反应堆传热过程.pptx

第三章堆的传热过程第三章堆的传热过程核科学与工程系核科学与工程系3.1 3.1 导热导热核科学与工程系核科学与工程系3.1 3.1 导热导热l有内热源的圆柱形芯块温度场有内热源的圆柱形芯块温度场,忽略轴向导热情况忽略轴向导热情况l无内热源的圆筒形包壳温度场无内热源的圆筒形包壳温度场,忽略轴向导热情况忽略轴向导热情况核科学与工程系核科学与工程系3.2 3.2 单相对流传热单相对流传热l包壳外表面与冷却剂的热交换过程，基于牛顿冷却定律包壳外表面与冷却剂的热交换过程，基于牛顿冷却定律Q Q=h F=h Ft t,其中其中t t为膜温差，为膜温差，h h为对流换热系数，为对流换热系数，F F为传热表面积，为传热表面积，Q Q为传递的热功率为传递的热功率l分为自然对流换热和强迫对流换热两种情况考虑分为自然对流换热和强迫对流换热两种情况考虑l对于非圆形通道，可使用当量直径作为公式对于非圆形通道，可使用当量直径作为公式3-15,163-15,16中的特征尺寸中的特征尺寸l对于棒束通道，使用对于棒束通道，使用WeissmanWeissman关系式，分为正方形栅格和三角形栅格关系式，分为正方形栅格和三角形栅格两种情况对待两种情况对待核科学与工程系核科学与工程系3.2 3.2 单相对流传热单相对流传热 自然对流换热自然对流换热l由密度梯度即温度梯度引起由密度梯度即温度梯度引起 其中其中为流体的体积膨胀系数，为流体的体积膨胀系数，=/为运动黏度，为运动黏度，x x为位差为位差l引入特征量格拉晓夫数引入特征量格拉晓夫数GrGr=(g=(gT xT x3 3)/)/2 2l普遍关系式为普遍关系式为NuNu=f(Gr Pr)=C(Gr Pr)=f(Gr Pr)=C(Gr Pr)m mn n,式中式中m m指物性参数取平均温指物性参数取平均温度点的值，即度点的值，即t tm m=(t=(tf f+t+tw w)/2)/2l针对竖壁与横管霍夫曼和米海耶夫分别提出经验关系式针对竖壁与横管霍夫曼和米海耶夫分别提出经验关系式(3-19(3-19至至3-24)3-24)核科学与工程系核科学与工程系3.3 3.3 沸腾传热沸腾传热l包括池式沸腾和流动沸腾两种情况包括池式沸腾和流动沸腾两种情况l池式沸腾池式沸腾 拥有自由表面的大容积液体，在受热面处发生的沸腾。拥有自由表面的大容积液体，在受热面处发生的沸腾。自然对流占主导自然对流占主导l流动沸腾流动沸腾 流体流经加热通道时发生，沸水堆的正常工况，压水堆流体流经加热通道时发生，沸水堆的正常工况，压水堆中也会发生尤其是事故状况下中也会发生尤其是事故状况下核科学与工程系核科学与工程系3.33.3.1.1 沸腾曲线沸腾曲线 池式沸腾池式沸腾l壁面过热度与热流密度的关系曲线壁面过热度与热流密度的关系曲线l右下方为大容积沸腾，左上方为管右下方为大容积沸腾，左上方为管内流动沸腾内流动沸腾lB B点前为不沸腾自然对流区，点前为不沸腾自然对流区，B B点开点开始产生气泡，始产生气泡，B B点称为沸腾起始点点称为沸腾起始点ONBONB。气泡产生，对流换热系数高，。气泡产生，对流换热系数高，热流密度迅速上升热流密度迅速上升lC C点达到热流密度最大值，称为临界点达到热流密度最大值，称为临界热流密度热流密度lBCBC段为核态沸腾区段为核态沸腾区核科学与工程系核科学与工程系3.33.3.1.1 沸腾曲线沸腾曲线 池式沸腾池式沸腾lCDCD段为过度沸腾区，由于汽膜形成段为过度沸腾区，由于汽膜形成导致热阻上升，热流密度降低导致热阻上升，热流密度降低lDEDE段为稳定膜态沸腾区段为稳定膜态沸腾区l此两区内稳定的汽膜形成此两区内稳定的汽膜形成lD D点后辐射传热增强，热流密度再次点后辐射传热增强，热流密度再次提高提高lC C，E E点热流密度相同，故当从点热流密度相同，故当从C C点进点进一步提高热流密度时，膜温差可能一步提高热流密度时，膜温差可能跃升，造成壁面烧毁。因此跃升，造成壁面烧毁。因此C C点又称点又称为烧毁点。为烧毁点。lH H点为偏离核态沸腾规律点点为偏离核态沸腾规律点DNBDNB核科学与工程系影响池式沸腾的主要因素影响池式沸腾的主要因素-系统压力系统压力核科学与工程系影响池式沸腾的主要因素影响池式沸腾的主要因素-主流液体温度主流液体温度(或欠或欠热度热度)对传热强度无影响对传热强度无影响对于对于q qc c影响显著影响显著随欠热度随欠热度TTSUBSUB增大，汽液置换时易冷凝近壁气泡，则增大，汽液置换时易冷凝近壁气泡，则q qc c升升高高核科学与工程系影响池式沸腾的主要因素影响池式沸腾的主要因素-加热表面粗糙加热表面粗糙度度表面越粗糙，泡化空穴越大，因此需要的过热度越小表面越粗糙，泡化空穴越大，因此需要的过热度越小使使ABCABC段左移段左移泡核沸腾传热增强泡核沸腾传热增强对对q qc c及膜态沸腾的影响很小及膜态沸腾的影响很小 气膜将粗糙度掩盖气膜将粗糙度掩盖核科学与工程系影响池式沸腾的主要因素影响池式沸腾的主要因素-其他因素其他因素液壁接触角增加或不凝气体掺入液壁接触角增加或不凝气体掺入降低降低 T Tw w使沸腾曲线使沸腾曲线ABCABC段左移，强化传热段左移，强化传热核科学与工程系流动沸腾传热流动沸腾传热强制或自然对流强制或自然对流有宏观运动的系统内的沸腾有宏观运动的系统内的沸腾气泡生长受流体流动的影响气泡生长受流体流动的影响汽液两相运动汽液两相运动 比池式沸腾复杂比池式沸腾复杂核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型流动沸腾的传热工况及汽液两相流型A A段段 单相液体对流单相液体对流壁面温度与流体平均温壁面温度与流体平均温度均升高度均升高壁面附近形成热边界层壁面附近形成热边界层因过热度不足不能生成因过热度不足不能生成气泡气泡核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型流动沸腾的传热工况及汽液两相流型B B段段 欠热泡核沸腾欠热泡核沸腾气泡形成气泡形成传热增强，传热系数增大传热增强，传热系数增大液体边界层温度高于饱和液体边界层温度高于饱和温度温度初始阶段，气泡较少，附初始阶段，气泡较少，附着在壁面，管中心仍为潜着在壁面，管中心仍为潜热液体，气泡不能长大热液体，气泡不能长大后段，气泡长大并脱离壁后段，气泡长大并脱离壁面，泡核沸腾逐渐增强面，泡核沸腾逐渐增强核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型流动沸腾的传热工况及汽液两相流型核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型流动沸腾的传热工况及汽液两相流型E E+F F段段 通过液膜强制对通过液膜强制对流蒸发传热流蒸发传热含汽率增加含汽率增加液膜变薄，内部导热及对液膜变薄，内部导热及对流变强，过热度降低流变强，过热度降低当过热度低于当过热度低于 T Tw w,ONBONB后，后，液膜内气泡停止产生，则液膜内气泡停止产生，则液膜内完全通过导热和对液膜内完全通过导热和对流实现换热流实现换热液膜逐渐变薄，直至蒸干液膜逐渐变薄，直至蒸干核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型流动沸腾的传热工况及汽液两相流型G G段段 缺液区传热缺液区传热液膜蒸干后，壁面被蒸汽液膜蒸干后，壁面被蒸汽覆盖覆盖传热能力急剧下降传热能力急剧下降壁温上升壁温上升液相以液滴形式存在液相以液滴形式存在核科学与工程系流动沸腾的传热工况及汽液两相流型流动沸腾的传热工况及汽液两相流型H H段段 单相蒸汽对流传热单相蒸汽对流传热液滴全部蒸完液滴全部蒸完蒸汽逐渐被过热蒸汽逐渐被过热核科学与工程系核科学与工程系3.33.3.2 2 核态沸腾传热核态沸腾传热lONBONB判断：判断：对于工业光滑管，对于工业光滑管，BerglesBergles和和RohsenowRohsenow提出提出q qONBONB=1.798x10=1.798x10-3-3 p p1.156 1.156 1.8(t1.8(tw w-t-ts s)2.828/p0.02342.828/p0.0234使用使用Jens-LottesJens-Lottes沸腾传热方程与单相强迫对流方程联立沸腾传热方程与单相强迫对流方程联立t tf,ONB f,ONB=t=ts s+J J-q/h-q/h其中其中t tw w-t-ts s=25(q/10=25(q/105 5)0.250.25 exp(-p/6.2)exp(-p/6.2)以上公式中以上公式中J J为壁面过热度为壁面过热度核科学与工程系核科学与工程系3.33.3.3 3 沸腾临界沸腾临界指传热机理发生变化时，传热系数发生的突然下降指传热机理发生变化时，传热系数发生的突然下降包括包括偏离泡核沸腾（偏离泡核沸腾（DNBDNB）和和蒸干蒸干两种工况两种工况棒束通道的临界热流密度，受功率轴向径向分布，定位件，棒间距等因素棒束通道的临界热流密度，受功率轴向径向分布，定位件，棒间距等因素影响，同时也受压力，质量流密度，含汽率的分布等因素影响影响，同时也受压力，质量流密度，含汽率的分布等因素影响在均与加热的情况下，可由西屋公司提出的实验数据拟合公式获得，当通在均与加热的情况下，可由西屋公司提出的实验数据拟合公式获得，当通道内存在冷壁时，该式中道内存在冷壁时，该式中D De e应被替换为热等效直径应被替换为热等效直径D Dh h=4 x =4 x 通道截面积通道截面积/加热周长加热周长核科学与工程系核科学与工程系3.33.3.4 4 过渡沸腾传热过渡沸腾传热是一种中间传热方式，是不稳定膜态沸腾与不稳定核态沸腾的结合是一种中间传热方式，是不稳定膜态沸腾与不稳定核态沸腾的结合壁面温度高到不能维持稳定的核态沸腾，但又低的不足以维持稳定的膜态壁面温度高到不能维持稳定的核态沸腾，但又低的不足以维持稳定的膜态沸腾沸腾固有不稳定性导致研究困难固有不稳定性导致研究困难出现条件：出现条件：LOCALOCA后后ECCSECCS注水，导致堆芯发生再淹没注水，导致堆芯发生再淹没RefloodReflood包括三种形式：包括三种形式：1.1.包含沸腾和对流成分的关系式包含沸腾和对流成分的关系式3-333-33；2.2.现象表达式现象表达式3-343-34；33.经验关系式经验关系式3-323-32核科学与工程系核科学与工程系3.33.3.5 5 膜态沸腾传热膜态沸腾传热DEDE段形成稳定蒸汽膜层后出现段形成稳定蒸汽膜层后出现加热表面通过辐射和强迫对流向蒸汽传热，也通过液珠与壁面之间的相互加热表面通过辐射和强迫对流向蒸汽传热，也通过液珠与壁面之间的相互z z作用实现传热作用实现传热分为反环状流（空泡份额分为反环状流（空泡份额30%80,80,之间为块状流过之间为块状流过渡区）两种渡区）两种换热系数远小于核态沸腾，包壳温度过高，故在反应堆正常运行时不允许换热系数远小于核态沸腾，包壳温度过高，故在反应堆正常运行时不允许出现出现计算关系式计算关系式3-35,3-363-35,3-36：核科学与工程系核科学与工程系3.4 3.4 燃料元件的型式结构及设计要求燃料元件的型式结构及设计要求燃料元件的型式：棒状，管状，板状，球状，如图燃料元件的型式：棒状，管状，板状，球状，如图3-163-16冷却方式：单面，双面冷却冷却方式：单面，双面冷却注入方式：端部注入注入方式：端部注入(主要使用主要使用)，中间注入，回流式三种，如图，中间注入，回流式三种，如图3-173-17燃料元件的热工设计要求：保证包壳完整性；合理水铀比；整个寿期内无燃料元件的热工设计要求：保证包壳完整性；合理水铀比；整个寿期内无不良物理化学作用；易于加工工艺性好；经济性好，生产成本低。不良物理化学作用；易于加工工艺性好；经济性好，生产成本低。核科学与工程系核科学与工程系3.5 3.5 燃料元件材料的热物性燃料元件材料的热物性易裂变核素：主要包括易裂变核素：主要包括U-233U-233（Th-232Th-232转化），转化），U-235U-235（天然存在），（天然存在），Pu-239Pu-239（U-238U-238转化）转化）可转换核素：可转换核素：Th-232Th-232，U-238U-238等等核燃料：固体核燃料：固体/液体（水溶液，熔盐或液态金属），金属型液体（水溶液，熔盐或液态金属），金属型/陶瓷型陶瓷型/弥弥散型散型对于固体燃料要求：对于固体燃料要求：1.1.良好的辐照稳定性良好的辐照稳定性2.2.良好的热物性良好的热物性3.3.与包壳材料相容与包壳材料相容4.4.与冷却剂接触无强烈化学腐蚀与冷却剂接触无强烈化学腐蚀5.5.工艺性好，易加工，成本低工艺性好，易加工，成本低陶瓷燃料，弥散性燃料高温稳定性优于金属燃料陶瓷燃料，弥散性燃料高温稳定性优于金属燃料核科学与工程系核科学与工程系3.5 3.5 燃料元件材料的热物性燃料元件材料的热物性 金属燃料金属燃料优点：密度高，热导率，大工艺性好；缺点：高温下稳定性不好，优点：密度高，热导率，大工艺性好；缺点：高温下稳定性不好，高燃耗下尺寸变化大，腐蚀率高。高燃耗下尺寸变化大，腐蚀率高。核科学与工程系核科学与工程系3.5 3.5 燃料元件材料的热物性燃料元件材料的热物性 陶瓷燃料陶瓷燃料包括氧化物，氮化物，碳化物燃料包括氧化物，氮化物，碳化物燃料优点：熔点高，高温高辐照下几何形状稳定性好，与水及液态钠接优点：熔点高，高温高辐照下几何形状稳定性好，与水及液态钠接触有较好的耐腐蚀性能，与不锈钢及锆合金包壳材料的相容性好；触有较好的耐腐蚀性能，与不锈钢及锆合金包壳材料的相容性好；缺点：导热率低，热梯度下的脆性。缺点：导热率低，热梯度下的脆性。碳化物，氮化物燃料较氧化物燃料拥有更高的热导率和熔点及辐照碳化物，氮化物燃料较氧化物燃料拥有更高的热导率和熔点及辐照稳定性，但与水易发生剧烈化学反应，故较多用于气冷钠冷先进堆稳定性，但与水易发生剧烈化学反应，故较多用于气冷钠冷先进堆对于氧化物燃料对于氧化物燃料UOUO2 2：熔点熔点28002800摄氏度摄氏度密度密度10.98g/cm310.98g/cm3热导率低（如图热导率低（如图3-183-18），比液态钠低接近两个数量级。使用），比液态钠低接近两个数量级。使用Maxwell-EuckenMaxwell-Eucken方程描述方程描述孔隙率的影响孔隙率的影响 p p=（1-1-）/（1+1+）100100，其中为理论密度，其中为理论密度，=0.5=0.5（0.10.1），），=0.5=0.5 其他情况。其他情况。比热容较高（大约是水的比热容较高（大约是水的1/101/10），可通过公式），可通过公式3-403-40，4141计算得到。计算得到。核科学与工程系核科学与工程系3.5 3.5 燃料元件材料的热物性燃料元件材料的热物性 弥散燃料弥散燃料对于弥散体燃料（如欧盟对于弥散体燃料（如欧盟EFIT-ADSEFIT-ADS项目中提出的项目中提出的CERCERCERCER，CERMETCERMET燃料）燃料）-机械方法将燃料粉末弥散到热导率高，热稳定性及机械方法将燃料粉末弥散到热导率高，热稳定性及辐照稳定性好的基体材料中。辐照稳定性好的基体材料中。优点：耐辐照，耐腐蚀，导热性能好，机械性能好；缺点：基体材料优点：耐辐照，耐腐蚀，导热性能好，机械性能好；缺点：基体材料的存在稀释了裂变材料，因此需要高裂变材料富集度。的存在稀释了裂变材料，因此需要高裂变材料富集度。弥散颗粒和集体的热导率均会影响弥散燃料的热导率，如公式弥散颗粒和集体的热导率均会影响弥散燃料的热导率，如公式3-423-42。基体的影响较大。基体的影响较大。核科学与工程系核科学与工程系3.5 3.5 燃料元件材料的热物性燃料元件材料的热物性 包壳材料包壳材料需考虑因素：需考虑因素：良好核性能良好核性能 低中子吸收截面，弱感生放射性低中子吸收截面，弱感生放射性与核材料相容与核材料相容较好的导热性能较好的导热性能良好的力学及机械特性良好的力学及机械特性较强的抗腐蚀能力较强的抗腐蚀能力良好的辐照稳定性良好的辐照稳定性成本低，易加工，便于后处理成本低，易加工，便于后处理铝，镁，锆，不锈钢，石墨等铝，镁，锆，不锈钢，石墨等核科学与工程系核科学与工程系3.5 3.5 燃料元件材料的热物性燃料元件材料的热物性 锆合金锆合金高温下抗水腐蚀高温下抗水腐蚀锆锆-4-4合金（压水堆），锆合金（压水堆），锆-2-2及锆及锆-4-4合金（沸水堆）合金（沸水堆）锆锆-2-2，4 4的热导率计算参见公式的热导率计算参见公式3-463-46，约六倍于氧化物燃料。，约六倍于氧化物燃料。比热容计算参见比热容计算参见3-473-47，4848，4949，接近，接近UOUO2 2但考虑到其在燃料棒中所但考虑到其在燃料棒中所占比重较轻，一般不考虑其热迟滞。占比重较轻，一般不考虑其热迟滞。核科学与工程系核科学与工程系3.5 3.5 燃料元件材料的热物性燃料元件材料的热物性 不锈钢及镍基不锈钢及镍基合金合金不锈钢不锈钢 良好的抗腐蚀和抗辐照性能，但中子吸收截面大，高温水腐良好的抗腐蚀和抗辐照性能，但中子吸收截面大，高温水腐蚀蚀快堆中使用较多快堆中使用较多 满足快堆要求：熔点高；低辐照损伤及肿胀；良好满足快堆要求：熔点高；低辐照损伤及肿胀；良好的抗腐蚀性能，尤其是液态钠。的抗腐蚀性能，尤其是液态钠。核科学与工程系核科学与工程系3.5 3.5 燃料元件材料的热物性燃料元件材料的热物性 辐照的影响辐照的影响对对UOUO2 2的影响的影响熔点熔点 每每10000MWd/ton10000MWd/ton燃耗下降燃耗下降3232摄氏度，燃料全寿期内约摄氏度，燃料全寿期内约100100摄摄氏度氏度热导率热导率 随燃耗增加而减小，参照图随燃耗增加而减小，参照图3-193-19。低温下（。低温下（500 500摄氏度）摄氏度）影响较显著。温度高于影响较显著。温度高于16001600摄氏度时，影响不明显摄氏度时，影响不明显力学特性力学特性 低于低于10001000摄氏度时，摄氏度时，UOUO2 2表现脆性，芯块较低热应力下表现脆性，芯块较低热应力下便会发生龟裂。高温下表现出热蠕变性，辐照状况下会得到加强。便会发生龟裂。高温下表现出热蠕变性，辐照状况下会得到加强。UOUO2 2的密实化的密实化 高温下的静压力造成孔隙消失，芯块体积减小；另一高温下的静压力造成孔隙消失，芯块体积减小；另一个原因是辐照引起芯块孔隙消失。个原因是辐照引起芯块孔隙消失。后果：芯块收缩，发热不均匀；气隙增大，热阻增大。后果：芯块收缩，发热不均匀；气隙增大，热阻增大。优化措施：减小燃料初始孔隙率，提高烧结温度，延长烧结时间优化措施：减小燃料初始孔隙率，提高烧结温度，延长烧结时间.核科学与工程系核科学与工程系3.5 3.5 燃料元件材料的热物性燃料元件材料的热物性 辐照的影响辐照的影响辐照造成的结构再造辐照造成的结构再造 中央空洞，周围径向放射性晶粒中央空洞，周围径向放射性晶粒芯块肿胀芯块肿胀 因受辐照体积增大；由于裂变气体（因受辐照体积增大；由于裂变气体（KrKr，XeXe等）和固态等）和固态裂变产物的聚集造成；肿胀率一般为裂变产物的聚集造成；肿胀率一般为0.5-1.0%0.5-1.0%；裂变气体填充气隙改；裂变气体填充气隙改变热阻（参见公式变热阻（参见公式3-513-51）。）。