核电站320教材 传热学基础知识

1、传热学基础知识1.2.1传热的基本方式热量总是从高温物体传到低温物体，传热学的任务就是研究热传递的规律。热传递的现象很多，但可归纳成三种基本的传热方式，即导热、对流和热辐射。常用以下两个物理量来表征热传递的强弱：热流量Q单位时间内通过某一传热面的热量，W/s；热流密度q单位时间内通过单位面积的热量，W/(m2s)。1导热热量从物体中温度较高的部分传递到温度较低的部分，或者从温度较高的物体传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程称为导热(又称热传导)。从微观角度来看，气体、液体、固体的导热机理是有所不同的。气体中，导热是气体分子不规则热运动时互相碰撞的结果，气体的温度较高，其分子的运动动能越大，

2、不同能量水平的分子相互碰撞的结果，使热量从高温处传到低温处；液体或固体是通过它们的微观粒子在其平衡位置附近的振动而形成弹性波来传递热能；金属则主要依靠自由电子的扩散作用产生热能传递。传热学研究的范围只是以宏观方法去研究导热过程，通常只使用宏观量把导热过程与物体的温度分布联系起来。分析一维导热过程的基本公式是傅里叶定律。考察如图1.5所示的平板，假设两个表面均维持均匀温度，对于x方向上任意位置一个厚度为dx的微元层，根据傅里叶定律，单位时间通过该层的导热热量与其温度变化率及平板面积F成正比，即：Q=JF也dx式中，尢为比例系数，称为导热系数(也称热导率)单位W/(mC)。负号表示热量传递的方向同

3、温度升高的方向相反。图1.5通过平板的导热假设尢不随温度变化，将上式积分，可得:式中5平板厚度，m；At平板两边的温度差，C。该式又可表示为：把它与电学上的欧姆定律I=U相比，可以看出它们在形式上是类似的：传热量Q对应R于电流强度I,温差At对应于电压U。于是旦对应于电阻R,它表示了热量传递路径的阻九F力，称为热阻，记为Rt。与串联电路的总电阻计算方法相仿，对于几个环节构成的传热过程(如多层平板导热)，总的热阻等于各分热阻之和。导热系数九是表征导热性能优劣的参数,不同材料的导热系数值不同，即使是同一材料，导热系数值亦随温度而变。例如纯铜的导热系数为395W/(mC)；碳钢为36.7W/(mC)

4、；空气为0.0259W/(mC)；水为0.0559W/(mC)。一般而言，九XX。金属液气对于更复杂的情况，例如有内热源的三维导热，可以通过分析物体内部某个微元体的热量平衡推导出普遍适用的导热微分方程。稳态工况下导热微分方程的一般形式为：V-XVT+q=0式中为释热率，W/m3。公式左端第一项表示从微元体表面传导出去的热量(差一负号)，第二项表示微元体内产生的热量，因此该式实际上体现了能量守衡的关系。导热微分方程是求解物体内温度分布的主要工具。2对流和对流换热对流是指流体各部分之间发生相对位移，从而把热量从一处带到另一处的热传递现象。对流仅能发生在流体中，而且必然伴随有导热现象。工程上常遇到的

5、不是单纯的对流方式，而是流体流过另一固体表面时对流和导热联合起作用的热量传递，称为对流换热。本节重点讨论对流换热。流体流过固体表面，当流体和固体温度不同时，它们之间必然会发生热量传递。紧贴固体表壁处总有一薄层流体作层流流动，其中垂直于壁面的方向上仅有分子能量的传递，即只存在导热，而层流薄层以外的区域，热量的传递主要依靠对流。对流换热的基本计算式为牛顿冷却公式：Q=aF(tt)wf式中F与流体接触的壁面面积，m2；a对流换热系数，W/(m2C)；t壁面温度，C；Wf流体平均温度，c。由对流换热公式可导出对流热阻R=1。taF对流换热有多种类型，见表1.3。表1.3对流换热的类型单相流体对流传热两

6、相流体对流传热沸腾冷凝泡核沸腾滴状凝结强迫对流传热池式沸腾过渡沸腾膜状凝结自然对流传热膜态沸腾泡核沸腾过渡沸腾流动沸腾膜态沸腾通过液膜的强迫对流缺液区传热求解对流换热问题，关键是求出对流换热系数a，而它与许多因素有关，一般只能通过实验得出各种特定条件下适用的计算表达式。影响对流换热的因素有五个方面：流体流动的原因流动分为强迫流动和自然流动两类。凡受外力的推动(如鼓风机或泵)而引起的流体流动，称为强迫流动；原来静止的流体，由于内部温度不平衡，因而流体各部分之间产生密度差，由此引起的流动称为自然流动。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。流体的流态流体的流态分层流和紊

7、流。由于两种流态的机理不同，热传递的规律也随之而异。层流时，热传递主要依靠互不相干的流层之间的导热；紊流时，除紧贴壁面的层流底层外，流体沿壁面法线方向产生对流作用而使热传递增强。流体有无相变发生在某些换热过程中，参与换热的液体因受热(或放热)而发生沸腾(或凝结)。流体有相变的换热过程与无相变的对流换热过程有很大差别。在相变过程中，流体温度基本保持相应压力下的饱和温度而不变，这时液体与壁面间的换热量等于流体吸收或放出的潜热，同时汽液两相的流动情况也不同于单相流动，所以有相变时与无相变时的换热条件大不一样。对同一种液体，有相变时的换热强度要大得多。流体的物理性质不同流体如空气、水和油等，它们的物理

8、性质不同，例如在温度和速度完全相同的水和空气中，物体被加热或冷却的快慢速度相差甚大。这主要是因为水和空气的导热系瓠相差悬殊，以致边界层中的导热热阻不同，从而影响了换热系数a。此外，流体的动力粘却和密度P通过Re数而反映出流体的流动情况是层流还是紊流，进而影响换热系数a。又如流体的比热Cp的大小能确定流体吸放或放热后的温度变化,从而与边界层中的温度梯度有关，当然对换热强度也有影响。换热面的几何因素它包括换热面的形状、大小以及换热面在流体中的相对位置。换热面的形状和大小不同，就会影响流体在换热面附近的流动情况。例如，流体横向绕流圆柱体，尾部产生漩涡现象，流动情况与管内流动就完全不同，这些因素都会影

9、响对流换热规律。3热辐射一切物体都有辐射粒子(光子)的能力，辐射粒子具有的能量称为辐射能。物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象就是热辐射。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。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递，这就是辐射换热。当物体与周围环境处于热平衡时，辐射换热量等于零，但这是动态平衡，辐射与吸收过程仍在不停地进行。12热辐射可以在真空中传播，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。当两个物体被真空隔开时，例如地球与太阳之间，导热

10、与对流都不会发生，只能进行辐射换热，这是热辐射的一个特点。另一个特点是辐射换热不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转化，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。实验表明，物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。一种称做绝对黑体(简称黑体)的理想物体在同温度的物体中具有最大的辐射本领和吸收本领。黑体在单位时间内向所有方向辐射出的热量称为辐射力E,它由斯蒂芬一玻尔兹曼定律计算：E=O0FT4式中F物体的辐射表面积，m2；Q0黑体辐射常数，也称斯蒂芬一玻尔兹曼常数，其值为5.67X-8W/(m2k4)；T表面的绝对温度，K。实际物体的辐射能力

11、小于同温度下黑体的值，其计算可以采用斯蒂芬玻尔兹曼定律的经验修正形式：E=sq0FT4式中，称为该物体的黑度(又称发射率)，与物体的种类及表面状态有关，其值总是小于1。在压水堆稳态工况下，堆内的温度不是很高，辐射换热量相对于导热和对流小得多，一般可以忽略不计。但在事故工况下，堆内可达到相当高的温度，就要考虑热辐射的作用了。4传热过程在换热设备中，需要交换热量的冷、热流体一般分别处于固体壁面的两侧，热量由壁面一侧的流体穿过壁面传到另一侧的流体中，这个过程称为传热过程。传热过程包括三个串联的环节。第一个环节是高温流体传热给壁面，属对流换热；第二个环节是热量从固体的一侧传到另一侧，属导热；第三个环节

12、是另一壁面传热给低温流体，属对流换热。传热过程的基本计算公式为：q=kAt(1-1)式中，k为传热系数，W/(mC)；At=f，即两侧流体的温差。流体的温度比较容易测量，因此求解上式的关键在于计算k。下面以平板的传热过程为例分析如何推导k。图1.6平板传热过程方法一由各环节的传热方程式推导。ttf1w1ttw1w2ttw2f2a三式相加得：tf1-1f2(151)二q(+)aka12把它与式(1-1)比较，可得：115_1+aka12方法二利用热阻的概念。传热过程的三个环节相当于三个串联的热阻1/ai5/k1/a2151+-aka12根据欧姆定律，总热阻为又从式(1-1)可知：所以1151+-

13、aka121.2.2单相流体的对流换热在核电站的许多系统，如反应堆堆芯的燃料棒束通道中以及蒸汽发生器或凝汽器的传热管内，水与壁面之间的传热都是单相流体的强迫对流换热。对于管内单相流动的情况，对流换热系数用下式计算：ka=cReo.8Prc21De2e式中a对流换热系数，W/(m2C)k流体的热导率，W/(mC).D流道的当量直径，其中D二4A,A为流道截面积，U为湿润周界；URe雷诺数，Re=VD,无因次；V流速，m/sP流体密度，kg/m3卩流体动力粘度，kg/(ms)Pr普朗特数，Pr二学，无因次；kCp流体的定压比热，J/(kg.C)oC和c2为常数。对于管内流体与壁面的传热，c1=0.

14、023，c2=0.4o在反应堆堆芯中，燃料棒成栅格排列，每四根燃料棒构成一个棒束栅元，冷却剂在其中l1流动，形成一个水力流道(如图1.7)。对于这种情况，c=0.042-0.024,c二-，其中1d23l为燃料棒中心距，d为燃料棒外径。图1.7棒束栅元从图中可见，流道的截面积等于正方形面积减去一根燃料棒的截面积，湿润周界为四条1/4燃料棒周长之和，即等于一根燃料棒的周长。大亚湾核电站燃料棒外径d=9.5mm，棒中心距为l=12.6mm，因此一个棒束栅元的当量直径为l2-曲412.62-兀52D二二二一二11.78mmeU兀d兀x9.51.2.3沸腾传热沸腾是一种重要的传热机理，它存在于蒸汽发生

15、器、稳压器的电加热器表面等传热设备之中。在正常运行时，堆芯局部也存在欠热沸腾。在反应堆冷却剂系统出现破口而突然卸压时，堆芯中会出现复杂的沸腾工况。沸腾可以分为池式沸腾和流动沸腾。池式沸腾是指浸没在大容积液体内的传热面上产生的沸腾，流动沸腾是液体流过传热面时产生的沸腾。在堆芯和蒸汽发生器传热管二次侧出现的都是流动沸腾，稳压器中则是池式沸腾。下面主要讨论流动沸腾工况。图1.8表示竖直放置的均匀加热通道中流体的流动结构和相关的传热工况，其中图(a)是热流密度较小的情况，图(b)图1.8流动沸腾的传热区域1热流密度较低时的沸腾工况此时，流道内相继会出现下列传热工况：单相液体强迫对流传热。这时液温度低于

16、饱和温度。泡核沸腾。泡核沸腾又可分成两种情况：欠热泡核沸腾：此时液体的主流温度还没有达到饱和温度，但壁面已经超过饱和温度，在壁面上产生了汽泡。汽泡脱离壁面后进入主流区，与欠热水相遇后冷凝，所以汽泡主要存在于壁面附近。饱和泡核沸腾：发生在液体主流温度已经达到饱和温度的情况下，主流中存在分立的汽泡。在泡核沸腾工况下，壁面上的汽泡不断产生又不断脱离，对边界层产生很大的扰动，对传热有明显的改善作用。通过液膜的强迫对流蒸发。这时两相流中的含汽率已经相当大，两相流呈环状流动结构，即液体薄层沿壁面流动，形成一个环状液膜，中间是汽芯。热量传到液膜与汽芯的交界面，液体的蒸发将热量带走。缺液区的传热。液体呈滴状混

17、在蒸汽中一起流动。由于此时液膜已经烧干，加热表面与蒸汽相接触，与液膜烧干前相比，传热系数大幅度降低，壁温突然升高。但因为液滴对传热有增强作用，所以传热系数仍高于下一阶段单相蒸汽时的传热。液膜烧干时的工况，即强迫对流蒸发到缺液区传热的转折点，称为“干涸”。单相蒸汽的对流传热。传热系数降低，壁温将进一步升高。2热流密度较高时的沸腾工况当加热壁面的热流密度提高时，泡核沸腾阶段壁面上产生汽泡的数量增多。当热流密度增加到一定程度时，产生的汽泡在离开壁之前就连成一片，形成一个汽膜。汽膜覆盖了传热表面，形成很大的热阻，传热系数陡然降低，壁面热量不能被及时传出，引起壁温急剧上升。传热表面被汽膜覆盖时的沸腾工况

18、称为膜态沸腾，由泡核沸腾转变成膜态沸腾现象称为偏离泡核沸腾，记作DNB。在膜态沸腾之后，接下去是缺液区的传热和单相蒸汽的传热。3沸腾危机由于沸腾机理的变化引起传热系数陡降，导致传热壁面温度骤然升高的现象称为沸腾危机，发生沸腾危机时的热流密度称为临界热流密度。如上所述，在流动沸腾中有两种沸腾危机，一种是偏离泡核沸腾(DNB),其机理是泡核沸腾在热流密度足够大时突然转变成膜态沸腾，它发生在含汽率很低或者欠热的液体中；另一种沸腾危机是干涸(Dryout)，其机理是环状流的液膜由于不断蒸发而破裂甚至蒸干，传热面由于失去液膜覆盖而传热性能变差，这种沸腾危机发生在含汽率很高的环状两相流中。在堆芯中传热恶化

19、的危险主要来自偏离泡核沸腾，但在一回路大破口失水事故中的堆芯裸露阶段，也有可能出现干涸。由于下列两种原因，堆芯中发生偏离泡核沸腾的后果比发生干涸时严重很多：发生偏离泡核沸腾的必要条件是热流密度特别大，因而一旦传热能力下降时，传热面上热量的积聚和温度的升高将是非常迅猛的。而干涸的出现主要决定于流量和含汽率，通常热流密度并不很高。在从泡核沸腾转变成膜态沸腾时，传热系数降低的幅度很大，这就更加剧了传热面(例如包壳)温度上升的过程。而干涸发生后，蒸汽的流速通常很高，而且其中还夹带着液滴，所以发生干涸时传热系数降低的幅度较小。4临界热流密度燃料元件表面如果出现了偏离泡核沸腾工况，包壳温度上升很快，这时锆合金的机械特性、化学特性都急剧恶化，致使燃料元件发生破损，所以有时把这种工况称做“烧毁”。发生偏离泡核沸腾时的临界热流密度记作qDNB。