核反應(yīng)堆熱工基礎(chǔ)第五章

1、核反應(yīng)堆熱工基礎(chǔ)核反應(yīng)堆熱工基礎(chǔ)教師：劉曉輝成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 核反應(yīng)堆內(nèi)，熱量輸出的速率以及作用在堆芯和堆內(nèi)構(gòu)件上核反應(yīng)堆內(nèi)，熱量輸出的速率以及作用在堆芯和堆內(nèi)構(gòu)件上的作用力與系統(tǒng)的流動(dòng)特性有很大關(guān)系。因此，在反應(yīng)堆熱工設(shè)的作用力與系統(tǒng)的流動(dòng)特性有很大關(guān)系。因此，在反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)中，不僅要了解堆內(nèi)熱量的產(chǎn)生和傳輸，而且還必須研究堆內(nèi)計(jì)中，不僅要了解堆內(nèi)熱量的產(chǎn)生和傳輸，而且還必須研究堆內(nèi)冷卻劑流動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)問題。冷卻劑流動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)問題。 流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算必須考慮穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。包括堆內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算必須考慮穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。包括堆內(nèi)各冷卻劑通道流動(dòng)壓降的計(jì)算，以便確

2、定各通道的流量和主循環(huán)各冷卻劑通道流動(dòng)壓降的計(jì)算，以便確定各通道的流量和主循環(huán)泵所需的功率。盡量使堆芯內(nèi)冷卻劑的流量分布與釋熱分布相匹泵所需的功率。盡量使堆芯內(nèi)冷卻劑的流量分布與釋熱分布相匹配，提高堆的輸熱能力；合理地確定一回路管道和設(shè)備部件的尺配，提高堆的輸熱能力；合理地確定一回路管道和設(shè)備部件的尺寸，提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性。此外，還必須配合傳熱計(jì)算，確定反寸，提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性。此外，還必須配合傳熱計(jì)算，確定反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力。在兩相流動(dòng)情況廠還需研究流動(dòng)的穩(wěn)定性，應(yīng)堆的自然循環(huán)能力。在兩相流動(dòng)情況廠還需研究流動(dòng)的穩(wěn)定性，尋求改善和消除流動(dòng)不穩(wěn)定性的方法尋求改善和消除流動(dòng)不穩(wěn)定性的方法。第五

3、章第五章 反應(yīng)堆流體動(dòng)力學(xué)反應(yīng)堆流體動(dòng)力學(xué)第第1節(jié)節(jié) 單相流的壓降單相流的壓降 設(shè)在通道截面z1處冷卻劑的壓力為p1 ，平均流速為v1 ，密度為1 ；在通道截面z2處冷卻劑的壓力為p2 ，平均流速為v2 ，密度為2 。通道的橫截面積為A，則在微分流體段dz上的作用力有：下端面壓力p，上端面的壓力為p+dp，重力pgmg和由流動(dòng)阻力引起的,相當(dāng)于作用在面積A上的摩擦壓降d pF 。若流經(jīng)dz所需的時(shí)間為dt，則該微分流體段的運(yùn)動(dòng)方程為：dzdtdvAdzgA-Adp-dp)A(p-ApF上式整理并積分得：上式整理并積分得：此式為不可壓縮流體在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的動(dòng)量守恒方程。此式為不可壓縮流體在穩(wěn)定流動(dòng)

4、時(shí)的動(dòng)量守恒方程。設(shè)設(shè) ，它表示處在不同高度處的流體，它表示處在不同高度處的流體，由于位能不同而引起的靜壓變化，稱為由于位能不同而引起的靜壓變化，稱為提升壓降提升壓降。流體。流體位能增加，則提升壓降是正值；流體位能減少，則提升位能增加，則提升壓降是正值；流體位能減少，則提升壓降為負(fù)值。壓降為負(fù)值。212121zzvvzz21dzdzdFvdvgdzpp)(21zzEgdzp設(shè)設(shè) ，它表示由于流通截面發(fā)生變化，它表示由于流通截面發(fā)生變化或流體密度發(fā)生變化時(shí)引起流速變化，從而使靜壓也隨或流體密度發(fā)生變化時(shí)引起流速變化，從而使靜壓也隨之變化。流速增大，靜壓減小。這種由于流體動(dòng)能增加之變化。流速增大，

5、靜壓減小。這種由于流體動(dòng)能增加而引起的靜壓降稱為而引起的靜壓降稱為加速壓降加速壓降。 ，它表示流體流經(jīng)等截面直通道，它表示流體流經(jīng)等截面直通道時(shí)，由于粘性使流體與通道壁之間以及有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的流時(shí)，由于粘性使流體與通道壁之間以及有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的流體之間發(fā)生摩擦，這種由于沿程摩擦阻力的作用所造成體之間發(fā)生摩擦，這種由于沿程摩擦阻力的作用所造成的壓力損失稱為的壓力損失稱為摩擦壓降摩擦壓降。21vvVdVpA21zzFdzdzdFp)( 如果再考慮流體流經(jīng)有急劇變化的固體邊界時(shí)通道中如果再考慮流體流經(jīng)有急劇變化的固體邊界時(shí)通道中的局部阻力，例如當(dāng)流體通過截面大小，形狀突然發(fā)的局部阻力，例如當(dāng)流體通過截面大小

6、，形狀突然發(fā)生變化或彎管、接管、閥門以及燃料組件的定位格架生變化或彎管、接管、閥門以及燃料組件的定位格架時(shí)，由于渦流而產(chǎn)生的壓力損失，通常稱之為時(shí)，由于渦流而產(chǎn)生的壓力損失，通常稱之為形阻壓形阻壓降降，并用，并用pS S表示。表示。前式可改寫成：前式可改寫成： 其中提升壓降其中提升壓降pE E和加速壓降和加速壓降pA A是由于靜壓能、是由于靜壓能、動(dòng)能、位能相互變換而產(chǎn)生的，是可逆過程。而摩擦動(dòng)能、位能相互變換而產(chǎn)生的，是可逆過程。而摩擦壓降壓降pF F和形阻壓降和形阻壓降pS S都是流體的機(jī)械能變成熱能的都是流體的機(jī)械能變成熱能的一種不可逆過程。一種不可逆過程。SFAE21pppppp 等溫

7、壓降：流體與通道壁之間沒有熱交換情況下的壓降。 非等溫壓降：流體被加熱或被冷卻時(shí)的壓降。 為了計(jì)算方便，把加速壓降分為由通道截面發(fā)生變化引起流速變化的加速壓降pASAS和由于流體密度變化引起流速變化的加速壓降pADAD兩部分，這樣在等截面直通道中流體流動(dòng)的壓降為：FDAE21ppppp 而在通道截面大小或形狀突然發(fā)生變化的局部區(qū)段，由于這種流程一般都很短，因此提升壓降，摩擦壓降及流體密度變化引起的壓降可以略去，于是在這些局部區(qū)段的壓降為：SSppppA211.等截面直通道的流動(dòng)壓降等截面直通道的流動(dòng)壓降 （1）提升壓降）提升壓降 一般地，如果通道軸線與水平面間的夾角為一般地，如果通道軸線與水平

8、面間的夾角為，于是提，于是提升壓降可寫成：升壓降可寫成：式中：式中： L1，L2通道軸線方向的位置；通道軸線方向的位置； z1，z2L1，L2所對(duì)應(yīng)的垂直高度位置。所對(duì)應(yīng)的垂直高度位置。 如果流體是液體，且截面如果流體是液體，且截面1和截面和截面2之間流體的溫之間流體的溫差不大，可把差不大，可把看作常數(shù)，并等于截面看作常數(shù)，并等于截面1和截面和截面2處的密處的密度算術(shù)平均值，于是上式積分后得：度算術(shù)平均值，于是上式積分后得： 2121zzLLEgdzdLgpsin)(12Ezzgp 如果流體是氣體，由于在反應(yīng)堆內(nèi)壓力不太高，溫如果流體是氣體，由于在反應(yīng)堆內(nèi)壓力不太高，溫度也不太低，可把氣體冷卻

9、劑看成為理想氣體，服從理度也不太低，可把氣體冷卻劑看成為理想氣體，服從理想氣體狀態(tài)方程式，以此求得氣體平均密度。想氣體狀態(tài)方程式，以此求得氣體平均密度。式中：式中： R氣體常數(shù)，氣體常數(shù)，R= 8.314 J K-1 mol-1 ； T氣體溫度，氣體溫度，K。 由于在一般狀態(tài)下氣體的密度很小，所產(chǎn)生的提由于在一般狀態(tài)下氣體的密度很小，所產(chǎn)生的提升壓降與總壓降相比不大，往往可以匆略不計(jì)。升壓降與總壓降相比不大，往往可以匆略不計(jì)。 RTp（2）加速壓降）加速壓降因?yàn)槭堑冉孛嬷蓖ǖ?，所以只考慮流體密度變化所引起因?yàn)槭堑冉孛嬷蓖ǖ?，所以只考慮流體密度變化所引起的加速壓降。由于通道截面不變，的加速壓降。

10、由于通道截面不變， v=G為常數(shù)，于是為常數(shù)，于是式中：式中： G質(zhì)量流速，質(zhì)量流速， kg m-2 s-1 。 如果液體冷卻劑只有溫度變化而不發(fā)生沸騰，則如果液體冷卻劑只有溫度變化而不發(fā)生沸騰，則密度變化很小，于是等截面直通道流動(dòng)的加速壓降可以密度變化很小，于是等截面直通道流動(dòng)的加速壓降可以略去。略去。 )()(12212vvAD11GvvGvdvp21（3）摩擦壓降）摩擦壓降無論是單相或兩相，是等溫或非等溫，摩擦壓降都普遍無論是單相或兩相，是等溫或非等溫，摩擦壓降都普遍采用達(dá)西采用達(dá)西(Darcy)公式進(jìn)行計(jì)算。即公式進(jìn)行計(jì)算。即式中：式中： f達(dá)西達(dá)西-韋斯巴赫韋斯巴赫(Weisbach

11、)摩擦系數(shù)，無因次；摩擦系數(shù)，無因次；L通道長(zhǎng)度，通道長(zhǎng)度，m；De通道的當(dāng)量直徑，通道的當(dāng)量直徑，m； 計(jì)算不同流動(dòng)狀態(tài)下的摩按壓降，關(guān)鍵是求摩擦系數(shù)計(jì)算不同流動(dòng)狀態(tài)下的摩按壓降，關(guān)鍵是求摩擦系數(shù)f。實(shí)。實(shí)驗(yàn)證明，摩擦系數(shù)取決于流體的流動(dòng)性質(zhì)（層流或湍流）、流動(dòng)驗(yàn)證明，摩擦系數(shù)取決于流體的流動(dòng)性質(zhì)（層流或湍流）、流動(dòng)狀態(tài)（定型流或未定型流）、受熱條件（等溫與非等溫）、通道狀態(tài)（定型流或未定型流）、受熱條件（等溫與非等溫）、通道的幾何形狀以及表面粗糙程度等因素。的幾何形狀以及表面粗糙程度等因素。 2DLfp2eF2. 局部壓降局部壓降 在反應(yīng)堆中產(chǎn)生局部壓降的地方根多，例如在壓水在反應(yīng)堆中產(chǎn)生

12、局部壓降的地方根多，例如在壓水堆中，從壓力容器和吊籃之間的環(huán)形空間進(jìn)入堆芯下腔堆中，從壓力容器和吊籃之間的環(huán)形空間進(jìn)入堆芯下腔室拐彎的地方，堆芯上下柵格板以及燃料組件定位格架室拐彎的地方，堆芯上下柵格板以及燃料組件定位格架等處，由于通道截面突然發(fā)生變化或流動(dòng)方向發(fā)生改變，等處，由于通道截面突然發(fā)生變化或流動(dòng)方向發(fā)生改變，都會(huì)引起局部壓降。都會(huì)引起局部壓降。 當(dāng)流體流經(jīng)這些局部區(qū)段時(shí)，流動(dòng)情況是十分復(fù)當(dāng)流體流經(jīng)這些局部區(qū)段時(shí)，流動(dòng)情況是十分復(fù)雜的，所產(chǎn)生的局部壓降不僅與雷諾數(shù)、表面粗糙度等雜的，所產(chǎn)生的局部壓降不僅與雷諾數(shù)、表面粗糙度等因素有關(guān)，更主要的是取決于局部區(qū)段的幾何形狀變化。因素有關(guān)，

13、更主要的是取決于局部區(qū)段的幾何形狀變化。因此，局部壓降一般必須通過實(shí)驗(yàn)確定。因此，局部壓降一般必須通過實(shí)驗(yàn)確定。 （1）截面突然擴(kuò)大）截面突然擴(kuò)大通道截面突然擴(kuò)大的流動(dòng)情況，如果略去截面通道截面突然擴(kuò)大的流動(dòng)情況，如果略去截面1和和2之之間的高度變化及沿程摩擦阻力，則間的高度變化及沿程摩擦阻力，則式中：式中： pASAS通道截面變化所引起通道截面變化所引起 的加速壓降；的加速壓降； pSESE截面突然擴(kuò)大的形阻截面突然擴(kuò)大的形阻 壓降。壓降。 SEA21ppppS通道截面變化，使流體速度發(fā)生變化，但流體密度通道截面變化，使流體速度發(fā)生變化，但流體密度不變，因此；不變，因此；實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)通道截面

14、積從實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)通道截面積從A1擴(kuò)大到擴(kuò)大到A2的瞬間，流體的瞬間，流體作用在擴(kuò)大了的面積作用在擴(kuò)大了的面積A2上的壓力仍然是上的壓力仍然是p1，且，且A1 v1= A2 v2 ，因此；，因此； )(21221221vvvdvpvvAS22)()(21222111vkvAA1vv1vpe221212SE于是截面突然擴(kuò)大的局部壓降為：于是截面突然擴(kuò)大的局部壓降為：ke為截面突然擴(kuò)大的形阻系數(shù)，其值實(shí)際上還與雷諾數(shù)為截面突然擴(kuò)大的形阻系數(shù)，其值實(shí)際上還與雷諾數(shù)有關(guān)。有關(guān)。 )(22e221k1vpp1221e21AA1kAA)(;（2）截面突然縮小）截面突然縮小通道截面突然擴(kuò)大的流動(dòng)情況，如果略去

15、截面通道截面突然擴(kuò)大的流動(dòng)情況，如果略去截面1和和2之之間的高度變化及沿程摩擦阻力，則間的高度變化及沿程摩擦阻力，則式中：式中： pSCSC截面突然縮小的形阻截面突然縮小的形阻 壓降。壓降。 SCA21ppppS)(21221221vvvdvpvvAS式中：式中：是無因次經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取是無因次經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.40.5； kc為截為截面突然縮小的形阻系數(shù)。面突然縮小的形阻系數(shù)。于是截面突然縮小的局部壓降為：于是截面突然縮小的局部壓降為： 22)(222c212SCvkvAA1p1)-(222c221k1vpp（3）彎管、接管和閥門）彎管、接管和閥門 當(dāng)流體流過通道中各種形狀的彎管、接管、閥

16、門當(dāng)流體流過通道中各種形狀的彎管、接管、閥門時(shí)也將引起壓力損失。由于造成局部壓降的流體力學(xué)時(shí)也將引起壓力損失。由于造成局部壓降的流體力學(xué)性質(zhì)是一樣的，通常把形阻壓降用流體功能變化若干性質(zhì)是一樣的，通常把形阻壓降用流體功能變化若干倍來表示，即倍來表示，即式中：式中：ks為彎管、接管和閥門的形阻系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，為彎管、接管和閥門的形阻系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其值可在有關(guān)手冊(cè)上查到其值可在有關(guān)手冊(cè)上查到 。 22SSvkp（4）燃料組件的定位格架）燃料組件的定位格架 流體通過燃料元件定位格架時(shí)的形阻壓降，也屬流體通過燃料元件定位格架時(shí)的形阻壓降，也屬于突然縮小與突然擴(kuò)大這一類。但定位格架的結(jié)構(gòu)比于突然縮

17、小與突然擴(kuò)大這一類。但定位格架的結(jié)構(gòu)比較持殊，高度又較小，且不同類型的定位格架的形阻較持殊，高度又較小，且不同類型的定位格架的形阻系數(shù)差別也很大。系數(shù)差別也很大。 實(shí)驗(yàn)證明，定位格架的形阻系數(shù)主要與下面三個(gè)實(shí)驗(yàn)證明，定位格架的形阻系數(shù)主要與下面三個(gè)因素有樣關(guān)：因素有樣關(guān)：1)定位格架處的流通面積與通道流通面積定位格架處的流通面積與通道流通面積之比之比c；2)雷諾數(shù)；雷諾數(shù)；3)定位格架的結(jié)構(gòu)。廣泛應(yīng)用的是定位格架的結(jié)構(gòu)。廣泛應(yīng)用的是雷米雷米(Rehme)推薦的關(guān)系式：推薦的關(guān)系式：式中：式中：ks為定位格架的形阻系數(shù)；為定位格架的形阻系數(shù)；v是冷卻劑在燃料元是冷卻劑在燃料元件通道內(nèi)的平均流速。

18、件通道內(nèi)的平均流速。 2)(22cSSv-1kp第第2節(jié)節(jié) 兩相流的壓降兩相流的壓降 在沸水堆正常運(yùn)行時(shí)，堆芯內(nèi)的冷卻劑是含汽的。在沸水堆正常運(yùn)行時(shí)，堆芯內(nèi)的冷卻劑是含汽的。壓水堆雖然在正常運(yùn)行時(shí)堆的出口是不含汽的，但堆壓水堆雖然在正常運(yùn)行時(shí)堆的出口是不含汽的，但堆芯內(nèi)最熱通道卻允許飽和沸騰，其含汽量可達(dá)芯內(nèi)最熱通道卻允許飽和沸騰，其含汽量可達(dá)8 8。尤。尤其在事故情況下，堆芯內(nèi)冷卻劑不僅可能含汽，而且其在事故情況下，堆芯內(nèi)冷卻劑不僅可能含汽，而且可能變?yōu)檫^熱蒸汽。因此，需要研究在各種不同含汽可能變?yōu)檫^熱蒸汽。因此，需要研究在各種不同含汽量下的兩相流壓降問題。量下的兩相流壓降問題。計(jì)算兩相流壓

19、降目前廣泛應(yīng)用的有兩種物理模型：計(jì)算兩相流壓降目前廣泛應(yīng)用的有兩種物理模型：均均勻流模型勻流模型和和分離流模型分離流模型。u均勻流模型把兩相流看作是汽相和液相均勻混合的，均勻流模型把兩相流看作是汽相和液相均勻混合的，并具有從每一相物性導(dǎo)出其平均物性的假想單相流，并具有從每一相物性導(dǎo)出其平均物性的假想單相流，這時(shí)汽相和液相的流速相等這時(shí)汽相和液相的流速相等(滑速比身滑速比身1)。這種模型。這種模型較適用于泡狀流和霧狀流，特別是對(duì)流速大，壓力高較適用于泡狀流和霧狀流，特別是對(duì)流速大，壓力高的情況空為準(zhǔn)確。的情況空為準(zhǔn)確。u分離流模型假定汽相、液相完全分開，每相均以各分離流模型假定汽相、液相完全分開

20、，每相均以各自的平均流速沿通道的不同部分流動(dòng)，這種模型較適自的平均流速沿通道的不同部分流動(dòng)，這種模型較適用于環(huán)狀流。用于環(huán)狀流。1.1.兩相等截面直通道的流動(dòng)壓降兩相等截面直通道的流動(dòng)壓降（1 1）提升壓降）提升壓降式中：式中： pE,TPE,TP輕度欠熱沸騰區(qū)和飽和沸騰區(qū)兩相輕度欠熱沸騰區(qū)和飽和沸騰區(qū)兩相 流提升壓降，流提升壓降，Pa； g g重力加速度，重力加速度， m s-2 ； gsgs、fsfs飽和汽相、飽和液相的密度，飽和汽相、飽和液相的密度， kg m-3 ； 空泡份額?？张莘蓊~。 21zzgsfs12fsTPEdzgzzgp,（2 2）加速壓降）加速壓降式中：式中： pAD,T

21、PAD,TP通道進(jìn)出口間流體的動(dòng)量變化而引通道進(jìn)出口間流體的動(dòng)量變化而引 起的加速壓降，起的加速壓降，Pa； G G質(zhì)量流速，質(zhì)量流速， kg m-2 s-1 ； gsgs、fsfs通道出口處液體、蒸汽的密度，通道出口處液體、蒸汽的密度， 的密度，的密度， kg m-3 ； x通道出口處的含汽量；通道出口處的含汽量； 通道出口處的空泡份額；通道出口處的空泡份額；下標(biāo)下標(biāo)1、2分別表示截面的位置。分別表示截面的位置。 1gs2fs22gs2fs2fs2TPADx1x1x1x1Gp,（3 3）摩擦壓降）摩擦壓降明德萊爾明德萊爾(Mendler)(Mendler)等人提出摩擦壓降仍用達(dá)西公式，等人提

22、出摩擦壓降仍用達(dá)西公式，但其中但其中f f采用欠熱沸騰的摩擦系數(shù)采用欠熱沸騰的摩擦系數(shù)f fsubsub： 3261isosubG100093101T004501ff.2-1TT1f2 .6p2506fs1Te10q25TT.31f80effDKqTPrRe0.054.2式中：式中： fisoiso按主流平均溫度計(jì)算的等溫摩接系數(shù)；按主流平均溫度計(jì)算的等溫摩接系數(shù)； T Tfsfs系統(tǒng)壓力下液相的飽和溫度，系統(tǒng)壓力下液相的飽和溫度， ； q表面熱流密度，表面熱流密度， W m-2 ； Kf f主流溫度下液相的熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率，主流溫度下液相的熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率， W m-1 -1 ； T Tf f主流溫

23、度，主流溫度， ； Re Ref f、 Pr Prf f主流溫度下的雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)。主流溫度下的雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)。第第3節(jié)節(jié) 流量計(jì)算流量計(jì)算1.1.封閉回路中的流動(dòng)壓降封閉回路中的流動(dòng)壓降 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)是一個(gè)封閉回路，由若干個(gè)設(shè)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)是一個(gè)封閉回路，由若干個(gè)設(shè)備和連接它們的管道組合而成。當(dāng)冷卻劑流經(jīng)每個(gè)設(shè)備和連接它們的管道組合而成。當(dāng)冷卻劑流經(jīng)每個(gè)設(shè)備或每段管道時(shí)都會(huì)產(chǎn)生壓降。備或每段管道時(shí)都會(huì)產(chǎn)生壓降。 在穩(wěn)態(tài)情況下封閉回路中各區(qū)段加速壓降之和為在穩(wěn)態(tài)情況下封閉回路中各區(qū)段加速壓降之和為零，因此，整個(gè)回路總壓降為零，因此，整個(gè)回路總壓降為i i表示各區(qū)段。表示各區(qū)段。iiF

24、Etpppp)(S2.2.強(qiáng)制循環(huán)流量強(qiáng)制循環(huán)流量 為了使流體在回路中穩(wěn)定地流動(dòng)，必須有克服摩擦壓降和形阻壓降的推動(dòng)力。如果這種推動(dòng)力由泵或鼓風(fēng)機(jī)提供，這樣的流動(dòng)稱為強(qiáng)制循環(huán)流動(dòng)。 此時(shí)泵所提供的驅(qū)動(dòng)壓頭為tppP泵消耗的功率可由下式計(jì)算：泵消耗的功率可由下式計(jì)算：式中：式中： pt t整個(gè)回路的總壓降；整個(gè)回路的總壓降； k k總壓降系數(shù)；總壓降系數(shù)； A A流通面積；流通面積； W流體的質(zhì)量流量；流體的質(zhì)量流量； 流體的密度；流體的密度； 泵的總效率，一般取泵的總效率，一般取0.7。322tPWA2kpW1P冷卻劑流速選擇冷卻劑流速選擇 （綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)考慮）（綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)考慮）流速大：利：

25、載熱量大、傳熱系數(shù)高，降低燃料元件表面和中心溫度差，提高臨界熱流密度。弊：流動(dòng)阻力大，泵的揚(yáng)程要求高，泵功消耗大，從而廠用電增加；引起燃料元件振動(dòng)，對(duì)燃料元件的沖蝕。 對(duì)于輕水堆，在堆芯中流速一般為45m/s；在回路的局部處最大流速不大于12m/s。例：大亞灣核電廠堆內(nèi)冷卻劑平均流速為4.6m/s。秦山核電廠堆芯冷卻劑平均流速為3.65m/s3.3.自然循環(huán)流量自然循環(huán)流量 自然循環(huán)是指在一個(gè)閉合回路內(nèi)，在沒有外部驅(qū)動(dòng)力的作用下，依靠回路冷、熱段的密度差，和冷、熱源中心的高度差產(chǎn)生的循環(huán)。 自然循環(huán)時(shí)的流量稱為自然循環(huán)流量。 自然循環(huán)流量所傳輸?shù)臒峁β收级训念~定熱功率的百分率稱為自然循環(huán)能力。

26、主冷卻劑系統(tǒng)的自然循環(huán)能力是評(píng)價(jià)反應(yīng)堆安全性的一項(xiàng)指標(biāo)。自然循環(huán)流量通常應(yīng)用自然循環(huán)流量通常應(yīng)用差分法差分法或或圖解法圖解法求得。如果用求得。如果用差分法，則首先將回路中流體的上升段和下降段都分差分法，則首先將回路中流體的上升段和下降段都分成若干段，例如分成成若干段，例如分成N N段，設(shè)每段高度為段，設(shè)每段高度為z，第，第i i段的段的流體平均密度為流體平均密度為i則則式中：式中： C Cfifi第第i段總阻力損失系數(shù)；段總阻力損失系數(shù)； v vi i第第i段流體的平均流速。段流體的平均流速。N21i2iifiN21NiiN1ii2vCzgzg4.4.流量分配流量分配（1 1）概述）概述 在一

27、個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)中，若各支通道具有共同的出入在一個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)中，若各支通道具有共同的出入口，這樣的構(gòu)成稱為并聯(lián)通道。輕水堆堆芯是由大量口，這樣的構(gòu)成稱為并聯(lián)通道。輕水堆堆芯是由大量平行的冷卻劑通道組成的并聯(lián)通道，反應(yīng)堆內(nèi)的上、平行的冷卻劑通道組成的并聯(lián)通道，反應(yīng)堆內(nèi)的上、下腔室就是這些平行通道的共同出入口。下腔室就是這些平行通道的共同出入口。 若各通道間的流體沒有質(zhì)量、動(dòng)量和熱量的遷移，若各通道間的流體沒有質(zhì)量、動(dòng)量和熱量的遷移，則此類通道稱為則此類通道稱為閉式通道閉式通道。反之則稱為。反之則稱為開式通道開式通道。 冷卻劑流入堆芯時(shí)各通道的流量分配可能是不均冷卻劑流入堆芯時(shí)各通道的流量分配可能是不均勻

28、的。其原因隨反應(yīng)堆類型、流道結(jié)構(gòu)而不同。對(duì)壓勻的。其原因隨反應(yīng)堆類型、流道結(jié)構(gòu)而不同。對(duì)壓水堆來說主要有以下三方面原因：水堆來說主要有以下三方面原因：各通道的入口壓力不同；各通道的入口壓力不同；各通道截面的幾何形狀、大小可能不同；各通道截面的幾何形狀、大小可能不同；各燃料組件或同一燃料組件中各燃料元件的釋熱率不各燃料組件或同一燃料組件中各燃料元件的釋熱率不同，從而使各通道中冷卻劑溫度、密度也各不相同。同，從而使各通道中冷卻劑溫度、密度也各不相同。所以進(jìn)入各通道的流量也不相同。所以進(jìn)入各通道的流量也不相同。 冷卻劑總流量可以根據(jù)反應(yīng)堆總熱功率求得，但冷卻劑總流量可以根據(jù)反應(yīng)堆總熱功率求得，但要確

29、定各冷卻劑通道內(nèi)流量分配卻不是一件容易的事。要確定各冷卻劑通道內(nèi)流量分配卻不是一件容易的事。由于堆內(nèi)冷卻劑流動(dòng)情況復(fù)雜，不能單純依靠理論分由于堆內(nèi)冷卻劑流動(dòng)情況復(fù)雜，不能單純依靠理論分析，必須理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，才能求得滿足工程要求析，必須理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，才能求得滿足工程要求的流量分配的近似解。的流量分配的近似解。 比較可靠的方法是根據(jù)相似理論，通過對(duì)整個(gè)流比較可靠的方法是根據(jù)相似理論，通過對(duì)整個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)作水力模擬實(shí)驗(yàn)，直接測(cè)量流量分布。更準(zhǔn)確動(dòng)系統(tǒng)作水力模擬實(shí)驗(yàn)，直接測(cè)量流量分布。更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)甚至需在反應(yīng)堆建成后進(jìn)行堆內(nèi)實(shí)測(cè)才能得到。的數(shù)據(jù)甚至需在反應(yīng)堆建成后進(jìn)行堆內(nèi)實(shí)測(cè)才能得到。（2 2）

30、并聯(lián)閉式通道的流）并聯(lián)閉式通道的流量分配計(jì)算量分配計(jì)算已知條件：已知條件：下腔室的壓力分布，即各并下腔室的壓力分布，即各并聯(lián)通道入口處的壓力聯(lián)通道入口處的壓力p1111， p1212， p1i1i， p1n1n。( (這里這里n n為并聯(lián)通為并聯(lián)通道的個(gè)數(shù)道的個(gè)數(shù)) )一般入口壓力分布一般入口壓力分布是通過水力模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)得，或是通過水力模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)得，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出，作為設(shè)計(jì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出，作為設(shè)計(jì)的已知條件。的已知條件。上腔室的壓力分布，即各個(gè)上腔室的壓力分布，即各個(gè)并聯(lián)通道的出口壓力，對(duì)壓水并聯(lián)通道的出口壓力，對(duì)壓水堆，目前設(shè)計(jì)中一般假設(shè)上腔堆，目前設(shè)計(jì)中一般假設(shè)上腔室的壓力是均勻的，

31、即室的壓力是均勻的，即2n2i2221pppp計(jì)算過程：計(jì)算過程：質(zhì)量守恒方程質(zhì)量守恒方程式中：式中：W Wt t 冷卻劑總循環(huán)流量；冷卻劑總循環(huán)流量； W Wi i 第第i通道分流量；通道分流量； 旁流系數(shù)旁流系數(shù)( (目前電廠壓水堆取目前電廠壓水堆取5 5) )，它表，它表示冷卻劑不通過堆芯而旁流的流量占示冷卻劑不通過堆芯而旁流的流量占W Wt t份額。份額。軸向動(dòng)量守恒方程軸向動(dòng)量守恒方程n1iitWW1)(),(iiiiiieiii2i 1xWADLfpp軸向動(dòng)量守恒方程軸向動(dòng)量守恒方程式中：式中： L Li i、 D Deiei 、 A Ai i分別表示第分別表示第i i通道的長(zhǎng)度、

32、當(dāng)通道的長(zhǎng)度、當(dāng) 量直徑和流通截面積；量直徑和流通截面積； W Wi i、 i i 、i i 、x xi i 、 i i 分別表示第分別表示第I I 通道冷卻劑的質(zhì)量流量、粘度、密度、含通道冷卻劑的質(zhì)量流量、粘度、密度、含 汽量及空泡份額。汽量及空泡份額。),(iiiiiieiii2i 1xWADLfpp能量守恒方程能量守恒方程式中式中: H: Hi i(z)(z)在位置在位置z z處冷卻劑的焓；處冷卻劑的焓； H(z) H(z)冷卻劑流過通道長(zhǎng)度冷卻劑流過通道長(zhǎng)度zz時(shí)時(shí)的焓升；的焓升； t t冷卻劑流過冷卻劑流過zz所需所需的時(shí)間；的時(shí)間； q ql l (z)(z)軸向高度軸向高度z z

33、處燃料元件的線功率密度。處燃料元件的線功率密度。對(duì)于閉式通道，對(duì)于閉式通道， W Wi i沿整個(gè)沿整個(gè)z z軸為常數(shù)，上式可寫成積分軸為常數(shù)，上式可寫成積分形式形式L L 通道長(zhǎng)度，通道長(zhǎng)度，z=0z=0為進(jìn)口，為進(jìn)口， z=L z=L為出口。為出口。 n21izqzzHWtzHAliiiiii, n21idzzq0HLHWL0liiii,5.冷卻劑系統(tǒng)冷卻劑系統(tǒng)的參數(shù)選擇的參數(shù)選擇 核電廠的一回路系統(tǒng)由若干并聯(lián)的環(huán)路組成。一個(gè)環(huán)路所輸送的熱功率與壓水堆核電廠規(guī)模和設(shè)備設(shè)計(jì)制造能力有關(guān)。目前核電廠一回路一般采用24條環(huán)路并聯(lián)形式。 在相同堆功率情況下，單個(gè)環(huán)路功率提高后，就可以減少環(huán)路數(shù)目，減

34、少相應(yīng)的設(shè)備和部件，降低設(shè)備投資和維修費(fèi)用。這樣，降低了核電廠每千瓦的造價(jià)和每度電價(jià)格，經(jīng)濟(jì)上有利。 一回路的工作壓力、冷卻劑的反應(yīng)堆進(jìn)出口溫度、流量和流速等參數(shù)的選擇，直接影響了核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性，合理選擇一回路的工作參數(shù)是核電廠設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。16100 （1）一回路）一回路壓力壓力 由水的熱物理性質(zhì)可知，要想提高反應(yīng)堆冷卻劑的出口溫度而不發(fā)生冷卻劑容積沸騰，必須提高一回路壓力。所以，從提高核電廠的熱效率來說，提高一回路系統(tǒng)冷卻劑的工作壓力是有利的。但是，這方面的潛力非常有限。 例如，水的壓力為20MPa時(shí)，其飽和溫度也僅有365.7， 而現(xiàn)代壓水堆一回路常用壓力為15.5MPa，其對(duì)

35、應(yīng)的飽和溫度為344.7。二者相比，壓力提高了4.5MPa，飽和溫度卻僅提高21。顯然，如此提高壓力，在提高電廠效率上的收益不大，反而對(duì)各主要設(shè)備的承壓要求、材料和加工制造等技術(shù)難度都大大增加了，最終影響到電廠的經(jīng)濟(jì)性。 綜合考慮，一般壓水堆核電廠一回路系統(tǒng)的工作壓力約為15MPa左右。設(shè)計(jì)壓力取1.101.25倍工作壓力；冷態(tài)水壓試驗(yàn)壓力取1.25倍設(shè)計(jì)壓力。 （2）反應(yīng)堆）反應(yīng)堆冷卻劑的出口溫度冷卻劑的出口溫度 電廠熱效率與冷卻劑的平均溫度密切相關(guān)。冷卻劑出口溫度越高，電廠熱效率越高。但冷卻劑出口溫度的確定應(yīng)考慮以下因素:l燃料包殼溫度限制燃料包殼材料要受到抗高溫腐蝕性能的限制，對(duì)于輕水堆

36、，包殼材料Zr-4的允許表面工作溫度應(yīng)不高于350。l傳熱溫差的要求 為了保證燃料元件表面與冷卻劑之間傳熱的要求，燃料表面與冷卻劑間應(yīng)有足夠的溫差。若包殼溫度限制在350，冷卻劑溫度至少要比此溫度低1015，以保證正常的熱交換。l 冷卻劑過冷度要求 為保證流動(dòng)的穩(wěn)定性和有效傳熱，冷卻劑應(yīng)具有20左右的過冷度。 由此可見，對(duì)于一定的工作壓力，反應(yīng)堆冷卻劑的堆出口溫度變化余地很小。如大亞灣核電廠一回路壓力15.5 MPa，其堆出口冷卻劑平均溫度為329.8。（3）反應(yīng)堆）反應(yīng)堆冷卻劑入口溫度冷卻劑入口溫度 反應(yīng)堆冷卻劑的堆出口溫度一旦確定，對(duì)于一個(gè)確定熱功率的反應(yīng)堆，其入口溫度與流量有單值關(guān)系。入口溫度高：利：利：一回路冷卻劑平均溫度高，提高機(jī)組熱效率。弊：弊：冷卻劑溫升小，所需冷卻劑流量大， 增加了泵的唧送功率。從而降低了電廠的凈效率。 冷卻劑的入口溫度應(yīng)與流量綜合考慮選取