什么是饱和沸腾-整体沸腾-定义

在饱和沸腾(也称体积沸腾)中,液体的温度略高于饱和温度。饱和沸腾-整体沸腾

饱和沸腾-整体沸腾

饱和沸腾(也称为大部分沸腾)时,液体的温度略高于饱和温度。大部分沸腾当系统温度升高或系统压力降至沸点时可能发生。此时,进入冷却剂通道的气泡不会坍塌。这些气泡会聚集在一起,形成更大的蒸汽气泡。然后,蒸汽气泡在浮力的推动下穿过液体,最终从一个自由的表面逃逸。

饱和沸腾

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 微博有一个非常重要的假设。我们假设单相对流换热w88优德备用网址 微博没有任何相变。在这一章我们集中讨论与对流换热有关的w88优德备用网址 微博流体的相变。特别地,我们考虑可以发生在固-液或固-气界面的过程,即,沸腾(液气相变)和冷凝(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,也称为蒸发焓,是一种物质为了产生相变化而吸收或吸收的热量。这种能量分解了分子间的引力,同时也必须提供必要的能量使气体膨胀pΔV工作)。当潜热加入后,温度没有变化。

蒸发潜热-水在0.1 MPa, 3 MPa, 16 MPa
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。

蒸发潜热- 0.1 MPa(大气压)水

hlg= 2257 kJ /公斤

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 /公斤

汽化热随着压力的增加而减小,而沸点增加。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

supercritical-phase-critical-point-min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,冷凝一种蒸汽变成液态的结果是热传递到固体表面。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,流体到达在水面上完全停止假设相对于表面的速度为零。这种现象被称为无滑移条件,因此,在表面,能量流发生纯粹的传导。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,泡核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。

沸水反应堆中的整体沸腾

流动沸腾-干燥bwr冷却剂沸腾发生在正常操作这是非常理想的现象。典型的流品质,沸水型反应堆的核心有10%到20%的订单。一个沸水反应堆冷却和主持像压水堆一样通过水,但是较低的压力(7MPa),允许水在压力容器内沸腾产生驱动涡轮机的蒸汽。因此,蒸发直接发生在燃料通道中。因此,BWRs是这一领域的最佳例子,因为冷却剂的蒸发在正常运行时发生,这是非常理想的现象。

在沸水反应堆中有一种现象反应堆安全最重要。这种现象被称为“干涸”它直接与流型变化在高品质地区蒸发过程中。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(CHF -临界热流密度)的流型可以达到干涸的条件(液体薄膜消失)。从燃料表w88优德备用网址 微博面到冷却剂的传热是恶化的,结果是大幅度提高燃料表面温度

压水堆中的大体积沸腾

对于正常运行的压水堆,有一个压缩液体水在反应堆核心,回路和蒸汽发生器。压力维持在16 mpa。在这个压力下,水大约在350°C(662°F),这给出了过冷裕度(反应堆堆芯中稳压器温度和冷却剂出口温度之间的差值)30°C。值得注意的是,这个过冷裕度与体积温度有关,因为体积沸腾在任何情况下都是被禁止的。

过冷裕度是压水堆非常重要的安全参数,因为必须排除堆芯内的整体沸腾。本论文的基本设计压水反应堆包括这样的要求,即反应堆冷却剂系统中的冷却剂(水)不能沸腾。为了实现这一点,反应堆冷却剂系统中的冷却剂要保持在足够高的压力下,这样当核电站运行或分析瞬态时,冷却剂的温度就不会发生沸腾。

就像计算例子,表面温度T锆、1= 325°C确保,即使过冷沸腾不会发生。注意,过冷沸腾需要T锆、1= T。因为水的入口温度通常是290°C(554°F),显然该示例对应于芯的下部。在核心的较高升高处,散装温度可达330℃。29°C的温度差导致过冷表面可能发生沸腾(330°c + 29°c)。另一方面,泡核沸腾在表面有效地破坏停滞层,因此核沸腾显著地增加了表面转移的能力热能散装液体。结果,对流换热系数显著增大,因此在较高海拔处,温差(Tw88优德备用网址 微博锆、1- T.散装)显著降低。

核沸腾-流动沸腾

流动沸腾-沸腾模式流动沸腾(或强制对流沸腾),流体通过泵等外部手段以及浮力效应在表面上被迫流动。因此,流动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。

内部流动沸腾在本质上比外部流动沸腾要复杂得多,因为蒸汽没有自由表面可以逃逸,因此液体和蒸汽都被迫一起流动。管内两相流动表现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

核沸腾关联-流动沸腾

麦克亚当斯相关性

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。对于绝对压力为0.1 - 0.6 MPa的过冷水,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:

核沸腾- Thom相关

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 微博传热系数由于泡核沸腾以及强迫对流机制。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 微博总和强制对流组件和一个泡核沸腾组件。值得注意的是,用Forster和Zuber(1955)的核沸腾关联法计算了核沸腾传热系数hw88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

核沸腾抑制因子S是有效过热度与壁面过热度的比值。由于边界层的有效过热度小于基于壁面温度的过热度,因此它解释了沸腾换热w88优德备用网址 微博的减少。两相乘法器F是Martinelli参数χ的函数tt

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参见:

沸腾和冷凝

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