淺析如何強(qiáng)化沸騰換熱

摘要：沸騰換熱現(xiàn)象在我們的日常生活里常常見到，比如和我們息息相關(guān)的供熱鍋爐。發(fā)電的汽輪機(jī)組，航空航天技術(shù)的應(yīng)用，就連我們?nèi)粘Ｗ鲲垷硕紩a(chǎn)生沸騰換熱現(xiàn)象。影響沸騰換熱的因素有哪些呢裝置？如何利用沸騰換熱為我們服務(wù)呢？這是很久以來許多科研人員研究的課題。

關(guān)鍵字：沸騰換熱 冷沸騰 飽和沸騰 強(qiáng)制對流沸騰 氣泡成長

前言：

隨著現(xiàn)代大工業(yè)化的進(jìn)程，能源的短缺。各種各樣的能源的合理利用更廣泛的受到人們的關(guān)注。鍋爐在工業(yè)中占著非常大的比例，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中舉足輕重的設(shè)備。 而鍋爐的安全合理穩(wěn)定生產(chǎn)也就是工業(yè)生產(chǎn)的重中之重。沸騰換熱現(xiàn)象大多存在也鍋爐熱動力系統(tǒng)中。

什么是沸騰？沸騰換熱是怎樣進(jìn)行的？

沸騰的定義：裝有液體的容器，由于受熱內(nèi)部形成大量汽包，使其表面由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一種汽化的過程。這個過程我們稱為沸騰。液態(tài)在加熱面上沸騰是侯的換熱過程，產(chǎn)生的工質(zhì)通過汽包運(yùn)動，帶走熱量，使其冷卻的一種熱傳遞方式我們稱其為沸騰換熱。沸騰換熱是怎樣進(jìn)行的呢？當(dāng)加熱面的溫度超過液體的飽和溫度，并且達(dá)到一定峰值時。液體便會在加熱面的很多點(diǎn)上形成汽泡。汽泡形成后由小到大，不斷成大、相互脫離、不斷上浮。汽泡在形成和長大過程中，吸收大量汽化熱能。汽泡的相互脫離和上升運(yùn)動又不斷產(chǎn)生劇烈擾動。這樣沸騰換熱就完成了一個過程。它要比單相流體的對流換熱強(qiáng)烈得多。因此被廣泛的利用。也因而被人們廣泛的關(guān)注。

沸騰換熱的分類：一般沸騰換熱可分為兩大類既過冷沸騰和飽和沸騰

1、什么是過冷沸騰：在換熱器表面形成的氣泡，繼續(xù)加人使汽泡在脫離加熱表面以后。如果液體還沒達(dá)到飽和的溫度。那么汽泡在對液體放熱之后，就會逐漸的凝結(jié)并消失還原成液態(tài)。這種沸騰，我們稱為之過冷沸騰。

什么是飽和沸騰：在換熱器表面產(chǎn)生氣泡后，繼續(xù)加熱汽泡在脫離加熱面以后。如果液體現(xiàn)在已達(dá)到了飽和的溫度。那么汽泡將繼續(xù)吸收熱量、繼續(xù)長大。直至從液面飄逸而出。完全脫離了液面。這種沸騰我們稱為之飽和沸騰。

飽和沸騰的繼續(xù)會產(chǎn)生什么后果？隨著加熱面上的熱流密度的不斷增加。汽化核心不斷增多。汽泡生成的頻率也在不斷地加快。直至加熱面上所生成的汽泡，因為來不及脫離換熱面，便連成汽泡膜。好像是一層此時的沸騰我們稱之為膜狀沸騰。這層汽膜會將液體和加熱面隔開。熱量就只能靠輻射和汽膜的微弱傳導(dǎo)，由加熱面導(dǎo)入。此時傳熱系數(shù)大大降低，容器壁面溫度急劇上升，會導(dǎo)致最終燒毀。所以工業(yè)鍋爐，為了安全起見，必須加大力度，杜絕膜狀沸騰現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4、沸騰換熱出現(xiàn)的場景。沸騰換熱常見于工業(yè)鍋爐、 工業(yè)蒸發(fā)器、 工業(yè)蒸餾塔等設(shè)備中。由于它的換熱系數(shù)較大。也常被用于一些需要強(qiáng)冷卻或者強(qiáng)化傳熱的場合。如火箭發(fā)動機(jī)和它的尾噴管、核反應(yīng)堆的堆芯、連續(xù)的澆鑄、金屬的淬火和熱管技術(shù)等。在實際應(yīng)用中，沸騰通常是在流動狀態(tài)下進(jìn)行的，其影響因素也及為復(fù)雜。

三、如何強(qiáng)化利用沸騰換熱？

利用沸騰換熱的兩種沸騰，有大容器沸騰和強(qiáng)對流沸騰

1、大容器沸騰：也叫池內(nèi)沸騰。它是加熱壁表面浸入具有自由表面的液體中，所發(fā)

生的沸騰。大多數(shù)的工業(yè)都是利用大容器沸騰換熱，比如熱電廠、汽輪機(jī)、供熱鍋爐等等。液大多數(shù)的體

2、強(qiáng)對流沸騰：即是強(qiáng)制性對流加沸騰的共同作用稱為強(qiáng)對流沸騰。

3、如何強(qiáng)化沸騰換熱：

a、營造氣泡形成的環(huán)境。通常情況下，氣泡只發(fā)生在加熱面的某些點(diǎn)，而不是整個加熱面上都是發(fā)生氣泡的，這些發(fā)生氣泡的點(diǎn)我們稱它為氣泡核心。而加熱壁面上的凹穴、裂縫、傷痕處容易殘留氣體，是氣泡最好的汽化核心。因此在加熱面上多些凹坑，讓氣泡有更多的產(chǎn)生核心。從而制造出更多的氣泡。是強(qiáng)化沸騰換熱的重要途徑。目前大多采用多孔表面強(qiáng)化沸騰傳熱方式。多孔表面的制造方式主要有兩大類。既多孔覆蓋表面和開孔多孔表面。多孔覆蓋表面就是在換熱器的表面上，加蓋一層覆蓋物。這種覆蓋物是多孔的。其多孔的材料可以是銅、鋁合金、不銹鋼等其他金屬合金等材料。開孔多孔表面就是換熱器的表面加工出所需要的大小適宜的內(nèi)凹穴。其制作方式也多種多樣，不同的方式產(chǎn)生的效果也不盡相同。多孔技術(shù)主要有兩種加工手段，一是用燒結(jié)、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理和化學(xué)手段，讓換熱面表面形成多孔結(jié)構(gòu)。達(dá)到更多的產(chǎn)生氣泡的目的。二是機(jī)械加工，就是用機(jī)械的方法把換熱面的表面打造成多孔的表面，以到達(dá)更多的產(chǎn)生氣泡的目的。

b、給氣泡以良好的成長環(huán)境。有了氣泡產(chǎn)生的條件，還要營造氣泡成活和不斷長大的環(huán)境。保持換熱器表面的溫度穩(wěn)定，既不出現(xiàn)過冷沸騰，也不造成膜狀沸騰。給氣泡一個存活成長的環(huán)境。保持水位的正常，低水位會造成膜狀沸騰，高水位會形成過冷沸騰現(xiàn)象的產(chǎn)生。

C、在工程實踐中，熱流的密度應(yīng)該嚴(yán)格控制使其臨界值以下。汽泡的形成和氣泡到沸騰狀態(tài)的過渡。同液體的物性、液體的純度、液體的狀態(tài)參數(shù)，以及加熱表面材料的性質(zhì)和液體重力加速度等因素都息息相關(guān)。因此還有多反面考慮，綜合控制，才能強(qiáng)化沸騰換熱的效率。

四、影響沸騰換熱的因素

1、不凝結(jié)。液體中的不凝結(jié)氣體，使氣泡不凝結(jié)冷卻，便會使沸騰換熱得到某種程度的強(qiáng)化。

2、過冷度。過冷度只影響了過冷沸騰，卻不會影響飽和沸騰和對流沸騰。因此對流沸騰的時候，過冷反而會強(qiáng)化換熱。

3、液位的高度。當(dāng)傳熱表面的液體液位足夠高度時候，沸騰換熱表面的傳熱系數(shù)和液位的高度沒有直接關(guān)系。而當(dāng)液體的液位表面降低到一定高度時候。其表面的傳熱系數(shù)會明顯的隨液體液位的降低而升高。

4、重力加速度。在航天技術(shù)中超重力和微重力下的傳熱規(guī)律涉及到重力加速度。隨著下降速度的增加，換熱也會不斷的加強(qiáng)。

5、沸騰表面的結(jié)構(gòu)。沸騰表面的凹坑，是產(chǎn)生氣泡的核心。隨凹坑的增多，沸騰換熱會有所加強(qiáng)。

結(jié)束語：隨著科技的發(fā)展，生產(chǎn)力的推動更多的是依靠科學(xué)的發(fā)展。科技是第一生產(chǎn)力，認(rèn)清事物的本質(zhì)，才能科學(xué)合理的利用規(guī)律更好的為人類服務(wù)，我們有理由相信，隨著科學(xué)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，沸騰換熱技術(shù)也將是日新月異，更好的被我們所利用。讓自然規(guī)律更好的為人類服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

1、《常用鍋爐使用和管理匯編》中國標(biāo)準(zhǔn)出版社

2、《壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯編》中國標(biāo)準(zhǔn)出版社

3、《工程熱力學(xué)》熱能動力學(xué)科教材