工程傳熱中的一些問(wèn)題

1、工程傳熱中的一些問(wèn)題 熱動(dòng)0902班 尹亞平 學(xué)號(hào) 1003090321摘要 核電事業(yè)在我國(guó)正蒸蒸日上，到2015年?duì)幦〗ǔ煽偣β?000余萬(wàn)千瓦核電站。發(fā)展中核反應(yīng)堆首先遇到的問(wèn)題是工程傳熱問(wèn)題，也就是人們常說(shuō)的如何把核反應(yīng)堆的熱量，安全有合理的帶出來(lái)。工程傳熱學(xué)又是涉及工程材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科，如何把上述學(xué)科聯(lián)系起來(lái)，是一個(gè)問(wèn)題。關(guān)鍵字：核反應(yīng)堆 傳熱學(xué) 流體力學(xué)一 簡(jiǎn)述核反應(yīng)堆現(xiàn)狀壓水堆的轉(zhuǎn)換比可以從0.5提高到0.9。人類利用風(fēng)力、水利、煤和石油作為能源，已經(jīng)有幾個(gè)世紀(jì)了。在20世紀(jì)30年代末，人們發(fā)現(xiàn)了一種新能源原子能。經(jīng)過(guò)人類科學(xué)家數(shù)十年來(lái)的不懈努力，現(xiàn)在人類已經(jīng)掌握了

2、數(shù)種核反應(yīng)堆?，F(xiàn)例舉如下：1. 壓水堆壓水堆通稱是加壓型反應(yīng)堆，它將反應(yīng)堆系統(tǒng)冷卻劑回路加壓，防止在堆芯中沸騰。同時(shí)將堆芯中核裂變產(chǎn)生的能量帶到熱交換器中，使二回路中的水變?yōu)檎羝?qū)動(dòng)汽輪機(jī)而發(fā)電。壓水堆具有功率密度高，比功率高，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行安全的特點(diǎn)。2. 先進(jìn)壓水堆在先進(jìn)壓水堆上美國(guó)和德國(guó)考慮了如何降低水與燃料比，形成中子普遍硬的稠密柵，可能小型先進(jìn)壓水堆燃料元件排列會(huì)變成三角形排列，水和燃料比從2下降到0.5，中子普移到超熱區(qū)，Pu的生成率提高，這樣先進(jìn)3. 石墨慢化壓力式廢水型反應(yīng)堆 這類反應(yīng)堆，是用輕水冷卻，在垂直壓力管上部沸騰而產(chǎn)生蒸汽。反應(yīng)堆采用兩回路，每個(gè)回路有840根裝燃料

3、的壓力管，兩臺(tái)汽鼓式汽水分離器，并有四臺(tái)循環(huán)水泵。汽水分離器可直接向兩臺(tái)500MW電功率的汽輪機(jī)組供汽。4. 沸水堆從1959年美國(guó)Dresden沸水堆核電站建成，至今已有40余年，這表明該堆型是經(jīng)濟(jì)、可靠和安全的。該堆（BWR-1）采用雙循環(huán)回路，約有一半的蒸汽由直接沸騰產(chǎn)生，以7.0MPa壓力進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展科學(xué)家們已經(jīng)研究出第六代的BWR-6該堆的性能更加完備。5. 高溫氣冷堆高溫氣冷堆是以石墨作慢化劑，氦氣作冷卻劑，氦氣將堆芯熱量帶出，流入蒸汽發(fā)生器；蒸汽發(fā)生器內(nèi)含有螺旋形的傳熱管，設(shè)有傳熱器、蒸發(fā)器和省熱器，給水由蒸汽發(fā)生器的底部的給水管流入發(fā)生器，經(jīng)省熱器提高給

4、水溫度，再流入蒸發(fā)器，然后流入頂部的過(guò)熱器，形成過(guò)熱蒸汽，使汽輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生動(dòng)力，同時(shí)他能提高蒸汽參數(shù)，可使常規(guī)汽輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生動(dòng)力而又供熱。6. 重水慢化反應(yīng)堆這種反應(yīng)堆是以重水代替輕水作慢化劑，可用天然鈾作為燃料，不需要濃縮鈾。7. 快中子增殖反應(yīng)堆快中子增殖反應(yīng)堆是由可轉(zhuǎn)換核素（鈾-238）增值易裂變物質(zhì)（如钚-239），同時(shí)還可以產(chǎn)生動(dòng)力。8.聚變反應(yīng)堆輕核在聚合時(shí)釋放能量，其聚變反應(yīng)是D-D、D-T、D-3He反應(yīng)。目前聚變反應(yīng)堆正在進(jìn)一步的探索研究當(dāng)中。二 核反應(yīng)堆釋熱1. 從核反應(yīng)堆中釋出熱量的重要性一個(gè)核反應(yīng)堆必須滿足幾何形狀和材料純度的要求，然后才能達(dá)到臨界。任何一個(gè)到達(dá)臨界

5、的反應(yīng)堆，就能不用冷卻二在很低功率下運(yùn)行，或者在高功率下運(yùn)行極短時(shí)間，在中等大小的低功率研究堆穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，必須冷卻，但是對(duì)于這種情況最方便而又最經(jīng)濟(jì)的載熱劑和燃料元件形狀通常就已經(jīng)足夠了。顯著發(fā)展中的較高溫度下工作的材料，將會(huì)提高熱效率或簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，但是，對(duì)于許多合適的運(yùn)行條件和設(shè)計(jì)，現(xiàn)有可利用的材料就已足夠了，還要記著，中子注量率僅僅受到可安全釋出的熱功率的限制，核動(dòng)力反應(yīng)堆設(shè)計(jì)不止一次地把釋熱列為首要問(wèn)題。2. 核反應(yīng)堆中穩(wěn)定熱功率的分布在核反應(yīng)堆中所產(chǎn)生的熱量是直接或間接地起源于熱裂變所放出的能量。一個(gè)235U平均裂變能大致如下表分布：在熱中子反應(yīng)堆中近似的平均熱分布每個(gè)235U原子瞬發(fā)裂

6、變能： 裂變碎片的動(dòng)能 快中子動(dòng)能 瞬發(fā)能裂變產(chǎn)物放射性衰變： 中子（不吸收的）同中子的非裂變反應(yīng)： 在反應(yīng)堆和屏蔽中總吸收能一次截?zé)釀┛偦厥漳苷伎偪捎脽崃康亩讨械乳L(zhǎng)/和的平均裂變熱能的分布相仿。在不同燃料、慢化劑、元件盒、載熱劑結(jié)構(gòu)材料和屏蔽中的射線射程，要根據(jù)各自核反應(yīng)的可能性、它們的微?；蛏渚€能量以及近似截面或衰減因數(shù)加以估計(jì)。實(shí)際上這是做不到的。為了發(fā)熱計(jì)算，假定、和裂變產(chǎn)物微粒具有零射程。對(duì)于和中子射線則要就該能量和該材料進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。3. 均勻裝載的穩(wěn)態(tài)熱功率計(jì)算若裂變中子能量分布特性是以知的，則燃料元件的通常根據(jù)要求的總熱功率和相對(duì)中子注量率分布按比例計(jì)算，而不采用實(shí)際的值。因?yàn)?/p>

7、在方程：中由于比較小的貢獻(xiàn)而引起熱功率分布的差別可以略去不計(jì)。最簡(jiǎn)單情況是中子注量率均勻分布，小的射層反應(yīng)堆，如游泳池式反應(yīng)堆（其中水反射層由于慢化快中子二成為熱中子源）就十分符合接近這種情況。在這類反應(yīng)堆中，燃料元件是薄的，任何一個(gè)地方的實(shí)際上等于總熱功率除以有效的燃料元件體積。4. 熱傳導(dǎo)方程傅里葉定律給出，通過(guò)固體介質(zhì)中平面的穩(wěn)定熱流或瞬時(shí)熱流為：（）式中：是垂直于的。采用負(fù)號(hào)是為了使為正，因?yàn)槭茄責(zé)崃髁糠较虻模囟冉档偷姆较颍┒攘?。方程（）也是用作熱傳?dǎo)系數(shù)的定義方程。若在上是不均勻的，則局部熱速度為：（沿著整個(gè)積分上式，就可以求的總的。熱力性質(zhì)表已經(jīng)綜合了在十分寬廣的溫度和壓力范圍內(nèi)

8、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，比熱、熱焓和許多其他物理性質(zhì)的數(shù)據(jù)。導(dǎo)熱系數(shù)要對(duì)于較高或較低溫度進(jìn)行外推或內(nèi)插時(shí)，薩勒等方程是令人滿意的，因此做作出對(duì)的直線圖線。凱斯還采用一個(gè)修正的薩勒等方程（）流體流過(guò)固體表面就帶走核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量。在通過(guò)熱流的一個(gè)中間面的任一位置上，在固體表面溫度跟液流的“主體”混合器溫度間必須存在溫度差。任一位置上“熱速度”對(duì)于之比，就叫做“局部膜傳熱系數(shù)” 。因此（）若固體為熱源則用“”號(hào)，但對(duì)很少一些溫度梯度中，方程（）中的或可以是負(fù)的。三 流體流動(dòng)在大多數(shù)核反應(yīng)堆中，發(fā)出的熱量是借流體通過(guò)反應(yīng)堆流動(dòng)輸出的。由此要求設(shè)計(jì)出最佳降壓和選擇所需泵的正確容量。同時(shí)，在反應(yīng)堆中通常采用許

9、多并聯(lián)的工藝管，這樣在其間適當(dāng)?shù)胤峙漭d熱劑就完全有必要了。詳盡地研究所有可能的工況變化時(shí)載熱劑流動(dòng)的影響，以保證正常運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和長(zhǎng)壽命，并且保證在任何事故情況下危險(xiǎn)性最小。由此可見(jiàn)，反應(yīng)堆流體力學(xué)問(wèn)題牽涉到流體流動(dòng)的許多方面。在短通道中的層流流動(dòng)當(dāng)流體流動(dòng)為突然的降壓（例如噴咀處）所加速時(shí)，降壓及由此引起的增加在整個(gè)液流上是均勻的。因此，若速度增加較初速度來(lái)的高，則終將得到一個(gè)實(shí)際上均勻的末速度。通常采用這個(gè)方法來(lái)獲得均勻速度區(qū)，例如風(fēng)洞的喉部就是如此。由此可見(jiàn)：與長(zhǎng)管相關(guān)聯(lián)的喇叭形噴咀，若略去進(jìn)口速度和其中的摩阻，則將產(chǎn)生壓降。在管子末端動(dòng)能是倍的；這樣，由于速度分布發(fā)生變化，平

10、的變成拋物線形的，就使沿著管長(zhǎng)產(chǎn)生附加壓降。此外，接近進(jìn)口處由于在壁面上速度梯度較陡，其摩阻要比正常摩阻來(lái)的大。在圓管和平板通道的情況下，已經(jīng)受平均速度偷核算過(guò)這兩種效應(yīng)。四 兩相流傳熱和壓降最近幾年以來(lái)兩相流動(dòng)在石油精煉、高壓鍋爐和核反應(yīng)堆上都有廣泛的應(yīng)用；由于蒸汽鍋爐中在管子內(nèi)的水受熱變成汽水混合物上升，因此在計(jì)算鍋爐汽水循環(huán)中必須考慮兩相流動(dòng)問(wèn)題。在和鍋爐亦同樣存在該問(wèn)題。早期的水-水反應(yīng)堆并不出現(xiàn)兩相流動(dòng)的問(wèn)題，直到壓水堆應(yīng)用于動(dòng)力目的；為了更有效地利用核分裂所釋放的熱能，容許表面沸騰，亦即在燃料元件表面產(chǎn)生氣泡，此氣泡在表面脫離后在液體中冷凝而消失，實(shí)際上在回路中并無(wú)蒸汽產(chǎn)生。由于壓

11、水堆芯水力設(shè)計(jì)不佳，流量分布不均勻，使有的燃料元件通道特別熱，在核反應(yīng)堆功率波動(dòng)時(shí)，由于冷卻劑溫度的波動(dòng)引起回路內(nèi)壓力波動(dòng)，使水的沸點(diǎn)變化，在某些水力特性不好的通道下，產(chǎn)生大量沸騰。由于壓水堆在事故情況下，如泵動(dòng)力突然中斷，冷卻水暫停流動(dòng)。而安全棒還未落下的滯后時(shí)間內(nèi)，燃料元件通道中會(huì)有大量沸騰出現(xiàn)，甚至?xí)龎娜剂显＿@些都涉及兩相流動(dòng)的問(wèn)題。沸水堆的出現(xiàn)是促使兩相流動(dòng)研究的主要因素。早在1952年美國(guó)國(guó)立阿貢實(shí)驗(yàn)室建立了“沸水實(shí)驗(yàn)堆（BORAX）”，那時(shí)對(duì)沸水的實(shí)驗(yàn)非常缺乏，美國(guó)于1954年在開(kāi)始設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)性沸水動(dòng)力堆（EBWR）時(shí)，能夠用于計(jì)算的文獻(xiàn)僅是一些計(jì)算蒸汽容積分?jǐn)?shù)和對(duì)功率關(guān)系的參

12、考資料。在那個(gè)時(shí)間將誒，美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的工作是直接向著模擬沸水堆堆芯的幾何形狀在沸騰下加以驗(yàn)證，開(kāi)始時(shí)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)室用一個(gè)與試驗(yàn)性沸水動(dòng)力堆相似的燃料元件浸于水箱中，通以電流加熱，在大氣壓下測(cè)定其功率與生成的蒸汽量的關(guān)系，此后就在各種不同的壓力下。在強(qiáng)制和自然循環(huán)下測(cè)定沸騰的工況，并研究了汽水混合物的密度、汽水和水的相對(duì)速度以及兩相摩阻，同時(shí)比較了理論分析的差別。五 熱應(yīng)力分析和機(jī)械設(shè)計(jì)熱應(yīng)力是由于下列原因產(chǎn)生的：結(jié)構(gòu)元件或連續(xù)介質(zhì)對(duì)因?yàn)闇夭罨驕囟忍荻仍斐傻呐蛎浕蚴湛s的抗力；沿著構(gòu)件或連續(xù)體的邊界限制該邊界由于均勻或不均勻加熱或冷卻而造成的自由位移抗力。因而熱應(yīng)力需要或者是產(chǎn)生跟系統(tǒng)連續(xù)性條件不

13、相容的不均勻體積變化的溫度梯度，或者是由固定邊界或支持反力邊界產(chǎn)生的系統(tǒng)總自由膨脹或收縮的抗力，這兩種情況往往是同時(shí)存在的。因此熱應(yīng)力的來(lái)源不是外力而是內(nèi)力或“抗力”。由此可見(jiàn)熱應(yīng)力是“變形應(yīng)力”。應(yīng)力-應(yīng)變的時(shí)間和溫度敏感性在熱應(yīng)力的時(shí)間和溫度波動(dòng)中得到了反映。因而這些應(yīng)力的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是由所引入的關(guān)于材料的應(yīng)力-應(yīng)變-應(yīng)變速率關(guān)系的各項(xiàng)假設(shè)決定的。核反應(yīng)堆承受應(yīng)力材料的選擇應(yīng)以核要求和機(jī)械要求兩者為準(zhǔn)繩，機(jī)械要求是：考慮預(yù)期的反應(yīng)堆使用壽命，像在運(yùn)行溫度下所能得到的那么高的斷裂強(qiáng)度和那么低的蠕變率的情況下，熱應(yīng)力相當(dāng)?shù)?。在由于溫度變化或發(fā)生熱率的內(nèi)熱源所造成的部分約束的情況下，彈性應(yīng)力值正比于或，所以比值表示材料選擇的定性圖像，它指出由給定溫度差或給定發(fā)熱率產(chǎn)生的熱應(yīng)力的大小。系數(shù)、和，因而也就是和都是對(duì)溫度敏感的。由于所有有關(guān)系數(shù)的溫度敏感性，因此熱應(yīng)力水平不僅要取決于溫差或發(fā)熱率，而且將受到運(yùn)行溫度絕對(duì)值很大的影響。六 總結(jié)通過(guò)這次課外的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，不僅