核反应堆工程概论第7章

1、核能技术设计研究院第七章：核反应堆热工第七章：核反应堆热工核反应堆工程概论核反应堆工程概论2第七章：核反应堆热工第七章：核反应堆热工一、绪论一、绪论二、反应堆的热源和稳态传热分析二、反应堆的热源和稳态传热分析三、反应堆稳态水力分析三、反应堆稳态水力分析四、反应堆稳态热工设计原理四、反应堆稳态热工设计原理五、反应堆瞬态热工分析简介五、反应堆瞬态热工分析简介3一、绪论一、绪论1、反应堆热工分析的任务、反应堆热工分析的任务2、热力学的基本知识、热力学的基本知识3、反应堆热工分析的内容、反应堆热工分析的内容4、堆芯材料和热物性、堆芯材料和热物性41、反应堆热工分析的任务、反应堆热工分析的任务 反应堆热

2、工分析是反应堆热工分析是研究研究在反应堆及其回在反应堆及其回路系统中路系统中冷却剂冷却剂的的流动特性、热量传输特流动特性、热量传输特性、燃料元件的传热特性性、燃料元件的传热特性的一门工程性很的一门工程性很强的学科。其研究内容强的学科。其研究内容涉及涉及反应堆的反应堆的各种各种工况工况，以满足动力堆安全、经济和实用。，以满足动力堆安全、经济和实用。 反应堆的反应堆的堆型不同堆型不同，它们的结构形式、，它们的结构形式、冷却剂特性、运行参数和安全要求等方面冷却剂特性、运行参数和安全要求等方面也有也有很大差异很大差异。压水堆压水堆作为主要讨论对象。作为主要讨论对象。52、热力学的基本知识、热力学的基本

3、知识2.1 热力学热力学2.2 工质及其状态参数工质及其状态参数2.3 平衡状态平衡状态2.4 工质的物性工质的物性2.5 热力学第一定律热力学第一定律2.6 工质的热力过程工质的热力过程2.7 热力循环热力循环2.8 热力学第二定律热力学第二定律62.1 热力学热力学热力学：热力学：研究伴有热效应的自然界中一切物研究伴有热效应的自然界中一切物理及化学工程的能量关系和理及化学工程的能量关系和能量转换能量转换的科的科学。学。几个概念：几个概念： 热力系或热力系统热力系或热力系统 环境或外界环境或外界 界面或边界界面或边界 热源和冷源热源和冷源72.2 工质及其状态参数工质及其状态参数工质：工质：

4、工作介质工作介质状态参数：状态参数：1）压力压力：P总压力，总压力，p2）比容比容：V总体积，总体积，v3）温度温度：T开氏温标，开氏温标，t摄氏温标摄氏温标4）内能内能：U总内能，总内能，u比内能比内能5）焓焓：H总焓，总焓，h比焓比焓6）熵熵：S总熵，总熵，s比熵比熵81）压力）压力定义：定义：表压力和绝对压力：表压力和绝对压力：单位：单位：帕斯卡，帕帕斯卡，帕Pa 1Pa=1N/m21atm=760mmHg=1.03323at=1.01325bar=0.101325MPa1at=735.559mmHg=0.967841atm=0.980665bar=0.0980665MPaPpF92）比

5、容）比容比重比重：单位容积（体积）的：单位容积（体积）的重量重量密度密度：单位容积（体积）的：单位容积（体积）的质量质量 ，单位：，单位：kg/m3比容比容：单位质量物质的容积：单位质量物质的容积 v v=1/ 单位单位：m3/kg103）温度）温度温度温度：温标温标：摄氏，：摄氏，；开氏，；开氏，K；华氏，华氏， F换算换算： T（K）t+273.15（） t（）5/9（t（F）32）114）内能）内能内能内能：热力系内部：热力系内部自身所具有自身所具有的能量。的能量。 包括：分子运动的包括：分子运动的动能动能和分子之间的引力和分子之间的引力 和斥力所形成的和斥力所形成的位能位能。 动能：移

6、动、转动和振动。动能：移动、转动和振动。 内能是其他状态参数的函数。内能是其他状态参数的函数。单位单位：J，J/kg125）焓）焓定义定义：复合状态参数。：复合状态参数。 数学描述：数学描述： h=u+pv H=mh单位单位：J，J/kg136）熵）熵定义：导出定义：导出参数，不能直接测量，由基本状参数，不能直接测量，由基本状态参数推导出来。态参数推导出来。 数学描述：数学描述： dS=dQ/T ds=dq/T单位单位：J/kg.K142.3 平衡状态平衡状态定义定义：均匀一致：均匀一致 状态参数：状态参数：p、v、T、u、h、s工质的状态工质的状态：固、液、汽：固、液、汽状态方程状态方程：（

7、工质物性的描述）：（工质物性的描述）152.4 工质的物性工质的物性162.4 工质的物性工质的物性饱和水和干饱和蒸汽饱和水和干饱和蒸汽湿蒸汽湿蒸汽：汽化潜热：汽化潜热：(1)(1)(1)(1)vvvvvxv xhhxh xuuxu xssxs x定义：液体的质量干饱和蒸汽的质量湿蒸汽的总质量干度：湿蒸汽中干饱和汽所占的百分数 即1kg的湿蒸汽，含x(kg)干饱和汽和（1-x)(kg)的液体，x为干度。172.4 工质的物性工质的物性比热比热： dq=cdT 对于对于气体气体有定压比热有定压比热Cp和定容比热和定容比热Cv在在可逆可逆过程中：过程中： 定压定压：dq= CpdT 定容定容：dq

8、= CvdT182.4 工质的物性工质的物性192.4 工质的物性工质的物性202.5 热力学第一定律热力学第一定律数学描述数学描述：2211221121212syssysshshdQ dEedmedmdWQEWedmedmqu wdq du dwqhcg Z WWh hh 一般表达式：微分形式：积分形式：封闭系统： 或 稳定流动系统： 应用于透平（蒸汽轮机）：212.6 工质的热力过程工质的热力过程定容过程：定容过程：定压过程：定压过程：绝热过程：绝热过程：定熵过程：定熵过程： （一般以理想气体状态方程推导加深（一般以理想气体状态方程推导加深概念）概念）222.7 热力循环热力循环朗肯循环：

9、朗肯循环：232.7 热力循环热力循环提高循环热效率：提高循环热效率：242.7 热力循环热力循环再热循环：再热循环：252.7 热力循环热力循环回热循环：回热循环：262.8 热力学第二定律热力学第二定律克劳休氏叙述：克劳休氏叙述： 热不可能自发地、不付代价地从低温物热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。体传到高温物体。开尔文叙述：开尔文叙述： 不可能制造出从单一热源吸热，使之全不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。发动机。273、反应堆热工分析的内容、反应堆热工分析的内容1）堆芯材料和热物性）堆芯材料和

10、热物性 （第一节第五小节第一节第五小节）2）反应堆的热源）反应堆的热源 （第二节第二节）3）稳态热工分析）稳态热工分析 （第二节第二节传热分析，传热分析，第三节第三节水力分析）水力分析）4）瞬态热工分析）瞬态热工分析 （第五节第五节）284、堆芯材料和热物性、堆芯材料和热物性堆芯结构材料包括堆芯结构材料包括：1）燃料元件用材料：）燃料元件用材料：燃料芯块燃料芯块材料、材料、燃料包壳燃料包壳材材料、燃料组件和部件材料、导向管材料；料、燃料组件和部件材料、导向管材料；2）冷却剂冷却剂3）慢化剂慢化剂4）反射层材料；）反射层材料；5）控制材料：热中子吸收材料及控制棒材料、控）控制材料：热中子吸收材料

11、及控制棒材料、控制棒包壳材料、控制棒构件、液体控制材料；制棒包壳材料、控制棒构件、液体控制材料；6）屏蔽材料；）屏蔽材料；7）反应堆容器材料。）反应堆容器材料。291）核燃料）核燃料n核燃料： 裂变燃料：铀235（自然界存在的唯一一种核燃料） 铀233 钚239 转换燃料：钍232 铀238n核燃料的形态： 固态：实际应用的核燃料 液态：未达到工业应用的程度301）核燃料）核燃料n对对固体核燃料固体核燃料的要求：的要求： 具有良好的辐照稳定性，保证燃料元件在经具有良好的辐照稳定性，保证燃料元件在经受深度燃耗后，尺寸和形状的变化能保持在允受深度燃耗后，尺寸和形状的变化能保持在允许的范围之内许的范

12、围之内 具有良好的热物性（熔点高，热导率大，热具有良好的热物性（熔点高，热导率大，热膨胀系数小），使反应堆能达到高的功率密度膨胀系数小），使反应堆能达到高的功率密度 在高温下与包壳材料的相容性好在高温下与包壳材料的相容性好 与冷却剂接触不产生强烈的化学腐蚀与冷却剂接触不产生强烈的化学腐蚀 工艺性能好，制造成本低，便于后处理工艺性能好，制造成本低，便于后处理311）核燃料）核燃料n固体核燃料固体核燃料： 金属铀与铀合金金属铀与铀合金 特点：密度高、热导率大、工艺性能好；辐照稳定特点：密度高、热导率大、工艺性能好；辐照稳定性差，有性差，有“肿胀肿胀”现象；现象；不能在现在动力堆中使用不能在现在动力

13、堆中使用。 陶瓷燃料：氧化物、碳化物、氮化物陶瓷燃料：氧化物、碳化物、氮化物 氧化物氧化物的使用研究最多，轻水、重水、改进型气冷、的使用研究最多，轻水、重水、改进型气冷、快堆等均使用烧结的氧化物圆柱小块。高温气冷堆使用快堆等均使用烧结的氧化物圆柱小块。高温气冷堆使用氧化物或碳化物氧化物或碳化物作成的包覆颗粒在石墨基体中的弥散体。作成的包覆颗粒在石墨基体中的弥散体。321）核燃料）核燃料n固体核燃料固体核燃料： 陶瓷燃料陶瓷燃料：氧化物、碳化物、氮化物：氧化物、碳化物、氮化物 氧化铀氧化铀：特点（：特点（5点内容）点内容） 热物性热物性（熔点、密度、热导率、比热）（熔点、密度、热导率、比热） 钚

14、、铀混合物钚、铀混合物：UO2+PuO2 UC+PuC UN+PuN 弥散体燃料弥散体燃料 陶瓷型燃料颗粒均匀分布在非裂变材料的基体中。陶瓷型燃料颗粒均匀分布在非裂变材料的基体中。 基体材料：基体材料：铝、不锈钢、锆合金、石墨铝、不锈钢、锆合金、石墨等等 缺点：基体材料所占百分比大，必须使用浓缩铀缺点：基体材料所占百分比大，必须使用浓缩铀（加浓铀）（加浓铀）331）核燃料）核燃料燃料形式形态材料适应堆芯固体燃料金属U石墨慢化堆合金U-Al快堆U-Mo快堆U-ZrH脉冲堆陶瓷U3Si重水堆(U,Pu)O2快堆(U,Pu)C快堆(U,Pu)N快堆UO2轻水堆、重水堆弥散体燃料金属金属UAl4-Al

15、重水堆陶瓷金属UO2-Al重水堆陶瓷陶瓷(U,Th)O2-(热解石墨,SiC)- 石墨高温气冷堆金属陶瓷(U,Th)C2-(热解石墨,SiC)- 石墨,UO2-W高温气冷堆液体燃料水溶液(UO2)SO4-H2O沸水堆悬浊液U3O8-H2O水均匀堆金属溶液U-Bi溶盐UF4-LiF-BeF2-ZrF4溶盐堆341）核燃料）核燃料UO2的密度的密度： UO2的理论密度是的理论密度是10.9510.97 g/cm3，所谓理论密度是根据所谓理论密度是根据晶格常数晶格常数计算得到的，计算得到的，实际制造出来的实际制造出来的UO2芯块是由粉末状的芯块是由粉末状的UO2烧结出来的，由于制造工艺造成存在烧结出

16、来的，由于制造工艺造成存在空隙，达不到理论密度，计算中一般取空隙，达不到理论密度，计算中一般取95%理论密度理论密度下的值。下的值。351）核燃料）核燃料UO2的熔点的熔点： UO2的熔点随的熔点随O/U比和微量杂质而变化，由于比和微量杂质而变化，由于UO2在在高温下会析出氧，使得高温下会析出氧，使得O/U比在加热过程中要发生变化，比在加热过程中要发生变化，因此因此UO2的真正的真正熔点难以测定熔点难以测定。正是由于这个缘故，不。正是由于这个缘故，不同的研究人员测得的同的研究人员测得的熔点各不相同熔点各不相同，但大体都在，但大体都在2800 oC左右左右，以下是一些研究人员测得的数据：，以下是

17、一些研究人员测得的数据： 284020 oC ；286030 oC ；2800100 oC ；276030 oC ；286045 oC ；286515 oC ；280015 oC等等等等 辐照后，随着固相裂变产物的积累和辐照后，随着固相裂变产物的积累和O/U比的变化，比的变化，燃料的熔点会有所下降，燃耗每增加燃料的熔点会有所下降，燃耗每增加104兆瓦日兆瓦日/吨铀，吨铀，熔点下降熔点下降32 oC 。例如，。例如，燃耗达燃耗达50000兆瓦日兆瓦日/吨铀吨铀的燃料，的燃料，熔点为熔点为2645 oC 。361）核燃料）核燃料UO2的热导率：的热导率： 371）核燃料）核燃料UO2的比热：的比热

18、：381）核燃料）核燃料UO2的比热：的比热：391）核燃料）核燃料UO2的热膨胀系数的热膨胀系数： 在分析核燃料在反应堆内的行为时，在分析核燃料在反应堆内的行为时，热膨胀系数也是一个重要的性质。虽然试热膨胀系数也是一个重要的性质。虽然试验结果不很一致，但在验结果不很一致，但在1000oC以下的热膨以下的热膨胀系数大约为胀系数大约为110-5/oC。大于。大于1000oC时时可以取可以取1310-6/oC由于由于UO2在在2450oC以上以上会显著地会显著地蒸发蒸发，因此高温下的热膨胀系数，因此高温下的热膨胀系数只是定性的。只是定性的。402）包壳材料）包壳材料n对包壳材料的要求：对包壳材料的

19、要求： 具有良好的核性能，也就是中子吸收截面要小，感具有良好的核性能，也就是中子吸收截面要小，感生放射性要弱。生放射性要弱。 具有良好的导热性能。具有良好的导热性能。 与核燃料的相容性要好，也就是说在燃料元件的工与核燃料的相容性要好，也就是说在燃料元件的工作状态下，包壳与燃料的界面处不会发生使燃料元件性作状态下，包壳与燃料的界面处不会发生使燃料元件性能变坏的物理作用和化学反应。能变坏的物理作用和化学反应。 具有良好的机械性能，即能够提供合适的机械强度具有良好的机械性能，即能够提供合适的机械强度和韧性，使得在燃耗较深的条件下，仍能保持燃料元件和韧性，使得在燃耗较深的条件下，仍能保持燃料元件的机械

20、完整性。的机械完整性。 应有良好的抗腐蚀能力。应有良好的抗腐蚀能力。 具有良好的辐照稳定性。具有良好的辐照稳定性。 容易加工成形，成本低廉，便于后处理。容易加工成形，成本低廉，便于后处理。412）包壳材料）包壳材料n包壳材料包壳材料： 锆合金锆合金：特点、物性：特点、物性 不锈钢和镍基合金不锈钢和镍基合金 水堆水堆中应用最普遍的是中应用最普遍的是锆锆2和锆和锆4合金合金 快堆快堆中主要考虑高温性能和抗辐照损伤性能，目前多采中主要考虑高温性能和抗辐照损伤性能，目前多采用用奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢，有时也使用，有时也使用镍基合金镍基合金。 422）包壳材料）包壳材料Zr-4合金的热导率：合金的热导

21、率：432）包壳材料）包壳材料Zr-4合金的比热：合金的比热：443）冷却剂）冷却剂n对冷却剂的要求：对冷却剂的要求： 中子吸收截面小，感生放射性弱。中子吸收截面小，感生放射性弱。 具有良好的热物性（比热大、热导率大、熔点低、具有良好的热物性（比热大、热导率大、熔点低、沸点高，饱和蒸汽压低等），以便从较小的传热面沸点高，饱和蒸汽压低等），以便从较小的传热面积带走较多的热量。积带走较多的热量。 粘度低，密度高，使循环泵消耗的功率小。粘度低，密度高，使循环泵消耗的功率小。 与燃料和结构材料相容性好。与燃料和结构材料相容性好。 良好的辐照稳定性和热稳定性。良好的辐照稳定性和热稳定性。 慢化能力与反应

22、堆类型相匹配。慢化能力与反应堆类型相匹配。 成本低，使用方便，尽可能避免使用价格昂贵的成本低，使用方便，尽可能避免使用价格昂贵的材料。材料。453）冷却剂）冷却剂n常用冷却剂：常用冷却剂： 水和重水水和重水：水作为冷却剂和慢化剂主要应用于：水作为冷却剂和慢化剂主要应用于轻水轻水堆。堆。 缺点：缺点：沸点低、存在沸腾临界沸点低、存在沸腾临界、在高温下有腐蚀作用。、在高温下有腐蚀作用。 重水慢化堆采用重水作冷却剂的好处是可以减少核燃料的重水慢化堆采用重水作冷却剂的好处是可以减少核燃料的装载量装载量或降低核或降低核燃料的燃料的浓缩度浓缩度。缺点是。缺点是价格昂贵价格昂贵。 钠钠：钠作为冷却剂主要应用

23、于：钠作为冷却剂主要应用于快中子堆快中子堆。 缺点：缺点：钠水剧烈反应钠水剧烈反应、温度梯度质量迁移、金属的扩散结合、存在由反应、温度梯度质量迁移、金属的扩散结合、存在由反应性性正空泡效应正空泡效应引起的控制和安全问题。引起的控制和安全问题。 氦气氦气：氦气作为冷却剂主要应用于：氦气作为冷却剂主要应用于气冷堆气冷堆。 缺点：因运行压力和流量大而缺点：因运行压力和流量大而消耗功率大、价格昂贵、泄漏问题消耗功率大、价格昂贵、泄漏问题。464）慢化剂）慢化剂n对对固体慢化剂固体慢化剂的要求：的要求： 具有一定的结构强度具有一定的结构强度 良好的导热性能良好的导热性能 良好的热稳定性和辐照稳定性良好的

24、热稳定性和辐照稳定性 与冷却剂相容与冷却剂相容 原子密度高原子密度高 便于加工，成本低廉便于加工，成本低廉n可用的可用的固体慢化剂固体慢化剂： 可用的固体慢化剂有可用的固体慢化剂有石墨、铍、氧化铍和氧化石墨、铍、氧化铍和氧化锆锆474）慢化剂）慢化剂n对对液体慢化剂液体慢化剂的要求：的要求： 熔点在室温以下，高温下蒸汽压要低熔点在室温以下，高温下蒸汽压要低 良好的传热性能良好的传热性能 良好的热稳定性和辐照稳定性良好的热稳定性和辐照稳定性 原子密度高原子密度高 不腐蚀结构材料不腐蚀结构材料n常用常用液体慢化剂液体慢化剂： 常用的液体慢化剂有常用的液体慢化剂有水和重水水和重水48二、反应堆的热源

25、和稳态传热分析二、反应堆的热源和稳态传热分析1、反应堆的热源分布、反应堆的热源分布2、传热学的基本知识、传热学的基本知识3、反应堆内热量的输出过程、反应堆内热量的输出过程4、燃料元件的传热计算、燃料元件的传热计算5、堆内结构的传热计算简介、堆内结构的传热计算简介491、反应堆的热源分布、反应堆的热源分布1）裂变能及其在堆芯内的分布）裂变能及其在堆芯内的分布2）影响堆芯功率分布的因素）影响堆芯功率分布的因素3）燃料元件内的功率分布）燃料元件内的功率分布4）核热管因子）核热管因子5）控制棒、慢化剂和结构材料中的热源及）控制棒、慢化剂和结构材料中的热源及分布分布501）裂变能及其在堆芯内的分布）裂变

26、能及其在堆芯内的分布511）裂变能及其在堆芯内的分布）裂变能及其在堆芯内的分布521）裂变能及其在堆芯内的分布）裂变能及其在堆芯内的分布裂变率：裂变率：531）裂变能及其在堆芯内的分布）裂变能及其在堆芯内的分布体积释热率：体积释热率： 体积释热率是体积释热率是单位时间单位时间、单位体积单位体积内内释放的热能释放的热能的度量，也称的度量，也称为为功率密度功率密度。要注意的是，体积释热率指的是已经转化为热能的能。要注意的是，体积释热率指的是已经转化为热能的能量，并量，并不是不是在该体积单元内释放出的在该体积单元内释放出的全部能量全部能量，因为有些能量（例，因为有些能量（例如如射线射线能）会在别的地

27、方转化为热能，甚至有的能量根本就能）会在别的地方转化为热能，甚至有的能量根本就无法无法转化为热能转化为热能加以利用。加以利用。541）裂变能及其在堆芯内的分布）裂变能及其在堆芯内的分布均匀裸堆释热率分布：均匀裸堆释热率分布：551）裂变能及其在堆芯内的分布）裂变能及其在堆芯内的分布562）影响堆芯功率分布的因素）影响堆芯功率分布的因素572）影响堆芯功率分布的因素）影响堆芯功率分布的因素582）影响堆芯功率分布的因素）影响堆芯功率分布的因素592）影响堆芯功率分布的因素）影响堆芯功率分布的因素603）燃料元件内的功率分布）燃料元件内的功率分布613）燃料元件内的功率分布）燃料元件内的功率分布6

28、24）核热管因子）核热管因子n热管和热点的概念热管和热点的概念634）核热管因子）核热管因子n热管因子热管因子： 为了衡量各有关的热工参数的为了衡量各有关的热工参数的最大值偏离最大值偏离平均值平均值（或名义值）的程度，引入一个修正因（或名义值）的程度，引入一个修正因子，这个子，这个修正因子修正因子就称为就称为热管因子热管因子。热管因子。热管因子是用各有关的热工（或物理）参数的最大值与是用各有关的热工（或物理）参数的最大值与平均值的平均值的比值比值来表示的。来表示的。n热管因子的热管因子的分类分类： 一般把热管因子分为一般把热管因子分为两大类两大类：一类是：一类是核核热热管因子；一类是管因子；一

29、类是工程工程热管因子。热管因子。 644）核热管因子）核热管因子n核热管因子的定义：核热管因子的定义：NLNZNRNqNLNZNRNqNZNRFFFFFFFFFF热流量核热管因子局部峰核热管因子堆芯平均热流量堆芯最大热流量热流量核热管因子热管的平均热流量热管的最大热流量轴向核热管因子量堆芯平均管的平均热流热管的平均热流量径向核热管因子654）核热管因子）核热管因子665）控制棒、慢化剂和结构材料中的热源及分布）控制棒、慢化剂和结构材料中的热源及分布n控制棒中的热源及其分布控制棒中的热源及其分布n慢化剂中的热源及其分布慢化剂中的热源及其分布n结构材料中的热源及其分布结构材料中的热源及其分布672

30、、传热学的基本知识、传热学的基本知识1）热传导）热传导2）热对流、对流换热）热对流、对流换热3）热辐射、辐射换热）热辐射、辐射换热4）传热过程和传热系数）传热过程和传热系数681）热传导）热传导691）热传导）热传导单层平壁：单层平壁：11212121212wwwwwwwwwwwdTQkFdxQdTdxkFQTxCkFQTxTkFTTTTTTQkFRkFTTTTQqFrk 701）热传导）热传导圆筒壁：圆筒壁：12122211112222ln22lnln222wwwwdTdTQkFkrLdrdrQdrdTrL rQTrCrLTTrLQTTrrrrrLQrLqr Lq 712）热对流、对流换热）

31、热对流、对流换热牛顿冷却定律：牛顿冷却定律：722）热对流、对流换热）热对流、对流换热速度边界层速度边界层定义定义732）热对流、对流换热）热对流、对流换热速度边界层速度边界层雷诺数雷诺数Re和临界雷诺数和临界雷诺数Rec6556ReReRe2 10Re10Re5 1010Re2300fcfccccccVLVLLVV xV x 、为几何尺寸、 、 、 分别为流体密度、流速、动力粘度和运动粘度平板临界雷诺数： 来流平静、平面光滑： 壁面粗糙、人为扰动： 一般情况：管内流动：742）热对流、对流换热）热对流、对流换热速度边界层速度边界层速度边界层厚度速度边界层厚度5121557115Re5 105

32、 Re0.381 Re5 10Re100.381Re10256Rexxxxxxxxx层流边界层厚度：波尔豪森：卡门：紊流边界层厚度：752）热对流、对流换热）热对流、对流换热热边界层与速度边界层热边界层与速度边界层762）热对流、对流换热）热对流、对流换热热边界层与速度边界层热边界层与速度边界层772）热对流、对流换热）热对流、对流换热热边界层与速度边界层热边界层与速度边界层13Pr10.977Prppttckakc普朗特数：流体不同，Pr不同。波尔豪森假定：，得到：782）热对流、对流换热）热对流、对流换热影响影响对流换热的对流换热的因素因素A、流体流动产生的原因流体流动产生的原因 强迫流动

33、（强迫对流）、自然流动强迫流动（强迫对流）、自然流动（自然对流）（自然对流） 强迫流动和自然流动具有不同的换热强迫流动和自然流动具有不同的换热规律，计算对流换热的方法也有所不同。规律，计算对流换热的方法也有所不同。一般来说，一般来说，强迫强迫对流流速高，换热系数对流流速高，换热系数h也也大大。792）热对流、对流换热）热对流、对流换热影响影响对流换热的对流换热的因素因素B、流体流动情况流体流动情况 层流、紊流层流、紊流 在对流换热过程中，如保持其它条件在对流换热过程中，如保持其它条件相同，则流速高的紊流与流速低的层流相相同，则流速高的紊流与流速低的层流相比，比，紊流紊流的换热系数的换热系数h要

34、比层流的换热系要比层流的换热系数数h大好几倍大好几倍甚至更多。甚至更多。802）热对流、对流换热）热对流、对流换热影响影响对流换热的对流换热的因素因素C、流体有无相变发生流体有无相变发生 相变相变指在某些换热过程中，参与换热的流体指在某些换热过程中，参与换热的流体吸热而沸腾或放热而凝结。吸热而沸腾或放热而凝结。 相变换热特点：相变换热特点：温度不变温度不变（某压力下的饱和（某压力下的饱和温度）温度） 换热量为流体吸收或放出的换热量为流体吸收或放出的潜热潜热 两相流动两相流动而非单相流动而非单相流动 一般来说，对于同一种流体，有一般来说，对于同一种流体，有相变相变时比无时比无相变时的相变时的换热

35、强度大换热强度大得多。得多。812）热对流、对流换热）热对流、对流换热影响影响对流换热的对流换热的因素因素D、流体的物性流体的物性 不同得流体，其物理性质不同，对对流换不同得流体，其物理性质不同，对对流换热得影响也不一样。热得影响也不一样。 导热系数导热系数影响导热热阻，从而影响换热系影响导热热阻，从而影响换热系数数 动力粘度和密度动力粘度和密度影响影响Re，从而影响换热系，从而影响换热系数数 比热比热影响换热后得温度变化，即热边界层影响换热后得温度变化，即热边界层的温度梯度，从而影响换热系数的温度梯度，从而影响换热系数822）热对流、对流换热）热对流、对流换热影响影响对流换热的对流换热的因素

36、因素E、换热面的几何因素换热面的几何因素832）热对流、对流换热）热对流、对流换热影响影响对流换热的对流换热的因素因素E、换热面的几何因素换热面的几何因素842）热对流、对流换热）热对流、对流换热影响影响对流换热的对流换热的因素因素 上述上述定性定性介绍了一些介绍了一些主要因素主要因素对对流对对流换热的影响。为了运用热传递理论解决实换热的影响。为了运用热传递理论解决实际的换热问题，还有待进一步掌握换热系际的换热问题，还有待进一步掌握换热系数数h与各影响因素间的与各影响因素间的数量关系数量关系。 对流换热过程比较复杂，组合了多种对流换热过程比较复杂，组合了多种不同规律的换热过程。只有对各种情况分

37、不同规律的换热过程。只有对各种情况分门分门别类，进行门分门别类，进行分析和试验分析和试验，才能获得，才能获得反映各种情况的反映各种情况的计算公式计算公式。852）热对流、对流换热）热对流、对流换热对流换热的对流换热的准则方程式准则方程式 对流换热受诸多因素的影响，甚为复杂。对流对流换热受诸多因素的影响，甚为复杂。对流换热系数值显然也是变化范围很大，因此，确定换热系数值显然也是变化范围很大，因此，确定h值是一个很复杂的问题。值是一个很复杂的问题。 理论研究、实验研究、数值分析。理论研究、实验研究、数值分析。 相似理论或量纲分析相似理论或量纲分析法：把众多的影响因素归法：把众多的影响因素归并成为数

38、不多的几个并成为数不多的几个无量纲的准则无量纲的准则。如：。如：Re、Pr、Nu、Gr等等 把对流换热的表达关系式变成由无量纲准则数把对流换热的表达关系式变成由无量纲准则数组成的准则方程式组成的准则方程式即对流换热的即对流换热的准则方程式准则方程式。 对流换热的准则方程式中包含的对流换热的准则方程式中包含的待定系数待定系数和指和指数通过数通过实验来确定实验来确定。862）热对流、对流换热）热对流、对流换热对流换热的对流换热的准则方程式准则方程式 对流换热有多种方式，对流换热有多种方式，不同的换热方式有不同的准则方程式不同的换热方式有不同的准则方程式：32Re,PrRe Pr(,mnhLNukh

39、kLNufNuCCmngtLGrLNuf Gr受迫流动： 努谢尔特数： 其中： 对流换热系数； 导热系数； 定性尺寸（特性尺寸） 准则方程式： 管内流动准则方程式： 其中： 、 、 待定的系数和指数自然对流： 格拉晓夫数： 其中： 流体的体积膨胀系数； 流体的运动粘度； 定性尺寸 准则方程式：Pr),PrnNuC GrCn 大空间自然对流准则方程式： 其中： 、 待定的系数和指数872）热对流、对流换热）热对流、对流换热对流换热的对流换热的准则方程式准则方程式定性温度定性温度： 准则数中包含物性参数，而物性参数随准则数中包含物性参数，而物性参数随温度而变化，因此在确定准则方程式中的温度而变化，

40、因此在确定准则方程式中的准则数值时，必须明确这些准则中的物性准则数值时，必须明确这些准则中的物性参数是根据什么温度来选用的。这个温度参数是根据什么温度来选用的。这个温度叫叫“定性温度定性温度”。否则将带来。否则将带来错误错误。882）热对流、对流换热）热对流、对流换热对流换热的对流换热的准则方程式准则方程式定性尺寸定性尺寸： 在有的准则数中包含有几何尺寸，如在有的准则数中包含有几何尺寸，如Nu数和数和Re数中的长度数中的长度L，实际上是影响对，实际上是影响对流换热的几何尺寸，叫流换热的几何尺寸，叫“定性尺寸定性尺寸”。不。不同的对流换热过程，特性尺寸有所不同，同的对流换热过程，特性尺寸有所不同

41、，在使用准则方程时在使用准则方程时不可搞错不可搞错。892）热对流、对流换热）热对流、对流换热对流换热的对流换热的准则方程式准则方程式适应范围适应范围： 准则方程式的具体形式，是针对某些试准则方程式的具体形式，是针对某些试验结果整理出来的，这些试验中的变量或验结果整理出来的，这些试验中的变量或测量的参数是有一定范围的。因此，这些测量的参数是有一定范围的。因此，这些准则方程式只能在这样的范围内适用，准则方程式只能在这样的范围内适用，不不宜随意延伸和外推宜随意延伸和外推。903）热辐射、辐射换热）热辐射、辐射换热 凡物体都有放射、辐射粒子（光子）的能力，辐凡物体都有放射、辐射粒子（光子）的能力，辐

42、射粒子具有的能量称为辐射能。射粒子具有的能量称为辐射能。物体因热的原因而发物体因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射出辐射能的现象称为热辐射。热辐射是依靠电磁波来。热辐射是依靠电磁波来传递的。传递的。 自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射，自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。当物体与同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。当物体与周围环境处于热平衡时，辐射换热量等于零，但这是周围环境处于热平衡时，辐射换热量等于零，但这是动态平衡动态平衡，辐射与吸收过程仍在不停地进行。，辐射与吸收过程仍在不停地进行。 热辐射可以在热辐射可以在真空中传播真空中传播，而

43、导热和对流换热这，而导热和对流换热这两种热传递方式只能在有物质存在的条件下才能实现；两种热传递方式只能在有物质存在的条件下才能实现；辐射换热不仅产生能量的转移，而且还伴随着辐射换热不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形能量形式的转化式的转化，即发射时从热能转换成辐射能，而被吸收，即发射时从热能转换成辐射能，而被吸收时又从辐射能转换为热能。时又从辐射能转换为热能。913）热辐射、辐射换热）热辐射、辐射换热 物体的物体的热辐射热辐射能力与物体能力与物体温度温度、性质性质和和表面表面情况有关。情况有关。绝对黑体绝对黑体（简称黑体）：（简称黑体）： 在同温的物体中具有在同温的物体中具有最大的辐射本领和

44、吸收本领最大的辐射本领和吸收本领。是一种。是一种理想理想物体。物体。48242441W10/1ooooQFTw m KFmTKQFTQF T黑体的辐射能量： 斯蒂芬玻尔兹曼定律： ， 其中：黑体辐射常数，即斯蒂芬玻尔兹曼常数，为5.67 物体的辐射面积，； 表面的绝对温度，实际物体的辐射能量： 斯蒂芬玻尔兹曼定律的经验修正： 其中： 物体的黑度，其值小于辐射换热量： 如两个平行黑体表面的换热量：42T923）热辐射、辐射换热）热辐射、辐射换热 在压水堆在压水堆稳态工况稳态工况下，堆内的温下，堆内的温度不很高，辐射换热相对于导热和度不很高，辐射换热相对于导热和对流换热热量小很多，一般可以忽对流换

45、热热量小很多，一般可以忽略不计。略不计。 在在事故工况事故工况下，堆内可以达到相下，堆内可以达到相当高的温度，辐射传热量就不可不当高的温度，辐射传热量就不可不计算了。计算了。934）传热过程和传热系数）传热过程和传热系数 工程工程实际中的热传实际中的热传递过程总是比较复杂递过程总是比较复杂的，常常是的，常常是几种几种基本基本方式同时作用方式同时作用的结果。的结果。944）传热过程和传热系数）传热过程和传热系数111122221212121212121212121111111111fwwwwfffffkkffkkQh F TTQF TTQh F TTQTTh FkFh FQKF TTKhkhRR

46、RRh FkFh FrrrrhkhTTQFrK；解为： 定义传热方程式： 其中：传热系数为 而： 和： 故： 传热系数：1kr953、反应堆内热量的输出过程、反应堆内热量的输出过程1）堆内的导热过程）堆内的导热过程2）堆内的放热过程）堆内的放热过程3）堆内的输热过程）堆内的输热过程961）堆内的导热过程）堆内的导热过程 燃料元件的导热是指燃料燃料元件的导热是指燃料芯块内芯块内产生产生的的热量热量通过热传导传到燃料元件通过热传导传到燃料元件包壳外包壳外表表面这样一个面这样一个过程过程。核燃料包壳热量971）堆内的导热过程）堆内的导热过程2222200000101424vvvuuuuvuuluuu

47、uqtktqkqd tdtdrr drkrrttqttqttqkkktt有内热源的情况： 导热微分方程： 其中：是拉普拉斯符， 是温度， 是体积释热率， 是导热率 圆柱形燃料芯块： 导热微分方程： 解为：； 其中： 燃料芯块中心温度，； 燃料芯块表面温度，； 3222220/./222uuvlvlluuvvuuuuvuurmkW mqqqW mW mW mqqqqr qr qqd tdxkttqqkk 燃料芯块半径， ； 燃料芯块热导率， 、 、 分别为燃料芯块体积释热率、表面释热率、线功率 、 、 之间的关系为： 平板形燃料芯块： 导热微分方程： 解为：981）堆内的导热过程）堆内的导热过程

48、 2/.lnlnln222ocucsccucsocslcslcsucscucucudtqkdxttqkqW mmkW mttdtQk FdrrqrqdQttk Lrkrkd 无内热源的情况： 平板： 解为： 其中： 包壳表面热流密度； 包壳厚度； 包壳导热率 ； 燃料芯块表面温度，即包壳内表面温度 ；包壳外表面温度 圆筒： 解为：992）堆内的放热过程）堆内的放热过程 放热过程是燃料元件放热过程是燃料元件包壳表面包壳表面与与冷却冷却剂剂之间直接接触时的之间直接接触时的热交换热交换，即热量由，即热量由包包壳壳的的外表面外表面传递给传递给冷却剂冷却剂的的过程过程。核燃料包壳冷却剂热量热量1002）

49、堆内的放热过程）堆内的放热过程( )( )( )( )( )( )( )( )flcsflllffcsfQhFq ztztzh z FQq zzhh zzFFztztz牛顿冷却定律： 解为： 其中： ，包壳外表面传递给冷却剂的热功率，位置 处线功率 ，对流放热系数，位置 处对流放热系数 ，传热面积， ，单位长度燃料元件外表面积 ，膜温压。在某一位置 处， ( )( )csftzztzz ，位置 处包壳表面温度 ，位置 处冷却剂的温度1012）堆内的放热过程）堆内的放热过程强迫对流换热强迫对流换热：0.80.4450.80.330.023RePr5010Re1.2 10 0.6Pr1200.02

50、7RePrfwADittusBoelterNuNu流体在圆形通道内强迫对流的放热系数 、流体在圆形通道内强迫对流时的放热系数 迪图斯（）贝尔特（）关系式： 膜温压不能太大，管长应大于内径的倍， 且：， 对于大膜温压：0.141022）堆内的放热过程）堆内的放热过程强迫对流换热强迫对流换热：0.81 3RePr420.0260.006BNuCPPCddPPCddPd流体在圆形通道内强迫对流的放热系数 、水纵向流过平行棒束时的放热系数 韦斯曼关系式： 对于正方形栅格： 当 ， 对于三角形栅格： 当 ， 其中： 为栅距， 为棒径1032）堆内的放热过程）堆内的

51、放热过程自然对流放热自然对流放热：1 35111 413160.250 25Pr0.6Pr)10100.17Pr)2 10Pr100.5PrPrPrPrndffwdfNuC GrNuGrGrNuGrGrNuGrGr。自然对流放热准则关系式： （） 当壁面的热流量恒定时，竖壁的放热系数： （， （层流） （， （紊流） 横管的自然对流平均放热系数： （）（） ，（）8101042）堆内的放热过程）堆内的放热过程沸腾放热沸腾放热：大容积大容积沸腾：沸腾：大气压下水的大气压下水的大容积沸腾曲线大容积沸腾曲线1052）堆内的放热过程）堆内的放热过程沸腾放热沸腾放热：流动流动沸腾沸腾：0.2560.52

52、5exp106.20.717.20.0225exp8.6913.79wswswsqpttMPapttqMPaqptt过冷泡核沸腾关系式： 詹斯和洛特斯： 水的压力为： 汤姆： 水的压力为： 5.17 其中： 热流密度， 压力， 壁面温度， 流体饱和温度1062）堆内的放热过程）堆内的放热过程沸腾放热沸腾放热：泡和沸腾起始点泡和沸腾起始点ONB的确定的确定0.02342.82831.15691.798 105pONBwsONBwsqpttqttp式中为在壁面过冷度和系统压力为 时，开始产生沸腾所需的热流量1072）堆内的放热过程）堆内的放热过程沸腾放热沸腾放热：过冷沸腾过冷沸腾起始点的位置起始点

53、的位置：,0.256,25exp106.2f ONBsffwshONBinpf ONBf inpf ONBf inONBinhinONBf inqtthqpttqpZZGACttGACttZZqpZZtp单相强迫对流传热方程：詹斯洛特斯沸腾传热方程：联立求解： 其中：、分别为进口处和最初汽泡产生点的距离；进口处流体温度； hAGq通道的周界； 通道的流通截面； 流体质量流速； 加热通道热流密度1082）堆内的放热过程）堆内的放热过程沸腾放热沸腾放热：汽泡汽泡脱离壁面脱离壁面起始点的起始点的位置位置：,700004550.0022700000.0065154fsatf FDBp fsatf FD

54、Bp ffsubFDBfsubfsubFDBp ff FDBsqDNukttqStGCttGDCNuPekStqDqDPeNutkTkqPeSttGCtt定义： 努谢尔特数： 史坦顿数： 贝克利数： ， ； ， ； 有：,subFDBpf FDBf inFDBinhtGACttZZqp 求得：1092）堆内的放热过程）堆内的放热过程沸腾放热沸腾放热：沸腾临界沸腾临界：沸腾临界的特点是由于沸腾机理的变化引起放：沸腾临界的特点是由于沸腾机理的变化引起放热系数的热系数的陡降陡降，导致受热面的温度，导致受热面的温度骤升骤升。刚刚达到沸腾。刚刚达到沸腾临界时的热流密度称为临界时的热流密度称为临界热流密度

55、（临界热流密度（CHF）。 以流动以流动工况工况沸腾临界分为：沸腾临界分为： 过冷或低含汽量过冷或低含汽量下的临界沸腾；下的临界沸腾； 高含汽量高含汽量下的临界沸腾。下的临界沸腾。 低含汽量低含汽量下：下：“沸腾临界沸腾临界”也称为也称为“偏离泡核沸腾偏离泡核沸腾（DNB）”，或称，或称“烧毁烧毁”，也称，也称“快速烧毁快速烧毁”。 高含汽量高含汽量下：下： “沸腾临界沸腾临界”也称为也称为“蒸干蒸干”，或称，或称“干凅干凅”，又称，又称“慢速烧毁慢速烧毁”。 术语临界热流密度（术语临界热流密度（CHF）则用来描述上述工况下）则用来描述上述工况下的热流量值，以及确定在那一点最先发生上述工况。的

56、热流量值，以及确定在那一点最先发生上述工况。“临界热流量临界热流量”也称为也称为“临界热负荷临界热负荷”或或“烧毁热通烧毁热通量量”。1103）堆内的输热过程）堆内的输热过程( )( )( )( )( ):pffpffpfzQ zWctzA V ctzW HzQ zzWcA 输热过程指的是，当冷却剂流过堆芯时，将堆内裂变过程中所释放的热量带出堆外这样一个过程。冷却剂从堆芯进口到位置 处的输热量为： 其中：冷却剂从堆芯进口到位置 处的输热量 冷却剂的质量流量；冷却剂的比热； 冷却剂的密度；冷却剂的流通截面积 ( ):( ):ffHzztzz冷却剂从堆芯进口到位置 处的焓升 冷却剂从堆芯进口到位置

57、 处的温升1114、燃料元件的传热计算、燃料元件的传热计算1）燃料元件的形式及其冷却方式）燃料元件的形式及其冷却方式2）棒状燃料元件的传热计算）棒状燃料元件的传热计算3）积分热导率的概念）积分热导率的概念4）板状燃料元件的传热计算）板状燃料元件的传热计算1121）燃料元件的形式及其冷却方式）燃料元件的形式及其冷却方式1131）燃料元件的形式及其冷却方式）燃料元件的形式及其冷却方式1142）棒状燃料元件的传热计算）棒状燃料元件的传热计算n沿燃料元件轴向的冷却剂温度分布沿燃料元件轴向的冷却剂温度分布n包壳外表面温度的计算包壳外表面温度的计算n包壳内表面温度的计算包壳内表面温度的计算n燃料芯块表面温

58、度的计算燃料芯块表面温度的计算n燃料芯块中心温度的计算燃料芯块中心温度的计算1152）棒状燃料元件的传热计算）棒状燃料元件的传热计算1162）棒状燃料元件的传热计算）棒状燃料元件的传热计算1172）棒状燃料元件的传热计算）棒状燃料元件的传热计算 ,Re2ReReReRe2Re,ReRe0 cos00 cossinsin20sinsin2RRff inpzlllLzlRlLlRff inpQ ztztWCzQ zqz dzqzqLqLLzzQ zqdzLLLqLLztztWCLL沿燃料元件轴向的冷却剂温度分布： 而：，且： 有： Re,ReRe,ReReReRe,Re20sin22220sin2

59、0sin220sin2lRRRf exff inplRff exf inpflRpflff inpqLLLLztttWCLqLLtttWCLtqLLWCLtqLztztWCL 当 ，冷却剂出口温度： 即： 故：1182）棒状燃料元件的传热计算）棒状燃料元件的传热计算 ReReRe,0cos00000 cos02cslcsfcsllcsffcscslfcsfcsfcsffflcsf inptzqztztzd h zqzqztztztzd h zd h zLqttd hzztztzLtL qtztWC 包壳外表面温度的计算： 对流放热方程： 即： 令： 故： ReResin0 cosfzzLL11

60、92）棒状燃料元件的传热计算）棒状燃料元件的传热计算 ,max,max,maxReReReReRe,maxReReReRe,max,max,0cos0sin0010010cscscscslfpcslpflcspfcsftzzdtzqLdzWCLLLLzqLtgLWCqLLzarctgWCtt包壳外表面的最高温度： 求导： 得： 则： ,max,maxReReRe,max2,max,Re22,max,Re,max0sincos2012101csc2202fcscslinfpfcscsf infffRcsf inffcstzzqLWCLLtztttgLttLttLt 三角函数变换得： 即： 对于大