浅析如何强化沸腾换热

摘要：沸腾换热现象在我们的日常生活里常常见到，比如和我们息息相关的供热锅炉。发电的汽轮机组，航空航天技术的应用，就连我们日常做饭烧菜都会产生沸腾换热现象。影响沸腾换热的因素有哪些呢装置？如何利用沸腾换热为我们服务呢？这是很久以来许多科研人员研究的课题。

关键字：沸腾换热 冷沸腾 饱和沸腾 强制对流沸腾 气泡成长

前言：

随着现代大工业化的进程，能源的短缺。各种各样的能源的合理利用更广泛的受到人们的关注。锅炉在工业中占着非常大的比例，是现代化工业生产中举足轻重的设备。 而锅炉的安全合理稳定生产也就是工业生产的重中之重。沸腾换热现象大多存在也锅炉热动力系统中。

什么是沸腾？沸腾换热是怎样进行的？

沸腾的定义：装有液体的容器，由于受热内部形成大量汽包，使其表面由液态转换到气态的一种汽化的过程。这个过程我们称为沸腾。液态在加热面上沸腾是侯的换热过程，产生的工质通过汽包运动，带走热量，使其冷却的一种热传递方式我们称其为沸腾换热。沸腾换热是怎样进行的呢？当加热面的温度超过液体的饱和温度，并且达到一定峰值时。液体便会在加热面的很多点上形成汽泡。汽泡形成后由小到大，不断成大、相互脱离、不断上浮。汽泡在形成和长大过程中，吸收大量汽化热能。汽泡的相互脱离和上升运动又不断产生剧烈扰动。这样沸腾换热就完成了一个过程。它要比单相流体的对流换热强烈得多。因此被广泛的利用。也因而被人们广泛的关注。

沸腾换热的分类：一般沸腾换热可分为两大类既过冷沸腾和饱和沸腾

1、什么是过冷沸腾：在换热器表面形成的气泡，继续加人使汽泡在脱离加热表面以后。如果液体还没达到饱和的温度。那么汽泡在对液体放热之后，就会逐渐的凝结并消失还原成液态。这种沸腾，我们称为之过冷沸腾。

什么是饱和沸腾：在换热器表面产生气泡后，继续加热汽泡在脱离加热面以后。如果液体现在已达到了饱和的温度。那么汽泡将继续吸收热量、继续长大。直至从液面飘逸而出。完全脱离了液面。这种沸腾我们称为之饱和沸腾。

饱和沸腾的继续会产生什么后果？随着加热面上的热流密度的不断增加。汽化核心不断增多。汽泡生成的频率也在不断地加快。直至加热面上所生成的汽泡，因为来不及脱离换热面，便连成汽泡膜。好像是一层此时的沸腾我们称之为膜状沸腾。这层汽膜会将液体和加热面隔开。热量就只能靠辐射和汽膜的微弱传导，由加热面导入。此时传热系数大大降低，容器壁面温度急剧上升，会导致最终烧毁。所以工业锅炉，为了安全起见，必须加大力度，杜绝膜状沸腾现象的产生。

4、沸腾换热出现的场景。沸腾换热常见于工业锅炉、 工业蒸发器、 工业蒸馏塔等设备中。由于它的换热系数较大。也常被用于一些需要强冷却或者强化传热的场合。如火箭发动机和它的尾喷管、核反应堆的堆芯、连续的浇铸、金属的淬火和热管技术等。在实际应用中，沸腾通常是在流动状态下进行的，其影响因素也及为复杂。

三、如何强化利用沸腾换热？

利用沸腾换热的两种沸腾，有大容器沸腾和强对流沸腾

1、大容器沸腾：也叫池内沸腾。它是加热壁表面浸入具有自由表面的液体中，所发

生的沸腾。大多数的工业都是利用大容器沸腾换热，比如热电厂、汽轮机、供热锅炉等等。液大多数的体

2、强对流沸腾：即是强制性对流加沸腾的共同作用称为强对流沸腾。

3、如何强化沸腾换热：

a、营造气泡形成的环境。通常情况下，气泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上都是发生气泡的，这些发生气泡的点我们称它为气泡核心。而加热壁面上的凹穴、裂缝、伤痕处容易残留气体，是气泡最好的汽化核心。因此在加热面上多些凹坑，让气泡有更多的产生核心。从而制造出更多的气泡。是强化沸腾换热的重要途径。目前大多采用多孔表面强化沸腾传热方式。多孔表面的制造方式主要有两大类。既多孔覆盖表面和开孔多孔表面。多孔覆盖表面就是在换热器的表面上，加盖一层覆盖物。这种覆盖物是多孔的。其多孔的材料可以是铜、铝合金、不锈钢等其他金属合金等材料。开孔多孔表面就是换热器的表面加工出所需要的大小适宜的内凹穴。其制作方式也多种多样，不同的方式产生的效果也不尽相同。多孔技术主要有两种加工手段，一是用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理和化学手段，让换热面表面形成多孔结构。达到更多的产生气泡的目的。二是机械加工，就是用机械的方法把换热面的表面打造成多孔的表面，以到达更多的产生气泡的目的。

b、给气泡以良好的成长环境。有了气泡产生的条件，还要营造气泡成活和不断长大的环境。保持换热器表面的温度稳定，既不出现过冷沸腾，也不造成膜状沸腾。给气泡一个存活成长的环境。保持水位的正常，低水位会造成膜状沸腾，高水位会形成过冷沸腾现象的产生。

C、在工程实践中，热流的密度应该严格控制使其临界值以下。汽泡的形成和气泡到沸腾状态的过渡。同液体的物性、液体的纯度、液体的状态参数，以及加热表面材料的性质和液体重力加速度等因素都息息相关。因此还有多反面考虑，综合控制，才能强化沸腾换热的效率。

四、影响沸腾换热的因素

1、不凝结。液体中的不凝结气体，使气泡不凝结冷却，便会使沸腾换热得到某种程度的强化。

2、过冷度。过冷度只影响了过冷沸腾，却不会影响饱和沸腾和对流沸腾。因此对流沸腾的时候，过冷反而会强化换热。

3、液位的高度。当传热表面的液体液位足够高度时候，沸腾换热表面的传热系数和液位的高度没有直接关系。而当液体的液位表面降低到一定高度时候。其表面的传热系数会明显的随液体液位的降低而升高。

4、重力加速度。在航天技术中超重力和微重力下的传热规律涉及到重力加速度。随着下降速度的增加，换热也会不断的加强。

5、沸腾表面的结构。沸腾表面的凹坑，是产生气泡的核心。随凹坑的增多，沸腾换热会有所加强。

结束语：随着科技的发展，生产力的推动更多的是依靠科学的发展。科技是第一生产力，认清事物的本质，才能科学合理的利用规律更好的为人类服务，我们有理由相信，随着科学的发展，科技的进步，沸腾换热技术也将是日新月异，更好的被我们所利用。让自然规律更好的为人类服务。

参考文献：

1、《常用锅炉使用和管理汇编》中国标准出版社

2、《压力容器相关标准汇编》中国标准出版社

3、《工程热力学》热能动力学科教材