核电厂热工水力学5.ppt

'堆芯传热 1沸腾传热1.1压水堆内的沸腾传热在现代大型压水堆设计中，在正常运行状态下一般允许堆芯内冷却剂发生泡核沸腾，即在堆芯内平均通道的出口段允许出现欠热泡核沸腾，在最热通道的出口段还允许出现饱和泡核沸腾，因为这样可以大幅度提高传热能力，相应地也提高了冷却剂的出口温度，从而可提高核电站的热效率。在水冷核反应堆的某些事故过程中，堆芯内燃料元件外表面可能经历欠热泡核沸腾、饱和泡核沸腾、强迫对流蒸发、临界热流密度、过渡沸腾和膜态沸腾等一系列沸腾传热工况。因此，沸腾传热在反应堆热工设计和安全分析中十分重要。 1.2沸腾传热定义及分类沸腾是指液体内部生成气泡或气相并由液态转变成气态的一种剧烈的气化过程，而沸腾传热则指该过程中传递热量的模式。按照发生沸腾的不同方式，沸腾传热可分为均匀沸腾和非均匀沸腾两类。均匀沸腾是指在液体内部没有固定的加热面，在较大的液体过热度下，气泡由能量较集中的液体高能分子团的运动与集聚而产生，例如，在较高压力下的饱和水系统中，如果降低系统压力，则原来的处于饱和状态的水就变成了过热水。当水的过热度超过某一临界值，系统内的部分水就会突然气化成许多细小的蒸汽泡。这种在液体体积内部急剧气化的现象称为“闪蒸（flashing）”。非均匀沸腾则指气泡在与液体相接触的固定加热面上产生、长大的过程，又常称为表面沸腾，所需过热度较低，是一种常见的应用最多的沸腾类型。 按照液体是否流动可将非均匀沸腾分成两种基本的沸腾型式:池式沸腾（又称大容积沸腾）流动沸腾 2池式沸腾传热2.1池式沸腾定义及分类浸没在池内（大容积内）原来静止（或流速极低）液体内的受热面上产生的沸腾定义为池式沸腾，又称大容积沸腾。当池内液体整体温度比系统压力下的饱和温度低时的沸腾叫欠热沸腾；当池内液体整体处在与系统压力相应的饱和温度时的沸腾叫饱和沸腾。 2.2池沸腾曲线(1)A点前：单相液体自然对流传热。(2)AB区：泡核沸腾和自然对流混合传热。(3)BC区：泡核沸腾传热。(4)C点：临界热流密度工况（CHF）。(5)CD区：过渡沸腾传热区。(6)D点：稳定膜态沸腾起始点。(7)DEF区：稳定膜态沸腾传热工况。池式沸腾曲线[(a)是控制壁温Tw连续增加，(b)是控制热流密度q连续增加] A点前：单相液体自然对流传热液体可以处于或低于饱和温度。壁面温度与液体温度相接近，或者只比液体高几度。因为壁面过热度不高，不能生成汽泡。 AB区：泡核沸腾和自然对流混合传热 BC区：泡核沸腾传热由于所产生的汽泡数目增多和大量汽泡脱离壁面，造成了对热边界层内液体的强烈扰动，从而使传热大大增强，q随△Tw迅速增加。在加热面附近会形成蒸汽片或蒸汽柱。 CD区：过渡沸腾传热区也称部分膜态沸腾工况。在该工况下，液—汽交替覆盖部分加热面，传热变得不稳定。由于有时蒸汽膜覆盖加热面，使传热能力下降，随的增加反而降低。只有在情况(a)才能用实验方法获得CD工况；对于情况(b)，稍增，就会从C跳到C′，且用时间极短，实际上不存在CD工况，而直接进入膜态沸腾工况。 D点：稳定膜态沸腾起始点在该点的是膜态沸腾的最小值，所以该点也叫最小膜态沸腾工况。此时连续汽膜刚好覆盖加热表面。该点由于液体刚好不能接触加热表面，所以该点也叫Leidenfrost点，该点的壁面温度叫Leidenfrost温度。液体不会润湿炙热的表面，而仅仅在其上形成一个蒸汽层的现象，由科学家莱顿弗罗斯特在1756年发现。 DEF区：稳定膜态沸腾传热工况一层连续稳定的蒸汽膜覆盖在整个加热表面上，热量的传递主要通过汽膜的导热、对流和热辐射，只不过在EF区热辐射变得更强，因而q随△Tw的增加而加更迅速上升 该点标志着泡核沸腾的上限。对于控制壁温的情况（a），在C点之后，由于部分加热表面被蒸汽覆盖（蒸汽是低劣的传热介质）而使传热强度减弱，q随△Tw的增加反而下降；对于控制热流的情况（b），加热q的稍微增加，就使壁温Tw骤然跃升到C′点，壁温大幅度跃升将可能导致壁面被烧毁。C点：临界热流密度工况（CHF） 单相液体自然对流区（A点前）2.3各区传热机理和传热关系式 泡核沸腾区（ABC）泡核沸腾传热机理汽化潜热传热汽—液置换传热微对流传热因温差引起的热传导汽泡脱离时尾流引起对流增强汽泡柱引起自然对流热毛细管流所有这些机理都使泡核沸腾传热大大增强，导致很高的传热系数。 泡核沸腾区（ABC）-泡核沸腾传热关系式 临界热流密度（CHF）工况（C）临界热流密度工况机理-两种机理:其一是汽泡合并，即在加热表面上生成的汽泡是如此之多，以至于相邻的汽泡或汽柱合并成一片，形成一层导热性很差的蒸汽膜覆盖在表面上，它把加热面与液体隔离开来，使传热恶化；其二是流体动力学不稳定性，在高热流密度下，蒸汽产生率是如此之高，以至于向壁外运动的蒸汽速度非常大，它与向壁面运动的液体速度构成某一最大相对速度，从而使汽—液分界面出现很大的波动，并失去稳定，汽—液逆向流动遭到破坏，蒸汽就滞留在加热表面上，形成汽膜覆盖表面，使传热恶化。这两种机理都因为一层蒸汽膜覆盖在加热表面上而使液体无法到达和湿润加热壁面，造成传热恶化。 临界热流密度关系式（流体动力学模型） 稳定膜态沸腾工况（DEF）稳定膜态沸腾传热机理一层连续稳定的蒸汽膜覆盖在加热表面上，热量的传递主要通过这层蒸汽膜（汽膜把液体与壁面隔开）的导热、对流和热辐射，蒸汽以汽泡形式从汽膜中逸出。主要热阻局限在这层汽膜内。壁面与液体之间的温差非常大，液体不能接触壁面，以维持汽膜的稳定。 稳定膜态沸腾工况（DEF）-传热关系式 最小膜态沸腾工况（点D） 过渡沸腾工况（CD） 2.4影响池式沸腾的主要因素系统压力：提高压力使给定尺寸的空穴泡化所需要的过热度△Tw变小，从而使沸腾曲线（图3-3）上的ABC段向左移动。即压力越高，同样的△Tw可传递更高的热流密度。式（3－18）直接体现出压力p对q的影响。式（3－17）和（3－19）则通过流体的物性（流体物性一般在饱和温度下计算）来反映压力的影响。系统压力对临界热流密度qc的影响比较复杂，一般说来，对于水，在低压时，qc随压力的增加而增大，当压力增至水的临界压力的（约7MPa）左右时，qc达到最大值，此后，随压力继续增加（高压时）qc反而减小。 主流液体温度（或欠热度）从式（3－17）到（3－19）可以看出，主流液体温度（或欠热度）对泡核沸腾传热强度没有影响。但是，欠热度对qc有显著的影响，由式（3－22）可以看出，随着欠热度△Tsub的增加qc升高。此外，加热表面越粗糙，泡核沸腾传热增强。但是，表面粗糙度对qc和膜态沸腾传热的影响很小。这主要是与由于汽膜覆盖加热表面，把粗糙度掩盖。'