重要 结论就是表面润湿性是非常重要的影响参数。在同一表面上，当接触角从9 0 。减 少至1 8 。时，活化点的密度降低为原来的二十分之一 在s n y d e r 和e d w a r d s “提出了汽泡底部的蒸发微层的存在后，c o o p e r 和 l l o y d 8 3 再次验证了泡底微液层的存在，并且根据实验测量的结果提出了微液层 厚度与壁面温度的关系式他们还提出汽泡的生长规律很大程度地依赖于微液层 的蒸发 j 口t g ( 1 2 ) 汽泡的脱离直径取决于汽泡上的力平衡，包括汽泡的惯性力相关，液体对汽 泡韵粘滞力、浮升力以及表面张力c o l e 和r o s h e n o w 用流体参数关联了汽泡脱 离直径的数据，但是其中没有包括壁面过热度的影响然而，g o r e n fi o w 等人“” 提出的表达式认为，过热度增加的同时，汽泡直径只有很小的增大。尽管普遍认 为表面张力是将汽泡拉向壁面，然而，c o o p e r 等人“”以及近来b u y e w i c h 和 w e b b e r “”认为表面张力使得汽泡成球形，这样有助于汽泡脱离 等待时间t 。，为热边界层在汽泡脱离后允许二次核化的时间。已知脱离汽泡 司济大学硕十学传呛文 第一章绪沦 直径和汽泡生长速率，就可求出生长周期t 。，同样可得到汽泡脱离频率 m i k i c 和r o h s e n o w ”假设汽泡影响加热表面上在等待时间内对液体的瞬态导 热以及其余部分上的自然对流都对总体的传热有贡献随后j u d d 和h w a n g ”认 为微层对于传热的贡献也需考虑。这样考虑了这三种机理的部分核态沸腾热流密 度的表达式为： q = 丁k 2 矾，2 n a a t + ll 一等峨2 n 。r + i e 佰肭署2 ( 1 _ 3 ) 其中f 是汽泡影响直径的比例常数。 上式主要缺陷在于它没有包括几种传热机理互相之间的影响，并且需要调整式中 的几个参数以配合预测数据 在沸腾充分发展阶段，当“蒸汽菇”和“蒸汽茎”出现时，这些“茎”的底 部与侧面的蒸发是传热的主要方式g a e r t n e r ”5 1 拍照证明了蒸汽茎的存在。他同 样提供了关于蒸汽茎尺寸、分布非常有效的数据，以及以过热度为变量的，加热 面上汽液比的函数。近来，l a y 和d h i r “提出了一种预测“蒸汽茎”形状与尺寸 的，以过热度及l l a m a k a r 常数为变量的方程。模型假设“蒸汽茎”存在的时间比 形成的时间要长得多，因此就可忽略“蒸汽茎”形成及灭亡的瞬间过程利用 w a n g 和d h ir ”2 提出的确定活化点密度的方法，他们可以用过热度来求出充分发 展核态沸腾的热流密度他们工作的缺陷在于不能提供关于蒸汽茎的尺寸和形状 的照片证明预测值的有效性 r j b e n j a m i n 和a r b a l a k r is h n a n “”针对加热壁面一液体的相互作用对于 核化点密度以及热流密度的影响进行了实验研究在其实验中采用了不同粗糙度 的不锈钢管和铝管。实验数据表明核化密度依赖于表面微粗糙度，液体表面张力， 加热表面和液体的热物性，以及加热壁面的过热度他们认为核化点密度不光与 空穴活化直径有关，还与表面特性有关。经典的圆锥形、圆口空穴模型并不 适用于用砂纸打磨的或化学方法处理的表面。加热面应该用经表面光度仪测量的 微粗糙度服( 表面峰和谷的平均值) 作为特征量而不是用空穴口径。由摄得的 照片得出随着肋的增大，汽泡数量减少。核化密度随微粗糙度、表面过热度等 的增加呈先减少再增加的趋势。他们同样也认为表面微粗糙度对核化的影响，单 埘济大学硕士学位论文 第一章绪论 靠表面光度仪的数据是不够的，对于一种液体来说是光滑的表面，对于其它液体 可能就是粗糙的。在其研究中提出了用表面一液体作用参数 y = k 。p 。c ，。x ，p j c p j ) “2 与表面光度仪的数据结合起来推导核化密度关联式并且提出了一个与壁面 过热度、尸，a 口r ，数，表面一液体作用参数y 无量纲粗糙度有关的准则关联式。 a e b e r g l e s 1 对强化对流换热的技术做了一个总结性的评述在对沸腾换 热技术的评述中，他认为沸腾虽然可以极大地提高沸腾侧的换热系数，但是另一 侧的热阻就成了影响换热的主要因素，这样也要提高这一侧的换热系数当前的 换热器仍然需要很高的过热度进行初始沸腾，这就对换热的强化起到了阻碍因 此应当在强化传热的同时减轻“热滞后”。 m a r k u sf o r s t e r 和m a t t h i a sb o h n e t “”对结垢问题进行了研究他们认为已 知的结垢模型缺少对诱导期的描述，诱导期的大小受核化速率及表面结合力的影 响结垢沉积和移走的过程依赖于晶体与换热界面的自由能大小。工程实际中能 够变化的只有换热面的表面能量特性整个结垢过程可分为两段：诱导期和结垢 期。在诱导期中形成稳定的晶体粒子，并且凝固成一个紧凑的结垢层。在随后的 结垢期中，水垢的形成导致了综合换热系数的下降对诱导期的研究对于减轻结 垢有很大意义诱导期中综合换热系数变化较小，因此延长诱导期，就可相对增 强传热他们还对d l c ( d i a m o n d 1i k ec a r b o n ) 涂层进行了研究，认为它能很 好她延长诱导期，从而增强传热、提高换热的经济效益 b o m i n gy u 和p i n gc h e n g “”提出了沸腾表面核化点位置分布的不规则模型。 认为表面过热度是影响核化点不规则度和面积分数的最主要因素此外接触角和 表面材料也对其有影响该模型的代数表达式具有比传统模型较少的经验常数， 这是其优点所在。 李茂德和熊丽红等“”对利氯化钠水溶液模拟溴化锂水溶液的沸腾换热的可 能性进行了分析，将模拟的结果与已有的溴化锂水溶液沸腾的实验数据进行了对 比，发现两者间存在相似性，其结果表明采用氯化钠水溶液代替溴化锂水溶液避 行沸腾换热实验是可行的 j 一济大学硕士学位i 仑文 第一章绪沦 第二节、本课题的来源及研究目的 自从m a xj a k o b 在沸腾强化换热方面做出的开创性研究工作以来，许多科学 家对沸腾强化换热进行了大量有意义的工作，已经取得了丰硕的成果但是仍然 要认识到，至今对于沸腾强化换热还没有建立起一个有效的统一模型，所得到的 理论模型都有其局限性，所做实验的范围仍然较窄，得到的经验关联式适用范围 较小，实际工程应用仍存在问题总而言之，现在在沸腾强化换热方面仍有大量 的工作可以作。 本文研究的是电解质溶液的沸腾传热过程在海水淡化过程中，高离子 浓度的海水经沸腾蒸发得到淡水作为传热集中的设备，大型热交换器和多效蒸 发器通常是工业设备中的一个主要组成部分因此对电解质溶液的沸腾传热系数 的可靠预测对于优化传热设备、降低设备成本是非常重要的， 目前对电解质溶液的沸腾传热过程的研究并不充分，至少与有机溶液的研究 相比较而言是这样电解质溶液的沸腾传热与纯物质溶液和多元有机溶液的沸腾 传热现象有许多不同之处，纯物质溶液或多元有机溶液的沸腾传热预测公式并不 能宜接用于电解质溶液。这就更需要我们进行实验研究和理论分析。 电解质溶液同样是制冷工业常用工质，常用作制冷剂、载冷剂和吸收剂。其 中l i b r 溶液在吸收式制冷机中作为吸收剂被大量使用。但是l i b r 溶液在常压下 具有较强腐蚀性，对实验条件和操作过程要求较高，这样也限制了实验范围，得 出的结论难以全面体现电解质溶液的沸腾换热性质。n a c i 水溶液是最常用的工 质，在各种工业场合中被广泛使用。同时n a c l 水溶液的性质稳定，无腐蚀性， 对实验操作的环境要求不高，可以在较宽的浓度范围内进行实验，得出的结论具 有较宽的代表性文献【2 l 】认为n a c i 水溶液与l i b r 水溶液在物性上相似，在沸 腾传热的性质也具有相似性。可以使用n a c i 溶液代替l i b r 溶液进行实验研究， 得出的结论可以指导l i b r 溶液的实际应用。文献【2 2 认为离子浓度相同的电解 质溶液有相近的沸腾特性。 基于以上讨论，并根据现有的实验条件，本文选择n a c i 水溶液作为实验对 象，来进行沸腾传热实验研究，所得出的结论可以代表电解质溶液的沸腾特性， 所得出的计算公式也可以用来预测其它电解质溶液的沸腾传热系数。 同济大学硕十学位论文 第一章绪论 本文的研究目的有：一、积累必要的实验数据，从中探索其中规律；二、通 过n a c i 溶液与蒸馏水沸腾实验的比较，对电解质溶液的沸腾性质进行探讨；三、 在本实验得到的数据以及前人提出的理论的基础上，提出合适的理论计算模型来 概括电解质溶液的沸腾传热特性。 参考文献 【1 1s t e p h a n ，k m a b d e ls a l e m ”h e a tt r a n s f e rc o r r e l a t i o n sf o rn a t u r a l c o n v e c t 、o nb o i 、i n g u n t j h e a tm a s st r a n s f e r , 2 3 7 9 ( j 9 s o ) 【2 】w a n g ，c 。h v k d h i r 。“o n t h eg a s e n t r a p m e n ta n dn u c i e a t i o ns i t e d e n s i t yd u r i n g p o o l b o i l i n g o fs a t u r n t e dw a t e r ”j r t t e a t t r a n s f e r 1 1 5 6 7 0t 1 9 9 3 a ) ， 【3 1h s u ，y y ”o nt h es i z er a n g eo fa c t i v en u c l e a t i o ns i t e so nah e n t i n z s u r f a c e ”j ，e e at t r a n s f e r , 8 6 , 2 0 7 1 9 6 2 ) 【4 1c o o p e r 。m g ”h e n tf 1 0 wr a t e si ns a t u r a t e dn u c i e a t ep 0 0 1b o i i i n g a w i d e r a n g i n g e x a m i n a t i o nu s i n gr e d u c e d p r o p e r t i e s ”a d v t l e a t t r a n s f e f 。16 2 5 51 1 9 8 4 a ) 【5 】c o o p e r ，m g ”s a t u r n t i o nn u c l e a t eb o i l i n g as i m p l ec o r r e l a t i o n7 ， f n t c h e m e n g i n e e r i n gs y m p s e t 。8 6 2 7 6 t 1 9 8 铀) 【6 】b a n k o f f ，s g “e n t r a p m e n to fg a si nt h es p r e a d i n go fl i q u i do v e r ar o u g hs u r f a c e ”，占，4 ，2 4 ( 1 9 5 8 ) 【7 1 w a n g ，c h v k d h i r ”e f f e c t o fs u r f a c ew e t a b i l i t y o na c t i v e n u c l e a t i o ns i t ed e n s i t yd u r i n gp o o lb o i l i n go fs a t u r a t e dw a t e r ” j h e nt t r a n s f e r , l l s 6 5 9 1 9 9 3 b ) 【8 1 s n y d e r ，n r d k ，e d w a r d s ，1 s u m m a r y o fc o n f e r e n c eo nb u b b l e d y n a m i c sa n db o i 、i n gh e n tt r a n s f e r 。m e m o2 0 一| 3 7 j e t p r o p u l s i o n l a b p 8 s a d e n a c a1 1 9 5 6 ) 【9 】c o o p e r ，m 。g a j p ，l l o y d ，”t h e m i c r o l a y e r i nn u c l e a t e p o o l b o i li n g ”，知f ，i t t e a tm a s st r a n s f e r , 1 2 , 8 9 5 门9 6 9 ) 【1 0 lg o r e n f l o w d ，e t c ”b u b b l e d e n s i t y o ns u r f a c esw i t hn u c l e a t e b o i l i n g - i t si n f l u e n c 8o nh e n tt r a n s f e ra n db u r n o u th e n tf l u xa t e 1 e v a t e ds a t u r a t i o np r o t e ss es ”厅o c ，血t f t e ar 乃馏n s f e r c o n a ，s a n f r a n c i s c o , c a v 0 1 4 p i1 9 9 51 1 9 8 6 ) 【1 1 】c o o p e r ，m g ，e t c ”s h a p ea n dd e p a r t u r eo fs i n 9 1 eb u b b l e sg r o w i n g a taw a l i ”，p r o c 如t 1 t e a t 胁n s f e r c o n f ，t o r o n t 0 c 8 n a d a v o i jj 口，j i5 ( j9 7 8 ) 【1 2 lb u y e v i c h ，y a b w ，w e b b e r ，”t o w a r d san e wt h e o r yo fn u c l e a t ep o o l b o i 、i n g ”。e u r ，t h e r m a ls c i e n c e sc o a l r o m e , l t a l y ( 1 9 9 6 ) 【l3 1m i k i c ，b b w m r o h s e n o w ，”an e wc o r r e l a t i o no fp o o lb o i l i n gd a t a i n c l u d i n gt h ee f f e c to fh e a t i n gs u r f a c ec h a r a c t e r is t i c s ”，t l e a t t r a n s f e r , 9 ，2 4 5 1 9 6 9 ) 6 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 【1 4 】j u d d ，r l k s ，h w a n g ”ac o m p r e h e n s i v e m o d e lf o rn u c l e a t eb o i l i n g h e a tt r a n s f e ri n c l u d i n gm i c i ol a y e re v a p o r a t i o n ”，j r t t e a f t r a n s f e r , 9 8 6 2 3t 1 9 7 6 ) 【l5 1g a e r t n e r ，r f ”p h o t o g r a p h i cs t u d yo fn u c l c a t ep o o lb o i l i n go na i t o r i z o n t a ls u r f a c e ”，a s m e ，t t e a tt r a n s f e r , 舅1 7 “9 6 5 ) 【1 6 】l a y ，j h v k d h ir ，”s h a p eo fav a p o rs t e md u r i n gn u c l c a t eb o i l i n g o fs a t u r a t e dl i q u i d s ”，l t e a ft l a i l s f e f , 1 1 乃j 9 4 “9 9 【17 】r j b e n j a m i n a r b a l a k r is h n a n ”n u c l e a t i o ns i t ed e n s i t yi np o o l b o il i n go fs a t u r a t e de u r el i o u i ds ：e f f e c to fs u r f a c e m i c r o - r o u g h n e s sa n ds u r f a c ea n dl i q u i dp h y s i c a lp r o p e r ti e s 点x p e r i m e n t a lt h e m a la n df 1 u i ds c i e n c 岛1 9 9 7 ，1 5 ，p ，3 2 4 2 【1 8 la e b e r g l e s ”h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t t h ee n c o u r a g e m e n ta n d a c c o m m o d a t i o no fh i g hh e a tf l u x e s ”a 抛上1 l e a tt r a n s f e r , 1 9 9 7 , 1 1 只 p 8 一1 9 【1 9 】m a r k u sf o r s t e r m a t t h i a sb o h n e t ”i n f l u e n c eo ft h ei n t e r f a c i a l f r e ee n e r g yc r y s t a l h e a tt r a n s f e rs u r f a c eo nt h ei n d u c t i o np e r i o d d u r i n gf o u l 、n g u i n t t h e r m a ls c i i 9 9 9 ，3 8 , p 9 4 4 - 9 5 4 【2 0 1b o m i n gy u p i n gc h e n g ”af r a c t a lm o d e lf o rn u c l e a t ef o e lb o i li n g h e a tt r a n s f e r ”，a s m e j h e a t t r a n s f e r , 2 0 0 2 1 2 4 , d 1 1 1 7 - 1 1 2 4 【2 1 】李茂德，熊丽红，卢希红等”氯化钠水溶液管外沸腾换热的模拟实验研 专蛩，同济大学学报v o l ，3 a , n o 9 ：1 0 5 l 一1 9 5 5 【2 2 】m j a m i a l a h m a d i ，a h e l a l i z a d e h ，h m u ll e r s t e i n h a g e n p o o lb o i l i n g h e a tt r a n s f e rt o e l e c t r e l y t es o l u t i o n s ”如t ， t e a ta n dm a s s t r a n s t e r 。4 7 2 0 0 4 ) p 7 2 9 - 7 4 2 7 同济大学硕士学位论文 第二章沸腾换热研究的机理 第二章沸腾换热研究的机理 第一节、汽泡的生长和运动特性 、汽泡形成 目前较为经典的沸腾换热理论研究认为汽泡的形成始于壁面凹穴俘获的少 量汽体或蒸汽，这些气体和蒸汽常常出现或滞留在受热面上的小凹穴中。因此可 认为汽泡的成核过程这样由凹穴本身的形状、尺寸、分布密度和分布均匀性等因 - - _ _ - _ 。- _ _ - - - - _ - 一 一 _ 图2 一l 凹穴中汽泡生成示意图图2 - 2 较为理想的内凹穴汽化核屯 素来决定 图2 - 1 是液体润湿换热表面凹穴中汽泡核形成的示意图。由图可知，当汽泡 在普通换热表面的圆锥形凹穴中成长时，需要克服液体压力和表面张力的作用。 由汽泡的力平衡可得： p 。；p ，一争( 2 - 1 ) 式中：p l 一液相压力 。一表面压力 ，曲公式( 2 一1 ) 可知， 茹磊麟可进入凹穴 p v 一汽相压力 r 一凹穴开1 2 1 半径， 对于这种凹穴，液亲在正常情况下，即液相压彳锺挲鸯i ? 一 。同时，这种形状的凹穴截留的残留蒸汽较少，且易引 起凹穴钝化，所以说不是理想的汽化核心。 图2 - 2 所示的凹穴中，液体汽化时，汽泡在内凹穴颈部的力平衡式为： p 。= | p ，+ 争 ( 2 2 ) 由此可见，只有当辅灌坦毒垮司笔登戳淄液体聋能进a 曲四零r 确 同济大学硕十学位论文 第二章沸腾换热研究的机埋 的饱和沸腾中，蒸汽的主流温度总是高于液体的饱和温度，相应的汽相压力p v 大于液相压力p l ，所以此时液体难以进入内凹穴，使得内凹穴不易钝化。同时这 种内凹穴截留的蒸汽较多，因此是一种较为理想的汽化核心。 内凹穴中汽化核心的过热度与内凹穴的颈口半径有关，其关系式为： rwrs2 等 ( 2 - 3 ) 由上式可知，内凹穴的颈口半径斤越大，沸腾所需的过热度( t 。一t 。) 就越 小因此可说，内凹穴的颈口半径决定了沸腾开始时的过热度，而凹穴的形状却 决定了沸腾过程的稳定性 在研究凹穴的几何结构和分布情况对汽泡的形成乃至整个换热过程的影响 方面，有关实验表明：凹穴的尺寸分布范围越宽，激活一定数量的凹穴所需的过 热度就越高，在其它情况相同的时候，所需要的热流通量就要增大；相反，当在 受热表面上均匀布置同样形状和尺寸的凹穴时，凹穴的分布密度较大时，表面上 的凹穴显得比较容易激活，而且被激活的概率要大些 显热，空穴尺寸大小与分布密度这两个因素对汽泡成核的影响是相互制约 的，因为对于一定的受热面，其表面积就成为一定值，若增大空穴的密度，增加 空穴的数量，就必将降低空穴的尺寸大小，这是不可避免的。因此在给受热面布 置孔穴时不能单纯地追求太尺寸或高密度，而应充分考虑两者的相互作用和影 响 由上可知，加热壁面过热是液体沸腾的前提条件j a k o b 等的实验结果表明， 饱和核沸腾时池内具有一定的过热度实验发现，临近加热表面的边界层内液体 明显的过热；其余部分 粗糙表面大约为0 2 k 流密度下的表面过热度、 约为0 4 k ， 使得相同热 主流液体过热度均随加热表面粗糙度的增大而减小 二、 汽泡生长 当一个泡核成长为汽泡时，在蒸汽一液体界面附近存在一定的温度梯度，使 得汽泡表面的换热主要为汽泡界面与包围汽泡的过热液体薄层之间、汽泡核与加 热壁面的接触截面间的热传导；此后不久，蒸汽与液体之间的对流换热中的径向 对流部分对汽泡的生长起到了越来越重要的作用，同时还激发汽泡脱离壁面。在 蚓济大学硕士学位论文 第二章沸腾换热研究的机婵 汽泡脱离壁面后，由于此时汽泡的直径已变的相当大了，之后直径增加很慢，蒸 汽与液体之间的轴向对流和热传导又变成了主要过程，决定着汽泡的流动速度和 方向。 在比尔的研究中，发现汽泡的直径与生长时间存在这样的关系式：d = k t ”， 其中指数n 随时间变化。在马英厄和霍尔伯恩的实验研究中，为了消除指数n 的时间相关性，采用无因次表示法，绘制d = d i d 与r = t t 。的函数曲线。 在某些条件下汽泡的生长过程不仅受空穴尺寸与分布情况等因素的制约，还 与液体的物性、受热面的形状、受热面材料、沸腾过程中液体的流动情况和搅动 程度有关液体的导热系数和比热越大，汽泡的初始生长越快受热面与溶液的 润湿性越强，溶液与壁面的接触面就越大，溶液从壁面吸收的热量就越多，从而 使得汽泡与液体之间的径向对流越强烈，汽泡在受热面上的停留时问就越短，汽 泡的生长时间就越短。加速了汽泡的生长与流动过程；另方面，受热面与液体 的润湿性越差，在溶液温度低于其饱和温度时，不凝性气体和蒸汽就越容易积聚 在受热壁的空穴上，从而增加了汽泡的汽化核心，大大减小了汽泡汽化时所需的 过热度；但当沸腾过程达到稳态之后，液体内的不凝性气体和静止蒸汽减少，上 升出现的汽化核心也就相应地减少了因此可见，受热面与液体的润湿性越差， 溶液开始沸腾时的过热度越低；受热面与液体的润湿性越强，稳态沸腾时的沸腾 换热系数就越高 液体在加热面侧的流动情况及搅动程度，也直接影响到了汽泡生长后期蒸汽 与液体之间的对流换热，从而影响到汽泡的整个生长周期 三、 汽泡的运动 汽泡在从过热液体中吸收了足够的热量后，汽泡直径也增至一定值，受到浮 力、表面张力、阻力和压力的共同作用，达到力平衡后，汽泡所受的浮力起到主 要的作用，使得汽泡脱离受热表面，实现汽泡脱离。汽泡脱离后，汽泡生长时汽 化核心影响区域内的热边界层马上又补充进过冷液体。此后，经过短暂的加热后， 热边界层的过热性又得到了恢复。从而又开始了下一个汽泡的形成、生长、脱离 周期。由于流体动力影响的结果，汽泡下方加热面内的温度梯度有很大的增加， 回复到初始壁温需要一段时间。这段时间的长短取决于受热面的壁面材料。导温 | _ j 济大学颈十学位论文 第二章沸腾换热研究的机理 系数高的材料，壁温的恢复时间要短些，因而汽泡产生的频率高，传递的热流密 度也同步增大。 在汽泡的生长过程中，汽泡底部的蒸发微层不断蒸发，而在汽泡顶部在过冷 液体中又不断发生冷凝，由此汽泡就将其内能传递给了容积液体上升中的汽泡 会在其尾部激起射流，于是在边界层带上产生了抽吸作用。一定体积的边界层被 撕裂，其量级约为汽泡体积的一半。这分离的边界层在离受热表面一定的距离处 与过冷的液体混合 以上所说的是传统的核态沸腾理论。但是随着观测手段的完善，对于汽泡的 运动又有了许多新的认识汽泡除了上述的生长脱离运动外，还存在沿壁面的滑 动运动在一些强迫流动沸腾和垂直壁面沸腾实验中也得到了类似的现象，但是 这种汽泡运动是在流动惯性力、重力或浮升力的合力作用下产生的。这种汽泡的 运动 运动 迫流动的情况下，汽泡也有沿壁面的滑动 汽泡的运动十分迅速，加速和减速都在 很短的时间内完成并且在邻近区域产生很强的扰动当一个汽泡在核化点产生、 成长，它就会对靠近它的其它核化点产生影响。通常汽泡的影响范围不超过其自 身尺寸的三倍然而，汽泡的这种滑动运动