核电厂热工水力学ppt课件
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不锈钢组合，Csf 0.0132 ；对于水和黄铜组合，Csf 0.006 。
式（3—17）中的 hfg 为汽化潜热，J/kg ； 为液体表
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。
中国实验快堆
2.2池沸腾曲线
(1) A点前：单相液体自然对
流传热。
(2) AB区：泡核沸腾和自然
对流混合传热。
(3) BC区：泡核沸腾传热。
(4) C点：临界热流密度工况
（CHF）。
(5) (6)
CD区：过渡沸腾传热区。 D点：稳定膜态沸腾起始
中国实验快堆
按照液体是否流动可将非均匀沸腾分成两 种基本的沸腾型式 :
池式沸腾（又称大容积沸腾） 流动沸腾
中国实验快堆
2池式沸腾传热 2.1池式沸腾定义及分类
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；
中国实验快堆
D点：稳定膜态沸腾起始点
在该点的是膜态沸腾的最小值，所以该点也叫 最小膜态沸腾工况。此时连续汽膜刚好覆盖加 热表面。该点由于液体刚好不能接触加热表面， 所以该点也叫Leidenfrost点，该点的壁面温度 叫Leidenfrost温度。 液体不会润湿炙热的表面，而仅仅在其上形 成一个蒸汽层的现象，由科学家莱顿弗罗斯 特在1756年发现。
体平均温度，K； g 是重力加速度，m/s2；L 、L 、kL 、V 和
cpL 分别是液体的密度，kg/m3、粘度，Pas、热导率，W/(mK)、
体积膨胀系数，1/K 和比定压热容，J/(kgK)，这些物性都在
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
平均温度 (TW Tf ) / 2 下计算。
中国实验快堆
泡核沸腾区（ABC）
泡核沸腾传热机理
中国实验快堆
1.2沸腾传热定义及分类
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 的模式。
按照发生沸腾的不同方式，沸腾传热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，在较大的液 体过热度下，气泡由能量较集中的液体高能分子团的运动 与集聚而产生，例如，在较高压力下的饱和水系统中，如 果降低系统压力，则原来的处于饱和状态的水就变成了过 热水。当水的过热度超过某一临界值，系统内的部分水就 会突然气化成许多细小的蒸汽泡。这种在液体体积内部急 剧气化的现象称为“闪蒸（flashing）”。 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。
汽化潜热传热 汽—液置换传热 微对流传热 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 热毛细管流
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。
中国实验快堆
泡核沸腾区（ABC）-泡核沸腾传热关系式
1）Rohsenow 关系式
Rohsenow 基于微对流机理，对影响微对流传热的
主要因素进行了量纲分析，结合饱和泡核沸腾的实验
数据得到如下经验公式：
cpL (TW TS ) h fg
Csf
q
Lhfg
g
(
L
G
)
1/
2
N
cp
k
M
L
（3－17）
式中， N 0.33，一般 M 1.7 ，对于水推荐 M 1. 。
Csf 与液体和加热表面的组合有关系，例如，对于水和
池式沸腾曲线[(a)是控制 壁温Tw连续增加，(b)是
点。
控制热流密度q连续增加
(7) DEF区：稳定膜态沸腾 ]
传热工况。
中国实验快堆
A点前：单相液体自然对流传热
液体可 以处于或低于饱 和温度。壁面温度与液体 温度相接近，或者只比液 体高几度。因为壁面过热 度不高，不能生成汽泡。
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AB区：泡核沸腾和自然对流混合传热
堆芯传热
中国实验快堆
1沸腾传热 1.1压水堆内的沸腾传热
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，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、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。
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DEF区：稳定膜态沸腾传热工况
一层连续稳定的蒸汽膜覆盖 在整个加热表面上，热量的 传递主要通过汽膜的导热、 对流和热辐射，只不过在EF 区热辐射变得更强，因而q 随△Tw的增加而加更迅速 上升
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C点：临界热流密度工况（CHF）
该点标志着泡核沸腾的上限。对于控制壁温的情况 （a），在C点之后，由于部分加热表面被蒸汽覆 盖（蒸汽是低劣的传热介质）而使传热强度减弱， q随△Tw的增加反而下降；对于控制热流的情况 （b），加热q的稍微增加，就使壁温Tw骤然跃升 到C′点，壁温大幅度跃升将可能导致壁面被烧毁。
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2.3各区传热机理和传热关系式 单相液体自然对流区（A点前）
在池内自下而上已建立温度梯度，通过自然对流将加热面上 的热量在液体内向上传递。对于水平的平直表面的湍流自然
对流，其传热系数 h 的关系式可表达成：
h
0.14kL
gV
L (TW L2
Tf
)
1/3
PrL
（3—16）
式中，h 是传热系数，W/(m2K)；TW 是壁面温度，K；Tf 是液
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BC区：泡核沸腾传热
由于所产生的汽泡数目增多和大量汽泡脱离壁 面，造成了对热边界层内液体的强烈扰动，从 而使传热大大增强，q随△Tw迅速增加。在加 热面附近会形成蒸汽片或蒸汽柱。
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CD区：过渡沸腾传热区
也称部分膜态沸腾工况。在该工况下，液—汽 交替覆盖部分加热面，传热变得不稳定。由于 有时蒸汽膜覆盖加热面，使传热能力下降，随 的增加反而降低。只有在情况(a)才能用实验方 法获得CD工况；对于情况(b)，稍增，就会从 C跳到C′ ，且用时间极短，实际上不存在CD 工况，而直接进入膜态沸腾工况。
式（3—17）中的 hfg 为汽化潜热，J/kg ； 为液体表
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。
中国实验快堆
2.2池沸腾曲线
(1) A点前：单相液体自然对
流传热。
(2) AB区：泡核沸腾和自然
对流混合传热。
(3) BC区：泡核沸腾传热。
(4) C点：临界热流密度工况
（CHF）。
(5) (6)
CD区：过渡沸腾传热区。 D点：稳定膜态沸腾起始
中国实验快堆
按照液体是否流动可将非均匀沸腾分成两 种基本的沸腾型式 :
池式沸腾（又称大容积沸腾） 流动沸腾
中国实验快堆
2池式沸腾传热 2.1池式沸腾定义及分类
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；
中国实验快堆
D点：稳定膜态沸腾起始点
在该点的是膜态沸腾的最小值，所以该点也叫 最小膜态沸腾工况。此时连续汽膜刚好覆盖加 热表面。该点由于液体刚好不能接触加热表面， 所以该点也叫Leidenfrost点，该点的壁面温度 叫Leidenfrost温度。 液体不会润湿炙热的表面，而仅仅在其上形 成一个蒸汽层的现象，由科学家莱顿弗罗斯 特在1756年发现。
体平均温度，K； g 是重力加速度，m/s2；L 、L 、kL 、V 和
cpL 分别是液体的密度，kg/m3、粘度，Pas、热导率，W/(mK)、
体积膨胀系数，1/K 和比定压热容，J/(kgK)，这些物性都在
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
平均温度 (TW Tf ) / 2 下计算。
中国实验快堆
泡核沸腾区（ABC）
泡核沸腾传热机理
中国实验快堆
1.2沸腾传热定义及分类
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 的模式。
按照发生沸腾的不同方式，沸腾传热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，在较大的液 体过热度下，气泡由能量较集中的液体高能分子团的运动 与集聚而产生，例如，在较高压力下的饱和水系统中，如 果降低系统压力，则原来的处于饱和状态的水就变成了过 热水。当水的过热度超过某一临界值，系统内的部分水就 会突然气化成许多细小的蒸汽泡。这种在液体体积内部急 剧气化的现象称为“闪蒸（flashing）”。 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。
汽化潜热传热 汽—液置换传热 微对流传热 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 热毛细管流
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。
中国实验快堆
泡核沸腾区（ABC）-泡核沸腾传热关系式
1）Rohsenow 关系式
Rohsenow 基于微对流机理，对影响微对流传热的
主要因素进行了量纲分析，结合饱和泡核沸腾的实验
数据得到如下经验公式：
cpL (TW TS ) h fg
Csf
q
Lhfg
g
(
L
G
)
1/
2
N
cp
k
M
L
（3－17）
式中， N 0.33，一般 M 1.7 ，对于水推荐 M 1. 。
Csf 与液体和加热表面的组合有关系，例如，对于水和
池式沸腾曲线[(a)是控制 壁温Tw连续增加，(b)是
点。
控制热流密度q连续增加
(7) DEF区：稳定膜态沸腾 ]
传热工况。
中国实验快堆
A点前：单相液体自然对流传热
液体可 以处于或低于饱 和温度。壁面温度与液体 温度相接近，或者只比液 体高几度。因为壁面过热 度不高，不能生成汽泡。
中国实验快堆
AB区：泡核沸腾和自然对流混合传热
堆芯传热
中国实验快堆
1沸腾传热 1.1压水堆内的沸腾传热
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，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、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。
中国实验快堆
DEF区：稳定膜态沸腾传热工况
一层连续稳定的蒸汽膜覆盖 在整个加热表面上，热量的 传递主要通过汽膜的导热、 对流和热辐射，只不过在EF 区热辐射变得更强，因而q 随△Tw的增加而加更迅速 上升
中国实验快堆
C点：临界热流密度工况（CHF）
该点标志着泡核沸腾的上限。对于控制壁温的情况 （a），在C点之后，由于部分加热表面被蒸汽覆 盖（蒸汽是低劣的传热介质）而使传热强度减弱， q随△Tw的增加反而下降；对于控制热流的情况 （b），加热q的稍微增加，就使壁温Tw骤然跃升 到C′点，壁温大幅度跃升将可能导致壁面被烧毁。
中国实验快堆
2.3各区传热机理和传热关系式 单相液体自然对流区（A点前）
在池内自下而上已建立温度梯度，通过自然对流将加热面上 的热量在液体内向上传递。对于水平的平直表面的湍流自然
对流，其传热系数 h 的关系式可表达成：
h
0.14kL
gV
L (TW L2
Tf
)
1/3
PrL
（3—16）
式中，h 是传热系数，W/(m2K)；TW 是壁面温度，K；Tf 是液
中国实验快堆
BC区：泡核沸腾传热
由于所产生的汽泡数目增多和大量汽泡脱离壁 面，造成了对热边界层内液体的强烈扰动，从 而使传热大大增强，q随△Tw迅速增加。在加 热面附近会形成蒸汽片或蒸汽柱。
中国实验快堆
CD区：过渡沸腾传热区
也称部分膜态沸腾工况。在该工况下，液—汽 交替覆盖部分加热面，传热变得不稳定。由于 有时蒸汽膜覆盖加热面，使传热能力下降，随 的增加反而降低。只有在情况(a)才能用实验方 法获得CD工况；对于情况(b)，稍增，就会从 C跳到C′ ，且用时间极短，实际上不存在CD 工况，而直接进入膜态沸腾工况。