核反应堆热工分析

1、第七章两相沸腾换热第七章两相沸腾换热3:09:24传热分析2沸水堆，压水堆正常工况沸水堆，压水堆正常工况压水堆中冷却剂丧失事故末期压水堆中冷却剂丧失事故末期7.17.1两相沸腾换热两相沸腾换热沸腾型式沸腾型式判定冷却剂的传热工况判定冷却剂的传热工况大容积沸腾大容积沸腾定义：定义：由浸没在具有自由表由浸没在具有自由表面原来静止的大容积液体内面原来静止的大容积液体内的受热面所产生的沸腾的受热面所产生的沸腾特点：特点：液体的流速很低，自液体的流速很低，自然对流起主导作用然对流起主导作用流动沸腾流动沸腾定义：定义：指流体流经加热通道指流体流经加热通道时发生的沸腾时发生的沸腾特点：特点：液体的流速较高，

2、强液体的流速较高，强迫对流起主导作用迫对流起主导作用3:09:24传热分析3n饱和池式沸腾饱和池式沸腾550(tw-tsat) /oC104106ABCDEC单相对流 泡核沸腾 过渡区稳定的膜态沸腾7.1.1 7.1.1 沸腾曲线沸腾曲线 壁面过热度和热流密度的关系曲线通常称为壁面过热度和热流密度的关系曲线通常称为沸腾曲线沸腾曲线3:09:25传热分析4n2 流动沸腾流动沸腾n单相液对流区单相液对流区q（A区）区） n欠热沸腾区欠热沸腾区q（B区）区） n泡核沸腾区泡核沸腾区q（C，D区）区） n液膜强迫对流蒸发区液膜强迫对流蒸发区q（E，F区）区） n缺液区缺液区q（G区）区）n单相汽对流区

3、单相汽对流区q（H区）区） ABCDEFG单相液泡状流弹状流环状流夹带环状流滴状流单相汽单相液对流区欠热沸腾区泡核沸腾区液膜强迫对流蒸发区缺液区单相汽对流区流型 传热分区流型 传热分区流体温度壁面温度饱和温度液相温度烧干点蒸汽温度Hce=1ce=0t3:09:25传热分析57.1.1 7.1.1 沸腾曲线沸腾曲线DNB延长线延长线3:09:25传热分析67.1.2 7.1.2 核态沸腾传热核态沸腾传热3:09:25传热分析7当液体温度远小于当液体温度远小于tsts时，在时，在ONBONB上没上没有明显可见的气泡有明显可见的气泡, ,只有热的液体从过只有热的液体从过热边界层流到冷的热边界层流到冷

4、的液体中去液体中去7.1.2 7.1.2 核态沸腾传热核态沸腾传热随着随着q q的增加，在的增加，在加热面上产生气泡，加热面上产生气泡，但很快在跃离壁面但很快在跃离壁面之前就被冷凝了，之前就被冷凝了，在热边界层引起微在热边界层引起微量的对流量的对流当液体达到饱和温当液体达到饱和温度时，气泡将不再度时，气泡将不再在液体中凝结，而在液体中凝结，而是上升到自由表面是上升到自由表面当液体温度接近当液体温度接近tsts时，气泡在加热面时，气泡在加热面上长大并跃离壁面，上长大并跃离壁面，它们升向自由表面它们升向自由表面的过程中，被冷液的过程中，被冷液体所冷凝体所冷凝q3:09:25传热分析8如图，当加热面

5、的温度小于流如图，当加热面的温度小于流体在该特定位置的饱和温度，体在该特定位置的饱和温度，即即 时，是不会产生沸时，是不会产生沸腾的，显然产生沸腾的下限为腾的，显然产生沸腾的下限为：7.1.2 7.1.2 核态沸腾传热核态沸腾传热沸腾起始点沸腾起始点(ONB)(ONB)的判的判别别: wsttswtt wfqttzh,4( )ff inpzqtztGc D,41sf inpztqtGc Dh过冷沸腾中壁面温度和液体温度的分布过冷沸腾中壁面温度和液体温度的分布3:09:25传热分析97.1.2 7.1.2 核态沸腾传热核态沸腾传热沸腾起始点沸腾起始点(ONB)(ONB)的判别的判别: 令：令：,

6、sf insubinttt 41subinpztqGc Dh对于：对于：,41sf inpztqtGc Dh则得：则得：u 凡不满足上式的都落入图中凡不满足上式的都落入图中A A区区，在这个区域内，在这个区域内不会产生任何气泡不会产生任何气泡u 随着随着距离距离z z的增加，斜率减小；而的增加，斜率减小；而质量流密度质量流密度G G、通道直径通道直径D D或或换热换热系数系数的增加，斜率则增大的增加，斜率则增大u 通常通常q q， ，G G是给定的，故易算出通道壁面温度超过液体饱和是给定的，故易算出通道壁面温度超过液体饱和温度的温度的起始点起始点subint3:09:25传热分析107.1.2

7、 7.1.2 核态沸腾传热核态沸腾传热当壁面温度超过饱和温度时，不会立即就形成稳定的过当壁面温度超过饱和温度时，不会立即就形成稳定的过冷沸腾冷沸腾 在液体的单相对流区与在液体的单相对流区与充分发展的过冷区之间充分发展的过冷区之间存在一个存在一个“部分沸腾部分沸腾”区区部分沸腾区：部分沸腾区：由较少汽泡发源点构由较少汽泡发源点构成，大部分热量是通过单相对流方成，大部分热量是通过单相对流方式由汽泡间的壁面向流体进行传递，式由汽泡间的壁面向流体进行传递，故并入液体的单相区故并入液体的单相区3:09:25传热分析11u 当沸腾开始时壁面温度由当沸腾开始时壁面温度由D下降下降到到D，而后随着而后随着q的

8、增加，壁温按曲线的增加，壁温按曲线DEF的趋势而变化的趋势而变化u 当欠热度不变时，随着当欠热度不变时，随着q的增加，的增加， 与与q之间的关系遵循之间的关系遵循ABD线的规律，直线的规律，直至第一批汽泡生成为止至第一批汽泡生成为止7.1.2 7.1.2 核态沸腾传热核态沸腾传热当当入口欠热度入口欠热度和和质量流密度质量流密度为给定时，在坐标为给定时，在坐标z处的处的通道内壁面温度随热流密度稳定增加时的变化如图通道内壁面温度随热流密度稳定增加时的变化如图所示所示: u 当当q为给定时，开始产生沸腾所需为给定时，开始产生沸腾所需的过热度比曲线的过热度比曲线ABDE所示的要高一所示的要高一些些wt

9、3:09:25传热分析127.1.2 7.1.2 核态沸腾传热核态沸腾传热Bergles和和Rohsenow根据实验数据得到过冷根据实验数据得到过冷沸腾起始点的判据，对沸腾起始点的判据，对0.113.8MPaMPa的水为：的水为：n 0.02342.828/31.15691.798 105pONBwsqptt联立求解，就可得到在一定流体温度下的沸腾起始点的联立求解，就可得到在一定流体温度下的沸腾起始点的q和和单相强迫对流传热方程：单相强迫对流传热方程：( )wssfqh ttttzwstt3:09:25传热分析137.1.2 7.1.2 核态沸腾传热核态沸腾传热确定过冷沸腾起始点的位置的更为普

10、遍的方法确定过冷沸腾起始点的位置的更为普遍的方法是把是把Jens-Lottes沸腾传热方程沸腾传热方程与与单相强迫对单相强迫对流方程流方程联合求解，得到如下关系式：联合求解，得到如下关系式：n ,f ONBsJqtthJ0.25625exp106.2Jwsqptt：按：按Jens-Lottes方程求得的壁面过热度方程求得的壁面过热度,f ONBt：沸腾起始点的流体温度：沸腾起始点的流体温度其中：其中： 即：即：3:09:25传热分析147.1.3 7.1.3 过渡沸腾传热过渡沸腾传热u 包含沸腾和对流成分包含沸腾和对流成分的关系式，如的关系式，如: :RohsenowRohsenow关系式、关

11、系式、TongTong关关 系式、系式、Ramu&WeismanRamu&Weisman关系式关系式 u 现象关系式，现象关系式， 如如: Tong&YoungTong&Young关系式、关系式、Ragheb&ChengRagheb&Cheng关系式关系式u 经验关系式，如经验关系式，如: EllionEllion关系式关系式BerensonBerenson关系式关系式定义：定义：加热表面上任意位置随机存在的一种不稳定膜态加热表面上任意位置随机存在的一种不稳定膜态沸腾和不稳定核态沸腾的结合，是一种中间传热方式沸腾和不稳定核态沸腾的结合，是一种中间

12、传热方式传热率随温度而变化，其大小取决于该位置传热率随温度而变化，其大小取决于该位置每种沸腾每种沸腾形式存在的时间份额形式存在的时间份额过渡沸腾传热的关系式大致包括以下三种形式：过渡沸腾传热的关系式大致包括以下三种形式：3:09:25传热分析157.1.3 7.1.3 过渡沸腾传热过渡沸腾传热Ellion关系式关系式: 112.43.5111 10satqt505495736exp0.018TBsatht实验实验范围范围: 5(1.10324.1369) 10 Pap2325.51491.1kg/()Gms10.037.8 Csubt57.2mmeDTong（19721972）关系式关系式:

13、实验实验范围范围: 5137.9 10 Pap21193.53390.8kg/()Gms347.8593.8 Cwt3:09:25传热分析167.1.3 7.1.3 过渡沸腾传热过渡沸腾传热实实验验范范围围: 为常压p268203kg/()Gms027 CsubtS.C.Cheng（19781978）关系式：关系式：81.4962.483 10 ()exp 0.0050.0188TBsatsubqtGt3:09:25传热分析177.1.4 7.1.4 膜态沸腾传热膜态沸腾传热定义：定义：在加热表面形成稳定的蒸汽膜层，在加热表面形成稳定的蒸汽膜层，q q随温差的随温差的增加而增大，且该传热区的加

14、热表面主要通过辐射和增加而增大，且该传热区的加热表面主要通过辐射和强迫对流向蒸汽传热，也通过液体与壁面之间的相互强迫对流向蒸汽传热，也通过液体与壁面之间的相互作用向液体传热作用向液体传热就流动沸腾而言，膜态沸腾可分为就流动沸腾而言，膜态沸腾可分为反环状流反环状流和和弥散流弥散流两种流型两种流型当空泡率份额小于当空泡率份额小于3030当空泡率份额大于当空泡率份额大于8080处于以上两者之间处于以上两者之间 按照按照Groeneveld的区分流型准则，膜态沸腾区可分为：的区分流型准则，膜态沸腾区可分为：反 环 状 流 区 ：反 环 状 流 区 ：块状流过渡区：块状流过渡区：弥 散 流 区 ：弥 散

15、 流 区 ：3:09:25传热分析187.1.4 7.1.4 膜态沸腾传热膜态沸腾传热3:09:25传热分析197.1.4 7.1.4 膜态沸腾传热膜态沸腾传热修正的修正的DittusBoelter关系式：关系式：计算膜态沸腾传热的经验关系式计算膜态沸腾传热的经验关系式0.80.40.023PrgeMDBgegdfmGDxhD 式中式中 为漂移流密度模型的空泡份额，为漂移流密度模型的空泡份额，dfm10dfmgfggjjjjCV1.38pMPa适用范围：压力适用范围：压力0.3x 含汽率含汽率3:09:25传热分析207.1.4 7.1.4 膜态沸腾传热膜态沸腾传热Groeneveld公式公式

16、: 式中式中 :0.90131.321.53.27 10PrRe1gfNuxxY0.41 0.1 11fgYx 适用范围：适用范围：介质为水的垂直或水平放置的圆管或环形管道介质为水的垂直或水平放置的圆管或环形管道2800/()Gkgm s质量流密度质量流密度 只在只在80来个数据的基础上拟合而来来个数据的基础上拟合而来分析的重要性分析的重要性3:09:26传热分析217.2 7.2 沸腾临界沸腾临界特点：特点：由于沸腾机理的变化引起的换热系数的由于沸腾机理的变化引起的换热系数的陡降，导致受热面的温度骤升陡降，导致受热面的温度骤升临界热流密度：临界热流密度：达到沸腾临界时的热流密度达到沸腾临界时

17、的热流密度 沸腾临界一般和发生沸腾临界一般和发生沸腾临界时的流型沸腾临界时的流型有着密有着密切的关系切的关系 沸腾临界根据流动工况的不同通常分为两类：沸腾临界根据流动工况的不同通常分为两类：u 过冷或低含汽量下的沸腾临界过冷或低含汽量下的沸腾临界u 高含汽量下的沸腾临界高含汽量下的沸腾临界3:09:26传热分析227.2 7.2 沸腾临界沸腾临界过冷或低含汽量下沸腾临界过冷或低含汽量下沸腾临界高含汽量下的沸腾临界高含汽量下的沸腾临界物理现物理现象象受热面上逸出的气泡数量太多，受热面上逸出的气泡数量太多，阻碍了液体的补充，在加热面上阻碍了液体的补充，在加热面上形成一个蒸汽隔热层，从而使传形成一个

18、蒸汽隔热层，从而使传热性能恶化，加热面的温度骤升热性能恶化，加热面的温度骤升在高含汽量下，当冷却剂的流在高含汽量下，当冷却剂的流型为环状流时，由于沸腾而产型为环状流时，由于沸腾而产生过分强烈的汽化，液体层被生过分强烈的汽化，液体层被破坏，从而导致的沸腾临界破坏，从而导致的沸腾临界物理特物理特点点当热流密度值超过临界热流密度当热流密度值超过临界热流密度值，此时温度会跃升到下一个稳值，此时温度会跃升到下一个稳定的膜态沸腾区所对应温度，温定的膜态沸腾区所对应温度，温度阶跃可达到近千摄氏度，足以度阶跃可达到近千摄氏度，足以导致加热面的迅速导致加热面的迅速“烧毁烧毁”，故，故也称为也称为快速烧毁快速烧毁

19、由于环状流工况具有快速流动由于环状流工况具有快速流动的蒸汽核心，具有较大的换热的蒸汽核心，具有较大的换热悉数，壁温升高速率要慢些，悉数，壁温升高速率要慢些，金属材料不会立即烧损，但当金属材料不会立即烧损，但当燃料元件包壳表面干湿交替变燃料元件包壳表面干湿交替变化时，包壳也会损坏，又称化时，包壳也会损坏，又称慢慢速烧毁速烧毁发生区发生区域域压水堆的堆芯通道压水堆的堆芯通道沸水堆的堆芯通道沸水堆的堆芯通道取决因取决因素素热流密度、系统压力、冷却剂流热流密度、系统压力、冷却剂流量、含汽率以及冷却剂流过堆芯量、含汽率以及冷却剂流过堆芯时的焓升等因素时的焓升等因素主要取决于流型参数，而与近主要取决于流型

20、参数，而与近壁面参数关系很小壁面参数关系很小237.3 典型的临界热流密度关系式典型的临界热流密度关系式l W-3公式公式轴向均匀加热的轴向均匀加热的W3公式：公式：6887,66,3.154 10(2.0226.238 10)(0.1722 1.43 10) exp(18.1775.987 10)0.2049(0.1484 1.5960.1729)1.037(1.1570.869)0 .26640.8357exp( 124)100.82580.341 10 (DNB eueeeeeefsf inqppp xGxx xxDhh2)(/)W m662(6.895 15.86) 10;0.15 0

21、.15;(4.9 24.5) 10/();0.00508 0.0178 ;eepPaxGkgmhDm 0.254 3.668 ;Lm公式适用范围：公式适用范围：加热长度加热长度,930/;f inhkJ kg24 轴向热流密度是非均匀分布的修正轴向热流密度是非均匀分布的修正轴向非均匀加热时的轴向非均匀加热时的W3公式为公式为,/DNB NDNB eusqqF,0,( )exp()()1 exp()DNB NzDNB NsDNB NDNB euCq zC zZ dzFq zCz4.3160.478(1)12.64(/10 )DNBxCG其中其中F如下计算：如下计算：其中其中C值为：值为：（ ）1

22、m25cF 冷壁效应的修正冷壁效应的修正考虑到冷壁效应，在考虑到冷壁效应，在W3公式中需要引入冷壁修正因子公式中需要引入冷壁修正因子 。0.053560.140.1073113.761.372exp(1.78)5.15()100.01796()12.610cuehGFRxpD (1)euhDRD20.3561.00.6144 10 ()()100.019TDgGGF式中：式中：定位架的修正定位架的修正考虑到定位架的存在，需要引入修正因子考虑到定位架的存在，需要引入修正因子 。gF26,/DNB eENB cqq若以若以 为横坐标，以该比值出现的频率为纵坐标作图为横坐标，以该比值出现的频率为纵坐

23、标作图,则可得到一个近似高斯分布的图形，如下图所示。则可得到一个近似高斯分布的图形，如下图所示。27,ENB cq,DNB eq23% 与与 的偏差，的偏差，95以上的数据是在以上的数据是在 以内，具有以内，具有95的可信度。的可信度。28l W2公式公式W-2公式在公式在 的部分如下：的部分如下：0ex ,6( )2216.51()41900.3080.00480.8252.3exp( 670) exp()0.41exp()1.120.54810fsf inBOff ingseefshhhhzhGzDD(J/kg)W-2公式的使用范围：公式的使用范围：62(2 12.5) 10/();kgm

24、h0.00254 0.0137 ;eDm0 0.9;exx,930/f inhkJ kg工作压力工作压力 p5.48818.914MPa；流体质量流密度流体质量流密度G当量直径当量直径通道长度通道长度 L0.2281.93m出口含气量出口含气量局部热流密度局部热流密度进口比焓进口比焓 饱和水比焓；饱和水比焓；62(0.315 5.670) 10/;qW m通道的通道的几何形几何形状：圆状：圆形、矩形、矩形和棒形和棒束；束；加热状加热状态：均态：均匀和非匀和非均匀的均匀的都适用。都适用。29ex下图是下图是W-3公式与公式与W-2公式中烧毁热流密度随含气量公式中烧毁热流密度随含气量 的变化的变化

25、示意图示意图30l B&W公式公式它是美国它是美国Babcock&Wilcox公司发表的计算临界热流密度的公式，公司发表的计算临界热流密度的公式，其适用的范围与现在的压水动力堆参数相近，公式为其适用的范围与现在的压水动力堆参数相近，公式为336,860.83 0.685(145.05/102)0.712 0.2073(145.05/102)63.154 10 (1.15516.02)0.37 10(0.1218 10)0.01346/ 12.71(0.6297/10 )DNB euepDNBfgpqDGGxhG,DNB euDNB NsqqF,0,1.025( )exp()1 exp()DNBlDNBDNB eusDNB NlocalDNBCq zC lz dzqFqqDl7.820.45760.206180.249(1)/()10DNBGCx（ ）2/W m31,DNB euq62(0.1546 0.8247) 10/();kgmh0.00508 0.0127 ;eDm0.030.20;exx 的适用范围为：的适用范围为：P=13.78916.547MPa;G=L=1.828m;定位架间距为定位架间距为0.03m。32,134663.154()()1010DN