3.3 沸腾传热

1、沸腾传热为什么要研究沸腾换热n前面研究了单相流体和固体壁面间的对流换热在反应堆热工计算中，还会遇到液体沸腾或蒸汽凝结等有相变的对流换热，在动力堆热工系统中，蒸汽发生器中必然遇到沸腾时的对流换热。在压水堆堆芯中，为了提高堆的热功率，允许燃料元件包壳外表面的温度超过水的饱和温度，即在活性区内存在着不同程度上的过冷沸腾。在正常运行状态下一般允许堆芯内冷却剂发生泡核沸腾,即在堆芯内平均通道的出口段允许出现欠热泡核沸腾，在最热通道的出口段甚至还允许出现饱和泡核沸腾。n在水冷核反应堆的某些事故规程中,堆芯内燃料元件外表面可能经历欠热泡核沸腾、饱和泡核沸腾、强迫对流蒸发、临界对流蒸发、临界热流密度、过渡沸腾

2、和膜态沸腾等一系列沸腾传热工况。n两种基本的沸腾型式：大容积沸腾和流动沸腾两个定义：壁面过热度和欠热度n壁面过热度：壁面温度与饱和温饱和温度度之差n欠热度：饱和温饱和温度度与主流流体温度之差fSSUBSWWTTTTTT大容积沸腾传热n定义:浸没在池内（大容积内）原来静止（或流速很低）液体内的受热面上产生的沸腾。又称池式沸腾。n当池内液体整体温度比系统压力下的饱和温度低时的沸腾叫欠热沸腾；当池内液体处在与系统压力相应的饱和温度时的沸腾叫饱和沸腾饱和沸腾：过冷沸腾：swsftttt ，swsftttt ，大空间饱和沸腾过程的四个阶段：（控制壁温加热）对流沸腾泡态沸腾过渡态沸腾膜态沸腾大容积沸腾传热

3、n大容器饱和沸腾曲线（左图）：nA点前：自然对流区；nAB-核态（微弱）沸腾nBC-泡核沸腾nCD-过渡沸腾nDE和EF-稳定膜态沸腾曲线A-BB-CC-DD-E名称对流沸腾泡态沸腾过渡态沸腾膜态沸腾tw-ts120现象气泡微小，附着于壁面不能浮升气泡不断产生、长大、浮升、逸出气泡太多形成气膜，阻碍传热形成稳定气膜，与壁面辐射换热量显著增加热流密度很小急剧增大下降回升大空间饱和沸腾过程的四个阶段（控制壁温加热）各区传热机理和传热关系式n自然对流区（A点以前）：3/1Pr)(14. 0GrNu泡核沸腾区（ABC）：主要的传热机理：1. 汽化潜热传热2. 汽-液置换 3. 微对流)7 .8/exp

4、()10(65.22)2 .6/exp()10(255 .0625.06pqTTpqTTSWSW水的泡核沸腾经验关系式泡核沸腾进一步解释n由于汽泡在加热面上连续不断地生成和脱离表面后的运动，从而加剧了层流底层的扰动，所以，液体在管内流动时，有过冷沸腾时的放热系数要比无过冷沸腾时的放热系数大得多。n在q较小，和过冷度较大的情况下，由于（tw-ts)较小，形成的汽泡很少，而且主流水温比饱和温度低得较多，故汽泡脱离加热面后只能运动一段很短距离就被凝结掉了，所以此时换热没有明显的增加；n随着（tw-ts)的增加，加热面上生成的汽泡也随之增多，汽泡在层流底层运动，产生很大的扰动，使换热显著增加，这就是泡

5、核沸腾。泡核沸腾传热经验关系式)7 . 8/exp()10(65.22)2 . 6/exp()10(255 . 0625. 06pqTTpqTTSWSW过冷度（欠热度）n过冷沸腾换热系数比单相水的对流换热系数高的主要原因是气泡扰动了边界层。当过冷度较大时，水流温度比较低，汽泡还来不及冲破边界层就已经凝结了，这是汽泡对边界层的扰动不是很强烈，所以换热系数提高的并不多。过冷度减小到水温就越接近于饱和温度，汽泡就越不容易凝结成水，它走的距离就越大，对边界层的破坏作用就越大，因而放热系数大大增加。但过冷度小到一定程度，汽泡已经能够冲破边界层厚度，这时即使再减小过冷度，放热系数也不会再提高了，因为对流换

6、热的热阻主要集中在热边界层内，湍流中心区的扰动本来就很强烈，小汽泡的扰动作用在那里是微不足道的，并且小汽泡一进入主流核心区就凝结掉了临界热流密度nC点-临界热流密度点（CHF）：标志着泡核沸腾的上限。在C点之后由于部分加热表面被整齐覆盖而使传热减弱。或者可能因为q的稍微增加而导致壁温骤然增加（近1000），将可能导致壁面烧毁。因此qmax亦称为烧毁点。n两种机理：1、汽泡合并；2、流体动力学不稳定性（造成的结果都是蒸汽覆盖表面而传热恶化）稳定膜态沸腾（DEF）n机理：一层连续的蒸汽膜覆盖在加热表面上，热量的传递主要通过这层蒸汽膜的导热、对流和热辐射，蒸汽以汽泡的形式从汽膜中逸出。主要热阻局限在

7、这层汽膜中。壁面与液体之间的温差非常大，液体不能接触壁面，以维持汽膜的稳定。n膜态沸腾换热系数比核态小得多，高热流你读下燃料包壳的温度必升得很高，因此反应堆正常运行时不允许发生膜态沸腾。最小膜态沸腾点和过渡沸腾工况n最小膜态沸腾点D：在降低壁面热流密度时，可以发生从膜态沸腾向泡核沸腾的直接转变，该转变点叫最小膜态沸腾点D。它是稳定膜态沸腾的低限，相应于连续汽膜的破坏和液-固接触的开始点。膜态最低热流密度qmin。n过渡沸腾工况CD：汽液交替覆盖加热表面，表现出瞬态变化的传热特性，因此是一种不稳定工况。其特点是随壁面过热度的升高，热流密度反而下降。影响池式沸腾的因素n系统压力n主流液体的温度（或

8、欠热度）：欠热度对传热强度影响很小，但对qc有显著影响，qc随欠热度的增加而升高。n加热表面粗糙度：壁表面越粗糙，泡化空穴越大，使泡核沸腾传热增强；n壁面方位和尺寸。n其他如液-壁接触角和液体中含不凝气体等控制热流密度加热时大空间饱和沸腾换热的烧毁点：热流密度不断增加到qc（106W/m2）附近时,沸腾状态将由C点沿红线跳跃至E点，壁温突然升至1000 以上，设备将在瞬间烧毁。实例：在高压锅炉水冷壁设计中，务必使热流密度小于106W/m2水的大空间沸腾换热计算式：已知热流密度：已知壁温：15. 07 . 0533. 0pqh 5 . 033. 2122. 0pph流动沸腾n流动沸腾：n 管内沸

9、腾比大空间沸腾更为复杂，因为它的沸腾工况不仅与压力、热通量有关；而且还受到流体的流速、流体中每一管道截面上的蒸汽含量的影响。对这方面的了解还不够，这里仅能在大空间沸腾研究的基础上对管内流动沸腾加以概括介绍。n在较低热流密度时，流动沸腾的六种形式：单相对流传热、欠热泡核沸腾、饱和泡核沸腾、通过液膜的强制对流蒸发传热、缺液区传热和单相蒸汽对流传热。n在较高热流密度时，当汽泡产生的频率高到在汽泡脱离壁面之前就形成汽膜时，就发生偏离泡核沸腾（即DNB型CHF)。在DNB后是反环状流型，相应的传热工况为膜态沸腾。垂直管内对流沸腾的流型和传热工况（低q）A：单相液体对流B：欠热泡核沸腾C+D：饱和泡核沸腾

10、E+F：通过液膜的强制对流蒸发传热G：缺液区传热H：单相蒸汽对流传热高热流密度下的对流沸腾的流型和传热工况nDNB-偏离泡核沸腾：在很高热流密度下,当气泡产生的频率高到在汽泡脱离壁面之前就形成了汽膜时，就发生偏离泡核沸腾(即DNB型CHF)。nDNB的含义是偏离泡核沸腾(Departure from Nucleate Boiling)，它表示由泡核沸腾（欠热泡核沸腾或低含汽率饱和泡核沸腾）直接进入稳定膜态沸腾的转变。 n在DNB之前是欠热泡核沸腾或饱和泡核沸腾,在DNB之后时反环状流(膜态沸腾工况)当液体温度远小于ts时，在ONB上没有明显可见的气泡,只有热的液体从过热边界层流到冷的液体中去核

11、态沸腾传热核态沸腾传热随着q的增加，在加热面上产生气泡，但很快在跃离壁面之前就被冷凝了，在热边界层引起微量的对流当液体达到饱和温度时，气泡将不再在液体中凝结，而是上升到自由表面当液体温度接近ts时，气泡在加热面上长大并跃离壁面，它们升向自由表面的过程中，被冷液体所冷凝q当液体温度远小于ts时，在ONB上没有明显可见的气泡,只有热的液体从过热边界层流到冷的液体中去核态沸腾传热核态沸腾传热随着q的增加，在加热面上产生气泡，但很快在跃离壁面之前就被冷凝了，在热边界层引起微量的对流当液体达到饱和温度时，气泡将不再在液体中凝结，而是上升到自由表面当液体温度接近ts时，气泡在加热面上长大并跃离壁面，它们升

12、向自由表面的过程中，被冷液体所冷凝q当液体温度接近ts时，气泡在加热面上长大并跃离壁面，它们升向自由表面的过程中，被冷液体所冷凝当液体温度远小于ts时，在ONB上没有明显可见的气泡,只有热的液体从过热边界层流到冷的液体中去核态沸腾传热核态沸腾传热随着q的增加，在加热面上产生气泡，但很快在跃离壁面之前就被冷凝了，在热边界层引起微量的对流当液体达到饱和温度时，气泡将不再在液体中凝结，而是上升到自由表面q当液体温度远小于ts时，在ONB上没有明显可见的气泡,只有热的液体从过热边界层流到冷的液体中去核态沸腾传热核态沸腾传热随着q的增加，在加热面上产生气泡，但很快在跃离壁面之前就被冷凝了，在热边界层引起

13、微量的对流当液体达到饱和温度时，气泡将不再在液体中凝结，而是上升到自由表面当液体温度接近ts时，气泡在加热面上长大并跃离壁面，它们升向自由表面的过程中，被冷液体所冷凝q两种临界热流密度点（CHF）工况n临界热流密度工况是指传热机理正好发生变化而使传热系数突然下降的状态。临界热流密度（CHF）则指在该工况下的热流密度值。n偏离泡核沸腾工况（DNB）：在高热流密度下，由泡核沸腾直接向膜态沸腾的转变，后果是烧毁。n蒸干(dry out)：在低热流密度和高含汽率的环流流动区，附壁液膜会因蒸干或撕破等原因而消失，从而导致壁面干涸。蒸干时的热流密度远低于实际烧毁的热流密度。壁温上升不很剧烈，一般不会使壁面

14、烧毁。常用的泡核沸腾传热关系式)7 . 8/exp()10(65.22)2 . 6/exp()10(255 . 0625. 06pqTTpqTTSWSW以上两式表明，在欠热和饱和沸腾工况下，传热机理或传热关系式与欠热度TSUB（或含汽率xE）和流动速度u（或质量流密度G）无关，主要受壁面过热度（壁面过热度（TW-TS）和系统压力）和系统压力p所支配。水平管内沸腾液相单相流泡状流块状流波浪流环状流气相单相流汽水分层，管上半部局部换热较差三个点n泡核沸腾起始点（ONB）(同时满足单相对流传热方程和泡核沸腾传热方程）n汽泡脱离加热壁面点（FDB）（净蒸气产生开始点）n热平衡饱和沸腾起始点：流体平均温

15、度上升到当地压力下的饱和温度的点，或者流体比焓上升到当地压力下的饱和液体的比焓的点。如图，当加热面的温度小于流体在该特定位置的饱和温度，即 时，是不会产生沸腾的，显然产生沸腾的下限为： 沸腾起始点(ONB)的判别: 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 沸腾起始点(ONB)的判别: 令：,sf insubinttt 41subinpztqGc Dh对于：,41sf inpztqtGc Dh则得：u 凡满足上式的都落入图中A区，在这个区域内不会产生任何气泡u 随着距离z的增加，斜率减小；而质

16、量流密度G、通道直径D或换热系数的增加，斜率则增大u 通常q， ，G是给定的，故易算出通道壁面温度超过液体饱和温度的起始点subint 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 在液体的单相对流区与充分发展的过冷区之间存在一个“部分沸腾”区部分沸腾区：由较少汽泡发源点构成，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，故并入液体的单相区 确定过冷沸腾起始点的位置的较为普遍的方法是把Jens-Lottes沸腾传热方程与单相强迫对流方程联合求解，得到如下关系式： ,f ONBsJqtthJ0.25625exp106.2Jwsqptt：按Jens-Lottes方程求得的壁面

17、过热度,f ONBt：沸腾起始点的流体温度其中： 即：ONB的计算FDB的计算热平衡饱和沸腾起始点的计算两相强制对流蒸发传热(E+F)关系式n两相强制对流蒸发传热常发生在低热流密度高含汽率的环状流动中，热流是通过附壁液膜的导热和对流传热，在液膜-蒸汽分界面上蒸发，连续产生蒸汽。液膜越薄或膜内扰动越强烈，则传热系数越大。n本区的传热系数可能很高，对于水可以达到2x105W/（m2K）。临界热流密度n热工设计最主要的还是这个沸腾危机和临界热通量。这个临界热通量是设计上的一个极限，假若功率超过它，或是传热比它差的话，这燃料棒就要坏了，就要熔化，反应堆放射性物质就要跑出来了，所以临界热通量是设计的第一

18、步，也是最重要的一步。那么设计之前就定要有一个公式去计算，因为我们不能把每个反应堆做好以后再来试，那已经迟了。在做之前要有一个公式来计算、来预测，预算这个反应堆可以发多少热通量，比临界热通量小多少才是安全的。用公式计算的临界热通量要与实际的试验结果进行比较，因为谁都没有把握，说写个公式就可靠。棒束通道的临界热流密度(CHF)关系式n单通道CHF关系式推广用于棒束nBiasi关系式nW-2qc公式（只适用于欠热流动沸腾xE0）nW-3公式n通用电气公司的Janssen-Levy关系式n由棒束临界热流密度实验数据整理的CHF公式n临界热流密度表查法临界热流密度的影响因素1n质量流速的影响n对过冷沸腾和低含汽率的饱和沸腾，当水的质量流速增加时，流体当水的质量流速增加时，流体的扰动增加，汽泡容易脱离加热面，从而使临界热流密度增加的扰动增加，汽泡容易脱离加热面，从而使临界热流密度增加；但增加到一定数值后，在继续增加流速对提高临界热流密度的贡献就小了n在高含汽量环状流型所发生的的蒸干型临界热