反应堆热工水力

反应堆热工水力第1页，共60页，2023年，2月20日，星期一传热学导热对流辐射去26热量传递的方法：第2页，共60页，2023年，2月20日，星期一传热学导热传热是指:不同温度的物体或物体不同温度的各部分之间，分子动能的相互传递，即动能较大（温度较高）的分子把能量传给邻近的动能较小（温度较低）的分子，此外，还依靠自由电子运动而传递能量。例如燃料芯块内、包壳内、蒸汽发生器的传热管壁内的传热都是典型的导热传热。返回第3页，共60页，2023年，2月20日，星期一传热学热对流:随着流体不同部分的相对位移，把热量从一处带到另一处的现象，称为热对流，所以热对流与流体的流动有关。返回第4页，共60页，2023年，2月20日，星期一对流传热:实际上，常会遇到导热和热对流两种基本方式同时出现，而形成一种较复杂的热传递过程，称为对流传热或对流换热。如:流体在管道内流动，当流体和管道内壁温度不同时，它们之间必然会发生热量传递，紧贴管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。传热学第5页，共60页，2023年，2月20日，星期一传热学热辐射传热:物体通过电磁波传热的方式称做辐射，在常温下热辐射起的作用不大，在高温时则起重要作用。例如:在反应堆失水事故时堆芯裸露，燃料元件温度升得很高时，就要考虑热辐射的作用。返回第6页，共60页，2023年，2月20日，星期一燃料传递热量到冷却剂的过程燃料元件内部（包括燃料芯块、间隙和包壳）的导热包壳外表面与冷却剂之间的传热（主要是单相强迫对流传热），冷却剂的输热第7页，共60页，2023年，2月20日，星期一导热、传热导热传热：傅里叶定律描述：q＝－k▽Tq：

是单位时间内通过单位等温面积沿温度降低的方向所传递的热量，W/m2，它是一个向量，并称之为热流密度；k是材料的热导率，W/(m·K)，它是物性量；是温度梯度，K/m，它是一个向量。对流换热：牛顿冷却定律描述：q=h(Tc-Tf)式中q是包壳表面热流密度，W/m2；Tc是包壳外表面温度，K；Tf是冷却剂主流平均温度，K；h是传热系数，W/(m2·K)。返回第8页，共60页，2023年，2月20日，星期一单相水在圆管内做强迫对流定型湍流传热时，其热边界层的厚度（亦称流体膜）怎样影响其对流传热系数h？由牛顿冷却定律可得：在紧贴管壁附近，有一层厚度为△y的流体薄层作层流流动，如下图所示，流体的大部分径向温差降落在此层内，称此层为热边界层。在热边界层内，垂直于壁面方向所传递的热量主要靠流体的导热，因此有将式(2)代入式(1)得：由式(3)可见，对流传热系数h与流体的热导率kf成正比，h与热边界厚度成反比。而取决于流体的运动，一般说来，水的流速越高，就越小（越薄），则h就越大。TfTwqmfyΔy传热学第9页，共60页，2023年，2月20日，星期一有哪些因素影响换热系数？流体的性质（密度、比热、热导率、粘性）；流体运动速度和流动原因（强迫流动或自然对流）；流体流动的性质（层流或湍流）；传热壁的形状、尺寸及其相对于流体流动的方位；流体在换热过程中状态的变化（单相、沸腾等）。第10页，共60页，2023年，2月20日，星期一

例：冷却剂流过发热平板并处于稳定传热状态。现已知壁面温度520℃，冷却剂主流温度210℃，冷却剂的对流换热系数为160w/m2℃,不考滤沿板面方向的热传输辐射热，试求平板传入冷却剂的热流密度q〃。（结果注明单位，写出计算式）答案：

q〃=h(tw—tf)=160（520—210）

=160×310=49600（w/m2）传热学第11页，共60页，2023年，2月20日，星期一输热输热：稳态热能守恒方程为：

Pth，t=mt(hout-hin)(1)

当冷却剂都为单相流时，式(1)也可写成

Pth，t=mtCp(Tout-Tin)(2)式中，Pth，t是反应堆输出的总热功率，W；mt是进入反应堆的冷却剂的总质量流量，kg/s；hout和hin是反应堆出口和进口处的冷却剂比焓，J/kg；Tout和Tin是反应堆出口和进口处的冷却剂温度，K；Cp是反应堆内冷却剂平均定压比热容，J/(kg·K)。返回第12页，共60页，2023年，2月20日，星期一设有一段长为ΔZ、直径为dcs的燃料元件棒，其燃料芯块的直径为du，如果该小段燃料芯块的体积释热率qv,f是均匀的，试写出在稳态工况下qv,f、线功率ql、元件表面热流密度q和该段热功率Pth,ΔZ之间的关系传热学体积释热率qv：单位燃料体积所发出的热量；W/m3或W/cm3；表面热流密度q：流过单位面积的热量；W/m2或W/cm2线功率密度ql：单位燃料长度所发出的热量；W/m或W/cm；第13页，共60页，2023年，2月20日，星期一例：某压水堆燃料元件热点处的燃料芯块的体积释热率ｑv=7.8×108W/m3,热点对应的冷却剂温度Tf=304℃，燃料元件包壳外表面的对流传热系数h=4.1×104W/（m2·℃），已知燃料芯块的直径du=8.4mm元件包壳外径dc=9.6mm，试求该热点处的包壳外表面温度Tc？

解：由热平衡得：传热学第14页，共60页，2023年，2月20日，星期一传热学总热阻：R总＝R1+R2+R3Q=qlL=(T0-Tf)/R总1、对圆柱形有内热源芯块：热阻：对有内热源的平板形燃料芯块：对无内热源的平板形燃料芯块：2、对无内热源圆筒壁：热阻：3、圆柱表面对流：热阻：以上公式均为解微分方程得到的为平板燃料芯块的半厚度第15页，共60页，2023年，2月20日，星期一

例：设燃料芯块半径ru=4.1mm，包壳外半径rc=4.7mm，燃料芯块的热导率Ku=2W/（m·℃），包壳热导率Kc=5.4W/（m·℃）[Kc已包括了间隙热阻的影响]。已知燃料元件热点处所对应的冷却剂温度Tf=318℃。如果燃料中心线上的温度To限定为2200℃（即不应超过2200℃），向该热点处最大可能的线功率密度ql等于多少？根据棒状燃料元件的传热公式：

最大可能的线功率密度是指当对流传热系数时，因此得：()()hrKcrrlKuTTqcucnfl1/2120++-pq=传热学理论最大释热率：当燃料元件包壳外表面与冷却剂之间的对流传热系数为无限大（即h→∞）时，燃料元件所能达到的释热率。第16页，共60页，2023年，2月20日，星期一层流、湍流什么是流体的层流和湍流流动？层流：流体中各质点均沿主流方向平行流动时叫层流流动；湍流：流体质点在沿主流方向运动的同时还存在横向速度流动，即流体分子作无规则的湍动，叫作湍流流动。第17页，共60页，2023年，2月20日，星期一层流、湍流请定性地画出管内定型层流的速度分布。请定性地画出管内定型湍流流的速度分布。UrUmaxU=0管内层流UrUmaxU=0管内湍流第18页，共60页，2023年，2月20日，星期一沸腾泡核沸腾是在加热表面上产生蒸汽泡的传热。在较低热流密度下，产生的汽泡数量较少，当热流密度较高时，产生的汽泡数量很多，并有大量的汽泡脱离加热面，形成蒸汽柱。

泡核沸腾的特点是具有很高的传热系数，壁温升高不多，而热流密度却增加很大。泡核沸腾可分欠热泡核沸腾和饱和泡核沸腾。第19页，共60页，2023年，2月20日，星期一沸腾传热泡核沸腾传热的主要机理:汽-液置换传热微对流汽化潜热传热第20页，共60页，2023年，2月20日，星期一沸腾传热－池式沸腾A点前：单相液体自然对流传热；AB：泡核沸腾和自然对流混合传热工况；BC：充分发展泡核沸腾传热工况；

T（温度）C：临界热流密度工况；CD：过渡沸腾传热工况；DEF：稳定膜态沸腾传热ABEDCF池式沸腾q－T曲线过渡膜态沸腾：汽和液交替覆盖部分加热表面，表现出瞬态变化的传热特性（不稳定），并且随壁面过热度的升高，所传递的热流密度q下降。大容积沸腾传热：浸没在大容积静止液体内的受热面产生的沸腾，又叫池式沸腾沸腾一般可分为两种基本型式：大容积沸腾和流动沸腾第21页，共60页，2023年，2月20日，星期一为什么在高热流密度下（例如压水堆情况）会发生DNB(偏离泡核沸腾：Departurefromnucleateboiling)？在高热流密度下，泡核沸腾区产生的汽泡数量很多，当汽泡产生的频率高到在汽泡脱离壁面之前就形成了蒸汽膜覆盖在壁面上，使液体不能接触壁面，从而使传热恶化造成壁面温度急剧升高，就发生DNB，随后传热变成膜态沸腾工况。第22页，共60页，2023年，2月20日，星期一沸腾传热－流动沸腾

问：设有一根全长均匀加热的垂直管段，以低热流密度加热此管，管底以这样的速度供给欠热液体，使得液体在管全长上能够蒸发完，试标出从管底进口至管出口可能出现的流动型态？单相蒸汽滴状流有液滴夹带的环状流环状流低热流密度时对流沸腾的流动型态(团状流)泡状流单相液体流动型态m弹状流(团状流)答：如图，流型为：单相液体，泡状流，弹状流（或称团状流），环状流，有液滴夹带的环状流，滴状流（或称雾状流），单相蒸汽。第23页，共60页，2023年，2月20日，星期一沸腾传热－流动沸腾单相蒸汽对流缺液区传热通过液膜的强制对流蒸发传热饱和泡核沸腾低热流密度时对流沸腾的传热工况(团状流)欠热泡核沸腾单相液体对流传热工况m蒸干CHF答：传热工况为：向液体的单相对流传热欠热饱核沸腾，饱和泡核沸腾，通过液膜的强制对流蒸发传热，蒸干（或称干涸）或缺液区传热，向蒸汽的单相对流传热问：设有一根全长均匀加热的垂直管段，以低热流密度加热此管，管底以这样的速度供给欠热液体，使得液体在管全长上能够蒸发完，试标出从管底进口至管出口可能出现的传热工况？第24页，共60页，2023年，2月20日，星期一沸腾传热－流动沸腾设有一根全长均匀加热的垂直管段，以高热流密度加热此管，底部以这样的速度供给欠热液体，使得液体在管全长上能够蒸发完，试标出从管底进口至管出口可能出现的流动型态？单相蒸汽滴状流反环状流泡状流高热流密度时对流沸腾的流动型态(团状流)单相液体流动型态m答：如图，流型为：单相液体，泡状流，反环状流（汽膜附壁），滴状流，单相蒸汽。第25页，共60页，2023年，2月20日，星期一沸腾传热－流动沸腾设有一根全长均匀加热的垂直管段，以高热流密度加热此管，底部以这样的速度供给欠热液体，使得液体在管全长上能够蒸发完，试标出从管底进口至管出口可能出现的传热工况？单相蒸汽对流缺液区传热欠热或饱和漠态沸腾高热流密度时对流沸腾的传热工况(团状流)单相液体对流传热工况mCHF欠热或饱和泡核沸腾DNB答：传热工况为：单相液体对流，欠热（在高流量下）或饱和（较低流量下）泡核沸腾，欠热或饱和膜态沸腾，缺液区传热，单相蒸汽对流传热。第26页，共60页，2023年，2月20日，星期一第27页，共60页，2023年，2月20日，星期一包壳的导热燃料棒的传热与冷却第28页，共60页，2023年，2月20日，星期一沿燃料元件轴向的冷却剂温度分布tf(Z)=+tλ

Q(Z)=(1)

q′(Z)=q′(o)cos，代入(1)式得：

tf(Z)=tλ+

(sin

+sin

)(2)

以Z=代入(2)式，以整理后得：

tf(Z)=tλ++(sin

)

用不同的Z值代入上式，就可得到不同高度的冷却剂温度，其温度分布如图所示。例：已知堆芯某通道燃料元件轴向功率分布函数为q′（Z）=q′（O）cos

，冷却剂入口温度为tλ，冷却剂流量为W，比热Cp，列出高度为Z处的冷却剂温度tf（Z），并画出温度沿高度的分布曲线。其中，Q（z）为z点以前从包壳传给冷却剂的总热量第29页，共60页，2023年，2月20日，星期一燃料棒的传热与冷却包壳外表面温度沿轴向的分布包壳内表面的温度依次类推：燃料芯块表面温度气隙导热模型接触导热模型芯块中心温度h（z）为对流换热系数

q1（z）按余弦分布

将上页式代入

代入上式中

hg为接触导热的等效传热系数[≈5700W/（m2˙℃）]注意：对芯块导热、气隙导热、包壳导热及包壳表面对流换热来讲，他们的相同的物理量为ql，即线功率密度。第30页，共60页，2023年，2月20日，星期一第31页，共60页，2023年，2月20日，星期一自然循环

自然循环：在一个回路系统内，存在热阱和热源，且热阱和热源存在高度差，依靠冷段下降流和热段上升流中流体的密度差所产生的驱动压头来实现的流动循环叫自然循环。建立自然循环流动必须具备的条件是什么？系统中必须有热阱和热源，热阱与热源之间须有高度差；系统冷段和热段中的流体密度必须存在密度差；系统必须在重力场内。热源热阱ρhHρC第32页，共60页，2023年，2月20日，星期一自然循环维持一回路的自然循环对压水堆核电站的安全运行有什么作用？当核电站发生厂用电丧失事故后，RCP主泵全停，失去强迫循环，这时维持自然循环对堆芯的衰变热导出具有重要意义，它可以堆芯为热源，以蒸汽发生器为冷源，进行余热导出，防止堆芯过热烧毁。影响压水堆核电站自然循环的因素有哪些？

(1)冷源与热源之间的温差，温差越大，自然循环能力越强；(2)冷源与热源之间的位差（高度差），位差越大，自然循环能力越强；(3)管道的流阻，流阻越大，自然循环能力越小；(4)冷却剂中的含汽率会严重影响自然循环的建立和维持。含汽率的作用有正有负，堆芯表面局部沸腾有助于自然循环，但反应堆上腔积汽会增加流阻不利于自然循环。第33页，共60页，2023年，2月20日，星期一自然循环什么原因会使一回路的自然循环中断？自然循环中断后一回路还能不能继续通过蒸汽发生器向二回路排热？

如果堆芯中产生了汽体，并积存在压力容器上腔室，使热段管口裸露出水面，或者在蒸汽发生器倒U形管顶部积存了汽体，则自然循环会中断，自然循环中断后，如果压力容器中有较大的汽空间，则热段管道及U形管上升段中的水靠自重返回压力容器。此后堆芯产生的蒸汽到达蒸汽发生器管子中进行冷凝，凝结的水又返回堆芯，如此循环可以把热量传到二次侧。这种循环传热方式称作回流冷凝。第34页，共60页，2023年，2月20日，星期一自然循环在自然循环时，为什么蒸汽发生器二次侧冷却能力过强反而会使一回路的自然循环中断？答案：如果二次侧冷却能力过强，会使一次侧的冷却剂在蒸汽发生器倒U形管上升段很快降温，因而在U形管的上升段和下降管中冷却剂的平均密度差不大，使自然循环的流速降低，自然循环流速降低的结果，会使压力壳顶盖下部出现汽体，使自然循环中断。用什么方法可以去掉压力壳顶盖下的汽腔，恢复自然循环？答案：可以设法使系统升压，汽腔中的蒸汽就会凝结，凝结的汽空间靠稳压器的水填充，或靠补水填充，可恢复自然循环。第35页，共60页，2023年，2月20日，星期一空泡份额：在流动系统中，空泡份额为所考察的区段内的蒸汽体积与汽-水混合物总体积之比。空泡份额常记为α。含汽量（也称干度）：汽—水混合物的总质量流量中汽相质量所占的份额。在流动系统中，含汽量的定义有两种，一种是平衡态含汽量，另一种是真实含汽量。0.20.40.50.8012345678910空泡份额在临界点(P=22.1MPa)时，含汽量=空泡份额含汽量X22.1MPa13.5MPa6MPa22.1MPa5%Pn15%Pn30%Pn50%Pn100%Pn120%Pn空泡份额、含汽量（也称干度）第36页，共60页，2023年，2月20日，星期一平衡态含汽量是在两相介质处于热力学平衡态的含汽量，即：Xe=(H-Hf)/Hfg

式中，Xe是平衡态含汽量，H是两相混合物的焓，Hf是液体的饱和焓，Hfg是汽化潜热。含汽量Xe若为负值，意味着液体是欠热的；含汽量Xe大于1，则说明该流体为过热蒸汽。

平衡态含汽量第37页，共60页，2023年，2月20日，星期一真实含汽量是汽液两相流处于热力学非平衡态，即两相的温度不相等，它出现在欠热泡核沸腾区和干涸后的滴状流区域。它反映了两相流的总流量中汽相流量所占的真实份额，用经x表示；空泡份额、含汽量（也称干度）第38页，共60页，2023年，2月20日，星期一空泡份额、含汽量（也称干度）例：180℃的给水进入蒸汽发生器被加热成260℃湿度为4％的蒸汽，求产生lkg这样的湿蒸汽所需要的热量。已知：180℃的给水焓为h=763.1KJ／kg，260℃时饱和水焓为h‘=1134.9KJ／kg,饱和汽焓为h“=2796.4KJ／kg,汽化潜热为γ=1661.5KJ／kg。

260℃蒸汽焓为：在蒸汽发生器中需加入的热量为第39页，共60页，2023年，2月20日，星期一流体力学写出一回路系统中的压力平衡？式中，是主泵驱动压头（泵扬程），（如果是自然循环则此项为0）是一回路系统总压降；是摩擦压降，是形阻压降，是提升压降（重力压降）；（如果是自然循环，则此项为动力项）是加速度压降；脚标i表示对一回路系统分段求和。第40页，共60页，2023年，2月20日，星期一柏努利方程是单位质量流体的压力能，是单位质量流体的位能，是单位质量流体的动能，以上三项统称机械能，ΔE是流体从截面1流到截面2单位质量流体损失的机械能。形阻压降ΔPC用下式表达：，式中ζ称为形阻系数。摩擦压降ΔPf用下式表达：，式中λ称为形阻系数。D22LUPfl=D连续性方程

第41页，共60页，2023年，2月20日，星期一例：设流量W=4.0Kg/s的液体流过一垂直安装的光滑渐扩管，已知该渐扩管的截面1的平均压力P1=1×105Pa，截面1和2的流通面积分别为A1=0.7×10-3m2，A2=2×10-3m2。截面2在截面1的上方高度差为4m,如果忽略该渐扩管的磨擦和形阻压头损失，设液体密度ρ=990Kg/m3,试求截面2上的平均压力P2=?

解：将柏努利方程用于此题：按题设，磨擦和形阻压降为0，即ρ△E=0,而△Z=4m所以得：(A)根据流体的连续性方程为有:m=ρu1A1=ρu2A2(B)

将方程(B)代入方程(A)得:

=7.487×104(Pa)

A2P2A1P1流向柏努利方程第42页，共60页，2023年，2月20日，星期一水的物性参数AA′—饱和汽线； BB′—等干度线； CC′—等压线； DD′—等温线； MM′—等熵线； NN′—等焓线

F点：过热蒸汽； 第43页，共60页，2023年，2月20日，星期一第44页，共60页，2023年，2月20日，星期一AA′—饱和汽线； BB′—等干度线； CC′—等压线； DD′—等温线； MM′—等熵线； NN′—等焓线

F点：过热蒸汽；

第45页，共60页，2023年，2月20日，星期一第46页，共60页，2023年，2月20日，星期一在压力温度座标上标出的饱和压力和饱和温度的关系曲线就是饱和曲线。由于沸腾温度随着压力的增加而升高，因此沸腾水的比容也随压力的增加而增大，沸腾所产生的水蒸汽的体积将减小，水及其蒸汽的比容将彼此接近。这个饱和曲线的停止点称为临界点，此时饱和水和饱和蒸汽不分，处于同一状态，该点的参数称为临界参数。当温度超过临界温度时，不论压力多大，再也不能使蒸汽液化。水的临界温度为374℃，水的临界压力为22MPa。饱和曲线将物态分为两个区，左侧为液态区，右侧为气态区，如上图所示。饱和曲线上的点处于两相（液相与气相）热力学平衡态。

水的物性参数第47页，共60页，2023年，2月20日，星期一焓、熵的概念焓h＝u＋pv；比焓是单位工质1kg的焓值。焓增△h＝△u＋△pv焓是一个状态量，两状态点之间不管过程如何，其焓的变化是一样的。熵也是一个状态参数，ds＝dq/T；dq为1kg工质自外界吸收的热量，T是传热时工质的绝对温度，ds即此微元过程中1kg工质熵的变化。故绝热过程熵是不变的，等温吸热过程熵是增加的，等温放热过程的熵是减少的。第48页，共60页，2023年，2月20日，星期一卡诺、朗肯循环热力学第二定律：热不可能自发的、不付任何代价的、从低温物体传至高温物体。卡诺循环朗肯循环卡诺循环效率：BC—等温吸热过程；CD—绝热膨胀过程；DA—等温放热过程；AB—绝热压缩过程。

1—2′：等压预热过程；2′—2：等温蒸发过程；2—3：绝热膨胀过程；3—4：等温放热过程；4—1：绝热压缩过程。第49页，共60页，2023年，2月20日，星期一思考：卡诺循环与理想朗肯循环的主要区别是什么？为什么在当今压水堆核电站不采用水蒸气的卡诺循环而用朗肯循环？卡诺循环等温放热过程的终点仍为汽水混合物，而朗肯循环等温放热过程的终点蒸汽全部凝结成水。卡诺循环在热源的吸热过程是等温的，而朗肯循环在热源的吸热过程是等压的。1、虽然水蒸气的卡诺循环在理论上是可行的，但是考虑到热力设备的工作条件，实际上并不现实。因为在湿蒸气条件下，对汽机和压缩机的要求过高，其工作条件很苛刻，流动情况不完善，热力设备的效率低下。要将低压的大容积湿蒸汽进行压缩，这样的压缩机耗资巨大且需消耗很多的能量。2、在朗肯循环中，将低压湿蒸汽冷凝成水，然后用泵抽送回到蒸汽发生器，使这一难题得以解决。第50页，共60页，2023年，2月20日，星期一在停堆之后，燃料元件表面热流密度下降的速度是否与燃料剩余释热的下降速度相同？不相同，释热率下降快，热流密度下降慢。这是因为在停堆后，原来温度很高的燃料芯块降温，要释放出许多热量来，元件表面传出的热量是燃料剩余释热和芯块降温放出的热量之和，如下图所示。

剩余释热第51页，共60页，2023年，2月20日，星期一燃耗燃耗：单位质量的金属铀所产生的总能量（单位为MWd/Tu)

例：反应堆的UO2

装料为70吨，以热功率1985MW稳定运行320天停堆换料，假定运行期间功率不均匀因子为1.80，且热点位置保持不变。试以MWD/tu为单位计算该循环的平均燃耗和最高燃耗。

堆芯内U装量=(tu)(MWD/tu)(MWD/tu)第52页，共60页，2023年，2月20日，星期一DNB&DNBR临界热流密度比（烧毁比）例：如果堆芯某通道中热流密度沿轴向的分布q（Z）为正弦函数，其最小DNBR发生在什么地方？由于冷却剂的焓h沿流道不断增加，所以qDNB不断下降，在堆芯高度一半以上，靠近堆芯出口的某个位置处q(Z″)最接近qDNB(Z″)，DNBR达到最小值。第53页，共60页，2023年，2月20日，星期一DNB&DNBR影响DNB时的临界热流密度大小的因素有哪些？影响趋势如何？(1)流量增大，使qDNB