沸騰危機

在大容器沸騰傳熱中，當熱流密度達到最大值（被稱為臨界熱流密度）時，可能導致設備燒毀，這個現象被稱為沸騰危機。

基本介紹

• 中文名：沸騰危機
• 外文名：critical heat flux
• 簡稱：CHF
• 相關術語：臨界熱流密度、大容器飽和沸騰
• 套用領域：熱力學

簡介

大容器飽和沸騰有四個階段，自然對流區，核態沸騰區，過度沸騰區，膜態沸騰區。臨界熱流密度（critical heat flux，CHF）通常發生在核態沸騰區。

圖一 壁面過熱度

對於依靠控制熱流密度來改變工況的加熱設備（如電加熱器）以及冷卻水加熱的核反應堆，一旦熱流密度超過峰值，工況將從核態沸騰區跳到穩定膜態沸騰線，與壁面的過熱度將猛升至近1000℃，可能導致設備的燒毀，所以必須嚴格監視並控制熱流密度，確保在安全工作範圍之內。也由於超過它可能導致設備燒毀，所以臨界熱流密度亦稱燒毀點。在圖中的燒毀點附近，有個比臨界熱流密度的熱流密度略小，表現為熱流密度上升緩慢的核態沸騰的轉折，DNB（DeparturefromNucleateBoiling的縮寫，意即偏離核態沸騰規律），可以用它作為監視接近臨界熱流密度的警戒。對於蒸發冷凝器等壁溫可控的設備，這種監視是重要的。因為一旦熱流密度超過轉折點之值，就可能導致膜態沸騰，在相同的壁溫下使傳熱量大大減少。參見圖一

沸騰危機發展過程

沸騰危機(CHF)的研究一直是汽、液相變學術界傳統的熱門話題，並在不斷取得進展。自從前蘇聯學者Kuatateladze最先從流體動力學現象的無量綱分析出發，得到池沸騰 ，亦即CHF的表達式 其中 為特徵熱流密度，即 ，提出CHF的流體動力學理論以來，其發展大概經歷了三個階段。

1.首先．Zuber進一步進行完善．形成CHF的流體動力學模型。

該理論認為在接近沸騰臨界狀態時．汽化已經十分激烈，無法對孤立的氣泡進行分析，臨界現象的出現完全是一種流體動力學現象。當氣液逆向的相對運動速度達到一定值時，氣液界面使流動變得不穩定而出現沸騰危機。即在接近臨界狀態時，從加熱面上發出一股股由連續蒸汽泡形成的蒸汽射流，在兩股氣流之間，液體逆向流向加熱面以維持加熱面上液體汽化的不斷進行。當這種氣液逆向的相對運動速度達到一定值時，氣液分界面會出現很大的波動，使得流動變得不穩定。Zuber具體確定了C=兀/24=0．131，但也指明，關聯已有的實驗數據資料發現C並非常值。而可在0.12-0.16範圍內變動。

2.隨後，由於在實驗中觀察到在高熱流時，大汽泡底層存在著一層巨觀微層結構(Macrolayer)，在微層結構中間隨機分布著許多的小汽柱，汽柱通過～微層(microlayer)與加熱壁面相連，如圖l所示。很多學者基於該結構提出了許多基於此學說的CHF巨觀微層模型，其中有代表性的主要有Y．Haramura與Katto[I】和Lay與Dhir[2]等，他們認為失穩並不發生在Zuber所認為的由大汽泡形成的蒸汽射流上．而是由在巨觀層中的活化核心上形成的小蒸汽柱的失穩所引起。當加熱熱量密度很大．以致於在液體重新供應巨觀層之前，巨觀層已經蒸發完全，這時將導致CHF的產生。並據此導得了更複雜的CHF表達式．

3.在此之後，Sdasivan與Unal等提出乾斑模型，認為CHF的產生是由壁面現象控制，在高熱流時壁面上局部地會產生乾斑，乾斑的擴展、蔓延而導致CHF的產生．乾斑的形成是局部區域巨觀微層蒸發的結果，巨觀微層的厚度在加熱壁面上隨機分布，因而可認為是Haramura與Katto所認為的均勻巨觀微層厚度模型的一種推廣：即乾斑的產生是眾多氣泡相互作用的結果，巨觀微層厚度小的地方首先蒸發完全，形成於斑．

儘管對臨界熱負已荷做了大量的研究．並且在不斷取得新的進展。各種實驗現象與理論結果仍相差甚遠，遠沒有達到使人滿意的程度．報多學者往往當作誤差處理．但Kenning等學者通過分析，認為誤差不可艟產生如此大的影響並認為我們有可能忽略了其他的幾個重要的參數．從CHF模型所取得的進展過程：即大氣泡形成的蒸汽射流的流動相對失穩，到均勻徽層厚度的小汽柱的流動失穩，再到非均勻徽層厚度的小汽柱的流動失穩，中可以看出：CHF的研究正從遠壁區逐漸向近壁區發展，近壁區因素的影響逐漸加大。分析近壁區的影響因素，有助於進一步加深對CHF的理解．

研究現狀

圖三 觸角對臨界熱流密度的影響 圖中◆為水，——為甲醇

圖二 觸角對臨界過熱度的影響 圖中一◆為水，——為甲醇

1.有關“流體濕潤性能對乾斑擴展引起 沸騰危機的影響”的研究：

表1 臨界過熱度

流體物性和的濕潤性能的影響作用．接觸角越小，即流體濕潤性能越好，其向微層內部滲透的能力越強，從而使乾斑更難於擴展，需要更大熱流密度才能達到沸騰危機．對給定的流體，與不同固體接觸時，僅僅改變的是接觸角口的大小．計算採用的基本數據分別引自下述參考文獻，所得到的臨界過熱度已被列入表1作對比用並標示成圖二，接觸角對臨界熱流密度的影響則已標繪成圖三。

2.據文獻[4]所做研究工作知，熱毛細作用、流體微觀物理性質、濕潤性能、滑移效率等因素對臨界過熱度都將產生影響。

（1）由於熱毛細作用引起的表面張力的變化引起Marangoni流動極大地影響著f醢界過熱度的大小。這是由於Marangoni流動加快了汽柱下部乾斑的擴大，使失穩更容易發生，在較低的臨界過熱度出現沸騰危機．

（2）流體的微觀物理性質對臨界過熱度的影響。Hamaker常數A正比於臨界過熱度．吸附層的平衡厚度h。明顯地影響臨界過熱度。

（3）滑移效率越大，千斑越容易擴大，汽柱越容易失穩，也使臨界過熱度減小。

（4）斜率X的大小。表征流體的濕潤程度。流體的濕潤性越好。即斜率越小，乾斑越不容易擴大，需要很大的臨界過熱度才能導致沸騰危機的產生．

其中，A 是Hamaker常數 ， h是吸附層厚度 ，X是液膜初始斜率

文獻[4]編者說：“從汽拄下微層的穩定性分析出發獨自得出了臨界過熱度的表達式，包含了熱毛細作用，濕潤性能，滑移效率，Hamaer常數等對臨界過熱度的影響。這些影響，可以統稱為近壁區的影響因素。由於傳統的CHF的分析往往局限於遠壁區，即流體動力學的影響，這些近壁區因素，加上其複雜性或不確定性等原因，迄今仍很少引起人們的注意。但我們認為，對CbIF的研究中產生實驗與理論之間的很大分歧，在一定程度上是由於這些近壁區因素被忽略所造成。若能在傳統的研究中加上這些影響因素，將有可能更好地解釋實驗數據，加深對臨界熱負荷的理解。”