饱和池沸腾现象简介

式中为壁面的过热度。

沸腾可在各种不同的条件下发生。例如，池内沸腾中流体是静止的，在固体表面附近的运动是由自然对流以及汽泡生长和脱落导致的混合而引起的；而强迫对流沸腾中，流体的运动是外部因素以及自然对流和汽泡引起的混合而引起的。根据流体是过冷还是饱和，还可以将沸腾分为过冷沸腾和饱和沸腾，在过冷沸腾中，液体的温度低于饱和温度，汽泡在脱离壁面后向主流区域运动过程中发生冷凝。

本文主要介绍饱和池沸腾现象。

图1为饱和池沸腾现象的示意图。根据饱和池沸腾现象中的温度分布，可以看出在壁面附近液体内存在较大的温度梯度，而在远离壁面的地方，液体的温度保持在略微超过壁面温度的范围内。汽泡在液固交界面上产生，脱离壁面后在液相中运动，最终从液相表面逃逸。

 

图1 饱和池沸腾现象及温度分布

2.1 Nukiyama实验

饱和池沸腾现象可以通过沸腾曲线进行研究。Nukiyama[1]根据图2所示的实验首次提出不同区域的池沸腾曲线。实验中采用水平丝状的镍铬铁合金提供热量对大气压环境下的饱和水进行加热，通过测量电流I和电压E，可计算发热功率，而金属丝的温度测量通过对电阻的测量进行换算。在该实验中，加热功率是自变量，也就是说热流密度是自变量，而金属丝的过热温度则是因变量，因此可以用该实验研究热流密度与过热温度之间的关系。

 

图2 池沸腾实验研究

图3为Nukiyama实验研究获得的大气压下饱和水池沸腾现象的沸腾曲线，横坐标为金属丝的过热度，纵坐标为热流密度。

根据图3中的加热曲线箭头，在施加功率后，热流密度随着过热温度先缓慢上升然后迅速增大。

 

根据沸腾曲线，过热度

发生以汽泡出现为标志的沸腾。

随着功率的进一步增大，热流密度变得很大，直到略大约时，加热丝的温度突然跃升至熔点，发生烧毁。当采用熔点更高的铂电热丝重复该实验时，能够维持较高的没有发生烧毁。降低功率时，随着的变化沿图3的冷却曲线进行，当热流密度达到极低点时，功率的进一步下降导致过热温度突然下降，然后沿着原来的加热曲线回到饱和点。

图3中虚线部分在本实验中未能实现，Nukiyama认为这是由于控制功率引起的，而采用控制过热度的加热过程可以对其进行补充，Drew与Mueller等[2]证实了该猜想，获得了沸腾曲线缺失的部分。

2.2 池沸腾模式

图4为典型的大气压环境下饱和水池沸腾曲线。根据沸腾发生的过程，可以将沸腾曲线分为自然对流、核态沸腾、沸腾转变以及膜态沸腾等。在池沸腾曲线的不同阶段，沸腾的机理不同，体现在曲线中就是与的关系式不同。根据的值不同，可以对沸腾状态进行描述。

 

• 自然对流沸腾

当  时，汽泡尚未产生，此时略高于饱和温度。当  时，汽泡开始产生，对应沸腾曲线的A点，该点称为起始泡核沸腾点（ONB，Onset of Nucleate Boiling）。在A点以下，流体的流动主要由自然对流绝点。根据流动状态是层流还是湍流，h随着的1/4或1/3次方而变化。

• 核态沸腾

在 范围内存在核态沸腾，其中。在这个范围内有两种不同的流动状态，在区域A-B中，孤立的汽泡在成核点上形成并脱离壁面，汽泡的脱离在壁面附近造成很强的流体混合，使得h和显著提高。在这种状态下，热量主要直接传递给液相水，而不会通过汽泡传递。当超过时，有更多的成核点变得活跃，汽泡的加速形成造成汽泡的相互干扰和合并。在区域B-C中，蒸汽以射流或气柱形式逸出，然后合并形成蒸汽团。图4中的P点是一个拐点，在这里传热系数具有极大值。在P点之后，虽然h和的乘积依然继续增大，但是h开始随着的增大而变小。在C点处，的进一步增加被h的减小抵消，达到极大值，通常将最大热流密度称为临界热流密度，对于大气压下的水，临界热流密度约为1MW/m2。在该极值点处，液体已经很难维持润湿壁面。

由于在核态沸腾区域，较小的过热度可获得很高的传热速率和换热系数，一般工程上的装置都希望在该范围内运行，但是当热流密度超过临界热流密度后，设备容易发生烧毁事故。

• 过渡沸腾

对应于  的区域称为过渡沸腾、不稳定膜态沸腾或局部膜态沸腾，其中 。此时汽泡的形成非常迅速，以致开始在壁面上形成蒸汽膜或蒸汽层。对于壁面上某一个位置而言，状态可能在膜态沸腾和核态沸腾之间来回振荡，但是整个壁面被蒸汽膜覆盖的比例随着的增加而增加。由于蒸汽的热导率比液体小得多，该阶段的h和必定随着的增大而减小。

• 膜态沸腾

当  时为膜态沸腾。在沸腾曲线上称为Leidenfrost点的D处，热流密度具有极小值，此时壁面完全被蒸汽覆盖，从壁面向流体的传热是依靠蒸汽的传导和辐射进行的。随着壁面温度的升高，辐射传热的影响越来越大，因此热流密度随着的增大而增大。

以上关于沸腾曲线的讨论基于壁面温度可控的假设，但是Nukiyama的实验在工程上仍有重要意义。对于核反应堆或者电阻丝加热装置，通常是控制热流密度的，在这种情况下，一旦热流密度超过CHF，将导致壁面温度急剧升高，可能造成系统破坏或出现故障，因此准确知道CHF是很重要的，一般情况下我们希望传热表面在接近CHF的情况下运行，但是不能超过。

【参考文献】

[1] Nukiyama,S., J. Japan Soc. Mech. Eng., 37, 367, 1934(Translation: Int. J. Heat MassTransfer, 9, 1419, 1966).

[2] Drew, T. B.,C. Mueller, Tans. AIChE, 33, 449, 1937.

[3] Frank P. I.,David P. D., Fundamental of heat and mass transfer, seventh edition.