20171107热工水力复习整理

第一章(20171107)核燃料铀-235、铀-233和钵-239这三种核素可以在各种不同能量的中子作用下产生裂变反应，通常把它们称为易裂变核素。自然界中存在的易裂变核素只有铀-235一种。含有易裂变核素，能够在反应堆里实现自持裂变链式反应、释放核能的材料称为核燃料。包-232和铀-238,这两种核素在能量低于其裂变阈能的中子作用下不能产生裂变反应， 但在俘获中子后能转变为易裂变核素铀-233和钵-239,故被称为可转换核素(也叫可裂变核素)。目前在核反应堆中使用的易裂变核素主要是铀-235。可转换核素本身虽不易裂变，但在俘获中子后能转变为易裂变核素，从而补充易裂变核素的消耗。在反应堆内它们或者与裂变燃料混合使用，或者在包裹层中单独使用。因而称它们为广义的核燃料。*重点：三种易裂变核素：铀-235、铀-233和钵-239。两种可裂变核素：牡-232和铀-238。核燃料：含有易裂变核素，能够在反应堆里实现自持裂变链式反应、释放核能的材料称为核燃料。1.2,1.1目前压水堆使用的燃料主要有以下两类：.UO2陶瓷燃料 2.含UO2弥散体的燃料*重点：两类核燃料：UO2陶瓷燃料和含UO2弥散体的燃料。二氧化铀燃料的主要热物性.密度：二氧化铀的理论密度是10.98103kg/m3.熔点：氧铀原子比为2的二氧化铀的熔点最高。随氧铀原子比值的

减小或增加，二氧化铀的熔点会下降。当O/U=2时，Christensen测定:2800C。3热导率：二氧化铀的热导率强烈地依赖于它的温度。曲战篇号件并 鼓斯符号 伸叁直度呢曲战篇号件并 鼓斯符号 伸叁直度呢图1.2-1未经辐照的二氧化铀的热导率随温度的变化图1.2-1示出了一些研究者所提供的未经辐照的二氧化铀的热导率。从各条曲线的变化趋势来看，可以粗略的认为，温度低于1600c以下，二氧化铀的热导率随温度的升高而减小；超过 1600C,二氧化铀的热导率则随温度的升高而又有某种程度的增大。*重点：二氧化铀的理论密度10.98103kg/m3、熔点2800C、热导率:温度低于1600c以下，二氧化铀的热导率随温度的升高而减小；超过1600C,二氧化铀的热导率则随温度的升高而又有某种程度的增大。主要包壳材料适合作水冷反应堆燃料包壳材料的主要是错合金， 即Zr-2和Zr-4合金。西方国家的核电站压水堆多采用 Zr-4合金作为燃料包壳，沸水堆和部分压水堆也使用Zr-2合金作为燃料包壳，前苏联轻水堆则用错-铝合金作为包壳材料。错合金长期和高温水接触，到了一定天数之后，腐蚀的速率会突然增加，称为腐蚀的转折点。例如，水温为310C,错-2合金的腐蚀转折点为500天；水温为360C,错-2合金的腐蚀转折点下降到100天；在400c的水蒸汽中，具转折点只有30天。故目前在压水堆稳态热工设计中，包壳外表面的最高限制温度一般不超过 350c。2.惰性气体的热导率惰性气体通常指氨、覆、鼠、氟和氤等气体。新的燃料元件的芯块与包壳之间的间隙内充有氨气。在裂变过程中，裂变气体释放到间隙中。这些混合惰性气体的热导率很低，它们随温度的增加而加大。*重点：压水堆常使用的包壳材料是错合金，目前在压水堆稳态热工设计中，包壳外表面的最高限制温度一般不超过350C。1.2.3冷却剂及其主要热物性轻水具有良好的导热性能，比热和汽化潜热都比较大，价格很便宜，所需的唧送泵功率较小，是性能比较好的冷却剂。缺点是中子吸收截面较大，沸点低，在高温下运行保持液相需要较高的压力。重水具有和轻水类似的性质，但它有比轻水中子吸收截面较小的优点，其缺点是价格昂贵。饱和水和饱和水蒸气（在饱和线上）的热物性由于饱和温度是饱和压力的函数（饱和温度随压力的增加而增加），所以这些热物性都只是饱和温度Ts或者饱和压力Ps的函数，如附录II所示。欠热水和过热水蒸气的热物性由于在欠热水和过热水蒸气的状态下，温度和压力是独立变量，所以，欠热水和过热水蒸汽的热物性都是温度和压力的函数， 如附录II所示。但主要取决于温度。重水的热物性与轻水相接近。U力F也小留J23饱和水和饱和水蒸汽的冢夔樵力学性最*重点：(1)轻水具有良好的热物性，如导热性能好，比热容和汽化潜热都比较大，价格便宜，使用方便，所需的唧送泵功率较小，是性能比较好的冷却剂。(2)饱和状态下的水或水蒸汽的热物性是温度或者压力的函数。(3)欠热水和过热水蒸气的热物性是温度和压力的函数。(4)饱和温度随饱和压力的增高而升高。(5)饱和水的比给h随饱和压力的增加而增大；饱和水蒸汽的比给h随饱和压力的增加是先增大，在大约3MPa之后，又随压力的增加而降小。1.3辐照（或燃耗）对热物性的影响*重点：随辐照或燃耗的加深，二氧化铀的熔点和二氧化铀的热导率会下降。复习题一.填空题.三种易裂变核素是铀-235、铀-233和钵-239。.压水堆常使用的两类核燃料是 UO2陶瓷燃料和含LIO?弥散体燃料。.压水堆常使用的包壳材料是错合金,在稳态热工设计中，它的外表面最高限制温度是350Co二选择括号内正确者填空（可选填序号 A或B或C…）.燃料包壳的表面温度在正常运行时不允许超过 350C,最主要的理由是防止B。（A.热应力增大B.包壳腐蚀加速C.包壳熔化D.偏离泡核沸腾）.UO2燃料芯块的热导率 C。（A.不随温度变化 B.随温度变化，呈线性变化C.随温度变化，但不是线性变化 D.以上说法都不对）.下列状态参数中能确定饱和状态下的水或水蒸汽的比始是 一C_。（A.只压力 B.只温度 C.温度或压力D.温度和压力）TOC\o"1-5"\h\z.下列状态参数中能确定欠热水比给的是 D。（A.只压力 B.只温度 C.温度或压力 D.温度和压力）.核电厂在满功率稳定运行时，若蒸汽发生器二次侧压力稍微提高，则饱和蒸汽比始的相应变化是 B。（A.提高 B.降低 C.不变 D.不确定）.下列说法正确的有 C。A.UO2燃料芯块的热导率kU不随温度变化。B.UO2燃料芯块的热导率kU随温度变化呈线性变化。C.UO2燃料芯块的热导率kU随温度变化，但不是线性变化。D.以上说法都不对。第二章反应堆的热源反应堆的热源来自核裂变过程［包括核裂变本身和堆内材料与中子的辐射俘获(n,i反应释放出来的巨大能量，每次核裂变释放出来的总能量平均约为200兆电子伏，一般用Ef表示此值，即Ef=200MeV。*重点：反应堆的热源来自核裂变过程和堆内材料与中子的辐射俘获(n,i反应释放出来的能量，每次核裂变释放出来的总能量平均约为200MeV。堆芯体积释热率*重点：(1)堆芯局部体积释热率与中子局部注量率4成正比;(2)反应堆的热功率与平均中子注量率 「成正比。堆芯和燃料元件的功率度量表示法(1)堆芯平均比功率在整个堆芯内，平均每千克燃料发出的热功率,称为堆芯平均比在整个堆芯内，平均每千克燃料发出的热功率,称为堆芯平均比功率,Ph,tPV功率,Ph,tPV=7W/kg燃料VVf(2.1-5)(2)堆芯平均功率密度在整个堆芯内，平均每单位堆芯体积所发出的功率,称为堆芯平均功在整个堆芯内，平均每单位堆芯体积所发出的功率,称为堆芯平均功率密度,W/m(2.1-6)(4)堆芯平均元件表面热流密度在整个堆芯内，平均从单位元件表面积所通过的热功率,%tST2%tST2W/rn(2.1-8)2St=NndCSHm(2.1-8A)(5)堆芯平均元件棒线功率密度在整个堆芯内，平均单位长度元件棒发出的热功率，qL=_P2 W/m(2.1-9)Lt堆芯内释热率的分布(20171109)图2.1-1有限圆柱体均匀裸堆堆芯中子注量率分布*重点：由图2.1-1可见，有限圆柱体均匀裸堆堆芯中子注量率 ①(Y,Z)沿径向丫呈零阶贝赛尔函数分布.沿轴向Z呈余弦函数分布。补充：压水堆中产生蒸汽泡导致反应性降低，在重水堆中却相反。影响堆芯功率分布的因素.燃料装载对功率分布的影响；.控制棒对功率分布的影响；

图2.1-4圆柱形反应堆有控制棒和无控制棒时的径向功率分布重点：堆芯中央区的某几根控制棒或全部控制棒部分插入堆芯，可以降低径向中子注量率及功率峰值（径向功率分布得到展平）。在寿期初期，局部插入的控制棒使中子注量率及功率峰值移向堆芯底部。.水隙和空泡对功率分布的影响在压水堆堆芯最热区可能产生蒸汽，蒸汽泡的存在会使反应性下降，从而使空泡区域的中子注量率及其功率相应降低。.结构材料对功率的扰动重点：为什么图2.4-1中相对热流密度的下降要比堆相对功率的下降缓慢得多？X型法品、0制垂芟詈X型法品、0制垂芟詈A"嗝方 I It» i1快速停堆后堆芯相对功率和相对热流密度随时间的变化 （虚线表示有效快速停堆时刻）这是因为储存在燃料元件中的热量（即显热）也释放出来的缘故。ECC淋为应急堆芯冷却系统停堆后的核释热功率停堆后的释热功率包括三部分，如图2.4-2所示(1)剩余中子引起的裂变功率(2)裂变产物衰变功率(3)中子俘获产物衰变功率。重点：停堆后的核反应释热功率包括：(1)剩余中子引起的裂变功率；(2)裂变产物衰变功率；(3)中子俘获产物衰变功率。这三项停堆后的核反应释热主要取决于停堆之前的运行时间的长短和运行的功率高低，与停堆后的时间无关。复习题：本章重点复习题(共6题)填空题可能改变成选择或判断一、填空题.反应堆的热源主要来自核裂变过程.。.每次核裂变在反应堆内总计产生200兆电子伏的能量。3对于有限圆柱体的均匀裸堆，堆芯热中子注量率或者体积释热率沿径向呈零阶贝塞尔函数分布.沿轴向呈余弦函数分布。4.停堆后的核反应释热包括：剩余中子引起的裂变功率、裂变产物衰变功率和中子俘获产物衰变功率。二、选择括号内正确者填空（可选填序号A或B或C-）.堆芯体积释热率与中子注量率成 A。（A.正比 B.反比 C.无关）.压水堆在稳态功率运行时，如果堆芯某处出现蒸汽空泡，会使该处附近的反应性 B、从而使具体积释热率B。（A.提高 B.降低 C.不变 D.不确定）第三章反应堆传热反应堆内热量的传输过程将堆芯内燃料芯块核反应释放的热量传输到反应堆外， 依次经过燃料元件的导热、包壳外表面与冷却剂之间的传热和冷却剂的输热三个过程。燃料元件的导热导热遵守傅里叶定律，其一般表达式为： q=-kT对于两个表面都维持均匀温度Ti和Tw的无内热源的具有常热导率的平壁的稳态导热，傅里叶定律有如下最简单的形式：Q-kAsTW17Tw2 或者q=Q=kTwi「Tw2 (3.1-1A)Q As包壳外表面与冷却剂之间的传热(很重要)包壳外表面与冷却剂之间的传热是指通过对流、热辐射或沸腾等传热模式把热量从包壳外表面传递给冷却剂的过程。这里对流传热是指固体表面与流过它的流体之间直接接触时的热交换过程。在这种传热过程中，除了存在流体的导热之外，起主要作用的是由流体位移所产生的热对流。止匕外，流体的物理性质和流道几何也对对流传热有重要影响。按引起流动的原因，对流传热可分为强制对流和自然对流；按流体流动的状态，对流传热又可分为层流和湍流传热。另外，表面沸腾和凝结是属于相变对流传热。通常用牛顿冷却定律来描述对流传热：q=h(T「Tf) 或者q=h(Tw-Tf) (3.1-2)

例如，单相水在圆管内作强迫对流定型湍流传热时，其式（ 3.1-2）可以写成：q.（Tw-TJ （3.1-3）一「丁兀If彳VfT今图3”.1一「丁兀If彳VfT今图3”.1圆管内强迫湍流传热过程由式（3.1-5）可见，h与流体热导率kf成正比，与热边界层厚度（亦称流体膜）成反比。而Ayi要取决于流体的运动，一般说来，水的流速越高，Ay就越薄，则对流传热系数h就越大。冷却剂的输热冷却剂的输热是指冷却剂流过堆芯时，把燃料元件传给冷却剂的热量以热始的形式载出反应堆外的过程，它用冷却剂的热能平衡方程（即稳定流动的能量方程的简化形式）来描述。Ph,t=-hin） （3.1-6）当从反应堆进口到反应堆出口所流过的冷却剂都为单相流体时，方程（3.1-6）也可写成：Rh,t=mtCp（Tf,ou「Tf,in） （3.1-7）式中，Rh,t是反应堆输出的总热功率，Wmt是流入反应堆的冷却剂总质量流量，kg/s；儿出是堆出口冷却剂的比始，J/kg；hin是堆进口冷却剂的比始，J/kg；Cp是反应堆内冷却剂平均比定压热容，

J/(kg・K)或J/(kg•C)；丁，疝是堆出口冷却剂的温度，K或℃；丁也是堆进口冷却剂的温度，K或C。20171114例题3-1:测量出反应堆进口总质量流量m=8400kg/s,反应堆进口冷却剂温度Tf,in=293C,反应堆出口冷却剂温度 Tf,out=328C,在堆内冷却剂压力和平均温度下冷却剂的比定压热容 Cp,f=6000J/(kg.C),试用热平衡方法计算反应堆输出的总热功率 Pth.t?解：根据热平衡九-Tfj=8400x6xx（328-293）=1764x W为「说明公式(3J-6)和公式7)的区别科举例如卜：例题3—2：某管段全K均匀加热功率为％二102.6管内被加热流体的阳埔源埔为朋二°.3炫鼠管进口流体温度〃皿=290C,该管段从进口到出11流体压力均为p= .(查存管内菰体的热物性如卜士该管从进口到出口流体的平均比定乐热容为弓=6x1/〃(松七)，在压力户二1521丹如下流体的饱和温度为7；=34XC*汽化潜热力愈二1.乂10博」次因)修(1)试利用计算和避例推现方法确定该管段出口流体的温度『二？(2)通过该管段后，流体的培升AA=? *(3)试计算速管段出口处流体的热平衡含汽率/.0=?解，<1)假设速管段从进口到;HlI,都电学相流体(却没有发生沸腾)，则保%二巾弓(丁『」-『,Q得，Tr+^*-=290-叽6"叫=290+57=UTC出“门W吗OJxbxlO1该管段出【I流体的乐力p= ,对成的流体饱和就度7；=343C,而3471这说明7；一二347V是不合理的。因此出口段已达饱和沸腌R含汽,。◎应等「饱和温度4.因此丁人=/—343HC；<2)山热平衡，&二成，加一％)=，得从二蝇/掰二102.6X1炉/03/342x10sJ7原⑶山外/超=七-/=也-％)+%-％)，所以（%—与）=4/ 的一储）=PJ吁%（写一9*）24x101Lxl0$二0.021=102.6«105/03-6xl0s（343-290）=342xl0i-318xlO324x101Lxl0$二0.021单相对流传热粘性力、层流和湍流

在流动系统中只有一种物相（液相、气相或固相）的流动称为单相流动，例如单相液体或单相气体的流动。实际流体（液体或气体）都是黏性流血它们在流动时都具有黏性力（内摩擦力）。当黏性流体中发生层与层之间的相对运动时，运动速度快的层对速度慢的层产生二个拖动力使它加速,.…一而速度慢的流体层对速度快的层就有阻止它——向前运动的阻力。拖动力和阻力是大小相等方向相反的一对力， 分别作用在两个紧挨着的但速度不同的流体层上2这就是流体的粘性表现，称为黏性力或摩擦力。两流体层之间单位接触面积上的黏性力称为黏性应力，用法示，其表达式服从牛顿法则：fuo「N—— N/m2 （3.2-1）y流体的流动分成层流流动和湍流流动。当流体速度很低时，流体中各质点均沿主流方向平行流动、各平行层之间不发生流体微团的交混，而只有分子间的相互交换，这种流动状态称为层流流动。当流体速度较高时，流体微团在沿主流方向运动的同时还存在横向速度脉动，即流体分子团作无规则的湍动，这种流动状态称为湍流流动。一般用雷诺数Re来判断流体在通道内的流动是层流还是湍流。雷诺数Re定义为uDe(3.2-2)- :uDeuDeuDe(3.2-2)Re= = 口■,./:Re表示流体惯性力与黏性力之比。对于流体在通道内流动，当Re<2300时为层流，当Re>104时是湍流，当2300VRe<104时是过渡流例题3—3:有一管径D=0.025m的室内上水管，如管中流速u=1m/s,水温t=1OC(1)试判断管中水的流态；(2)管内保持层流状态的最大流速为多少？2解：⑴10c时水的运动粘度n=1.31xio-6m/s,管内雷诺数为：Re=uD=113黑1=19084>104,故管中水流为湍流。n1.3110例题3-4:判断选择题：将下列论述的正确者填入［］中。(1)两根内径为D的相同的光滑圆管，在常温常压下以相同的流速输送单相水和单相空气，则不会出现［A］工况。A.水管内为层流状态，气管内为湍流状态B.水管内为湍流状态，气管内为层流状态C.水管和气管内都为湍流状态D.水管和气管内都为层流状态(2)两根内径为D的相同的光滑圆管，在常温常压下以相同的质量流量输送单相水和单相空气，则不会出现［B］工况。A.水管内为层流状态，气管内为湍流状态B水管内为湍流状态，气管内为层流状态C水管和气管内都为湍流状态D.水管和气管内都为层流状态解释：水的动力粘度w是空气的动力粘度w的10倍左右；空气的运动粘度V是水的运动粘度V的10倍左右;uDRe=uD_uD_"AD_mDuDRe=」/： 1A」A湍流流动的流体所产生的附加的切应力和附加的热量的传递要比分子的粘性切应力和分子的热传导大得多。 因此，流体作湍流流动时的摩擦力和热量传递的能力要比层流流动时强烈。3.2.2单相强制对流传热系数所谓强制对流是指由泵或风机驱动流体的流动。在这种流动状态下的对流传热系数h,常用如下经验关系式计算：Nu=CRemPrn通道的水力等效直径De定义为：C_4ADeF (326)壁面光滑的圆形通道内的强制对流湍流传热系数流体在光滑长直圆形通道内作强制对流湍流流动(即定型湍流流动)时，传热系数h,常用D让tus—Boelter关系式计算，即式(3-2-4)中的系数C=0.023指数m=0.8,加热流体时，n=0.4,冷却流体时，n=0.3,因此Nu=0.023Re0.8Prn (3.2-7)- 0.8 In或 h=0.023—W/uDe J (m•K) (3.2-7A)DeIR八kJ上式的适用范围是：(圆形通道长L/圆形通道内径D)A50,膜温差△Tw=(Tw-Tf)<30c 104<Re<1.2x1050.6<Pr<120计算流体物性的温度为TJC。要求记住3.2-7A中传热系数h和那些量有关。

通力等效直径流体密度流体动力剃度通力等效直径流体密度流体动力剃度传热系数主要跟三个参数有关:1.流体平均速度 2.流体导热率 3,通力等效直径3.2.2,3单相强迫对流层流传热系数虽然在水冷反应堆正常运行和预期的瞬态工况下不会遇到层流流动，但是在某些事故工况下可能发生冷却剂的层流。 对于定型层流流动，其对流传热系数常按如下公式计算hDe~^=4- (3.2-10A)流体流速较低；换热强度较低；流场中速度分布与温度分布之间的相互关联更为密切。止匕外，固体边界的几何形状与位置也是影响自然对流换热的一个重要因素。在一般情况下，强制对流换热系数比自然对流传热系数大。例题3-7:某压水堆的棒束燃料组件被纵向流过的轻水所冷却。若在棒束高度方向上任取一小段△ z,在该段内冷却剂水的平均温度Tf=300C,平土^流速u=4m/s,冷却剂压力p=14.7MPa,燃料元件外表面平均热流密度q=1.25M06W/m2,棒束栅格为正方形排列，棒外

径d=10mm,栅距P=13mm。试求该段内某一个子通道如图3,2-1所示的平均对流传热系数h和元件外表面温度Tc?图%31正方心段相解，£』图%31正方心段相d10C=0.012£-0.021=0.042x1.3-0.024=0.0306dNn=0.0306RWPr…4且 4«(B--jt5(L02/4-)n10-4R 河" TTxlOx10--Re=小必_725.7比Re=小必_725.7比1，kIO-'SK9xl0"°=1755x10-.V"=00306R/aPrj=00306x(^.755x10'产(09?,Nitkf851x0564 一2h-——L- -=4.17x10W/(w*℃);De11.5x10、”忆-Tf)* - rX/=77-2=300+IM?-300+30=330℃cfh4.17x10,例题3—8:有一根外径d=0.12m的暖气管道，其外表面平均温度tw=50C。空气温度tf=20C,此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=5.4W/(m2K),管道外表面的发射率£=0.8(1)此管道的散热必须考虑那些热量传递方式？(2)计算每米长度管道的总散热量？[斯忒藩一玻尔兹曼常量a^.67108W/(nfK4)解：(1)此管道的散热必须考虑自然对流换热和辐射换热两种方式。(2)当仅考虑自然对流换热时，每米长度管道的散热量 qi,c为：ql,「二dh(tw-tf)=3.14160.125.4(50-20)=61.1W/m每米长度管道的辐射散热量qi,「为：q,r=nd十(T4-T：)=3.14160.12085.6710'[(5/273)-(20+2734=60.W/m因此，每米长管道的总散热量 qi=61.1-60.1=121,2W/m例题3—8A:某房间暖气片的表面温度为60c.房间内空气和环境的温度为20C。请问暖气片表面向室内环境的热量传递的主要模式是 C（A.暖气片表面向空气的导热和自然对流传热，B.暖气片表面向空气的热辐射传热，C暖气片表面向空气的自然对流和向室内环境的热辐射传热，D.暖气片表面向空气的自然对流传热）沸腾传热（此处大爷全都标红）在现代大型压水堆设计中，在正常运行状态下一般允许堆芯内冷却剂发生泡核沸腾二即在堆芯内平均通道的出口段允许出现欠热泡核沸腾I在最热通道的出口段还允许出现饱和泡核沸腾。 因为这样可以大幅度提高传热能力,—相应地也提高了冷却剂的出口温度,—从而可提高核电站的热效率。在水冷核反应堆的某些事故过程中，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、临界热流密度、^WWWWWS^"WWWMWIWWWWMWVWWMWWdaJTx==-L=m-^^WWW»tWWi^HIWWWW1taWW^WWWWWtaWWIWWItaVL.1VB"™ratW-WtlJ"VW^^WWWWM^WWIWWHIh>"«W^^WMWW^^W^V^WlWiWWWWfe11WLu、一«W'.1W'-mWa„UW'Lm.WHJ-^^-.过渡沸腾和膜态沸腾等一系列沸腾传热工况。因此，沸腾传热在反应堆热工设计和安全分析中十分重要。":■--.-■--'■=■ ->■>..-="--=---■-------,■■■■,---■■-=■--=-------,■■■----=-=■■=--4-=----■■>■=,■-=■="»=■■..-—■-L■-----------,-------■--■—,---~-.--■--------沸腾是指液体内部生成气泡或气相并由液态转变成气态的一种剧烈的气化过程,—而沸腾传热则指该过程中传递热量的摸式'…按照发.生沸腾的不同方式2沸腾可分为均匀沸腾和非均匀沸腾两类。均匀沸腾是指在液体内部没有.固定的加热面-3较太的液体过热度工……气泡由能量较集中的液体高能分壬团的运动与集聚而产生,例如一,…在较高压力下的饱和水系统.中.,—如果降低系统压力,一则原来的处壬饱和状态.....的水就变成工过热水9—当水的过热度超过某二临界值，…一系统内的部分.水就会突然气化成许多细小的蒸气泡。 这种在液体体积内部急剧气化的现象称为aflashing”（快速泡化）。非均匀沸腾则指气泡在与液体相接触的固定加热面上产生、长大的过程，又常称为表面沸腾，所需过热度较低，是一种常见的应用最多的沸腾类型。按照液体是查流动可将韭均匀沸腾分成流动沸腾和池式沸腾……..（又称大容积沸腾）。下面将详细分析研究非均匀沸腾传热。池式沸腾传热浸没在池内（大容积内）原来静止（或流速极低）液体内的受热面上产生的沸腾定义为池式沸腾， 又称大容积沸腾。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（也称过冷沸腾）…;…当池内液体整体处在与系统压力相应的饱和温度时的沸腾叫饱……..和沸腾。池式沸腾曲线（图3.3-1所示）A点前：单相液体自然对流传热。AB区：泡核沸腾和自然对流混合传热。Tvonb：22^ %=5」m（510^m） F,onb=7Krchfg图3.3-1池式沸腾曲线［（a）是控指壁温Tw连续增加，（b）是控制热流密度q连续增加］BC区：泡核沸腾传热。C点：临界热流工况（CHF）

CD区：过渡沸腾传热区。D点：稳定膜态沸腾起始点。DEF区：稳定膜态沸腾传热工况。20171121各区传热机理和传热关系式1.单相液体自然对流区(A点前)Nu=f(GrPr) Nu=0.14(GrPr)1/3h=0.14kLgh=0.14kLg-f)」21/3PrL泡核沸腾区(泡核沸腾区(ABC)(1)泡核沸腾传热机理(图3.3-2)r-痕相解r-痕相解图3.3-2壁温Tw随汽泡状态的变化及传热机理汽.二液置换传热微对流传热。此外，还包括因温差引起的热传导、汽泡脱离时尾流引起对流增强、汽泡柱引起自然对流和热毛细管流等。所有这些机理都使泡核沸腾传热大大增强，导致很高的传热系数。对于水的泡核沸腾经验关系式Jens-Lottes关系式：Tw-Ts=25(*)0.25exp(-p/6.2) (335)Thom关系式：Tw-Ts=22.65(10?)0.5exp(-p/8.7) (3.3-6)式中，q是热流密度，W/m2;p为压力，MPa;T为温度，K或C。从以上关系式可以看出，池式沸腾的传热强度(即 q)与液体欠热度△Tsub=Ts-Tf无关。这一事实可由微对流和汽-液置换传热机理来解释。因为液体欠热度的增加或减小可以加强或消弱微对流效应， 但同时因汽泡尺寸的减小或增大，而消弱或加强了汽 -液置换效应，从而使对传热强度的影响几乎抵消。从以上关系式可以看出，池式沸腾的传热强度(即q)取决于壁面过热度…(％二Ts)...和饱和液体及饱和蒸汽的物性地,……即沸腾系统的压力.po♦临界热流密度(CHF工况机理主要有两种机理，其一是汽泡合并，即在加热表面上生成的汽泡是如此之多，以至于相邻的汽泡或汽柱合并成一片，形成一层导热性很差的蒸汽膜覆盖在表面上，它把加热面与液体隔离开来，使传热恶化；其二是流体动力学不稳定性，在高热流密度下，蒸汽产生率是如此之高，以至于向壁外运动的蒸汽速度非常大，它与向壁面运动的液体速度构成某一最大相对速度，从而使汽一液分界面出现很大的波动，并失去稳定，汽一液逆向流动遭到破坏，蒸汽就滞留在加热表面上，形成汽膜覆盖表面，使传热恶化。这两种机理都因为一层蒸汽膜覆盖在加热表面上而使液体无法到达和湿润加热壁面，造成传热恶化。对于欠热沸腾，临界热流密度qc,suB有所提高，用下式修正:(3.3-9)qC,SUB=qc(1 B.\TsuB)=f(P，.：TsUB)(3.3-9)♦影响池式沸腾的主要因素1.系统压力：提高压力使给定尺寸的空穴泡化所需要的过热度△ Tw变小，从而使沸腾曲线（图3.3-1）上的ABC段向左移动。即压力越高，同样的△Tw可传递更高白^热流密度q。式（3.3-3）直接体现出压力p对q的影响。式（3.3-2）和（3.3-4）则通过流体的物性（流体物性一般在饱和温度下计算）来反映压力的影响。系统压力对临界热流密度qc的影响比较复杂，一般说来，对于水，在低压时，4随压力的增加而增大，当压力增至水的临界压力的1/3（约7MPa）左右时，qc达到最大值，此后，随压力继续增加（高压时） qc反而减小。2主流液体温度Tf：从式（3.3-2）至！（3.3-6）可以看出，主流液体的温度Tl对泡核沸腾传热强度q没有影响。但是，欠热度对临界热流密度qc有显著的影响，由式（3.3-9）可以看出，随着欠热度△Tsu由勺增力口Cj升高。此外，加热表面越粗糙，泡核沸腾传热增强。但是，表面粗糙度对qc和膜态沸腾传热的影响很小。这主要是与由于汽膜覆盖加热表面，把粗糙度掩盖。♦流动沸腾传热流动沸腾是指液体有宏观运动的系统内的沸腾，加热面上汽泡生长受到液体流动方向上的附加作用，使壁面的泡化过程特性发生变化。液体运动可以是由外力强制作用引起的强迫流动，也可以是由流体密度差造成的自然对流。流动沸腾常伴随着各种汽-液两相运动，所以它比池内沸腾复杂。图3.3-3在较低热流密度下，垂直管内白^流动沸腾的传热工况和汽-液两相流型A一单相液体对流传热；B一欠热泡核沸腾（也叫过冷泡核沸腾）；C+D一饱和泡核沸腾；

E+F—通过液膜的强制对流蒸发传热；F和G之间-是蒸干（干涸）；G一缺液区传热（蒸干后的传热一Postdryout）;H一单相蒸汽对流传热。♦在很高热流密度下，同样可以发生欠热泡核沸腾或饱和泡核沸腾。由于产生的汽泡数量很多，甚至在加热面附近形成蒸汽片或蒸汽柱。当汽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?^腾（即DNB型CHF）。在DNB之前，汽一液两相流型是泡状流，其传热工况是欠热泡核沸腾或低含汽率的饱和泡核沸腾；在DNB之后，汽一液两相流型是反环状流（环状汽膜覆盖壁面，中心流动着液核），相应的传热工况为膜态沸腾。在很高热流密度下，如果流体的流量也很高，则在DNB之前，只发生欠热泡核沸腾，这时的DNB称之为欠热DNB;如果流体的流量较低，则在DNB之前,可能发生低含汽率的饱和泡核沸腾，这时的DNB称之为饱和DNB在膜态沸腾之后，是缺液区传热工况。朴・怛看即改朴・怛看即改图3.3-4在高热流密度下，垂直管内的流动沸腾的流型和传热工况强制对流沸腾可能出现两种不同的临界热流密度工况（ CHF）,一种是偏离泡核沸腾（简称DNB）,另一种是蒸干（Dryout）。它们在控制热流密度的情况下都能使壁温从接近饱和温度突然跃升到大大地超过饱和温度。发生DNB时，由于汽膜覆盖壁面使传热系数突然降得很低，而热流密度q却很高，致使壁面骤然达到极高的温度，结果常使壁面被快速烧毁。♦两相强制对流蒸发传热（E+F）关系式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递，在液膜一蒸汽分界面上蒸发，连续产生蒸汽。♦流动沸腾临界热流密度（CHF）临界热流工况是指传热机理正好发生变化而使传热系数突然下降 （即传热恶化）…的状态，…临界热流密度.<一CHF.）…则指在该工况下的热流密.…度的数值。…有两种…CHF工况;（1）偏离泡核沸腾（DNB型）从图“334U以着到，-在高热流密度R“.沸腾可.以由欠热泡核沸腾或.一低含汽率的饱和泡核沸腾直接进入膜态沸腾（欠热或饱和膜态沸腾），这种.由泡核沸腾直接向膜态沸腾的转变叫偏离泡核沸腾一一（ ..Departurefrom..NucleateBoi.lin.gJ…它可以分欠热，的iDNB..和饱和.的…DNB…DNB机理的特点是在壁面上形成蒸汽膜覆盖壁面，使液体不能接触壁面，从而使.传热恶化—造成壁温急剧升高短二般说来,一…QNB...发生时壁温..跃升是如此之高，以至于可能使壁面烧毁。（2）干涸或蒸干（Dryout）从图3.3-3可以看到，在低热流密度和高含汽率的环状流动区，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。干涸发生时I由于蒸汽流速较高，其传热能力并不太低，因而壁温上升不很剧烈，nrrr-w«r——LrlrLl・A.」一L」rmrr-ur^^r^LLGTH^f工L__L」f^—L^n^^R^mmmmm^、4rj-LL.r—LLir.」rJfLLm——j=LL.r—LLir—rfLLLTHm.L1-jrAjfjmrfv-i,"一..”*,..=「一l;1"■/ll.f1.一.•」■■.一川11fr・r11r1.".一.1.1-1.L.rr"'」r44.'Lnr—Llir一」r一般不会使壁面立刻烧毁。♦影响临界热流密度的主要参量和因素临界热流密度是水冷反应堆设计的重要参量之一，因此分析影响它的主要参量和因素，从而找出提高它的各种途经，是一个十分重要的课题。影响CHF的主要参量是质量流密度G、含汽率Xe和压力P以及进口欠热度等，影响CHF的主要因素除了前面已经讨论过的热流密度的不均匀分布、冷壁和定位格架之外，还有通道几何及加热表面粗糙度等。（1）质量流密度G对CHF的影响。1）在欠热泡核沸腾（负含汽率）和很低含汽率的饱和泡核沸腾区、当G增加时，流体扰动增强，汽泡容易脱离加热面，从而使CHF值增力口。2）在高含汽率的环状流工况下（即通过液膜的强制对流蒸发传热工况），增加G容易使加热壁面上的液膜蒸干，从而使CHF值减小。但是、在很高流量下［G>5000kg/（m2s）］,G又使CHF值稍微增大。3）在很低流量下［G<300kg/（m2s）］无论在欠热区还是在含汽区，CHF值总是随G的减少而迅速减小，直到达池式沸腾的CHF值为止。含汽率XE对CHF的影响CHF值总是随含汽率X且的增加而减小。本章重点复习题（共25题）一填空题.将堆芯内燃料芯块核反应释热传输到反应堆外的过程依次是：燃—料元件的导热、燃料元件包壳外表面与冷却剂之间的传热和冷却剂的输热三个过程。.传热的三种主要模式（或机理）是热传导、热对流和热辐射。.欠热度的定义式是：△TsuB=Ts-Tf；壁面过热度的定义式是：△Tw=Tw-Ts。.设有一根全长均匀加热的垂直管段，以高热流密度 q加热此管，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汽化完，试标出从底部口至管出口可能出现的三种汽 -液两相流型： 泡状流、反环状流和滴状流。.两种强制流动沸腾临界热流工况分别是偏离泡核沸腾（DNB）和蒸干（Dryout）;前者常发生在泡状流两相流型之后, 后者常发生在状流两相流型之后。二选择括号内正确者填空（可选填序号，或H或「…）k对于两个去面都维持均句温度G产390C和心.=34（TC的，无内热源的，具仃常热导率=20犷/（mP的无限长、厚度万=20M加的平壁的稳态导热，其在里比于平堆方向所传导的热流密度值为工（A,和B.730C,SxlQ4[>,?x]05）工单和水流经一管内壁&血，箕对流换热系数为百二己加管内水的平均温度为77=20P.管内堞去向温度为七二50co则管内嚷表而向水所传递的热流密度为ILW/m2a（A.2X105 1，5X105C7x]0‘D.3x10s）.压水堆在稔春满功率运行时（雇芯功率维持不变），堆芯冷却剂流状卜降（假定冷却剂比定片热呼f维持不变），则堆芯冷却剂;HI口独口之何的温心C.F降 R.增入C.不变D.先增加再逐渐恢我月初始值）.泡核沸腾是花加热1埔面上产（A.蒸汽泡B,蒸V玻C.液膜）其所传递的热流格度qK唾取决］，。（A,速度B.欠热度C含汽率D■垠面过热度和沸静系统的压力），用蒸锅蒸馒头的蒸汽是从花生的电（去届向反而整体B而产生值函泡11到水面匕氏只是期内水的收回I樵发成蒸汽；c,行要以我底衣即发过热水中产生的蒸汽泡形成蒸汽HH到水而上）6.泡核沸嗨所传递的热流第度q随匕流液体弑度的变化康律是q。（A.骊卜流液体湍谆的坤加而增大 b.肺r流液体褊疗的增加向诚小C.9上流液体油刃L乎无关 D.以上说法都不对）7.沸腌临界的珞点是由『沸腭彳£热月国！的变化引起佞热系数的工,（A.跃升B,陡降）导致殳热闿的温度骤然空.（A.跃升B.陡降）0友反应雄隹正常满功率桧态运行期向，从堆芯进口到出口的临界热流密度的变《匕月t神B（A,不断丽；B,不断减小U光峭加，然后她小D.先跳小，然后增加）9.对临界热流密度，卜列说法正确的是B.（A.临界热流密度是所有L况F次际热流密度垃而的情况；B.止泊运行1：况的实际热流击度一定要低「临界热流密度;C*正常运行工况的实标热流密度一定高炉临界热流密必DW卜通/两电匕）三.利断选择题工将下列论述的正确者项入J］中.「当水在相同的加热圈管内流动传热时，卜列论过小1幽界足［C］。A.无论是纯匕建还是吐盛涮,兀流速遂高,则时流换热系数就越大B.解血发生泡核沸崎时，废泡的产生公用加热RL闪面换热系数变小C.强制对流HE猿湍流换热时，流速越高,则对流换热系数就域大D.强制对流瑞流换热时，在稳态「况再从地芯进口到堆芯出口，对流换工/鑫幽锵讴论述是［斗缸只有液体油变达到饱和双应时，加短黄面以发生泡核沸阻B.为加热壁面温度一旦达到饱和温度时，加热壁面上就发生泡核沸映C只仃当加热堆面温度超过电和温度“定M时，加热砸面”发生泡核沸瞧,D.以上论述都对3.在反应舱堆芯中1如果某子也道燃料棒表面发生泡核沸腭，其传热能锁被也薛。泡核沸嗨得好也整传热的上要机嗣是［D］。A.蒸汽泡的形成使得消燃料棒的冷却剂流动增强B.蒸汽泡的形成使得沿燃料棒的冷却剂流动减弱c.沿燃料棒及面形成r/汽獴滥uD.汽化潜热、汽一液置换和微对流M传热仃而大改进作用补1.设仃一根室长均匀加热的底/［行段，以低热流密度C加热此管，管底部进II以这样的速傻色给液体独得液体在帝全依上能鲂汽化完，试标出从底部进II至管出口可的H斑卿阳汽-液两相流型：泡状流、弹状流、坏状温＞滴状标.（参见I丽33）此外，例题3—人例出一。和例幽一8A.例题3—1：测睛出反应侏讲“如虹嘛;M=S400kg$反应堆进口冷却剂温1口-293℃,反应堆出II冷却剂油圾,"328℃在堤内冷却剂氏力和平均和放F冷却剂的比定JR热瓶产6000J3/Cj,试用热#街方法计算反应堆输出的总热功率「?斛一根就执乎衡“耳.二吗%-今挪）=8400/6/13（328-293）=1764x1（/W5例题J2:某管段全长均匀加热功率为以=102.张甲，管内被加热流体的质*流*为m=03kg/st管进口流体温度〃〃=2兜<?,读管段从进口到出口流体压力均为〃二J杏得管内流体的热物性如下:诬管从进口到出LI流体的平均比定质热容为^=6xltfj/(Ag-4C),在压力户=15.”户口卜流体的饱剂温度为仆二34式\汽化潜热方欧=LxlO&JJ版)*(I)式利用计卯和避耕推理方在确定谈管段出口流体的温度丁二？(2)通过该管段后，流体的雄升Aft二？(3)试计算谈管段出口处流体的热平衡含汽率维心二•解』⑴假设该管段从进口到出口,都是单相流体(即没右发生沸腾),则有土八二呷%-力岳%二九十今二斑十；黑玲二29°十外川7T该管段出口流体的压力1，二1521加埒.时应的流体饱和温度7；=34TC,而3474)343%、这说明T,a=3471；是不合理的。因此出口段已达他和沸腾且含汽.7)◎应等丁饱和福度八.因此与田=久=343V；(工)由热平衡：氏=-几)=嬴5•得M=PJm=102.6xltf/03=342x10?J/teC)由马，M二%一九二鬼「勺)十(%-々)，所以(%-々)=凡/ 用--W-二102.6x1婵0.3-6x103(343-290)^342x10j-318x109^24xlOV/frg一%_ZWOZ.例题33：有-管轻管-0025卅的室内上水管.如管中流速门=加&水温尸l(FCa<1)试判断管中水的流态；<2)管内保持层流状态的最大流速为多少？»tCl>1。强时水的运动粘度片1,31?1(T&疗虫.管内雷诺数为工Ke=贮=L0025=19084>104■故管中水流为湍流.时1311