流動沸騰

流動沸騰是指流體在流動過程中被加熱,流體的流動可以是自然循環,也可以是靠泵驅動的強迫循環。

圖表示的是一垂直放置的均勻加熱通道,欠熱液體從底部進入管內向上流動,圖中示出了所遇到的流型和相應的傳熱分區,在圖的左側給出了壁面溫度和流體溫度沿高度的變化情況。

此時,在熱流密度較低情況下,流道內會相繼出現下列傳熱工況:

(1)單相液體強迫對流換熱(A區):流體剛進入通道的時候,是單相對流區,此區內液體被加熱溫度升高,流體溫度低於飽和溫度,壁溫也低於產生氣泡所必需的溫度。

流動沸騰 流動沸騰

(2)泡核沸騰。泡核沸騰又可分成兩種情況。

a)欠熱泡核沸騰(B區):此時液體的主流溫度還沒有達到飽和溫度,但壁面已經超過飽和溫度,在壁面上產生了氣泡。氣泡脫離壁面後進入主流區,與欠熱水相遇後冷凝,所以氣泡主要存在於壁面附近。

b)飽和泡核沸騰(C、D區):發生在液體主流溫度已經達到飽和溫度的情況下,主流中存在分立的氣泡。其中C和D區的流型是不相同的,但它們的傳熱分區是相同的。

在泡核沸騰工況下,壁面上的氣泡不斷產生又不斷脫離,對邊界層產生很大的擾動,對傳熱有明顯的改善作用。

(3)通過液膜的強迫對流蒸發(E、F區)。這時兩相流中的含汽率已經相當大,兩相流呈環狀流動結構,即液體薄層沿壁面流動,形成一個環狀液膜,中間是汽芯。熱量傳到液膜與汽芯的交界面,液體的蒸發將熱量帶走。

(4)缺液區的傳熱(G區)。液體呈滴狀混在蒸汽中一起流動。由於此時液膜已經燒乾,加熱表面與蒸汽相接觸,與液膜燒乾前相比,傳熱係數大幅度降低,壁溫突然升高。但因為液滴對傳熱有增強作用,所以傳熱係數仍然高於下一階段單向蒸汽時的傳熱。液膜燒乾時的工況,即強迫對流蒸發到缺液區傳熱的轉折點,也是F區和G區的分界點,稱為燒乾點。一般把環狀流動時的液膜中斷或燒乾稱為沸騰臨界(CHF),有時將這種沸騰臨界稱為燒乾沸騰臨界。從燒乾點開始到全部變成單相汽的區段稱為缺液區。在燒乾點,壁面溫度跳躍性地升高。

(5)單相蒸汽的對流換熱(H區):該區的特徵是,流體是單相過熱蒸汽,傳熱係數降低,壁溫將進一步升高。

流動沸騰 流動沸騰
與池式沸騰不同的是,這種流動沸騰工況的沸騰臨界是液體被燒乾,而不是生成的氣泡來不及擴散到主流中去。在流動沸騰中,也有類似於池式沸騰那樣的沸騰臨界問題,當熱流密度較高時,也會出現類似問題。當加熱壁面的熱流密度提高時,壁面生成的氣泡數量增多,當熱流增加到一定程度時,產生的氣泡來不及向主流擴散,在離開壁之前就連成一片,形成一個汽膜,汽膜覆蓋了傳熱表面,形成很大熱阻,造成傳熱惡化,壁面溫度急劇上升。傳熱表面被汽膜覆蓋時的沸騰工況稱為膜態沸騰,由泡核沸騰轉變成膜態沸騰的現象稱為偏離泡核沸騰點,也稱為DNB沸騰臨界。圖2-13是兩種沸騰臨界示意圖。

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