沸騰危機(jī)

沸騰危機(jī)(CHF)的研究一直是汽、液相變學(xué)術(shù)界傳統(tǒng)的熱門話題，并在不斷取得進(jìn)展。自從前蘇聯(lián)學(xué)者Kuatateladze最先從流體動力學(xué)現(xiàn)象的無量綱分析出發(fā)，得到池沸騰

1.首先．Zuber進(jìn)一步進(jìn)行完善．形成CHF的流體動力學(xué)模型。

該理論認(rèn)為在接近沸騰臨界狀態(tài)時．汽化已經(jīng)十分激烈，無法對孤立的氣泡進(jìn)行分析，臨界現(xiàn)象的出現(xiàn)完全是一種流體動力學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)氣液逆向的相對運(yùn)動速度達(dá)到一定值時，氣液界面使流動變得不穩(wěn)定而出現(xiàn)沸騰危機(jī)。即在接近臨界狀態(tài)時，從加熱面上發(fā)出一股股由連續(xù)蒸汽泡形成的蒸汽射流，在兩股氣流之間，液體逆向流向加熱面以維持加熱面上液體汽化的不斷進(jìn)行。當(dāng)這種氣液逆向的相對運(yùn)動速度達(dá)到一定值時，氣液分界面會出現(xiàn)很大的波動，使得流動變得不穩(wěn)定。Zuber具體確定了C=兀/24=0．131，但也指明，關(guān)聯(lián)已有的實驗數(shù)據(jù)資料發(fā)現(xiàn)C并非常值。而可在0.12-0.16范圍內(nèi)變動。

2.隨后，由于在實驗中觀察到在高熱流時，大汽泡底層存在著一層宏觀微層結(jié)構(gòu)(Macrolayer)，在微層結(jié)構(gòu)中間隨機(jī)分布著許多的小汽柱，汽柱通過～微層(microlayer)與加熱壁面相連，如圖l所示。很多學(xué)者基于該結(jié)構(gòu)提出了許多基于此學(xué)說的CHF宏觀微層模型，其中有代表性的主要有Y．Haramura與Katto[I】和Lay與Dhir[2]等，他們認(rèn)為失穩(wěn)并不發(fā)生在Zuber所認(rèn)為的由大汽泡形成的蒸汽射流上．而是由在宏觀層中的活化核心上形成的小蒸汽柱的失穩(wěn)所引起。當(dāng)加熱熱量密度很大．以致于在液體重新供應(yīng)宏觀層之前，宏觀層已經(jīng)蒸發(fā)完全，這時將導(dǎo)致CHF的產(chǎn)生。并據(jù)此導(dǎo)得了更復(fù)雜的CHF表達(dá)式．

3.在此之后，Sdasivan與Unal等提出干斑模型，認(rèn)為CHF的產(chǎn)生是由壁面現(xiàn)象控制，在高熱流時壁面上局部地會產(chǎn)生干斑，干斑的擴(kuò)展、蔓延而導(dǎo)致CHF的產(chǎn)生．干斑的形成是局部區(qū)域宏觀微層蒸發(fā)的結(jié)果，宏觀微層的厚度在加熱壁面上隨機(jī)分布，因而可認(rèn)為是Haramura與Katto所認(rèn)為的均勻宏觀微層厚度模型的一種推廣：即干斑的產(chǎn)生是眾多氣泡相互作用的結(jié)果，宏觀微層厚度小的地方首先蒸發(fā)完全，形成于斑．

盡管對臨界熱負(fù)已荷做了大量的研究．并且在不斷取得新的進(jìn)展。各種實驗現(xiàn)象與理論結(jié)果仍相差甚遠(yuǎn)，遠(yuǎn)沒有達(dá)到使人滿意的程度．報多學(xué)者往往當(dāng)作誤差處理．但Kenning等學(xué)者通過分析，認(rèn)為誤差不可艟產(chǎn)生如此大的影響并認(rèn)為我們有可能忽略了其他的幾個重要的參數(shù)．從CHF模型所取得的進(jìn)展過程：即大氣泡形成的蒸汽射流的流動相對失穩(wěn)，到均勻徽層厚度的小汽柱的流動失穩(wěn)，再到非均勻徽層厚度的小汽柱的流動失穩(wěn)，中可以看出：CHF的研究正從遠(yuǎn)壁區(qū)逐漸向近壁區(qū)發(fā)展，近壁區(qū)因素的影響逐漸加大。分析近壁區(qū)的影響因素，有助于進(jìn)一步加深對CHF的理解．

1.有關(guān)“流體濕潤性能對干斑擴(kuò)展引起 沸騰危機(jī)的影響”的研究：

流體物性和的濕潤性能的影響作用．接觸角越小，即流體濕潤性能越好，其向微層內(nèi)部滲透的能力越強(qiáng)，從而使干斑更難于擴(kuò)展，需要更大熱流密度才能達(dá)到沸騰危機(jī)．對給定的流體，與不同固體接觸時，僅僅改變的是接觸角口的大?。嬎悴捎玫幕緮?shù)據(jù)分別引自下述參考文獻(xiàn)，所得到的臨界過熱度已被列入表1作對比用并標(biāo)示成圖二，接觸角對臨界熱流密度的影響則已標(biāo)繪成圖三所示。

2.據(jù)文獻(xiàn)[4]所做研究工作知，熱毛細(xì)作用、流體微觀物理性質(zhì)、濕潤性能、滑移效率等因素對臨界過熱度都將產(chǎn)生影響。

（1）由于熱毛細(xì)作用引起的表面張力的變化引起Marangoni流動極大地影響著f醢界過熱度的大小。這是由于Marangoni流動加快了汽柱下部干斑的擴(kuò)大，使失穩(wěn)更容易發(fā)生，在較低的臨界過熱度出現(xiàn)沸騰危機(jī)．

（2）流體的微觀物理性質(zhì)對臨界過熱度的影響。Hamaker常數(shù)A正比于臨界過熱度．吸附層的平衡厚度h。明顯地影響臨界過熱度。

（3）滑移效率越大，千斑越容易擴(kuò)大，汽柱越容易失穩(wěn)，也使臨界過熱度減小。

（4）斜率X的大小。表征流體的濕潤程度。流體的濕潤性越好。即斜率越小，干斑越不容易擴(kuò)大，需要很大的臨界過熱度才能導(dǎo)致沸騰危機(jī)的產(chǎn)生．

其中，A 是Hamaker常數(shù) ， h是吸附層厚度 ，X是液膜初始斜率

文獻(xiàn)[4]編者說：“從汽拄下微層的穩(wěn)定性分析出發(fā)獨(dú)自得出了臨界過熱度的表達(dá)式，包含了熱毛細(xì)作用，濕潤性能，滑移效率，Hamaer常數(shù)等對臨界過熱度的影響。這些影響，可以統(tǒng)稱為近壁區(qū)的影響因素。由于傳統(tǒng)的CHF的分析往往局限于遠(yuǎn)壁區(qū)，即流體動力學(xué)的影響，這些近壁區(qū)因素，加上其復(fù)雜性或不確定性等原因，迄今仍很少引起人們的注意。但我們認(rèn)為，對CbIF的研究中產(chǎn)生實驗與理論之間的很大分歧，在一定程度上是由于這些近壁區(qū)因素被忽略所造成。若能在傳統(tǒng)的研究中加上這些影響因素，將有可能更好地解釋實驗數(shù)據(jù)，加深對臨界熱負(fù)荷的理解?！?100433B

大容器飽和沸騰有四個階段，自然對流區(qū)，核態(tài)沸騰區(qū)，過度沸騰區(qū)，膜態(tài)沸騰區(qū)。臨界熱流密度（critical heat flux，CHF）通常發(fā)生在核態(tài)沸騰區(qū)。

對于依靠控制熱流密度來改變工況的加熱設(shè)備（如電加熱器）以及冷卻水加熱的核反應(yīng)堆，一旦熱流密度超過峰值，工況將從核態(tài)沸騰區(qū)跳到穩(wěn)定膜態(tài)沸騰線，與壁面的過熱度將猛升至近1000℃，可能導(dǎo)致設(shè)備的燒毀，所以必須嚴(yán)格監(jiān)視并控制熱流密度，確保在安全工作范圍之內(nèi)。也由于超過它可能導(dǎo)致設(shè)備燒毀，所以臨界熱流密度亦稱燒毀點(diǎn)。在圖中的燒毀點(diǎn)附近，有個比臨界熱流密度的熱流密度略小，表現(xiàn)為熱流密度上升緩慢的核態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)折，DNB（DeparturefromNucleateBoiling的縮寫，意即偏離核態(tài)沸騰規(guī)律），可以用它作為監(jiān)視接近臨界熱流密度的警戒。對于蒸發(fā)冷凝器等壁溫可控的設(shè)備，這種監(jiān)視是重要的。因為一旦熱流密度超過轉(zhuǎn)折點(diǎn)之值，就可能導(dǎo)致膜態(tài)沸騰，在相同的壁溫下使傳熱量大大減少。參見圖1所示

池內(nèi)沸騰根據(jù)過熱度（加熱壁面溫度

影響沸騰傳熱過程的因素很多，包括液體和蒸氣的性質(zhì)、加熱面的表面物理性質(zhì)和粗糙程度，尤其重要的是液體對表面的潤濕性以及操作壓力和溫度差。在泡核沸騰范圍內(nèi)，溫度差越大，傳熱分系數(shù)也越大。加熱壁面粗糙和能被液體潤濕時，也能使傳熱分系數(shù)增大。據(jù)此，將細(xì)小金屬顆粒沉積于金屬板或管上，制成金屬多孔表面，可使沸騰傳熱分系數(shù)提高十幾倍至幾十倍。2100433B

沸騰

液體沸騰的溫度叫沸點(diǎn)。不同液體的沸點(diǎn)不同。即使同一液體，它的沸點(diǎn)也要隨外界的氣壓而變。

在一定的外界壓強(qiáng)下，沸騰只能在某一特定溫度（沸點(diǎn)）并持續(xù)加熱下進(jìn)行。液體在沸騰時，溫度保持不變。這時的飽和汽壓跟外部壓強(qiáng)相等。液體所受外部壓強(qiáng)增大時，它的沸點(diǎn)升高；反之沸點(diǎn)降低。不同液體在相同的壓強(qiáng)下沸點(diǎn)不同。

蒸發(fā)和沸騰的區(qū)別和聯(lián)系

蒸發(fā)和沸騰的聯(lián)系：

它們都是液體汽化的方式，即都屬于汽化現(xiàn)象，液體在蒸發(fā)和沸騰的過程中，都需要吸收熱量。

蒸發(fā)的沸騰的區(qū)別：

（1）蒸發(fā)是液體在任何溫度下都能發(fā)生的汽化現(xiàn)象，而沸騰是液體在一定溫度（沸點(diǎn)）下才能發(fā)生的汽化現(xiàn)象；

（2）蒸發(fā)是只在液體表面發(fā)生的緩慢的汽化現(xiàn)象，而沸騰是在液體表面和內(nèi)部同時發(fā)生的劇烈的汽化現(xiàn)象。

（3）蒸發(fā)時液體溫度會下降，而沸騰中液體溫度保持不變（在液體表面上壓強(qiáng)不改變的前提下）。

（4）影響蒸發(fā)的因素是：液體的溫度，液體表面上的氣流快慢，液體的表面積；影響沸點(diǎn)的因素是：液體表面上的氣壓，液體的純凈程度。

注：圓燒瓶里的水沸騰后停止加熱，沸騰停止，在燒瓶表面倒些冷水，使瓶內(nèi)氣壓降低，水重新沸騰起來2100433B