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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（
b
oiling
）
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 boilin
g
）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
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
Δ
t
=
t
w
-
t
s
（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）
：<
/p>
1
图
7-14
饱和水在水平加热面上沸腾的
q
~
Δ<
/p>
t
曲线
(
p
=
1.013×
10
5
Pa)
（
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
Δ
t
<
4
℃）时，壁面上没有汽泡产生，传热属于自然对流工况。
<
/p>
（
2
）核态沸腾区（
nucleate
boiling
）
：当加热壁面的过热度
Δ
t
>
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
Δ
t
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
Δ
t
，
传热规律出
现异乎寻常的变化。热流
密度不仅不随
Δ
t
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
q
min
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
q
min
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
Δ
t
的增加
2
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
7-1
5c
。
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
< br>q
~
Δ
t
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
Δ
t
=
t
w
-
t
s
。
(a)
孤立汽泡区
3