反应堆传热过程
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自然对流占主导 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
中也会发生尤其是事故状况下
➢核科学与工程系
➢3.3.1 沸腾曲线 – 池式沸腾
壁面过热度与热流密度的关系曲线 右下方为大容积沸腾，左上方为管
内流动沸腾 B点前为不沸腾自然对流区，B点开
始产生气泡，B点称为沸腾起始点 ONB。气泡产生，对流换热系数高， 热流密度迅速上升 C点达到热流密度最大值，称为临 界热流密度 BC段为核态沸腾区
15
流动沸腾的传热工况及汽液两相流型
➢
16
流动沸腾的传热工况及汽液两相流型
E+F段 – 通过液膜强制对 流蒸发传热
含汽率增加 液膜变薄，内部导热及对
流变强，过热度降低 当过热度低于ΔTw,ONB后，
液膜内气泡停止产生，则 液膜内完全通过导热和对 流实现换热 液膜逐渐变薄，直至蒸干
17
流动沸腾的传热工况及汽液两相流型
3. 经验关系式3-32
➢核科学与工程系
➢3.3.5 膜态沸腾传热
DE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z
作用实现传热 分为反环状流（空泡份额<30%）和弥散流（空泡份额>80, 之间为块状流
过渡区）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
11
影响池式沸腾的主要因素-其他因素
液壁接触角增加或不凝气体掺入 降低ΔTw 使沸腾曲线ABC段左移，强化传热
12
流动沸腾传热
强制或自然对流 有宏观运动的系统内的沸腾 气泡生长受流体流动的影响 汽液两相运动–比池式沸腾复杂
13
流动沸腾的传热工况及汽液两相流型
A段 – 单相液体对流 壁面温度与流体平均温
度均升高 壁面附近形成热边界层 因过热度不足不能生成
气泡
14
流动沸腾的传热工况及汽液两相流型
B段 – 欠热泡核沸腾 气泡形成 传热增强，传热系数增大 液体边界层温度高于饱和
温度 初始阶段，气泡较少，附
着在壁面，管中心仍为潜 热液体，气泡不能长大 后段，气泡长大并脱离壁 面，泡核沸腾逐渐增强
➢
分为自然对流换热和强迫对流换热两种情况考虑
➢
对于非圆形通道，可使用当量直径作为公式3-15,16中的特征尺寸 对于棒束通道，使用Weissman关系式，分为正方形栅格和三角形栅格
两种情况对待
➢核科学与工程系
➢3.2 单相对流传热 – 自然对流换热
由密度梯度即温度梯度引起 引入特征量格拉晓夫数Gr=(gβΔT x3)/ ν2
➢核科学与工程系
➢3.3.1 沸腾曲线 – 池式沸腾
CD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
DE段为稳定膜态沸腾区 此两区内稳定的汽膜形成 D点后辐射传热增强，热流密度再
次提高 C，E点热流密度相同，故当从C点
进一步提高热流密度时，膜温差可 能跃升，造成壁面烧毁。因此C点 又称为烧毁点。 H点为偏离核态沸腾规律点DNB
影响池式沸腾的主要因素-系统压力
➢
9
影响池式沸腾的主要因素-主流液体温度(或欠 热度)
对传热强度无影响 对于qc影响显著 随欠热度ΔTSUB增大，汽液置换时易冷凝近壁气泡，则qc升
高
10
影响池式沸腾的主要因素-加热表面粗糙 度
表面越粗糙，泡化空穴越大，因此需要的过热度越小 使ABC段左移 泡核沸腾传热增强 对qc及膜态沸腾的影响很小 – 气膜将粗糙度掩盖
第三章 堆的传热过程
➢核科学与工程系
➢3.1 导热
➢
➢核科学与工程系
➢3.1 导热
有内热源的圆柱形芯块温度场,忽略轴向导热情况
➢
无内热源的圆筒形包壳温度场,忽略轴向导热情况
➢
➢核科学与工程系
➢3.2 单相对流传热
包壳外表面与冷却剂的热交换过程，基于牛顿冷却定律 Q = h FΔθt, 其中Δθt为膜温差，h为对流换热系数，F为传热表面积， Q为传递的热功率
➢核科学与工程系
➢3.3.3 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 包括偏离泡核沸腾（DNB）和蒸干两种工况 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
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
G段 – 缺液区传热 液膜蒸干后，壁面被蒸汽
覆盖 传热能力急剧下降 壁温上升 液相以液滴形式存在
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流动沸腾的传热工况及汽液两相流型
H段 – 单相蒸汽对流传热 液滴全部蒸完 蒸汽逐渐被过热
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➢核科学与工程系
➢3.3.2 核态沸腾传热
ONB判断： ➢ 对于工业光滑管，Bergles和Rohsenow提出 qONB = 1.798x10-3 p1.156 [1.8 (tw - ts)]2.828/p0.0234 ➢ 使用Jens-Lottes沸腾传热方程与单相强迫对流方程联立 tf,ONB = ts + ΔθJ - q/h 其中tw - ts= 25(q/105)0.25 exp(-p/6.2) 以上公式中ΔθJ为壁面过热度
道内存在冷壁时，该式中De应被替换为热等效直径Dh = 4 x 通道截面积 / 加热周长
➢核科学与工程系
➢3.3.4 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 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 固有不稳定性导致研究困难 出现条件：LOCA后ECCS注水，导致堆芯发生再淹没Reflood 包括三种形式：1.包含沸腾和对流成分的关系式3-33；2. 现象表达式3-34；
出现 计算关系式3-35,3-36：
其中β为流体的体积膨胀系数，ν=μ/ρ为运动黏度，x为位差 普遍关系式为Nu=f(Gr Pr) = C(Gr Pr)mn,式中m指物性参数取平均温
度点的值，即tm=(tf+tw)/2 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至3-24)
➢核科学与工程系
➢3.3 沸腾传热
包括池式沸腾和流动沸腾两种情况 池式沸腾 – 拥有自由表面的大容积液体，在受热面处发ห้องสมุดไป่ตู้的沸腾。
中也会发生尤其是事故状况下
➢核科学与工程系
➢3.3.1 沸腾曲线 – 池式沸腾
壁面过热度与热流密度的关系曲线 右下方为大容积沸腾，左上方为管
内流动沸腾 B点前为不沸腾自然对流区，B点开
始产生气泡，B点称为沸腾起始点 ONB。气泡产生，对流换热系数高， 热流密度迅速上升 C点达到热流密度最大值，称为临 界热流密度 BC段为核态沸腾区
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流动沸腾的传热工况及汽液两相流型
➢
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流动沸腾的传热工况及汽液两相流型
E+F段 – 通过液膜强制对 流蒸发传热
含汽率增加 液膜变薄，内部导热及对
流变强，过热度降低 当过热度低于ΔTw,ONB后，
液膜内气泡停止产生，则 液膜内完全通过导热和对 流实现换热 液膜逐渐变薄，直至蒸干
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流动沸腾的传热工况及汽液两相流型
3. 经验关系式3-32
➢核科学与工程系
➢3.3.5 膜态沸腾传热
DE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z
作用实现传热 分为反环状流（空泡份额<30%）和弥散流（空泡份额>80, 之间为块状流
过渡区）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
11
影响池式沸腾的主要因素-其他因素
液壁接触角增加或不凝气体掺入 降低ΔTw 使沸腾曲线ABC段左移，强化传热
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流动沸腾传热
强制或自然对流 有宏观运动的系统内的沸腾 气泡生长受流体流动的影响 汽液两相运动–比池式沸腾复杂
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流动沸腾的传热工况及汽液两相流型
A段 – 单相液体对流 壁面温度与流体平均温
度均升高 壁面附近形成热边界层 因过热度不足不能生成
气泡
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流动沸腾的传热工况及汽液两相流型
B段 – 欠热泡核沸腾 气泡形成 传热增强，传热系数增大 液体边界层温度高于饱和
温度 初始阶段，气泡较少，附
着在壁面，管中心仍为潜 热液体，气泡不能长大 后段，气泡长大并脱离壁 面，泡核沸腾逐渐增强
➢
分为自然对流换热和强迫对流换热两种情况考虑
➢
对于非圆形通道，可使用当量直径作为公式3-15,16中的特征尺寸 对于棒束通道，使用Weissman关系式，分为正方形栅格和三角形栅格
两种情况对待
➢核科学与工程系
➢3.2 单相对流传热 – 自然对流换热
由密度梯度即温度梯度引起 引入特征量格拉晓夫数Gr=(gβΔT x3)/ ν2
➢核科学与工程系
➢3.3.1 沸腾曲线 – 池式沸腾
CD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
DE段为稳定膜态沸腾区 此两区内稳定的汽膜形成 D点后辐射传热增强，热流密度再
次提高 C，E点热流密度相同，故当从C点
进一步提高热流密度时，膜温差可 能跃升，造成壁面烧毁。因此C点 又称为烧毁点。 H点为偏离核态沸腾规律点DNB
影响池式沸腾的主要因素-系统压力
➢
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影响池式沸腾的主要因素-主流液体温度(或欠 热度)
对传热强度无影响 对于qc影响显著 随欠热度ΔTSUB增大，汽液置换时易冷凝近壁气泡，则qc升
高
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影响池式沸腾的主要因素-加热表面粗糙 度
表面越粗糙，泡化空穴越大，因此需要的过热度越小 使ABC段左移 泡核沸腾传热增强 对qc及膜态沸腾的影响很小 – 气膜将粗糙度掩盖
第三章 堆的传热过程
➢核科学与工程系
➢3.1 导热
➢
➢核科学与工程系
➢3.1 导热
有内热源的圆柱形芯块温度场,忽略轴向导热情况
➢
无内热源的圆筒形包壳温度场,忽略轴向导热情况
➢
➢核科学与工程系
➢3.2 单相对流传热
包壳外表面与冷却剂的热交换过程，基于牛顿冷却定律 Q = h FΔθt, 其中Δθt为膜温差，h为对流换热系数，F为传热表面积， Q为传递的热功率
➢核科学与工程系
➢3.3.3 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 包括偏离泡核沸腾（DNB）和蒸干两种工况 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
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
G段 – 缺液区传热 液膜蒸干后，壁面被蒸汽
覆盖 传热能力急剧下降 壁温上升 液相以液滴形式存在
18
流动沸腾的传热工况及汽液两相流型
H段 – 单相蒸汽对流传热 液滴全部蒸完 蒸汽逐渐被过热
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➢核科学与工程系
➢3.3.2 核态沸腾传热
ONB判断： ➢ 对于工业光滑管，Bergles和Rohsenow提出 qONB = 1.798x10-3 p1.156 [1.8 (tw - ts)]2.828/p0.0234 ➢ 使用Jens-Lottes沸腾传热方程与单相强迫对流方程联立 tf,ONB = ts + ΔθJ - q/h 其中tw - ts= 25(q/105)0.25 exp(-p/6.2) 以上公式中ΔθJ为壁面过热度
道内存在冷壁时，该式中De应被替换为热等效直径Dh = 4 x 通道截面积 / 加热周长
➢核科学与工程系
➢3.3.4 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 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 固有不稳定性导致研究困难 出现条件：LOCA后ECCS注水，导致堆芯发生再淹没Reflood 包括三种形式：1.包含沸腾和对流成分的关系式3-33；2. 现象表达式3-34；
出现 计算关系式3-35,3-36：
其中β为流体的体积膨胀系数，ν=μ/ρ为运动黏度，x为位差 普遍关系式为Nu=f(Gr Pr) = C(Gr Pr)mn,式中m指物性参数取平均温
度点的值，即tm=(tf+tw)/2 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至3-24)
➢核科学与工程系
➢3.3 沸腾传热
包括池式沸腾和流动沸腾两种情况 池式沸腾 – 拥有自由表面的大容积液体，在受热面处发ห้องสมุดไป่ตู้的沸腾。