管內沸騰是強制對流與沸騰2種現象同時發生的換熱過程，也是其與大容器沸騰的根本區別，因此又稱為對流沸騰。強制對流換熱的放熱係數主要取決於流速，並且是通過流體物性參數的變化顯示出來，而沸騰換熱的換熱強度取決於熱負荷（或稱熱流密度）。
基本介紹
- 中文名：管內傳熱
- 外文名：Heat transfer in tube
- 套用學科：熱力工程術語
- 範疇：工程技術
- 涉及：熱量係數
- 定義：管壁溫度傳導熱量
管內沸騰換熱的工況區間,管內沸騰換熱機理及放熱係數的變化規律,熱負荷對沸騰換熱的影響,
管內沸騰換熱的工況區間
當未飽和水在均勻受熱的垂直管中向上流動直到形成過熱蒸汽時，如果熱負荷不太高，則流動工況、換熱方式、管壁溫度及流體溫度的變化示意圖如圖1所示。其中，當工質在管內作對流沸騰時，沸騰換熱的狀況與汽水混合物的流型有很大關係，按換熱規律可以分為以下幾個區間。
圖1區間A為單相液體強制對流換熱區。此區段液體溫度尚未達到飽和溫度，管壁溫度稍高於水的飽和溫度，但低於產生汽泡所必須的過熱度。
區間B為表面沸騰（也稱過冷沸騰)區。此區段位於泡狀流動的初期，管壁溫度已具有形成汽化核心的過熱度，內壁面上開始產生汽泡，但由於主流的平均溫度仍低於飽和溫度，存在過冷度，因此形成的汽泡或者脫離壁面進入中心水流後即被冷凝而消失，或者仍然附著在壁面上。此時管子截面上的熱力學含汽率x<0，當所有的水均加熱到飽和，即x=0時，此區段結束。
區間C為飽和核態沸騰區。此區段流動結構包括泡狀流動，彈狀流動和部分環狀流動。由於此時管內水的溫度已達到飽和溫度，汽泡脫離壁面後不再凝結消失，含汽率x值由0開始增加。在環狀流動的初期階段，貼壁的液膜尺寸較厚，內壁上還是能形成汽泡，此時換熱狀態仍可近似認為屬於核態沸騰。當液膜中不再產生汽泡，沸騰傳熱機理髮生變化時，該區段結束。
區間D為雙相強制對流換熱區。隨著x的增加，工質進入液滴環狀流動結構。由於環狀液膜的厚度逐漸減薄，因而液膜的導熱性增強，最後使得緊貼管壁的液體不能過熱形成汽泡時，核態沸騰的作用受到抑制。
圖中的E點稱為乾涸點。隨著液膜不斷地蒸發及被中心汽流卷吸的結果，沿著流動方向液膜愈來愈薄，最終管壁上的液膜在某一x值下被蒸乾或撕破而完全消失，出現乾涸，即傳熱惡化現象。這時壁面直接同蒸汽接觸，使得壁面溫度急劇地上升。
區間F為乾涸後的換熱區，也稱為欠液區。蒸乾後，管內為蒸汽攜帶液滴的霧狀流動，直到液滴完全蒸發變成乾蒸汽為止。這一區段的換熱依靠液滴碰到壁面時的導熱及含液滴蒸汽流的對流換熱，此時可能處於蒸汽有些過熱，而液滴仍為飽和溫度的熱力學不平衡狀態。因此，在該區段管子的某一截面上，熱力學含汽率x=1。
區間G為單相蒸汽強制對流換熱區。在此區段中，汽流攜帶的液滴全部蒸發成蒸汽，此時的流動工況為單相的過熱蒸汽。
管內沸騰換熱機理及放熱係數的變化規律
管內沸騰是強制對流與沸騰2種現象同時發生的換熱過程，也是其與大容器沸騰的根本區別，因此又稱為對流沸騰。強制對流換熱的放熱係數主要取決於流速，並且是通過流體物性參數的變化顯示出來，而沸騰換熱的換熱強度取決於熱負荷（或稱熱流密度）。對於圖1所示的對流沸騰，在各換熱區間中對流與沸騰2種換熱方式所起的作用是不一樣的，具有不同的換熱機理，其管內局部對流沸騰放熱係數沿管長（即隨x）的變化關係如圖2所示。圖中每條曲線表示某一熱負荷，A，B，…，G為相應於圖1的換熱區間。下面先討論熱負荷不太高，即圖中曲線1的情況。
在單相液體區（A段)，換熱機理為單相強制對流換熱，熱負荷的影響很微弱，放熱係數
主要取決於流速，基本上是一常數，沿著管長方向由於流體溫度的上升而略有增加。
進入表面沸騰區後（B段)，放熱係數 明顯增加。熱量傳遞除了單相流體的強制對流外，還通過沸騰換熱將潛熱轉移到主流中。潛熱的傳遞有2種方式，或是脫離壁面的汽泡在主流中的冷凝，或是附著在壁面上的汽泡，在其根部的液體微層中連續蒸發及在其頂部的相應的凝結。這一區間的流速與熱負荷對放熱係數均有影響。在始沸點後的初期，壁面上的汽化核心數很少，熱量主要是通過對流方式傳遞，隨著流體溫度的升高和汽化核心的增加，沸騰換熱所占的比例逐漸增加。
在飽和核態沸騰區（C段）初始階段，x約小於0.3時，熱量傳遞主要是沸騰換熱，換熱強度取決於熱負荷，而單相對流，即流速的影響趨近於零。當熱負荷一定時， 基本保持不變，這一階段也稱為旺盛沸騰區。隨著含汽率的進一步提高，除了沸騰換熱以外，由於汽液混合物的流速大為增加，可能是進口水速的幾倍乃至十幾倍，巨觀對流作用的影響再次顯示出來，因此
又開始增加，且與雙相強制對流換熱區（D段）沒有明顯的分界。飽和核態沸騰時的 非常大，因為此時內壁面上的汽化核心數相當多，大量的汽泡形成、長大和脫離，除了其本身攜帶走潛熱以外，還把近壁層的過熱液體推向中心主流，而汽泡脫離後的位置又由中心主流的較冷流體來補充，這樣在管壁附近形成了非常猛烈的微觀對流。
進入雙相強制對流換熱區域後（D段)，隨著液膜的逐漸減薄，使液膜的導熱性增強而不再形成汽泡，此時由管壁傳來的熱量以強制對流的方式，通過液膜的導熱而傳遞到汽水分界面上，在該界面上液體不斷被蒸發，使液體的汽化過程從核態沸騰轉入表面蒸發。由於汽水混合物流速的進一步提高，放熱係數沿流動方向繼續增大，沸騰換熱的影響逐漸下降，而對流換熱的份額越來越大，當混合物流速相當高時，熱負荷的影響漸趨消失，因此流速成為決定性因素。
在乾涸點E，由於液膜被蒸乾或撕破而消失，a突然下降到接近於飽和蒸汽對流換熱的數值。
乾涸後的欠液換熱區（F段)，是傳熱惡化後濕蒸汽與管壁的換熱。此時工質處於熱力學不平衡狀態，熱量傳遞過程相當複雜：熱量可以由壁面傳給蒸汽，使蒸汽過熱後再傳給液滴，從而使液滴蒸發，熱量也可以從壁面直接傳給能撞擊到壁面上的液滴而使其蒸發。若壁溫很高，熱量還可以由壁面以輻射的方式傳給蒸汽和液滴。這一區段中的放熱係數 比上一區段顯著下降，其變化趨勢取決於工質的質量流速
。如果 較大（大於700kg/(
))，由於主流中的液滴因紊流擴散撞擊壁面的幾率增加，液滴快速蒸發使得蒸汽流速進一步增加，故a。又隨x的增加而上升；如果 較小（小於700kg/( ))，液滴不易撞擊壁面，使壁面熱量的傳遞速率減緩，壁溫升高，則 可能繼續下降，如圖2中的虛線所示。
圖2進入過熱蒸汽區後（G段），換熱又遵循單相強制對流的規律。由於蒸汽溫度比內壁溫度增加得快一些，放熱係數 隨蒸汽溫度的提高而略有增大。
管壁溫度沿管長的變化取決於局部放熱係數，見圖1所示。在單相水和表面沸騰區，壁溫與工質溫度差值不大，並隨工質溫度的提高而增加。當進入飽和核態沸騰和雙相強制對流換熱區時，由於放熱係數 很大，並隨x的增加而提高，而工質溫度保持在飽和溫度，因此內壁溫度只比工質溫度高几度，兩者在乾涸點前逐漸接近。當水膜乾涸消失時， 劇烈下降，雖然工質溫度仍處於飽和溫度，壁溫卻因傳熱惡化而飛升。壁溫飛升通常是指溫度的變化區域很小，而溫度的飛升值很高。乾涸後區域壁溫與 的變化有關，若質量流速較高， 增加，壁溫飛升後即逐漸有所降低；反之，壁溫可能持續增加，如圖2中的虛線所示。到過熱蒸汽區後，雖然 增加，但蒸汽溫度在吸熱後不斷升加，故壁溫也隨之不斷升高。
熱負荷對沸騰換熱的影響
如果進入管子的水流量不變，加在管子上的熱負荷不斷升高，則換熱區域和放熱係數會發生變化。如果熱負荷在某一界限值以下增加，單相水和雙相強制對流區的長度縮短，核沸騰（包括表面核沸騰和飽和核沸騰）和乾洞後傳熱區擴大。其中，單相流體a不變，整個核沸騰區的由於汽化核心數目和汽泡產生及脫離的頻率增加，傳熱變得更加強烈而增大，但兩相強制對流區的僅略有增加，乾涸點的位置提前，出現在x值更低的時候，如圖2中的曲線2所示。
但是，當熱負荷大於某一界限值後再增加，則過冷沸騰進一步提前，飽和核沸騰區逐漸縮短。雖然核沸騰區的
更高，但在x值達到某一定值時，不經過兩相強制對流區，直接從核沸騰轉入傳熱惡化。這時發生傳熱惡化的x值比較小，惡化點的位置更早，其惡化機理也發生變化，不再是由於液膜的蒸乾和撕破，而是原先為核態沸騰的工況因水不能潤濕壁面而轉變為膜態沸騰，如圖2中的曲線2，3所示。這種情況可能在環狀流動中發生，也可隨著熱負荷不斷升高而相繼在彈狀流動或泡狀流動工況時發生。
當熱負荷非常高時，甚至在過冷區域就會偏離核沸騰而轉入膜態沸騰，如圖2中的曲線5所示。
