7.4 沸腾传热的模式
液体的汽化（vaporization）可区分为蒸发（evaporation）和沸腾（boiling）两种。前者指发生在液体表面上的汽化过程，后者则指在液体内部以产生汽泡的形式进行的汽化过程。就流体运动的动力而言，沸腾过程又有大容器沸腾，又称池沸腾（pool boiling）和管内沸腾（in-tube boiling）两种。大容器沸腾时流体的运动是由于温差和汽泡的扰动所引起的，而管内沸腾则需外加的压差作用才能维持。本节通过大容器沸腾的介绍阐明沸腾传热的机理和基本特点，管内沸腾则留待到沸腾传热的影响因素中去介绍。
7.4.1 大容器饱和沸腾的三个区域
太阳灶现在来做一个观察沸腾传热现象的实验。在盛水的烧杯中置入一根不锈钢细管，通电加热以使其表面上产生汽泡。烧杯底下的电热器用于将水加热到饱和温度，这样在不锈钢管表面上进行的沸腾称为饱和沸腾（saturated boiling）。随着电流密度的加大，亦即表面温度与饱和温度的温差Δt = tw - ts（称为过热度）的增加，烧杯中的水与不锈钢管表面之间的热交换会依次出现以下区域（如图7-14所示）：
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图7-14莫逆之交什么意思 饱和水在水平加热面上沸腾的q~Δt曲线 (p = 1.013×105Pa) |
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（1）自然对流区：壁面过热度较小（对于水在一个大气压下的饱和沸腾为Δt < 4℃）时，壁面上没有汽泡产生，传热属于自然对流工况。
（2）核态沸腾区（nucleate boiling）：当加热壁面的过热度Δt 大话李白> 4℃后，壁面上个别地点（称为汽化核心）开始产生汽泡，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称孤立汽泡区，其沸腾景象如图7-15a所示。随着Δt进一步增加，汽化核心增加，汽泡互相影响，并会合成气块及气柱，图景如图7-15b所示。在这两个区中，汽泡的扰动剧烈，传热系数和热流密度都急剧增大。由于汽化核心对传热起着决定性影响，这两区的沸腾统称为核态沸腾（或称泡状沸腾）。核态沸腾有温压小、传热强的特点，所以一般工业应用都设计在这个范围。核态沸腾区的终点为图7-14中热流密度的峰值点。
（3）过渡沸腾区（transition boiling）：从峰值点进一步提高Δt，传热规律出现异乎寻常的变化。热流密度不仅不随Δt的升高而提高，反而越来越降低。这是因为汽泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸汽排除过程越趋恶化。这种情况持续到到达最低热流密度为qmin为止。这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的过程。
（4）膜态沸腾区（film boiling）：从拔筋qmin起传热规律再次发生转折。这时加热面上已形成
稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规则地排离膜层，q随Δt的增加而增大。此段称为稳定膜态沸腾。稳定膜态沸腾在物理上与膜状凝结有共同点，不过因为热量必须穿过的是热阻较大的气膜，而不是液膜，所以传热系数比凝结小得多。稳定膜态沸腾的照片示于图7-15c。
位于过渡沸腾与稳定膜态沸腾之间的热流密度最低的点，文献中称为莱登佛罗斯特（Leidenfrost）点。
当将水泼在灼热的钢板上时，会在短时间内在钢板上形成很多不断跳跃的小水滴，这是因为在灼热的钢板上形成了膜态沸腾，小水滴不断地被形成的气流带向上面所致。莱登佛罗斯特（Leidengfrost）是德国18世纪的医生，他研究了这一现象，故而命名之。
习惯上将包含自然对流在内的图7-14所示的q~Δt曲线称为大容器饱和沸腾曲线（saturated pool boiling curve），其中核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾三个区域属于沸腾传热的范围。由以上讨论可见，对于沸腾传热，过程进行的动力是壁面的过热度，所以牛顿冷却公式中的温差是Δt = tw - ts。
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(a) 孤立汽泡区 |
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(b) 气柱汽块区 |
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(c) 膜态沸腾区 |
图7-15 加热面为金属丝时的不同沸腾区域 (本照片承日本Kanagawa大学M. Shoji教授提供)宏图伟业 |
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7.4.2 临界热流密度及其工程意义
上述热流密度的峰值qmax有重大实践意义，被称为临界热流密度（critical heat flux，CHF）（俄文文献常称之为沸腾危机）。下面从热流密度可控与加热壁温可控两种情形来讨论。对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备（如电加热器）以及冷却水加热的核反应堆，一旦热流密度超过峰值，工况将沿过qmax点的虚线跳至稳定膜态沸腾线，Δt将猛升至近1000℃，可能导致设备的烧毁，所以必须严格监视并控制热流密度，确保在安全工作范围之内。也由于超过它可能导致设备烧毁，所以qmax亦称烧毁点。在图7-14中的烧毁点附近，有个比qmax的热流密度略小，表现为q上升缓慢的核态沸腾的转折点DNB（Departure from Nucleate Boiling的缩写，意即偏离核态沸腾规律），可以用它作为监视接近qmax的警戒。对于蒸发冷凝器等壁温可控的设备，这种监视是重要的。因为一旦q超过转折点之值，就可能导致膜态沸腾，在相同的壁温下使传热量大大减少。
