核反应堆热工分析

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1、第七章两相沸腾换热第七章两相沸腾换热19:17:33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19:17:33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19:17:33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

3、对流区单相汽对流区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=0t19:17:33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19:17:33传热分析67.1.2 7.1.2 核态沸腾传热核态沸腾传热19:17:33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

4、边界层流到冷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q19:17:34传热分析8

5、如图，当加热面的温度小于流如图，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19:17:34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

6、别: 令：令：,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subint19:17:34传热

7、分析107.1.2 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19:17:34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，

8、而后随着而后随着q的增加，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

9、所示的要高一些些wt19:17:34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 ttttzwstt19:17:34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

10、沸腾起始点的位置的更为普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：19:17:34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: :Rohsenow

11、Rohsenow关系式、关系式、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