管内传热过程

11.3.1　管内传热过程

1.管内沸腾换热的工况区间

图11.5示出了中等热负荷下未饱和水在均匀受热的垂直管中向上流动直到形成过热蒸汽的整个过程中，流动工况、换热方式、管壁温度及流体温度的变化。

图11.5　垂直管内强迫对流沸腾的换热工况

按换热规律可以分为以下几个区间：

（1）区间A为单相液体强制对流换热区此区段液体温度尚未达到饱和温度，管壁温度稍高于水的饱和温度，但低于产生汽泡所必须的过热度。

（2）区间B为表面沸腾（也称过冷沸腾）区

此区段位于泡状流动的初期，管壁温度已具有形成汽化核心的过热度，内壁面上开始产生汽泡，但由于主流的平均温度仍低于饱和温度，存在过冷度。因此形成的汽泡或者脱离壁面进入中心水流后即被冷凝而消失，或者仍然附着在壁面上。此时管子截面上的热力学含汽率x＜0，当所有的水均加热到饱和，即x＝0时，此区段结束。

（3）区间C为饱和核态沸腾区　此区段流动结构包括泡状流动，弹状流动和部分环状流动。由于此时管内水的温度已达到饱和温度，汽泡脱离壁面后不再凝结消失，含汽率x值由0开始增加。在环状流动的初期阶段，贴壁的液膜尺寸较厚，内壁上还能形成汽泡，此时换热状态仍可近似认为属于核态沸腾。当液膜中不再产生汽泡，沸腾传热机理发生变化时，该区段结束。

（4）区间D为双相强制对流换热区　随着x的增加，工质进入液滴环状流动结构。由于环状液膜的厚度逐渐减薄，因而液膜的导热性增强，最后使得紧贴管壁的液体不能过热形成汽泡时，核态沸腾的作用受到抑制。

（5）图中的E点称为干涸点　随着液膜不断地蒸发及被中心汽流卷吸的结果，沿着流动方向液膜愈来愈薄，最终管壁上的液膜在某一x值下被蒸干或撕破而完全消失，出现干涸，即传热恶化现象。这时壁面直接同蒸汽接触，使得壁面温度急剧上升。

（6）区间F为干涸后的换热区，也称为欠液区　蒸干后，管内为蒸汽携带液滴的雾状流动，直到液滴完全蒸发变成干蒸汽为止。这一区段的换热依靠液滴碰到壁面时的导热及含液滴蒸汽流的对流换热，此时可能处于蒸汽有些过热而液滴仍为饱和温度的热力学不平衡状态。因此在该区段管子的某一截面上，热力学含汽率x＝1。

（7）区间G为单相蒸汽强制对流换　热区此区段中，汽流携带的液滴全部蒸发成蒸汽，此时的流动工况为单相的过热蒸汽。

2.管内沸腾换热机理及放热系数的变化规律

图11.5所示的对流沸腾，在各换热区间中对流与沸腾两种换热方式所起的作用是不一样的，具有不同的换热机理，其管内局部对流沸腾放热系数沿管长（即随x）的变化关系见图11.6所示，图中每条曲线表示某一热负荷，A，B，…，G为相应于图11.5的换热区间。下面先讨论热负荷不太高，即图中曲线1的情况。

图11.6　垂直管内对流沸腾放热系数与热负荷、含汽率的关系

（1）在单相液体区（A段），换热机理为单相强制对流换热，热负荷的影响很微弱，放热系数α₂主要取决于流速，基本上是一常数，沿着管长方向由于流体温度的上升而略有增加。

（2）进入表面沸腾区（B段）后，放热系数α₂明显增加。热量传递除了单相流体的强制对流外，还通过沸腾换热将潜热转移到主流中。潜热的传递有两种方式，或是脱离壁面的汽泡在主流中的冷凝，或是附着在壁面上的汽泡，在其根部的液体微层中连续蒸发及在其顶部的相应的凝结。这一区间的流速与热负荷对放热系数均有影响。在始沸点后的初期，壁面上的汽化核心数很少，热量主要是通过对流方式而传递。随着流体温度的升高和汽化核心的增加，沸腾换热所占的比例逐渐增加。

（3）在饱和核态沸腾区（C段）初始阶段，x约小于0.3时，热量传递主要是沸腾换热，换热强度取决于热负荷，而对流，即流速的影响趋近于零，热负荷一定时α₂基本保持不变，这一阶段也称为旺盛沸腾区。随着含汽率的进一步提高，除了沸腾换热以外，由于汽液混合物流速的大大增加，可达进口水速的几倍乃至十几倍，宏观对流作用的影响再次显示出来，因此α₂又开始增加，且与双相强制对流换热区（D段）没有明显的分界。饱和核态沸腾时的α₂非常大，因为此时内壁面上的汽化核心数相当多，大量的汽泡形成、长大和脱离，除了其本身携带走潜热以外，还把近壁层的过热液体推向中心主流，而汽泡脱离后的位置又由中心主流的较冷流体来补充，这样在管壁附近形成了非常猛烈的微观对流。

（4）进入双相强制对流换热区域（D段）后，随着液膜的逐渐减薄，使液膜的导热性增强而不再形成汽泡，此时由管壁传来的热量以强制对流的方式，通过液膜的导热而传递到汽水分界面上，在该界面上液体不断被蒸发，使液体的汽化过程从核态沸腾转入表面蒸发。由于汽水混合物流速的进一步提高，放热系数沿流动方向继续增大，沸腾换热的影响逐渐下降，而对流换热的份额越来越大。当混合物流速相当高时，热负荷的影响渐趋消失，流速成为决定性因素。

（5）在干涸点E，由于液膜被蒸干或撕破而消失，α₂突然下降到接近于饱和蒸汽对流换热的数值。

（6）干涸后的欠液换热区（F段），是传热恶化后湿蒸汽与管壁的换热。此时工质处于热力学不平衡状态，热量传递过程相当复杂。热量可以由壁面传给蒸汽，使蒸汽过热后再传给液滴，从而使液滴蒸发，热量也可以从壁面直接传给能撞击到壁面上的液滴而使其蒸发。若壁温很高，热量还可以由壁面以辐射的方式传给蒸汽和液滴。这一区段中的放热系数α₂比上一区段显著下降，其变化趋势取决于工质的质量流速ρw。如果ρw较大（大于700kg/（m²·s）），由于主流中的液滴因紊流扩散撞击壁面的几率增加，液滴快速蒸发使得蒸汽流速进一步增加，故α₂又随x的增加而上升；如果ρw较小（小于700kg/（m²·s）），液滴不易撞击壁面，使壁面热量的传递速率减缓，壁温升高，则α₂可能继续下降，如图11.6中的虚线所示。

（7）进入过热蒸汽区（G段）后，换热又遵循单相强制对流的规律。由于蒸汽温度比内壁温度增加得快一些，放热系数α₂随蒸汽温度的提高而略有增大。

管壁温度沿管长的变化取决于局部放热系数，见图11.5所示。在单相水和表面沸腾区，壁温与工质温度差值不大，并随工质温度的提高而增加。进入饱和核态沸腾和双相强制对流换热区，由于放热系数α₂很大，并随x的增加而提高，而工质温度保持在饱和温度，故内壁温度只比工质温度高几度，两者在干涸点前逐渐接近。当水膜干涸消失时，α₂剧烈下降，虽然工质温度仍处于饱和温度，壁温却因传热恶化而飞升。壁温飞升通常是指温度的变化区域很小，而温度的飞升值很高。干涸后区域壁温与α₂的变化有关，若质量流速较高，α₂增加，壁温飞升后即逐渐有所降低；反之，壁温可能持续增加，如图11.5中的虚线所示。到过热蒸汽区后，虽然α₂增加，但蒸汽温度在吸热后不断增加，故壁温也随之不断增高。

3.热负荷对沸腾换热的影响

如果进入管子的水流量不变，加在管子上的热负荷不断升高，则换热区域和放热系数α₂会发生变化。如果热负荷在某一界限值以下增加，单相水和双相强制对流区的长度缩短，核沸腾（包括表面核沸腾和饱和核沸腾）和干涸后传热区扩大。其中，单相流体α₂不变，整个核沸腾区的α₂由于汽化核心数目和汽泡产生及脱离的频率增加，传热变得更加强烈而增大，但两相强制对流区的α₂仅略有增加，干涸点的位置提前，出现在x值更低的时候，如图11.6曲线2所示。

但是当热负荷大于某一界限值后再增加，则过冷沸腾进一步提前，饱和核沸腾区逐渐缩短。虽然核沸腾区的α₂更高，但在x值达到某一定值时，不经过两相强制对流区，直接从核沸腾转入传热恶化。这时发生传热恶化的x值比较小，恶化点的位置更早，其恶化机理也发生变化，不再是由于液膜的蒸干和撕破，而是原先为核态沸腾的工况因水不能润湿壁面而转变为膜态沸腾，如曲线2、3所示。这种情况可能在环状流动中发生，也可随着热负荷不断升高而相继在弹状流动或泡状流动工况时发生。

当热负荷非常高时，甚至在过冷区域就会偏离核沸腾而转入膜态沸腾，如曲线5所示。