反应堆传热过程.pptx
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1、第三章堆的传热过程第三章堆的传热过程核科学与工程系核科学与工程系3.1 3.1 导热导热核科学与工程系核科学与工程系3.1 3.1 导热导热l有内热源的圆柱形芯块温度场有内热源的圆柱形芯块温度场,忽略轴向导热情况忽略轴向导热情况l无内热源的圆筒形包壳温度场无内热源的圆筒形包壳温度场,忽略轴向导热情况忽略轴向导热情况核科学与工程系核科学与工程系3.2 3.2 单相对流传热单相对流传热l包壳外表面与冷却剂的热交换过程,基于牛顿冷却定律包壳外表面与冷却剂的热交换过程,基于牛顿冷却定律Q Q=h F=h Ft t,其中其中t t为膜温差,为膜温差,h h为对流换热系数,为对流换热系数,F F为传热表面
2、积,为传热表面积,Q Q为传递的热功率为传递的热功率l分为自然对流换热和强迫对流换热两种情况考虑分为自然对流换热和强迫对流换热两种情况考虑l对于非圆形通道,可使用当量直径作为公式对于非圆形通道,可使用当量直径作为公式3-15,163-15,16中的特征尺寸中的特征尺寸l对于棒束通道,使用对于棒束通道,使用WeissmanWeissman关系式,分为正方形栅格和三角形栅格关系式,分为正方形栅格和三角形栅格两种情况对待两种情况对待核科学与工程系核科学与工程系3.2 3.2 单相对流传热单相对流传热 自然对流换热自然对流换热l由密度梯度即温度梯度引起由密度梯度即温度梯度引起 其中其中为流体的体积膨胀
3、系数,为流体的体积膨胀系数,=/为运动黏度,为运动黏度,x x为位差为位差l引入特征量格拉晓夫数引入特征量格拉晓夫数GrGr=(g=(gT xT x3 3)/)/2 2l普遍关系式为普遍关系式为NuNu=f(Gr Pr)=C(Gr Pr)=f(Gr Pr)=C(Gr Pr)m mn n,式中式中m m指物性参数取平均温指物性参数取平均温度点的值,即度点的值,即t tm m=(t=(tf f+t+tw w)/2)/2l针对竖壁与横管霍夫曼和米海耶夫分别提出经验关系式针对竖壁与横管霍夫曼和米海耶夫分别提出经验关系式(3-19(3-19至至3-24)3-24)核科学与工程系核科学与工程系3.3 3.
4、3 沸腾传热沸腾传热l包括池式沸腾和流动沸腾两种情况包括池式沸腾和流动沸腾两种情况l池式沸腾池式沸腾 拥有自由表面的大容积液体,在受热面处发生的沸腾。拥有自由表面的大容积液体,在受热面处发生的沸腾。自然对流占主导自然对流占主导l流动沸腾流动沸腾 流体流经加热通道时发生,沸水堆的正常工况,压水堆流体流经加热通道时发生,沸水堆的正常工况,压水堆中也会发生尤其是事故状况下中也会发生尤其是事故状况下核科学与工程系核科学与工程系3.33.3.1.1 沸腾曲线沸腾曲线 池式沸腾池式沸腾l壁面过热度与热流密度的关系曲线壁面过热度与热流密度的关系曲线l右下方为大容积沸腾,左上方为管右下方为大容积沸腾,左上方为
5、管内流动沸腾内流动沸腾lB B点前为不沸腾自然对流区,点前为不沸腾自然对流区,B B点开点开始产生气泡,始产生气泡,B B点称为沸腾起始点点称为沸腾起始点ONBONB。气泡产生,对流换热系数高,。气泡产生,对流换热系数高,热流密度迅速上升热流密度迅速上升lC C点达到热流密度最大值,称为临界点达到热流密度最大值,称为临界热流密度热流密度lBCBC段为核态沸腾区段为核态沸腾区核科学与工程系核科学与工程系3.33.3.1.1 沸腾曲线沸腾曲线 池式沸腾池式沸腾lCDCD段为过度沸腾区,由于汽膜形成段为过度沸腾区,由于汽膜形成导致热阻上升,热流密度降低导致热阻上升,热流密度降低lDEDE段为稳定膜态
6、沸腾区段为稳定膜态沸腾区l此两区内稳定的汽膜形成此两区内稳定的汽膜形成lD D点后辐射传热增强,热流密度再次点后辐射传热增强,热流密度再次提高提高lC C,E E点热流密度相同,故当从点热流密度相同,故当从C C点进点进一步提高热流密度时,膜温差可能一步提高热流密度时,膜温差可能跃升,造成壁面烧毁。因此跃升,造成壁面烧毁。因此C C点又称点又称为烧毁点。为烧毁点。lH H点为偏离核态沸腾规律点点为偏离核态沸腾规律点DNBDNB核科学与工程系影响池式沸腾的主要因素影响池式沸腾的主要因素-系统压力系统压力核科学与工程系影响池式沸腾的主要因素影响池式沸腾的主要因素-主流液体温度主流液体温度(或欠或欠
7、热度热度)对传热强度无影响对传热强度无影响对于对于q qc c影响显著影响显著随欠热度随欠热度TTSUBSUB增大,汽液置换时易冷凝近壁气泡,则增大,汽液置换时易冷凝近壁气泡,则q qc c升升高高核科学与工程系影响池式沸腾的主要因素影响池式沸腾的主要因素-加热表面粗糙加热表面粗糙度度表面越粗糙,泡化空穴越大,因此需要的过热度越小表面越粗糙,泡化空穴越大,因此需要的过热度越小使使ABCABC段左移段左移泡核沸腾传热增强泡核沸腾传热增强对对q qc c及膜态沸腾的影响很小及膜态沸腾的影响很小 气膜将粗糙度掩盖气膜将粗糙度掩盖核科学与工程系影响池式沸腾的主要因素影响池式沸腾的主要因素-其他因素其他
8、因素液壁接触角增加或不凝气体掺入液壁接触角增加或不凝气体掺入降低降低 T Tw w使沸腾曲线使沸腾曲线ABCABC段左移,强化传热段左移,强化传热核科学与工程系流动沸腾传热流动沸腾传热强制或自然对流强制或自然对流有宏观运动的系统内的沸腾有宏观运动的系统内的沸腾气泡生长受流体流动的影响气泡生长受流体流动的影响汽液两相运动汽液两相运动 比池式沸腾复杂比池式沸腾复杂核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型流动沸腾的传热工况及汽液两相流型A A段段 单相液体对流单相液体对流壁面温度与流体平均温壁面温度与流体平均温度均升高度均升高壁面附近形成热边界层壁面附近形成热边界层因过热度不足不能生成因过热度
9、不足不能生成气泡气泡核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型流动沸腾的传热工况及汽液两相流型B B段段 欠热泡核沸腾欠热泡核沸腾气泡形成气泡形成传热增强,传热系数增大传热增强,传热系数增大液体边界层温度高于饱和液体边界层温度高于饱和温度温度初始阶段,气泡较少,附初始阶段,气泡较少,附着在壁面,管中心仍为潜着在壁面,管中心仍为潜热液体,气泡不能长大热液体,气泡不能长大后段,气泡长大并脱离壁后段,气泡长大并脱离壁面,泡核沸腾逐渐增强面,泡核沸腾逐渐增强核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型流动沸腾的传热工况及汽液两相流型核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型流动沸腾的传热工况
10、及汽液两相流型E E+F F段段 通过液膜强制对通过液膜强制对流蒸发传热流蒸发传热含汽率增加含汽率增加液膜变薄,内部导热及对液膜变薄,内部导热及对流变强,过热度降低流变强,过热度降低当过热度低于当过热度低于 T Tw w,ONBONB后,后,液膜内气泡停止产生,则液膜内气泡停止产生,则液膜内完全通过导热和对液膜内完全通过导热和对流实现换热流实现换热液膜逐渐变薄,直至蒸干液膜逐渐变薄,直至蒸干核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型流动沸腾的传热工况及汽液两相流型G G段段 缺液区传热缺液区传热液膜蒸干后,壁面被蒸汽液膜蒸干后,壁面被蒸汽覆盖覆盖传热能力急剧下降传热能力急剧下降壁温上升壁温
11、上升液相以液滴形式存在液相以液滴形式存在核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型流动沸腾的传热工况及汽液两相流型H H段段 单相蒸汽对流传热单相蒸汽对流传热液滴全部蒸完液滴全部蒸完蒸汽逐渐被过热蒸汽逐渐被过热核科学与工程系核科学与工程系3.33.3.2 2 核态沸腾传热核态沸腾传热lONBONB判断:判断:对于工业光滑管,对于工业光滑管,BerglesBergles和和RohsenowRohsenow提出提出q qONBONB=1.798x10=1.798x10-3-3 p p1.156 1.156 1.8(t1.8(tw w-t-ts s)2.828/p0.02342.828/p0.0
12、234使用使用Jens-LottesJens-Lottes沸腾传热方程与单相强迫对流方程联立沸腾传热方程与单相强迫对流方程联立t tf,ONB f,ONB=t=ts s+J J-q/h-q/h其中其中t tw w-t-ts s=25(q/10=25(q/105 5)0.250.25 exp(-p/6.2)exp(-p/6.2)以上公式中以上公式中J J为壁面过热度为壁面过热度核科学与工程系核科学与工程系3.33.3.3 3 沸腾临界沸腾临界指传热机理发生变化时,传热系数发生的突然下降指传热机理发生变化时,传热系数发生的突然下降包括包括偏离泡核沸腾(偏离泡核沸腾(DNBDNB)和和蒸干蒸干两种工
13、况两种工况棒束通道的临界热流密度,受功率轴向径向分布,定位件,棒间距等因素棒束通道的临界热流密度,受功率轴向径向分布,定位件,棒间距等因素影响,同时也受压力,质量流密度,含汽率的分布等因素影响影响,同时也受压力,质量流密度,含汽率的分布等因素影响在均与加热的情况下,可由西屋公司提出的实验数据拟合公式获得,当通在均与加热的情况下,可由西屋公司提出的实验数据拟合公式获得,当通道内存在冷壁时,该式中道内存在冷壁时,该式中D De e应被替换为热等效直径应被替换为热等效直径D Dh h=4 x =4 x 通道截面积通道截面积/加热周长加热周长核科学与工程系核科学与工程系3.33.3.4 4 过渡沸腾传
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