什么是流动沸腾 - 强制对流沸腾 - 定义

在流沸腾(或强制对流沸腾)中,通过外部装置(如泵)和浮力效应,在表面上施加流体流动。优德app热工程学

流动沸腾-强制对流沸腾

流动沸腾-沸腾模式流沸腾(或强制对流沸腾),通过外部手段(如泵)以及浮力效应,在表面上施加流体流动。所以,流沸腾总是伴随着其他对流效应。条件很大程度上取决于几何形状,可能包括加热板和圆筒的外部流动或内部(管道)流动。在核反应堆中,大多数沸腾状态只是强制对流沸腾.根据流体是被迫流过加热表面还是在加热通道内流动,流动沸腾也被分为外部和内部流动沸腾。

内部流沸程在性质上比外部流沸腾更复杂,因为蒸汽没有自由表面逃逸,因此液体和蒸汽都被迫一起流动。的两相流在管中显示出不同的流动沸腾状态,这取决于液体和蒸汽相的相对数量。因此俗称内强制对流沸腾两相流

沸腾和Condesation
水相图
水的相图。
来源:wikipedia.org CC BY-SA

在前面几章中,我们已经讨论过了对流换热w88优德备用网址 微博具有非常重要的假设。我们假设了一个单相对流换热w88优德备用网址 微博没有任何相变。在本章中,我们专注于与之相关的对流热传递w88优德备用网址 微博流体的相变.特别地,我们考虑在固液或固蒸气界面处的过程,即,沸腾(液气相变)和缩合(vapor-to-liquid相变)。

在这些情况下,潜热的影响与之相关联的相变是显著的。潜热也称为蒸发的焓,是加入或从物质中除去的热量以产生相变的变化。这种能量破坏了分子间吸引力,并且还必须提供扩展天然气所需的能量(pΔV工作).当潜热添加,发生温度变化。

蒸发热 - 水为0.1MPa,3MPa,16MPa
随着压力的增加,汽化热减少,而沸点增加。它在临界点处完全消失。

蒸发焓是发生变化时压强的函数。

汽化潜热 - 水0.1MPa(大气压)

hlg= 2257 kj / kg

蒸发潜热-水在3mpa

hlg= 1795 kJ /公斤

蒸发潜热-水在16mpa(压力在a加压器

hlg= 931 kj / kg

汽化热随着压力的增加而减少沸点增加。它完全消失在一个叫做临界点.在临界点以上,液相和气相就无法区分了,这种物质称为a超临界流体

超临界阶段关键点 - 分钟从液体到蒸汽状态的变化是因为沸腾是由固体表面的热传递维持的;w88优德备用网址 微博相反,缩合蒸汽与液态导致热传递到固体表面。w88优德备用网址 微博沸腾和冷凝不同于其他形式的对流,因为它们依赖于蒸发潜热,这是非常高的为常见的压力因此,大量的热量可以在沸腾和冷凝过程中传递,基本上是在恒定的温度下。w88优德备用网址 微博传热系数, h,与…有关沸腾和冷凝通常是高得多比在其他形式的对流过程中遇到的,只涉及一个单相。

这是由于这样的事实,即使在湍流,存在停滞的流体膜层(层流亚层),隔离换热器表面。这滞液膜层对对流换热系数起关键作用。w88优德备用网址 微博可以观察到,流体到达完全停在表面并假设相对于表面的零速度。这种现象称为无滑移条件,因此,在表面,能量流发生纯粹通过传导。但在下一层中,分子水平或宏观水平上的传导和扩散-质量运动都发生了。由于质量的运动,能量的传递率更高。写,核心沸腾在表面有效地破坏了这一停滞层,因此核沸腾显著地增加了表面转移的能力热能散装液体。

所有的两相流问题都具有与单相问题截然不同的特征。
  • 在蒸汽和液态水的情况下密度这两个阶段相差约1000倍.因此,重力对多相流的影响要比单相流的影响重要得多。
  • 声速对于经历相变的材料来说,变化是巨大的,而且可以是数量级的不同。这显著地影响了通过一个孔
  • 相对浓度不同相在多相流中通常是一个非常重要的相关参数,而在单相流中则是一个无关紧要的参数。
  • 相的变化意味着流量引起的压力下降会导致进一步的相变化(例如,水可以通过一个孔蒸发),增加气体的相对体积,可压缩介质和增加射流速度,不像单相不可压缩流,减少一个孔会降低射流速度。
  • 流道内各相的空间分布对流动特性有重要影响。
  • 多相流中有许多类型的稳定性。
流动模式 - 两相流
参见:流动模式 - 两相流

处理的最具挑战性的方面之一两相流或多相流它能承受吗许多不同的形式空间分布和速度液相和气相在许多工程分支中,流道是一个非常重要的方面。压力下降w88优德备用网址 微博传热系数强烈取决于当地流动结构因此,在工程中具有重要的意义核反应堆.所观察到的流结构定义为两相流动模式这些具有特殊识别特征。这些不同的流动模式已经存在分类根据流的方向相对于引力加速度。

  • 垂直管中的流动模式
  • 水平管中的流动模式

流动模式

主要流型在垂直管如表所示。它必须被注意到价值流质量流量取决于流体和压力。在水平管中,也可以有分层流(特别是在低流速时),在这两个阶段分离在重力的影响下。

对于恒定的液体流量,汽/气相趋向于如下分布小气泡在低蒸汽流速下。增加空隙部分原因聚集泡沫的更大的塞子和段塞.进一步凝聚的粘液,引起进一步增加空隙部分使相分离成环形图案其中液体在通道壁和蒸汽在中央核心流动垂直通道。

对于水平通道,重力倾向于将液体环空排向通道底部,从而导致分层流.作用在液相上的重力可以被高流速下的动能所克服,导致分层流回复到环状流。在非常高的流量下,环形膜被气芯剪切而变薄,所有液体以液滴的形式夹带在汽相中。这种流动状态通常被称为雾状流

参见:工程数据手册III, Thome, j.r., Wolverine Tube Inc, 2004。

流沸腾 - 垂直通道

在本章中,我们将学习流沸腾在垂直通道a沸水反应堆.沸腾的制度和热通量曲线类似于池中的泡沫中的制度。该过程也发生在现代高压强制循环锅炉中。

在bwrs中,存在一种现象,即反应堆安全最重要.这种现象被称为“干涸”它直接与流型变化在蒸发。在正常情况下,燃料表面被沸腾的冷却剂有效地冷却。但当热通量超过a临界值临界热流),流型可达干涸的条件(薄膜的液体消失)。从燃料表w88优德备用网址 微博面进入冷却剂的热传递劣化,结果是大幅度提高燃料表面温度.在高质量地区,危机发生在较低的热流中。由于蒸汽芯内的流速较高,chf后换热比低质量临界通量(即压水堆温升更高、更快)要好得多。w88优德备用网址 微博

流动沸腾-干燥典型的流沸腾在A中的模式垂直频道如图所示。该图显示了从入口到出口所遇到的流型的典型顺序加热通道.在水口液体进入过冷(温度低于饱和度)。在该区域中,流量是单相。随着液体加热,壁温相应地升高。作为壁面温度超过饱和温度(例如285°C, 6.8 MPa),过冷核沸腾开始.气泡在过热时成核边界层在加热的墙上在过冷体中冷凝

液体温度的进一步增加,液体散装达到其饱和温度和对流沸腾的过程通过了泡沫流弹状流.增加空隙率导致气流结构变得不稳定。沸腾的过程经过鼻涕虫和生产流环形流动制度以其特有的环形液体膜。在给定的通过通道的流量、压力、流动质量和线性热流率的组合下,壁液膜可能排气墙壁可能是.在干燥点,壁面温度显著升高,以消散所应用的热流。干燥后流动(雾或滴流)在加热的通道中是不希望的,因为这种流动状态的存在伴随着显着更高的壁温和壁温波动的高波动。用于确定两个相流中的传热系数的相关性在下面描述。w88优德备用网址 微博

特别推荐:Tong, l.s, Weisman, Joel。压水堆热分析。Amer Nuclear Society,第3版,1996年5月。ISBN-13: 978 - 0894480386。

单相强制对流 - 传热相关性w88优德备用网址 微博

为充分发展(水动力和热)湍流在光滑的圆形管中,局部努塞尔特数可以从众所周知的情况下获得Dittus-boelter方程.的Dittus-boelter方程易于解决,但是当存在大的温差时不太准确流体对于粗糙管(许多商业应用),它的精确度较低,因为它是为光滑管量身定制的。

Dittus-Boelter方程-公式

Dittus-Boelter相关性可用于小到适中的温差,T- TAvg.,所有属性在平均温度下评估Avg.

对于具有较大性质变化特征的流动,修正(例如粘度修正因子/μμ)必须被考虑在内,例如文本编辑器和泰特推荐。

核沸腾关联-流动沸腾

McAdams相关性

在饱和冷却剂充分发展的核沸腾中,壁面温度是由局部热流和压力决定的,仅轻微依赖于雷诺数.对于亚过冷水,绝对压力在0.1-0.6MPa之间,麦克亚当斯相关性给:

核沸腾-麦克亚当斯相关

托姆的相关性

托姆的相关性为流动沸腾(在压力高达20 MPa时过冷或饱和),在核沸腾贡献超过强制对流的条件下。这种相关性对于粗略估计热流下的预期温差是有用的:

核心沸腾 -  Thom相关性

陈的相关性

在1963年,提出了垂直管内蒸发的第一个流动沸腾关联,并得到了广泛的应用。陈的相关性包括w88优德备用网址 微博传热系数由于核心沸腾强迫对流机制.必须注意的是,在较高的蒸汽分数下,换热系数随流量变化很大。w88优德备用网址 微博地核中的流速可能非常高,从而造成非常高的湍流。这种传热机w88优德备用网址 微博制被称为“强制对流蒸发”。还没有建立足够的标准来确定从核沸腾到强制对流蒸发的转变。然而,陈提出了一种适用于核沸腾和强制对流蒸发的单一关联,它适用于饱和沸腾条件,并被其他人扩展到包括过冷沸腾。Chen提出了一种关联式,其中传热系数为w88优德备用网址 微博强制对流组件和一个核心沸腾成分。必须指出的是,Forster和Zuber(1955)的核池沸腾相关性用于计算核心沸腾的传热系数H.w88优德备用网址 微博FZ采用Dittus-Boelter(1930)的湍流关联计算了液相对流换热系数hw88优德备用网址 微博lgydF4y2Ba

陈氏相关-福斯特- zuber

成核沸腾抑制因子S,是有效超热与壁过热的比率。由于边界层穿过的有效过热,因此沸腾热传递减少而不是基于壁温的过热。w88优德备用网址 微博两相乘法器F是Martinelli参数χ的函数TT.

沸腾危机-临界热流

干涸与DNB正如所写,在核反应堆,限制当地的热通量对反应堆安全至关重要。为压水反应堆沸水反应堆,存在热液现象,这导致在突然减少热传递效率w88优德备用网址 微博(更准确地说在w88优德备用网址 微博传热系数).这些现象发生在一定的热通量值,称为“临界热通量”。压水堆和沸水堆传热恶化的现象是不同的。w88优德备用网址 微博

在这两种类型的反应堆中,问题或多或少与离核沸腾有关。核沸腾热流密度不能无限地增加。在某个值处,我们称之为临界热通量”(瑞士法郎)时,所产生的蒸汽会在其表面形成一层保温层,而保温层又会恶化传热系数。w88优德备用网址 微博在达到临界热流后,沸腾立即变得不稳定,并发生膜沸腾。从核沸腾到膜沸腾的转变被称为沸腾的危机”。如前所述,压水堆和沸水堆导致传热恶化的现象是不同的。w88优德备用网址 微博

离开核沸腾- DNB

DNBR  - 从核心沸腾比偏离在的情况下PWRS.,命名为关键安全问题DNB偏离核沸腾),从而形成a当地蒸汽层,导致传热能力显著降低。w88优德备用网址 微博这种现象发生在过冷或低质量的区域中。沸腾危机的行为取决于许多流动条件(压力,温度,流速),但沸腾的危机发生在相对高的热通量下,并且似乎与邻近表面的气泡云相关。这些气泡或蒸汽膜减少了进入的水量。由于这一现象恶化了传热系数,而热流密度保持不变,因此热量w88优德备用网址 微博积累在燃料棒造成戏剧性的增长包层和燃料温度.简单地说,需要非常高的温差才能将燃料棒表面产生的临界热流传递给反应堆冷却剂(通过蒸汽层)。

对于PWRs,临界流为反环状流,而在BWRs中,临界流通常为环空流。图中描述了干燥后流和dnb后流的流型差异。在PWRS.正常操作这种流动被认为是单相的。但人们对。的性质进行了大量研究两相流在的情况下瞬变和事故(如失冷剂事故-失冷剂或rcp跳闸),它们对反应堆的安全非常重要,必须在安全分析报告(SAR)。

在加压水反应器中,关键安全要求之一是在稳态运行,正常运行瞬变和预期的操作事件(AOOS)期间不会发生核心沸腾(DNB)的偏离。如果最小DNBR仍然高于PWR的95/95 DNBR限制,将保持燃料包层完整性(95%置信水平的95%概率)。DNB标准是安全分析中的验收标准之一,也是它构成了技术规范的安全限制之一。

核反应堆的热流限制
核反应堆生产巨大的热量(能量)体积小.能量产生的密度是非常大的这就对它的传热系统(反应堆冷却剂系统)提出了要求。w88优德备用网址 微博为了使反应堆在稳定状态下运行,系统中释放的所有热量必须被清除生产得越快越好.这是通过使液体或气体冷却剂通过核心通过其他产生热量的区域。热量传递w88优德备用网址 微博必须等于或大于热产生率或过热和可能的损害燃料可能发生。

运行中的反应堆的温度在系统内随点而变化。因此,总是有一个燃料棒一个当地的卷,这是比其他所有人都多。为了限制这些热的地方峰值功率限制必须引入。峰值功率极限与偏离核沸腾等现象和可能导致燃料球团熔化的条件有关。

因此,必须适当限制堆芯内部的功率分布。这些限制通常分为两大类:

DNB -关联的临界热流

正如写的那样,沸腾的危机可以被归类为干涸(将在DNB下描述)在高质量区域和从核心煮沸(DNB)出发过冷或低质量区域(质量范围大致为-5% ~ +5%)。但是,临界热通量用于两个制度。

DNB - W-3相关性

最着名的预测设计相关性之一偏离核沸腾和相关开发的威斯汀豪斯原子动力部由唐.它适用于过冷和低到中等质量的流动。的和相关是冷却剂的作用吗(饱和和进口),压力质量和冷却剂质量磁通:

临界热流-相关

相关W-3表示均匀加热通道中的临界热流。为了考虑不均匀的热流,Tong引入了修正因子F。

特别推荐:Tong, l.s, Weisman, Joel。压水堆热分析。Amer Nuclear Society,第3版,1996年5月。ISBN-13: 978 - 0894480386。

冷墙因子 - CWF

Tong, L. S.和Weisman, Joel还引入了一种新的因素称为“冷壁的因素,它修正了含有未加热壁的通道(例如靠近控制棒导管的通道)中的CHF。在这些通道中,沿冷壁形成的液膜不能有效地冷却受热面,冷却受热面的流体的焓比没有冷壁假设时计算的要高。需要注意的是,有一个假设,冷壁与通道相比,在各方面加热w88优德备用网址 微博相同的散热焓

CHF查找表

瑞士法郎查找表用于预测临界热流(CHF)。CHF查表基本上是一个垂直8毫米水冷管的规范化数据库。2006年CHF查表是基于一个包含3万多个数据点的数据库,它们涵盖0.1-21 Mpa压力,0-8000公斤-2.s-1(零流量指池沸腾条件)质量通量和-0.5到1蒸气质量(负质量指过冷条件)。

特别参考:GROENEVELD, D.C.等人,2006查表,核工程与设计237(2007),1909-1922。

偏离核沸腾比- DNBR

如前所述,以防PWRS.,命名为关键安全问题DNB偏离核沸腾),从而形成a当地蒸汽层,导致传热能力显著降低。w88优德备用网址 微博值得注意的是,即使是轴向功率曲线明显为底部峰值的BWRs,也必须考虑到dnb风险。

当局部热流达到临界热流时,发生DNB。这种现象发生在过冷或低质量区域(大约质量范围:从-5%到+5%)。这种沸腾危机的行为取决于许多流动条件(压力,温度,流速),因为临界热流通常是一个函数的冷却剂(饱和和进口),压力质量和冷却剂质量磁通:

临界热流-相关

这种沸腾危机发生在一个相对高的热流通量,似乎与气泡云,临近表面。这些气泡或蒸汽膜减少了进入的水量。由于这一现象恶化了传热系数,而热流密度保持不变,因此热量w88优德备用网址 微博积累在燃料棒造成戏剧性的增长包层和燃料温度.简单地说,需要非常高的温差才能将燃料棒表面产生的临界热流传递给反应堆冷却剂(通过蒸汽层)。对于PWRs,临界流为反环状流,而在BWRs中,临界流通常为环空流。

在加压水反应器中,关键安全要求之一是在稳态运行,正常运行瞬变和预期的操作事件(AOOS)期间不会发生核心沸腾(DNB)的偏离。如果最低限度,将保持燃料包层的完整性DNBR仍然高于95/95DNBR限制PWRs(95%置信水平下的95%概率)。DNB标准是安全分析中的可接受标准之一,也是技术规范中的安全极限之一。不用说,最小DNB比率的建立是水冷反应堆设计的一个主要限制。这种现象限制了每个压水堆的最大热功率。

DNBR -偏离核沸腾比是临界热流裕度的量度。DNBR定义为:

特定位置的临界热流和特定冷却剂参数除以该位置运行的局部热流

DNBR  - 定义

反应堆堆芯的设计必须保证在稳态运行、正常运行瞬变和预期运行发生(aos)期间,DNBR大于最小容许值(称为相关极限)。例如,为了预测偏离核沸腾,CHF可以使用Westinghouse原子动力部门开发的W-3关联来确定。如果这些相关性是完美的(没有不确定性),标准将很简单:

DNBR  - 标准

局部热流必须低于临界热流(即DNBR必须高于1)。

DNBR  - 从核心沸腾比偏离但实际上,没有一种相关性是完美的,这种计算必然涉及不确定性。这些不确定范围或误差范围为DNB比率建立了一个可接受的最小值,该值可能明显大于图中所示的1。不确定性可能达到20%左右,因此DNBR必须大于,例如,DNBR.= 1, 2

从图中可以看出,CHF随着冷却剂焓的增加而显着降低,因此DNBR的最小值不一定在核心的中心。在临界热通量和操作热通量最接近的位置处发生最小DNB比率(MDNBR),并且通常在芯的上部。此外,在冷却剂过冷最高的通道入口处,我们希望在该位置导致DNB所需的热量流量非常高。另一方面,在冷却剂焓是其最高的通道出口处,导致DNB所需的热量应在其最低状态。

特别推荐:Tong, l.s, Weisman, Joel。压水堆热分析。Amer Nuclear Society,第3版,1996年5月。ISBN-13: 978 - 0894480386。

临界热流和局部热流

核焓上升热通道系数- FΔH
参见:热通道因素

核焓升热通道因子- FNΔH.被定义为:

  1. 沿偏离核沸腾比最小的燃料棒线性功率的积分(在aos期间)与堆芯燃料棒平均功率的比值。
  2. 沿综合功率最高的燃料棒线性功率[kW/棒]与平均燃料棒功率[kW/棒]的积分之比。

操作中核焓升热通道因子- FNΔH.极限防止在事故中偏离核沸腾(DNB),从DNB的观点是限制。例如,一个强制反应堆冷却剂流量的损失事故,一个正常给水流量的损失或一个稳压器安全阀的意外打开。的核焓上升热通道因子F.NΔH.是在这些和其他分析中的假设以及它是安全限制(SLS)计算的假设。它的优点是fNΔH.提供了关于功率分布以及关于冷却剂温度(焓)的信息。这两者对于DNB的发生都至关重要。运行超越核焓升热通道因子- FNΔH.可以使这些分析中使用的核心配电假设无效(安全分析和安全限制推导)。

Post-DNB传w88优德备用网址 微博热

核沸腾热流密度不能无限地增加。在某个值处,我们称之为临界热通量”(瑞士法郎)时,所产生的蒸汽会在其表面形成一层保温层,而保温层又会恶化传热系数。w88优德备用网址 微博这是因为表面的很大一部分被一层蒸汽膜所覆盖,由于蒸汽相对于液体的导热系数较低,蒸汽膜起到了隔热的作用。在达到临界热流后,沸腾立即变得不稳定,并发生过渡沸腾。从核沸腾到膜沸腾的转变被称为沸腾的危机”。由于超过CHF点后传热系数减小,向膜沸腾的转变通常是不可避免的w88优德备用网址 微博。

沸腾曲线 - 沸腾模式热流密度的进一步增加并不是保持膜层沸腾的必要条件。一层水汽完全覆盖在表面。这大大降低了对流系数,因为蒸汽层有明显较低的传热能力。w88优德备用网址 微博结果,超温上升到一个非常高的值。超出了莱顿弗罗斯特点,表面的连续蒸汽膜橡皮布在液相和表面之间没有接触。在这种情况下,传热既通过辐射又通过传导到蒸汽w88优德备用网址 微博。加热表面稳定稳定其在点E处的温度(见图)。如果材料不足以承受该温度,则设备将通过对材料损坏而失效。

临界功率比-干燥

流动沸腾-干燥在沸水反应堆中,类似的现象被称为“干涸”它直接与流型变化在高质量区域蒸发过程中。在给定的通过通道的流量、压力、流动质量和线性热流率的组合下,壁液膜可能排气墙壁可能是.在正常时,燃料表面通过沸腾冷却剂有效地冷却。但当热通量超过a临界值(CHF -临界热流密度)的流型可以达到干涸的条件(薄膜的液体消失)。从燃料表w88优德备用网址 微博面进入冷却剂的热传递劣化,结果是大幅度提高燃料表面温度.在高质量地区,危机发生在较低的热流中。由于蒸汽芯内的流速较高,chf后换热比低质量临界通量(即压水堆温升更高、更快)要好得多。w88优德备用网址 微博

在这种情况下,工程师将参数定义为最小临界功率比(MCPR)而不是DNBR。的临界功率比用于确定沸水反应堆的热极限。

CPR的定义:

CPR是指装配中的功率,通过应用适当的关联(s)来使装配中的某个点经历沸腾过渡,除以装配的实际运行功率。

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引用:
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参见:

沸腾和冷凝

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