核反應(yīng)堆熱工(熱工部分)

1、核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1.核反應(yīng)堆熱工分析的任務(wù)核反應(yīng)堆熱工分析的任務(wù)1安全：安全：穩(wěn)定運(yùn)行，能穩(wěn)定運(yùn)行，能適應(yīng)瞬態(tài)穩(wěn)態(tài)適應(yīng)瞬態(tài)穩(wěn)態(tài)變化，且保證變化，且保證 在一般事故工在一般事故工況下堆芯不會(huì)況下堆芯不會(huì)破壞，最嚴(yán)重破壞，最嚴(yán)重事故工況下也事故工況下也要保證堆芯放要保證堆芯放射性不泄漏射性不泄漏經(jīng)濟(jì)：經(jīng)濟(jì)：降低造價(jià)降低造價(jià)，減少燃，減少燃料裝載量料裝載量，提高冷，提高冷卻劑溫度卻劑溫度以及電廠以及電廠熱力循環(huán)熱力循環(huán)效率效率要求要求Text可靠性：可靠性：其他特殊要求：其他特殊要求：比如一體化堆芯對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊的要求等比如一體化堆芯對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊的要求等一一

2、核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院分析燃料元件分析燃料元件內(nèi)的溫度分布內(nèi)的溫度分布冷卻劑的流動(dòng)和傳熱特性冷卻劑的流動(dòng)和傳熱特性預(yù)測(cè)在各種運(yùn)預(yù)測(cè)在各種運(yùn)行工況下反應(yīng)行工況下反應(yīng)堆的熱力參數(shù)堆的熱力參數(shù)各種瞬態(tài)工況下壓力、各種瞬態(tài)工況下壓力、溫度、流量等熱力參數(shù)溫度、流量等熱力參數(shù)隨時(shí)間的變化過(guò)程隨時(shí)間的變化過(guò)程事故工況下壓力、溫事故工況下壓力、溫度、流量等熱力參數(shù)度、流量等熱力參數(shù)隨時(shí)間的變化過(guò)程隨時(shí)間的變化過(guò)程2.核反應(yīng)堆熱工分析的內(nèi)容核反應(yīng)堆熱工分析的內(nèi)容1一一核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1.核裂變產(chǎn)生能量及其分布核裂變產(chǎn)生能量及其分布二二裂變碎片的動(dòng)能裂變碎片的動(dòng)能約 占 總 能 量 的

3、約 占 總 能 量 的84%裂變能的絕大部裂變能的絕大部分在分在燃料元件燃料元件內(nèi)內(nèi)轉(zhuǎn)換為熱能，少轉(zhuǎn)換為熱能，少量在慢化劑內(nèi)釋量在慢化劑內(nèi)釋放 ， 通 常 取放 ， 通 常 取97.4%在燃料元在燃料元件內(nèi)轉(zhuǎn)換為熱能件內(nèi)轉(zhuǎn)換為熱能核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院不同核素所釋放出來(lái)的裂變能量是有差異的，一般認(rèn)為取不同核素所釋放出來(lái)的裂變能量是有差異的，一般認(rèn)為取200fEMeV堆內(nèi)熱源及其分布還與堆內(nèi)熱源及其分布還與時(shí)間時(shí)間有關(guān)，新裝料、平衡運(yùn)行和停堆后都不相同有關(guān)，新裝料、平衡運(yùn)行和停堆后都不相同輸出燃料元件內(nèi)產(chǎn)生的熱量的輸出燃料元件內(nèi)產(chǎn)生的熱量的熱工水力問(wèn)題熱工水力問(wèn)題就成為反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

4、就成為反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的關(guān)鍵1.核裂變產(chǎn)生能量及其分布核裂變產(chǎn)生能量及其分布二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二vaffqF E N釋熱率釋熱率單位體積的單位體積的釋熱率釋熱率裂變率裂變率單位時(shí)間，單位時(shí)間，單位體積燃單位體積燃料內(nèi)，發(fā)生料內(nèi)，發(fā)生的裂變次數(shù)的裂變次數(shù)ffRN 熱功率熱功率整個(gè)堆芯的整個(gè)堆芯的熱功率熱功率131.602 10caffcNF E NV 計(jì)入位于堆計(jì)入位于堆芯之外的反芯之外的反射層、熱屏射層、熱屏蔽等的釋熱蔽等的釋熱量量熱功率熱功率13/1.602 10tcaffcNNFE NV 正比正比堆內(nèi)熱源的分堆內(nèi)熱源的分

5、布函數(shù)和中子布函數(shù)和中子通量的分布函通量的分布函數(shù)相同數(shù)相同核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院堆芯功率的分布堆芯功率的分布均勻裸堆均勻裸堆進(jìn)行理論分析時(shí)極其有用進(jìn)行理論分析時(shí)極其有用活性區(qū)外面活性區(qū)外面沒(méi)有反射層沒(méi)有反射層富集度相同富集度相同的燃料均勻的燃料均勻分布在整個(gè)分布在整個(gè)活性區(qū)內(nèi)活性區(qū)內(nèi)簡(jiǎn)化一：簡(jiǎn)化一：簡(jiǎn)化二：簡(jiǎn)化二：2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院目前絕大部分的堆都采用目前絕大部分的堆都采用圓柱形堆芯，圓柱形堆芯，圓柱形堆芯的均勻裸堆，熱中子圓柱形堆芯的均勻裸堆，熱中子通量分布在高度方向上為通量分布在高度方向上為余弦余弦分布

6、，半徑方向上為分布，半徑方向上為零階貝塞爾函數(shù)零階貝塞爾函數(shù)分布：分布：00eRe( , )(2.405)cosRrzr zJL外推半徑：eR0.71trRRR外推高度：Re21.42RRRtrLLLL 堆芯的釋熱率分布堆芯的釋熱率分布堆芯最大體積釋熱率堆芯最大體積釋熱率,max0eRe( , )(2.405)cosRvvrzqr zqJL,max0vaffqF E N 2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院均勻裸堆中的中子通量分布均勻裸堆中的中子通量分布2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技

7、術(shù)學(xué)院控制棒控制棒燃料布置燃料布置水隙及空泡水隙及空泡影響功率分布的因素影響功率分布的因素均勻裝載燃料方案：均勻裝載燃料方案：分區(qū)裝載燃料方案：分區(qū)裝載燃料方案：目前的核電廠普遍采用的方案目前的核電廠普遍采用的方案布置特點(diǎn)：布置特點(diǎn)：沿堆芯徑向分區(qū)裝載不同富集沿堆芯徑向分區(qū)裝載不同富集度的燃料，高富集度的裝在最外區(qū)，低富度的燃料，高富集度的裝在最外區(qū)，低富集度的在中心。集度的在中心。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：堆芯功率分布得到展平，提高平均堆芯功率分布得到展平，提高平均燃耗燃耗早期的壓水堆采用此方案早期的壓水堆采用此方案優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：裝卸料方便裝卸料方便缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：功率分布過(guò)于不平均，平均燃耗低功率分布過(guò)于不平

8、均，平均燃耗低2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院控制棒控制棒燃料布置燃料布置水隙及空泡水隙及空泡影響功率分布的因素影響功率分布的因素三區(qū)分批裝料時(shí)的歸一化功率分布圖：三區(qū)分批裝料時(shí)的歸一化功率分布圖：通常通常I區(qū)區(qū)的燃料富集度是的燃料富集度是最低最低的，的，III區(qū)區(qū)的燃料富集度的燃料富集度最高最高2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院控制棒控制棒燃料布置燃料布置水隙及空泡水隙及空泡影響功率分布的因素影響功率分布的因素控制棒一般均勻布置在控制棒一般均勻布置在高中子通量高中子通量的區(qū)域

9、，既提高的區(qū)域，既提高控制棒的效率，又有利于徑向中子通量的展平控制棒的效率，又有利于徑向中子通量的展平控制棒對(duì)徑向功率分布的影響控制棒對(duì)徑向功率分布的影響 2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院控制棒控制棒燃料布置燃料布置水隙及空泡水隙及空泡影響功率分布的因素影響功率分布的因素控制棒對(duì)反應(yīng)堆的控制棒對(duì)反應(yīng)堆的軸向功率分布軸向功率分布也有很大的影響也有很大的影響控制棒對(duì)軸向功率分布的影響控制棒對(duì)軸向功率分布的影響 2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院控制棒控制棒燃料布置燃料布置水隙及空泡

10、水隙及空泡影響功率分布的因素影響功率分布的因素分分 類類停堆棒停堆棒通常在堆芯的外面，只有在需要停堆的時(shí)候才迅速插入堆芯調(diào)節(jié)棒調(diào)節(jié)棒是用于反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)功率的調(diào)節(jié)補(bǔ)償棒補(bǔ)償棒是用于抵消壽期初大量的剩余反應(yīng)性的2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院控制棒控制棒燃料布置燃料布置水隙及空泡水隙及空泡影響功率分布的因素影響功率分布的因素輕水作慢化劑的堆芯中，輕水作慢化劑的堆芯中，水隙的存在水隙的存在引起附加慢化作引起附加慢化作用，使該處的中子通量上升，提高水隙周圍元件的功用，使該處的中子通量上升，提高水隙周圍元件的功率，增大了功率分布的不均勻程度

11、率，增大了功率分布的不均勻程度克服辦法：克服辦法：采用棒束型控制棒組件采用棒束型控制棒組件 2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院控制棒控制棒燃料布置燃料布置水隙及空泡水隙及空泡影響功率分布的因素影響功率分布的因素輕水作慢化劑的堆芯中，水隙的存在引起附加慢化作輕水作慢化劑的堆芯中，水隙的存在引起附加慢化作用，使該處的中子通量上升，提高水隙周圍元件的功用，使該處的中子通量上升，提高水隙周圍元件的功率，增大了功率分布的不均勻程度率，增大了功率分布的不均勻程度克服辦法：克服辦法：采用棒束型控制棒組件采用棒束型控制棒組件 空泡的存在將導(dǎo)致堆芯反應(yīng)性

12、下降空泡的存在將導(dǎo)致堆芯反應(yīng)性下降u 沸水堆控制棒由堆底部向上插入堆芯的原因沸水堆控制棒由堆底部向上插入堆芯的原因 u 能減輕某些事故的嚴(yán)重性的原因能減輕某些事故的嚴(yán)重性的原因2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院燃料元件數(shù)很多的非均勻圓柱形堆芯的通量分布總趨勢(shì)與均勻堆的燃料元件數(shù)很多的非均勻圓柱形堆芯的通量分布總趨勢(shì)與均勻堆的是一樣的是一樣的非均勻堆中的燃料元件自屏效應(yīng)，使得元件內(nèi)的中子通量和它周圍非均勻堆中的燃料元件自屏效應(yīng)，使得元件內(nèi)的中子通量和它周圍慢化劑內(nèi)的中子通量分布會(huì)有較大差異慢化劑內(nèi)的中子通量分布會(huì)有較大差異2.堆芯功率的分

13、布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院非均勻堆柵陣非均勻堆柵陣u 用具有等效截面的圓來(lái)代替原來(lái)的正方形柵元用具有等效截面的圓來(lái)代替原來(lái)的正方形柵元u 假設(shè)熱中子僅在整個(gè)慢化劑內(nèi)均勻產(chǎn)生假設(shè)熱中子僅在整個(gè)慢化劑內(nèi)均勻產(chǎn)生運(yùn)用擴(kuò)散理論，燃料元件內(nèi)熱中子通量分布的表達(dá)式：運(yùn)用擴(kuò)散理論，燃料元件內(nèi)熱中子通量分布的表達(dá)式：00()AIK r若燃料棒表面處的熱中子通量為 ，則在 處，s0rRs，則：，則：00000()()sIK rIK R2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院燃料元件的自屏因子燃料元件的自屏因子F

14、為：為：seF對(duì)于棒狀燃料元件：對(duì)于棒狀燃料元件：00000100()2()K RIK RFI K Ru 采用富集鈾且燃料棒的尺寸比較細(xì)的情況，采用富集鈾且燃料棒的尺寸比較細(xì)的情況，F(xiàn)的范圍為的范圍為1.01.1u 精確的精確的F值要根據(jù)逃脫幾率的方法求解值要根據(jù)逃脫幾率的方法求解2.堆芯功率的分布及其影響因素堆芯功率的分布及其影響因素二二核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院控制棒、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料中熱量的產(chǎn)生和分布控制棒、慢化劑和結(jié)構(gòu)材料中熱量的產(chǎn)生和分布三三慢化劑慢化劑控制棒控制棒結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料材料：硼材料：硼、鎘、鉿等，壓水堆一般采用銀、鎘、鉿等，壓水堆一般采用銀- -銦銦- -鎘合金或碳

15、化硼鎘合金或碳化硼控制棒的熱源：控制棒的熱源：u 吸收堆芯的吸收堆芯的 輻射：用屏蔽設(shè)計(jì)的方法計(jì)算輻射：用屏蔽設(shè)計(jì)的方法計(jì)算u 控制棒本身吸收中子的控制棒本身吸收中子的(n, )或或(n, )反應(yīng)反應(yīng) 在芯棒和包殼之間充以某種氣體（如氦氣）以改善控制棒的在芯棒和包殼之間充以某種氣體（如氦氣）以改善控制棒的工藝性能和傳熱性能工藝性能和傳熱性能核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院停堆后的功率停堆后的功率四四在反應(yīng)堆停堆后，由于中子在很短一段時(shí)間內(nèi)還會(huì)引起裂變，裂變產(chǎn)物的在反應(yīng)堆停堆后，由于中子在很短一段時(shí)間內(nèi)還會(huì)引起裂變，裂變產(chǎn)物的衰變以及中子俘獲產(chǎn)物的衰變還會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，因而堆芯仍有一定的釋衰變以

16、及中子俘獲產(chǎn)物的衰變還會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，因而堆芯仍有一定的釋熱率。這種現(xiàn)象稱為停堆后的釋熱，與此相應(yīng)的功率稱為停堆后的剩余功熱率。這種現(xiàn)象稱為停堆后的釋熱，與此相應(yīng)的功率稱為停堆后的剩余功率。率。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院停堆后的功率停堆后的功率四四燃料棒內(nèi)儲(chǔ)存的顯熱燃料棒內(nèi)儲(chǔ)存的顯熱剩余中子引起的裂變剩余中子引起的裂變裂變產(chǎn)物和中子裂變產(chǎn)物和中子俘獲產(chǎn)物的衰變俘獲產(chǎn)物的衰變核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院鈾棒內(nèi)的顯熱和剩余中子裂變熱大約在半分鐘之內(nèi)傳出，鈾棒內(nèi)的顯熱和剩余中子裂變熱大約在半分鐘之內(nèi)傳出，其后的冷卻要求完全取決于衰變熱其后的冷卻要求完全取決于衰變熱壓水堆的衰變熱：壓水堆的衰

17、變熱：停堆后的功率停堆后的功率四四核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院停堆后的功率停堆后的功率四四核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院剩余裂變功率的衰減剩余裂變功率的衰減u 停堆后時(shí)間非常短（停堆后時(shí)間非常短（0.1s內(nèi)）：內(nèi)）：(1)( )(0)expeffkl u 停堆時(shí)間較長(zhǎng)：停堆時(shí)間較長(zhǎng)：()( )(0)expexpl u 停堆時(shí)間較長(zhǎng)且反應(yīng)性變化較大：停堆時(shí)間較長(zhǎng)且反應(yīng)性變化較大：11660( )(0) A expA expA exp/l 停堆后的功率停堆后的功率四四核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院剩余裂變功率的衰減剩余裂變功率的衰減對(duì)于恒定功率下運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間的輕水慢化堆，在停堆時(shí)如果引入對(duì)

18、于恒定功率下運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間的輕水慢化堆，在停堆時(shí)如果引入的負(fù)反應(yīng)性的絕對(duì)值大于的負(fù)反應(yīng)性的絕對(duì)值大于4%，則其相對(duì)裂變功率的變化為：，則其相對(duì)裂變功率的變化為： ( ) /(0)0.15exp0.1NN只適用于輕水堆且用只適用于輕水堆且用U-235作燃料的反應(yīng)堆作燃料的反應(yīng)堆 停堆后的功率停堆后的功率四四核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院衰變功率的衰減衰變功率的衰減u 裂變產(chǎn)物的衰變功率：裂變產(chǎn)物的衰變功率：方法一：根據(jù)裂變產(chǎn)物的種類及其所產(chǎn)生的射線的能譜編制的計(jì)算機(jī)方法一：根據(jù)裂變產(chǎn)物的種類及其所產(chǎn)生的射線的能譜編制的計(jì)算機(jī)程序來(lái)計(jì)算裂變產(chǎn)物的衰變熱，較復(fù)雜，不作介紹程序來(lái)計(jì)算裂變產(chǎn)物的衰變熱，

19、較復(fù)雜，不作介紹方法二：把裂變產(chǎn)物作為一個(gè)整體處理，根據(jù)實(shí)際測(cè)量得到的結(jié)果，方法二：把裂變產(chǎn)物作為一個(gè)整體處理，根據(jù)實(shí)際測(cè)量得到的結(jié)果，整理成半經(jīng)驗(yàn)公式整理成半經(jīng)驗(yàn)公式通常用于計(jì)算裂變產(chǎn)物衰變的半經(jīng)驗(yàn)公式為：通常用于計(jì)算裂變產(chǎn)物衰變的半經(jīng)驗(yàn)公式為：10( ) /(0)( )()200aasANN停堆后的功率停堆后的功率四四核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院衰變功率的衰減衰變功率的衰減u 中子俘獲產(chǎn)物的衰變功率：中子俘獲產(chǎn)物的衰變功率：若是用天然鈾或低富集度鈾作為反應(yīng)堆燃料的中子俘獲衰變功率為：若是用天然鈾或低富集度鈾作為反應(yīng)堆燃料的中子俘獲衰變功率為：34236( )2.28 10(1)exp(

20、 4.91 10)(0)2.1910(1)exp( 3.1410)sNcNc若是低富集度鈾作為燃料的壓水堆，可取若是低富集度鈾作為燃料的壓水堆，可取c=0.6,a=0.2上式忽略了其他俘獲產(chǎn)物對(duì)衰變功率的貢獻(xiàn)，通常間計(jì)算結(jié)果再乘以上式忽略了其他俘獲產(chǎn)物對(duì)衰變功率的貢獻(xiàn)，通常間計(jì)算結(jié)果再乘以系數(shù)系數(shù)1.1 停堆后的功率停堆后的功率四四核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院例題：例題：某個(gè)以鈾為燃料的反應(yīng)堆，在某個(gè)以鈾為燃料的反應(yīng)堆，在825MW的熱功率下運(yùn)行了的熱功率下運(yùn)行了1.5年之后停年之后停堆，試求堆，試求（1）在下述時(shí)刻裂變產(chǎn)物的衰變功率：剛停堆，停堆后）在下述時(shí)刻裂變產(chǎn)物的衰變功率：剛停堆，

21、停堆后1小時(shí)，停堆小時(shí)，停堆后后1年；年；（2）如果反應(yīng)堆的轉(zhuǎn)換系數(shù)）如果反應(yīng)堆的轉(zhuǎn)換系數(shù)C=0.88，那么在上述時(shí)刻，那么在上述時(shí)刻U-239和和Np-239的衰變功率各是多少？的衰變功率各是多少？核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院解：已知解：已知825NMW（0）701.5=4.74 10 s年110 s33.6 10 s73.16 10 s（1）剛停堆時(shí)的衰變功率可由最短時(shí)間）剛停堆時(shí)的衰變功率可由最短時(shí)間估算；停堆估算；停堆1小時(shí)約為小時(shí)約為；停堆；停堆1年約為年約為，于是由，于是由 s10=0200aaNAN 12s1120=0200200aaNAAN可知可知1=12.05A1=0.0

22、639a2=53.18A2=0.3350a1s11057.7NMW3s13.6 1011.5NMW7s13.16 100.132NMW剛停堆時(shí)剛停堆時(shí) 代入上式得代入上式得同理同理核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 s23436=2.28 101exp4.91 102.19 101exp3.41 100NccN（2）由下式可知）由下式可知2391341s210=8252.28 100.8810.2 exp4.91 1010=1.98MWNU，2393s2,3.6 100.34NUMW2397s2,4.74 100NUMWU-239的半衰期為的半衰期為23.5min2393s2,3.6 101.8

23、8NNpMW2397s2,4.74 100NNpMW2391s2,101.91NNpMW核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院停堆后的冷卻停堆后的冷卻五五核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院停堆后的冷卻停堆后的冷卻五五核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院導(dǎo)熱導(dǎo)熱對(duì)流換熱對(duì)流換熱輸熱輸熱研究目的：研究目的：在保證反應(yīng)堆安全的前提下，盡可能地提高堆芯單位在保證反應(yīng)堆安全的前提下，盡可能地提高堆芯單位體積的體積的熱功率熱功率、冷卻劑的、冷卻劑的溫度溫度等，以提高核動(dòng)力的等，以提高核動(dòng)力的經(jīng)經(jīng)濟(jì)性濟(jì)性熱量輸出過(guò)程：熱量輸出過(guò)程：核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院導(dǎo)導(dǎo) 熱熱熱傳導(dǎo)微分方程

24、熱傳導(dǎo)微分方程定義：定義：依靠熱傳導(dǎo)把燃料元件中由于核裂變產(chǎn)生的能量，從依靠熱傳導(dǎo)把燃料元件中由于核裂變產(chǎn)生的能量，從溫度較高的燃料芯塊內(nèi)部傳遞到溫度較低的包殼外表溫度較高的燃料芯塊內(nèi)部傳遞到溫度較低的包殼外表面的過(guò)程面的過(guò)程本章重本章重點(diǎn)點(diǎn)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院熱傳導(dǎo)微分方程熱傳導(dǎo)微分方程 不同坐標(biāo)下不同坐標(biāo)下 的表達(dá)形式：的表達(dá)形式：oyzx直角坐標(biāo)直角坐標(biāo)圓柱坐標(biāo)圓柱坐標(biāo)球坐標(biāo)球坐標(biāo)2t核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院包殼外表面與冷卻劑之間的傳熱包殼外表面與冷卻劑之間的傳熱 包殼外表面與冷卻劑之間的傳熱是指通過(guò)單相對(duì)流、包殼外表面與冷卻劑之間的傳熱是指通過(guò)單相對(duì)流、熱輻射或沸騰

25、等傳熱模式把熱量從包殼外表面?zhèn)鬟f給冷熱輻射或沸騰等傳熱模式把熱量從包殼外表面?zhèn)鬟f給冷卻劑的過(guò)程。卻劑的過(guò)程。對(duì)流換熱對(duì)流換熱 這里單相對(duì)流傳熱是指固體表面與流動(dòng)流體之間直這里單相對(duì)流傳熱是指固體表面與流動(dòng)流體之間直接接觸時(shí)的熱交換過(guò)程。在這種傳熱過(guò)程中，除了存接接觸時(shí)的熱交換過(guò)程。在這種傳熱過(guò)程中，除了存在流體的導(dǎo)熱之外，其主要作用的是由流體位移所產(chǎn)在流體的導(dǎo)熱之外，其主要作用的是由流體位移所產(chǎn)生的熱對(duì)流。此外，流體的物理性質(zhì)和流道幾何結(jié)構(gòu)生的熱對(duì)流。此外，流體的物理性質(zhì)和流道幾何結(jié)構(gòu)也對(duì)單相對(duì)流傳熱有重要影響。單相對(duì)流傳熱可分為也對(duì)單相對(duì)流傳熱有重要影響。單相對(duì)流傳熱可分為強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流

26、，層流和湍流傳熱。通常用牛頓強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流，層流和湍流傳熱。通常用牛頓冷卻定律來(lái)描述單相對(duì)流傳熱：冷卻定律來(lái)描述單相對(duì)流傳熱： 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 或或 式中，式中，q是表面熱流密度，是表面熱流密度，W/m2；Tc是包殼外表面溫度是包殼外表面溫度（Tw是固體表面溫度），是固體表面溫度），或或K；Tf是在流通截面上流體是在流通截面上流體（冷卻劑）主流溫度，（冷卻劑）主流溫度，或或K；h是對(duì)流傳熱系數(shù)，是對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2)或或W/(m2K)。h與熱導(dǎo)率與熱導(dǎo)率k不同，不同，k是物性量，是物性量，而而h是過(guò)程量，它與流體的運(yùn)動(dòng)和傳熱過(guò)程有關(guān)。例如，單是過(guò)程量，它與流體的運(yùn)動(dòng)

27、和傳熱過(guò)程有關(guān)。例如，單相水在圓管內(nèi)作強(qiáng)迫對(duì)流定型湍流傳熱時(shí)，上式可以寫成：相水在圓管內(nèi)作強(qiáng)迫對(duì)流定型湍流傳熱時(shí)，上式可以寫成：cfqh TTwfqh TTwfqhTT核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 在緊貼管壁附近，有一層厚度為在緊貼管壁附近，有一層厚度為y的流體薄層做層流的流體薄層做層流流動(dòng)，流體的大部分徑向溫差降落在此層內(nèi)，稱此層為流動(dòng)，流體的大部分徑向溫差降落在此層內(nèi)，稱此層為熱邊界層。在熱邊界層內(nèi)，垂直于壁面方向所傳遞的熱熱邊界層。在熱邊界層內(nèi)，垂直于壁面方向所傳遞的熱量主要靠流體的導(dǎo)熱，因此有：量主要靠流體的導(dǎo)熱，因此有：fkhywfqhTT0wfffyTTTqkkyy 式中，式中

28、，kf是流體的熱導(dǎo)率，是流體的熱導(dǎo)率，W/(m)或或W/(mK)。由上式。由上式可見(jiàn)，可見(jiàn)，h與流體熱導(dǎo)率與流體熱導(dǎo)率kf成正比，與熱邊界層（又稱流體膜）成正比，與熱邊界層（又稱流體膜）厚度厚度y成反比。而成反比。而y主要取決于流體的運(yùn)動(dòng)，一般來(lái)說(shuō)，主要取決于流體的運(yùn)動(dòng)，一般來(lái)說(shuō)，水的流速越高，水的流速越高，y越小，則對(duì)流傳熱系數(shù)越小，則對(duì)流傳熱系數(shù)h越大。越大。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 熱輻射是物體因其溫度而發(fā)射的電磁波傳播所造成的熱輻射是物體因其溫度而發(fā)射的電磁波傳播所造成的熱量傳遞。熱量傳遞。 沸騰傳熱是指流體在加熱表面發(fā)生各種沸騰工況時(shí)的沸騰傳熱是指流體在加熱表面發(fā)生各種沸騰工

29、況時(shí)的傳熱。傳熱。 壓水堆在正常運(yùn)行狀態(tài)下，包殼外表面與冷卻劑之間壓水堆在正常運(yùn)行狀態(tài)下，包殼外表面與冷卻劑之間主要是單相對(duì)流換熱，只在最熱通道的出口段可能出現(xiàn)欠主要是單相對(duì)流換熱，只在最熱通道的出口段可能出現(xiàn)欠熱泡核沸騰或飽和泡核沸騰傳熱，輻射傳熱可以忽略；在熱泡核沸騰或飽和泡核沸騰傳熱，輻射傳熱可以忽略；在某些事故（如流量喪失事故或冷卻劑喪失事故等）過(guò)程中，某些事故（如流量喪失事故或冷卻劑喪失事故等）過(guò)程中，包殼外表面可能經(jīng)歷單相對(duì)流傳熱和各種沸騰傳熱工況，包殼外表面可能經(jīng)歷單相對(duì)流傳熱和各種沸騰傳熱工況，當(dāng)溫度很高時(shí)要考慮輻射傳熱。當(dāng)溫度很高時(shí)要考慮輻射傳熱。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)

30、學(xué)院 冷卻劑的輸熱是指冷卻劑流過(guò)堆芯時(shí)，把燃料元件傳冷卻劑的輸熱是指冷卻劑流過(guò)堆芯時(shí)，把燃料元件傳給冷卻劑的熱量以熱焓的形式載出反應(yīng)堆外的過(guò)程，它用給冷卻劑的熱量以熱焓的形式載出反應(yīng)堆外的過(guò)程，它用冷卻劑的熱能守恒方程來(lái)描述。如果輸送到堆外的總熱功冷卻劑的熱能守恒方程來(lái)描述。如果輸送到堆外的總熱功率為率為Pth，t,所需冷卻劑的質(zhì)量流量為所需冷卻劑的質(zhì)量流量為mt,則冷卻劑流過(guò)反則冷卻劑流過(guò)反應(yīng)堆的焓升滿足下面載熱方程：應(yīng)堆的焓升滿足下面載熱方程：冷卻劑的輸熱冷卻劑的輸熱,th ttoutinPm hh 當(dāng)從反應(yīng)堆進(jìn)口到反應(yīng)堆出口所流過(guò)的冷卻劑都為單當(dāng)從反應(yīng)堆進(jìn)口到反應(yīng)堆出口所流過(guò)的冷卻劑都為

31、單相流體時(shí)，上式也可寫成相流體時(shí)，上式也可寫成,th ttpf outf inPmcTT核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 例題：例題： 測(cè)量出反應(yīng)堆進(jìn)口總質(zhì)量流量測(cè)量出反應(yīng)堆進(jìn)口總質(zhì)量流量mt=8400 kg/s，反應(yīng)堆，反應(yīng)堆進(jìn)口冷卻劑溫度進(jìn)口冷卻劑溫度Tf,in=293，反應(yīng)堆出口冷卻劑溫度，反應(yīng)堆出口冷卻劑溫度Tf,out=328，在堆內(nèi)冷卻劑壓力和平均溫度下冷卻劑的，在堆內(nèi)冷卻劑壓力和平均溫度下冷卻劑的比定壓比熱容比定壓比熱容=6000 J/(kg)，試用熱平衡方法計(jì)算反應(yīng)，試用熱平衡方法計(jì)算反應(yīng)堆輸出的總熱功率堆輸出的總熱功率Pth,t。6,1764 10 Wth ttpf outf

32、 inPmcTT核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院強(qiáng)迫對(duì)流換熱強(qiáng)迫對(duì)流換熱 流體在圓形通道內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)的換熱系數(shù)流體在圓形通道內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)的換熱系數(shù)u 形式較簡(jiǎn)單且應(yīng)用最廣的是形式較簡(jiǎn)單且應(yīng)用最廣的是Dittus-Boelter關(guān)系式：關(guān)系式：0.80.023RePrnNu 適用范圍：適用范圍：0.6Pr1202.2.4510Re1.2 101.1./5 0LD 3.3.流體與壁面具有中等以下膜溫差流體與壁面具有中等以下膜溫差4.4.式式 中：中：流體平均溫度為定性溫度流體平均溫度為定性溫度加熱流體時(shí)，加熱流體時(shí)，n=0.4n=0.4冷卻流體時(shí)，冷卻流體時(shí)，n=0.3n=0.3單相對(duì)流換熱單相對(duì)

33、流換熱核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院強(qiáng)迫對(duì)流換熱強(qiáng)迫對(duì)流換熱 流體在圓形通道內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)的換熱系數(shù)流體在圓形通道內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)的換熱系數(shù)u 對(duì)具有較大膜溫差的情況，可采用對(duì)具有較大膜溫差的情況，可采用Sieder-Tate公式：公式：0.140.81/30.027RePrfwNu4Re10Pr0.7/60L d fw按流體主流溫度取值的流體的粘性系數(shù)按流體主流溫度取值的流體的粘性系數(shù)按壁面溫度取值的流體的粘性系數(shù)按壁面溫度取值的流體的粘性系數(shù)適用范圍：適用范圍：式式 中：中：其余物性均以流體主流溫度作為定性溫度取值其余物性均以流體主流溫度作為定性溫度取值核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 例題：

34、例題： 水在管內(nèi)作強(qiáng)迫湍流流動(dòng)（定型），如果水的質(zhì)量流水在管內(nèi)作強(qiáng)迫湍流流動(dòng)（定型），如果水的質(zhì)量流量和物性都保持不變，只是將管直徑減小到原來(lái)的量和物性都保持不變，只是將管直徑減小到原來(lái)的1/2，試，試用用D-B公式分析對(duì)流傳熱系數(shù)將變成原來(lái)的多少倍？公式分析對(duì)流傳熱系數(shù)將變成原來(lái)的多少倍？0.80.40.023RePrNu 0.80.40.023Prhdud0.80.40.80.40.80.41.840.023Pr40.023Pr40.023PrhQhdPmddmd 0.80.400001.80040.023Prmhd1.81.800000.5ddhhdd03.48hh解：由解：由D-B公式

35、可知公式可知原對(duì)流換熱系數(shù)可表示為原對(duì)流換熱系數(shù)可表示為由于物性參數(shù)不變，因此由于物性參數(shù)不變，因此核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院強(qiáng)迫對(duì)流換熱強(qiáng)迫對(duì)流換熱 水縱向流過(guò)平行棒束時(shí)的換熱系數(shù)水縱向流過(guò)平行棒束時(shí)的換熱系數(shù)采用棒束燃料組件的水冷堆中遇到的情況，即為此問(wèn)題采用棒束燃料組件的水冷堆中遇到的情況，即為此問(wèn)題Weisman推薦的關(guān)系式：推薦的關(guān)系式：對(duì)于三角形柵格：對(duì)于三角形柵格： 對(duì)于正方形柵格：對(duì)于正方形柵格： 常數(shù)常數(shù)C C取決于柵格排列形式：取決于柵格排列形式：0.81/3RePrNuC1.11.3Pd0.0420.024PCd1.11.5Pd0.0260.006PCd核科學(xué)與技術(shù)

36、學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 例題：例題： 某壓水堆的棒束燃料組件被縱向流過(guò)的輕水冷卻。某壓水堆的棒束燃料組件被縱向流過(guò)的輕水冷卻。若在棒束高度方向上任取一小段若在棒束高度方向上任取一小段z，在該段內(nèi)冷卻劑平，在該段內(nèi)冷卻劑平均溫度均溫度Tf=300 ，平均流速，平均流速u=4 m/s，冷卻劑壓力，冷卻劑壓力p=14.7 MPa，燃料元件外表面平均熱流密度，燃料元件外表面平均熱流密度q=1.3106 W/m2，棒束柵格為正方形排列，棒外徑棒束柵格為正方形排列，棒外徑d=10 mm，柵距，柵距P=13 mm。試求該段內(nèi)某子通道的平均對(duì)流傳熱系數(shù)。試求該段內(nèi)某子通道的平均對(duì)流傳熱系數(shù)h和元件和元件外表面溫

37、度外表面溫度Tc。物性參數(shù)：物性參數(shù)：14.7pMPa300fT 0.564f688.9 10fPa s3725.7/fkg mPr0.9W/（m2 .）核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院解：由解：由131.310Pd得得0.0420.0240.042 1.30.0240.0306PCd0.81/30.0306RePrNu 因此因此22226334/441310 /410411.5 1010 10ehPdAdmPd356725.7 4 11.5 10Re3.755 1088.9 10eud 0.81/350.03063.755 100.9851Nu 43851 0.5644.17 1011.5

38、10feNuhdW/（m2 .）解：由解：由W/（m2 .）核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院cfqh TT641.3 1030030031.2331.24.17 10cfqTTh得得由由核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院強(qiáng)迫對(duì)流換熱強(qiáng)迫對(duì)流換熱 單相強(qiáng)迫對(duì)流層流換熱系數(shù)單相強(qiáng)迫對(duì)流層流換熱系數(shù)雖然在水冷反應(yīng)堆正常運(yùn)行和預(yù)期的瞬態(tài)工況下不會(huì)發(fā)生層流雖然在水冷反應(yīng)堆正常運(yùn)行和預(yù)期的瞬態(tài)工況下不會(huì)發(fā)生層流流動(dòng)，但是在某些事故工況下可能發(fā)生冷卻劑的層流。對(duì)于定流動(dòng)，但是在某些事故工況下可能發(fā)生冷卻劑的層流。對(duì)于定型層流流動(dòng)，其對(duì)流傳熱系數(shù)常按如下公式計(jì)算型層流流動(dòng)，其對(duì)流傳熱系數(shù)常按如下公式計(jì)算考慮到自

39、然對(duì)流的影響考慮到自然對(duì)流的影響米海耶夫米海耶夫推薦的關(guān)系式：推薦的關(guān)系式：4efhdNu0.10.25320.330.432Pr0.15RePrPrfefVwfd gTNu 1VPT液體的體積膨脹系數(shù)液體的體積膨脹系數(shù)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 影響單相強(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素影響單相強(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素 1.流體流動(dòng)的狀態(tài)對(duì)流體流動(dòng)的狀態(tài)對(duì)h的影響的影響 流體處于不同的流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流）有不同的傳熱流體處于不同的流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流）有不同的傳熱機(jī)理。當(dāng)流體作純層流時(shí)，各層流體之間互不摻混，沿機(jī)理。當(dāng)流體作純層流時(shí)，各層流體之間互不摻混，沿壁面法線方向（即垂直于流動(dòng)方向）

40、上的傳熱機(jī)理主要壁面法線方向（即垂直于流動(dòng)方向）上的傳熱機(jī)理主要是分子導(dǎo)熱，即傳熱系數(shù)主要取決于流體的熱導(dǎo)率是分子導(dǎo)熱，即傳熱系數(shù)主要取決于流體的熱導(dǎo)率kf，因，因此，層流時(shí)的傳熱系數(shù)此，層流時(shí)的傳熱系數(shù)h值很低。值很低。 當(dāng)流體作定型湍流流動(dòng)，即在進(jìn)口穩(wěn)定段之后充分發(fā)展當(dāng)流體作定型湍流流動(dòng)，即在進(jìn)口穩(wěn)定段之后充分發(fā)展的湍流流動(dòng)或稱旺盛湍流時(shí)，在層流底層之外的湍流區(qū)的湍流流動(dòng)或稱旺盛湍流時(shí)，在層流底層之外的湍流區(qū)內(nèi)，流體微團(tuán)相互擾動(dòng)和混合，從而使熱量的傳遞大大內(nèi)，流體微團(tuán)相互擾動(dòng)和混合，從而使熱量的傳遞大大強(qiáng)化。流體速度越高，湍流區(qū)的交混越劇烈，因而對(duì)流強(qiáng)化。流體速度越高，湍流區(qū)的交混越劇烈，

41、因而對(duì)流傳熱系數(shù)越大，從式傳熱系數(shù)越大，從式D-B公式可以看出，公式可以看出，h與與u0.8成正比。成正比。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 影響單相強(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素影響單相強(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素 2.流體的物理性質(zhì)對(duì)流體的物理性質(zhì)對(duì)h的影響的影響 不同流體，如空氣、燃?xì)狻⑺陀偷?，它們的物理性質(zhì)不同流體，如空氣、燃?xì)狻⑺陀偷?，它們的物理性質(zhì)不同，對(duì)換熱過(guò)程的影響也不一樣。影響傳熱系數(shù)不同，對(duì)換熱過(guò)程的影響也不一樣。影響傳熱系數(shù)h的流的流體物性有流體的熱導(dǎo)率體物性有流體的熱導(dǎo)率f、密度、密度、黏度、黏度和定壓比熱容和定壓比熱容cp。無(wú)論是層流還是湍流，熱導(dǎo)率無(wú)論是層流還是湍流，

42、熱導(dǎo)率f增加，傳熱系數(shù)增加，傳熱系數(shù)h增大。增大。密度密度和黏度和黏度直接影響直接影響Re大小，從而對(duì)大小，從而對(duì)h造成影響。造成影響。、cp和和k組成組成Pr數(shù)，數(shù)，Pr值對(duì)值對(duì)h也有較強(qiáng)的影響。也有較強(qiáng)的影響。 3.通道幾何對(duì)通道幾何對(duì)h的影響的影響 通道幾何包括通道的形狀和大小，以及傳熱表面的粗糙通道幾何包括通道的形狀和大小，以及傳熱表面的粗糙度等，它們對(duì)傳熱系數(shù)度等，它們對(duì)傳熱系數(shù)h有一定影響。有一定影響。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 定義：定義：由流體內(nèi)部密度梯度引起的流體的運(yùn)動(dòng)由流體內(nèi)部密度梯度引起的流體的運(yùn)動(dòng)自然對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱通常是由流體本身的溫度場(chǎng)通常是由流體本身的溫

43、度場(chǎng)所引起的所引起的流體的自然對(duì)流或稱自由對(duì)流是由作用在密度發(fā)生變化的流體流體的自然對(duì)流或稱自由對(duì)流是由作用在密度發(fā)生變化的流體上的重力引起的流動(dòng)換熱，而密度變化通常是由流體內(nèi)的溫度上的重力引起的流動(dòng)換熱，而密度變化通常是由流體內(nèi)的溫度差產(chǎn)生。因此，其換熱強(qiáng)度主要取決于流體溫度差的大小。在差產(chǎn)生。因此，其換熱強(qiáng)度主要取決于流體溫度差的大小。在反應(yīng)堆工程中，自然對(duì)流傳熱對(duì)堆的冷卻，特別是對(duì)停堆后的反應(yīng)堆工程中，自然對(duì)流傳熱對(duì)堆的冷卻，特別是對(duì)停堆后的冷卻以及事故工況的冷卻和分析計(jì)算，都具有重要意義。冷卻以及事故工況的冷卻和分析計(jì)算，都具有重要意義。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院自然對(duì)流換熱自然

44、對(duì)流換熱自然對(duì)流傳熱準(zhǔn)則關(guān)系式一般取如下形式：自然對(duì)流傳熱準(zhǔn)則關(guān)系式一般取如下形式：PrPrnmNuf GrC Gr系數(shù)系數(shù)C和指數(shù)和指數(shù)n主要取決于物體的幾何形狀、放置方式以及熱流主要取決于物體的幾何形狀、放置方式以及熱流方向和方向和Gr、Pr的范圍等。而下標(biāo)的范圍等。而下標(biāo)m是指取壁溫與流體主流溫度是指取壁溫與流體主流溫度的算術(shù)平均值作為計(jì)算物性參數(shù)的定性溫度。的算術(shù)平均值作為計(jì)算物性參數(shù)的定性溫度。 自然對(duì)流的換熱極其復(fù)雜，通道的自然對(duì)流的換熱極其復(fù)雜，通道的幾何形狀幾何形狀影響比較影響比較大，一般只能從大，一般只能從實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)得到在某些特定條件下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)得到在某些特定條件下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

45、系式。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院豎壁豎壁自然對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱 當(dāng)壁面的熱流密度當(dāng)壁面的熱流密度q q為常數(shù)時(shí)，為常數(shù)時(shí)，Hoffmann推薦用以下公推薦用以下公式計(jì)算豎壁的自然對(duì)流換熱（實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水）：式計(jì)算豎壁的自然對(duì)流換熱（實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水）： 當(dāng)當(dāng) （層流時(shí)），（層流時(shí)），5*111010 xGr1/5*,0.60Prxx mxmmhNuGr當(dāng)當(dāng) （紊流時(shí)），（紊流時(shí)），13*162 1010 xGr1/4*,0.17Prx mxmNuGr*42/()xxxGrGrNugq xk 式中式中 為修正的格拉曉夫數(shù)，其表達(dá)式為：為修正的格拉曉夫數(shù)，其表達(dá)式為：*xGr核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科

46、學(xué)與技術(shù)學(xué)院豎壁豎壁自然對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱當(dāng)當(dāng) ，3910Pr10 xfGr0.250.25,0.60PrPr /Prx fxfwfNuGr當(dāng)當(dāng) ，10Pr6 10 xfGr1/30.25,0.15PrPr /Prx fxfwfNuGr32/xGrgxvwftt米海耶夫米海耶夫根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水）得到如下公式：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水）得到如下公式：其中：其中：核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院橫管橫管3.2.2 3.2.2 自然對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱水平放置的圓柱體對(duì)液態(tài)金屬的換熱計(jì)算：水平放置的圓柱體對(duì)液態(tài)金屬的換熱計(jì)算：對(duì)于水等可用對(duì)于水等可用米海耶夫米海耶夫公式計(jì)算：公式計(jì)算：

47、0.250.25,0.50PrPr /Prd fdfwfNuGr1/420.53PrddNuGr在缺乏精確數(shù)據(jù)的情況下，可用上式在缺乏精確數(shù)據(jù)的情況下，可用上式粗略計(jì)算棒束或管內(nèi)的自然對(duì)流換熱粗略計(jì)算棒束或管內(nèi)的自然對(duì)流換熱核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院自然對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱下面給出在下面給出在TRAC程序中所使用的適用于豎直平板和圓柱的自程序中所使用的適用于豎直平板和圓柱的自然對(duì)流傳熱關(guān)系式：然對(duì)流傳熱關(guān)系式：層流：層流：過(guò)渡流：過(guò)渡流：湍流：湍流：910Gr 9131010Gr1310Gr 0.250.59PrmNuGr0.40.021PrmNuGr1/30.1PrmNuGr核科學(xué)與技

48、術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1239181952021122216HL102313141711244678152526核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院截面速度分布截面速度分布核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院截面溫度分布截面溫度分布 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院沸水堆，壓水堆正常工況沸水堆，壓水堆正常工況壓水堆中冷卻劑喪失事故末期壓水堆中冷卻劑喪失事故末期沸騰換熱沸騰換熱沸騰型式沸騰型式判定冷卻劑的傳熱工況判定冷卻劑的傳熱工況大容積沸騰大容積沸騰定義：定義：由浸沒(méi)在具有自由表由浸沒(méi)在具有自由表面原來(lái)靜止的大容積液體內(nèi)面

49、原來(lái)靜止的大容積液體內(nèi)的受熱面所產(chǎn)生的沸騰的受熱面所產(chǎn)生的沸騰特點(diǎn)：特點(diǎn)：液體的流速很低，自液體的流速很低，自然對(duì)流起主導(dǎo)作用然對(duì)流起主導(dǎo)作用流動(dòng)沸騰流動(dòng)沸騰定義：定義：指流體流經(jīng)加熱通道指流體流經(jīng)加熱通道時(shí)發(fā)生的沸騰時(shí)發(fā)生的沸騰特點(diǎn)：液體的流速較高，強(qiáng)特點(diǎn)：液體的流速較高，強(qiáng)迫對(duì)流起主導(dǎo)作用迫對(duì)流起主導(dǎo)作用核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院沸騰曲線沸騰曲線 橫管橫管壁面過(guò)熱度和熱流密度的關(guān)系曲線通常稱為壁面過(guò)熱度和熱流密度的關(guān)系曲線通常稱為沸騰曲線沸騰曲線DNB延長(zhǎng)線延長(zhǎng)線ONBCHF核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（1）B點(diǎn)前：泡核沸騰和自然對(duì)流混合傳熱點(diǎn)前：泡核沸騰和自然對(duì)流混合傳熱 當(dāng)液

50、體處于或低于飽和溫度時(shí)，壁面過(guò)熱度不高，當(dāng)液體處于或低于飽和溫度時(shí)，壁面過(guò)熱度不高，不能產(chǎn)生汽泡。隨著壁溫升高，壁面過(guò)熱度增大，達(dá)到不能產(chǎn)生汽泡。隨著壁溫升高，壁面過(guò)熱度增大，達(dá)到發(fā)生泡核沸騰的過(guò)熱度時(shí)，緊貼加熱壁面的過(guò)熱液體層發(fā)生泡核沸騰的過(guò)熱度時(shí)，緊貼加熱壁面的過(guò)熱液體層中的壁面起泡核心就生成汽泡，泡核沸騰開(kāi)始。所生成中的壁面起泡核心就生成汽泡，泡核沸騰開(kāi)始。所生成的少量汽泡有的附著在壁面上，有的長(zhǎng)大脫離壁面進(jìn)入的少量汽泡有的附著在壁面上，有的長(zhǎng)大脫離壁面進(jìn)入液體中，依靠浮力向上運(yùn)動(dòng)，并且可能在途中冷凝。由液體中，依靠浮力向上運(yùn)動(dòng)，并且可能在途中冷凝。由于汽泡的形成、長(zhǎng)大、脫離和冷凝以及自

51、然對(duì)流的作用，于汽泡的形成、長(zhǎng)大、脫離和冷凝以及自然對(duì)流的作用，傳熱增強(qiáng)，傳熱增強(qiáng)，q隨隨tw有較快增加。有較快增加。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（2）BC區(qū)：泡核沸騰傳熱區(qū)：泡核沸騰傳熱 由于所產(chǎn)生的汽泡數(shù)目增加，大量汽泡脫離壁面，由于所產(chǎn)生的汽泡數(shù)目增加，大量汽泡脫離壁面，造成對(duì)熱邊界層中液體的強(qiáng)烈擾動(dòng)，使傳熱大大增強(qiáng)，造成對(duì)熱邊界層中液體的強(qiáng)烈擾動(dòng)，使傳熱大大增強(qiáng)，q隨隨tw迅速增加。在加熱面附近會(huì)形成蒸汽片或蒸汽柱。迅速增加。在加熱面附近會(huì)形成蒸汽片或蒸汽柱。（3）C點(diǎn)：臨界熱流工況（點(diǎn)：臨界熱流工況（CHF） 該點(diǎn)標(biāo)志著泡核沸騰的上限。對(duì)于控制壁溫的情況，該點(diǎn)標(biāo)志著泡核沸騰的上限

52、。對(duì)于控制壁溫的情況，在在C點(diǎn)后，由于部分加熱壁面被蒸汽覆蓋，傳熱強(qiáng)度減點(diǎn)后，由于部分加熱壁面被蒸汽覆蓋，傳熱強(qiáng)度減弱，弱，q隨隨tw的增加反而下降；對(duì)于控制熱流的情況，加的增加反而下降；對(duì)于控制熱流的情況，加熱熱q稍微增加，壁溫稍微增加，壁溫tw驟然躍升至驟然躍升至E點(diǎn)，壁溫大幅度躍升，點(diǎn)，壁溫大幅度躍升，可能導(dǎo)致壁面燒毀?？赡軐?dǎo)致壁面燒毀。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（4）CD區(qū)：過(guò)渡沸騰傳熱區(qū)區(qū)：過(guò)渡沸騰傳熱區(qū) 也稱部分膜態(tài)沸騰工況。汽也稱部分膜態(tài)沸騰工況。汽-液交替覆蓋部分液交替覆蓋部分加熱壁面，傳熱變得不穩(wěn)定。由于有時(shí)蒸汽膜覆加熱壁面，傳熱變得不穩(wěn)定。由于有時(shí)蒸汽膜覆蓋加熱面，傳

53、熱能力下降，蓋加熱面，傳熱能力下降，q隨隨tw的增加反而的增加反而下降。只有在控制壁溫的情況下，才能用實(shí)驗(yàn)方下降。只有在控制壁溫的情況下，才能用實(shí)驗(yàn)方法獲得法獲得CD工況。對(duì)于控制熱流的情況，稍增工況。對(duì)于控制熱流的情況，稍增q，就會(huì)從就會(huì)從C跳到跳到E，用時(shí)極短，實(shí)際上不存在，用時(shí)極短，實(shí)際上不存在CD工工況，而直接進(jìn)入膜態(tài)沸騰工況。況，而直接進(jìn)入膜態(tài)沸騰工況。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（5）D點(diǎn)：穩(wěn)定膜態(tài)沸騰起始點(diǎn)點(diǎn)：穩(wěn)定膜態(tài)沸騰起始點(diǎn) 該點(diǎn)該點(diǎn)q是膜態(tài)沸騰的最小值，所以也叫最小是膜態(tài)沸騰的最小值，所以也叫最小膜態(tài)沸騰工況。此時(shí)連續(xù)汽膜剛好覆蓋加熱壁面。膜態(tài)沸騰工況。此時(shí)連續(xù)汽膜剛好

54、覆蓋加熱壁面。該點(diǎn)由于液體剛好不能接觸加熱表面，所以也叫該點(diǎn)由于液體剛好不能接觸加熱表面，所以也叫Leidenfrost點(diǎn)，該點(diǎn)壁面溫度也叫點(diǎn)，該點(diǎn)壁面溫度也叫Leidenfrost溫度。溫度。（6）D點(diǎn)后：穩(wěn)定膜態(tài)沸騰傳熱工況點(diǎn)后：穩(wěn)定膜態(tài)沸騰傳熱工況 一層連續(xù)穩(wěn)定的蒸汽膜覆蓋在整個(gè)加熱表面一層連續(xù)穩(wěn)定的蒸汽膜覆蓋在整個(gè)加熱表面上，熱量的傳遞主要通過(guò)汽膜導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻上，熱量的傳遞主要通過(guò)汽膜導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射，只不過(guò)在射，只不過(guò)在E點(diǎn)后熱輻射變得更強(qiáng)，因而點(diǎn)后熱輻射變得更強(qiáng)，因而q隨隨tw的增加而更加迅速上升。的增加而更加迅速上升。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院各區(qū)域傳熱機(jī)理（1）單相

55、液體自然對(duì)流區(qū)（）單相液體自然對(duì)流區(qū)（B點(diǎn)前）點(diǎn)前） 在池內(nèi)自下而上已建立溫度梯度，通過(guò)自在池內(nèi)自下而上已建立溫度梯度，通過(guò)自然對(duì)流將加熱面上的熱量在液體內(nèi)向上傳遞。然對(duì)流將加熱面上的熱量在液體內(nèi)向上傳遞。（2）泡核沸騰區(qū)（）泡核沸騰區(qū)（BC） 熱量從壁面?zhèn)鹘o液體建立起過(guò)熱液體邊界熱量從壁面?zhèn)鹘o液體建立起過(guò)熱液體邊界層，汽泡就在過(guò)熱液體邊界層內(nèi)的空穴中長(zhǎng)大。層，汽泡就在過(guò)熱液體邊界層內(nèi)的空穴中長(zhǎng)大。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 液體微層迅速蒸發(fā)，繼續(xù)壁面吸熱，壁面溫液體微層迅速蒸發(fā)，繼續(xù)壁面吸熱，壁面溫度下降。當(dāng)微層蒸發(fā)完，由于向蒸汽傳熱較差，度下降。當(dāng)微層蒸發(fā)完，由于向蒸汽傳熱較差，壁面

56、溫度升高。此間，汽泡和過(guò)熱液體層間的界壁面溫度升高。此間，汽泡和過(guò)熱液體層間的界面發(fā)生著蒸發(fā)，即汽化潛熱傳熱，促進(jìn)汽泡產(chǎn)生。面發(fā)生著蒸發(fā)，即汽化潛熱傳熱，促進(jìn)汽泡產(chǎn)生。 當(dāng)汽泡脫離加熱壁面時(shí)，帶走大部分過(guò)熱液當(dāng)汽泡脫離加熱壁面時(shí)，帶走大部分過(guò)熱液體層，外層冷流體流向并浸濕壁面，壁溫下降。體層，外層冷流體流向并浸濕壁面，壁溫下降。過(guò)熱液體邊界層又重新建立，壁溫上升。過(guò)熱液體邊界層又重新建立，壁溫上升。 汽泡產(chǎn)生和脫離過(guò)程中，引起液體的隨機(jī)性汽泡產(chǎn)生和脫離過(guò)程中，引起液體的隨機(jī)性運(yùn)動(dòng)，形成微對(duì)流。以上機(jī)理都導(dǎo)致泡核沸騰傳運(yùn)動(dòng)，形成微對(duì)流。以上機(jī)理都導(dǎo)致泡核沸騰傳熱大大增強(qiáng)，達(dá)到很高的傳熱系數(shù)。熱大

57、大增強(qiáng)，達(dá)到很高的傳熱系數(shù)。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（3）臨界熱流（）臨界熱流（CHF）工況（）工況（C）l 汽泡合并汽泡合并 在加熱表面上產(chǎn)生的汽泡太多，使相鄰汽泡、在加熱表面上產(chǎn)生的汽泡太多，使相鄰汽泡、汽柱合并，形成一層導(dǎo)熱性很差的蒸汽膜覆蓋在汽柱合并，形成一層導(dǎo)熱性很差的蒸汽膜覆蓋在表面上，把加熱面與液體隔離開(kāi)來(lái)，使傳熱惡化。表面上，把加熱面與液體隔離開(kāi)來(lái)，使傳熱惡化。l 流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性 在高熱流密度下，向壁外運(yùn)動(dòng)的蒸汽速度很在高熱流密度下，向壁外運(yùn)動(dòng)的蒸汽速度很大，與向壁面運(yùn)動(dòng)的流體速度構(gòu)成最大相對(duì)速度，大，與向壁面運(yùn)動(dòng)的流體速度構(gòu)成最大相對(duì)速度，在汽液

58、界面出現(xiàn)很大波動(dòng)，并失去穩(wěn)定，汽液逆在汽液界面出現(xiàn)很大波動(dòng)，并失去穩(wěn)定，汽液逆向流動(dòng)遭到破壞，蒸汽滯留在加熱面上，形成汽向流動(dòng)遭到破壞，蒸汽滯留在加熱面上，形成汽膜覆蓋，傳熱惡化。膜覆蓋，傳熱惡化。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（4）穩(wěn)定膜態(tài)沸騰工況（）穩(wěn)定膜態(tài)沸騰工況（D點(diǎn)后）點(diǎn)后） 一層連續(xù)穩(wěn)定的蒸汽膜覆蓋在整個(gè)加熱表面一層連續(xù)穩(wěn)定的蒸汽膜覆蓋在整個(gè)加熱表面上，熱量的傳遞主要通過(guò)汽膜的導(dǎo)熱、對(duì)流和熱上，熱量的傳遞主要通過(guò)汽膜的導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射，蒸汽以汽泡形式從汽膜逸出。主要熱阻局輻射，蒸汽以汽泡形式從汽膜逸出。主要熱阻局限在這層汽膜內(nèi)。限在這層汽膜內(nèi)。 壁面和液體間的溫差很大，液體不能

59、接觸壁壁面和液體間的溫差很大，液體不能接觸壁面，以維持汽膜穩(wěn)定。面，以維持汽膜穩(wěn)定。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（5）最小膜態(tài)沸騰工況（）最小膜態(tài)沸騰工況（D） 在降低壁面熱流密度時(shí)，在此發(fā)生膜態(tài)沸騰在降低壁面熱流密度時(shí)，在此發(fā)生膜態(tài)沸騰向泡核沸騰的轉(zhuǎn)變。它是穩(wěn)定膜態(tài)沸騰的低限，向泡核沸騰的轉(zhuǎn)變。它是穩(wěn)定膜態(tài)沸騰的低限，相應(yīng)于連續(xù)汽膜的破壞和液相應(yīng)于連續(xù)汽膜的破壞和液-固接觸的開(kāi)始固接觸的開(kāi)始（Leidenfrost點(diǎn)）。點(diǎn)）。（6）過(guò)渡沸騰工況（）過(guò)渡沸騰工況（CD） 汽液交替覆蓋加熱表面，表現(xiàn)出瞬態(tài)變化的汽液交替覆蓋加熱表面，表現(xiàn)出瞬態(tài)變化的傳熱特性，屬于不穩(wěn)定工況。特點(diǎn)是隨著壁面過(guò)傳

60、熱特性，屬于不穩(wěn)定工況。特點(diǎn)是隨著壁面過(guò)熱度升高，熱流密度反而下降。熱度升高，熱流密度反而下降。核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院影響池沸騰主要因素（1）系統(tǒng)壓力）系統(tǒng)壓力 提高壓力，空穴泡化所需要的過(guò)熱度變小，提高壓力，空穴泡化所需要的過(guò)熱度變小，使沸騰曲線使沸騰曲線BC段向左移動(dòng)。壓力越高，同樣的壁段向左移動(dòng)。壓力越高，同樣的壁面過(guò)熱度能傳遞更高的熱流密度。面過(guò)熱度能傳遞更高的熱流密度。（2）主流液體溫度（欠熱度）主流液體溫度（欠熱度） 主流液體溫度對(duì)泡核沸騰傳熱強(qiáng)度沒(méi)有影響，主流液體溫度對(duì)泡核沸騰傳熱強(qiáng)度沒(méi)有影響，但對(duì)但對(duì)qc有顯著影響。隨著欠熱度增加，有顯著影響。隨著欠熱度增加，qc升高