1、核能技術設計研究院1第七章：核反應堆熱工第七章：核反應堆熱工核反應堆工程概論核反應堆工程概論2第七章：核反應堆熱工第七章：核反應堆熱工一、緒論一、緒論二、反應堆的熱源和穩態傳熱分析二、反應堆的熱源和穩態傳熱分析三、反應堆穩態水力分析三、反應堆穩態水力分析四、反應堆穩態熱工設計原理四、反應堆穩態熱工設計原理五、反應堆瞬態熱工分析簡介五、反應堆瞬態熱工分析簡介3一、緒論一、緒論1、反應堆熱工分析的任務、反應堆熱工分析的任務2、熱力學的基本知識、熱力學的基本知識3、反應堆熱工分析的內容、反應堆熱工分析的內容4、堆芯材料和熱物性、堆芯材料和熱物性41、反應堆熱工分析的任務、反應堆熱工分析的任務 反應堆

2、熱工分析是反應堆熱工分析是研究研究在反應堆及其回在反應堆及其回路系統中路系統中冷卻劑冷卻劑的的流動特性、熱量傳輸特流動特性、熱量傳輸特性、燃料元件的傳熱特性性、燃料元件的傳熱特性的一門工程性很的一門工程性很強的學科。其研究內容強的學科。其研究內容涉及涉及反應堆的反應堆的各種各種工況工況，以滿足動力堆安全、經濟和實用。，以滿足動力堆安全、經濟和實用。 反應堆的反應堆的堆型不同堆型不同，它們的結構形式、，它們的結構形式、冷卻劑特性、運行參數和安全要求等方面冷卻劑特性、運行參數和安全要求等方面也有也有很大差異很大差異。壓水堆壓水堆作為主要討論對象。作為主要討論對象。52、熱力學的基本知識、熱力學的基

3、本知識2.1 熱力學熱力學2.2 工質及其狀態參數工質及其狀態參數2.3 平衡狀態平衡狀態2.4 工質的物性工質的物性2.5 熱力學第一定律熱力學第一定律2.6 工質的熱力過程工質的熱力過程2.7 熱力循環熱力循環2.8 熱力學第二定律熱力學第二定律62.1 熱力學熱力學熱力學：熱力學：研究伴有熱效應的自然界中一切物研究伴有熱效應的自然界中一切物理及化學工程的能量關系和理及化學工程的能量關系和能量轉換能量轉換的科的科學。學。幾個概念：幾個概念： 熱力系或熱力系統熱力系或熱力系統 環境或外界環境或外界 界面或邊界界面或邊界 熱源和冷源熱源和冷源72.2 工質及其狀態參數工質及其狀態參數工質：工質

4、：工作介質工作介質狀態參數：狀態參數：1）壓力壓力：P總壓力，總壓力，p2）比容比容：V總體積，總體積，v3）溫度溫度：T開氏溫標，開氏溫標，t攝氏溫標攝氏溫標4）內能內能：U總內能，總內能，u比內能比內能5）焓焓：H總焓，總焓，h比焓比焓6）熵熵：S總熵，總熵，s比熵比熵81）壓力）壓力定義：定義：表壓力和絕對壓力：表壓力和絕對壓力：單位：單位：帕斯卡，帕帕斯卡，帕Pa 1Pa=1N/m21atm=760mmHg=1.03323at=1.01325bar=0.101325MPa1at=735.559mmHg=0.967841atm=0.980665bar=0.0980665MPaPpF92）

5、比容）比容比重比重：單位容積（體積）的：單位容積（體積）的重量重量密度密度：單位容積（體積）的：單位容積（體積）的質量質量 ，單位：，單位：kg/m3比容比容：單位質量物質的容積：單位質量物質的容積 v v=1/ 單位單位：m3/kg103）溫度）溫度溫度溫度：溫標溫標：攝氏，：攝氏，；開氏，；開氏，K；華氏，華氏， F換算換算： T（K）t+273.15（） t（）5/9（t（F）32）114）內能）內能內能內能：熱力系內部：熱力系內部自身所具有自身所具有的能量。的能量。 包括：分子運動的包括：分子運動的動能動能和分子之間的引力和分子之間的引力 和斥力所形成的和斥力所形成的位能位能。 動能：

6、移動、轉動和振動。動能：移動、轉動和振動。 內能是其他狀態參數的函數。內能是其他狀態參數的函數。單位單位：J，J/kg125）焓）焓定義定義：復合狀態參數。：復合狀態參數。 數學描述：數學描述： h=u+pv H=mh單位單位：J，J/kg136）熵）熵定義：導出定義：導出參數，不能直接測量，由基本狀參數，不能直接測量，由基本狀態參數推導出來。態參數推導出來。 數學描述：數學描述： dS=dQ/T ds=dq/T單位單位：J/kg.K142.3 平衡狀態平衡狀態定義定義：均勻一致：均勻一致 狀態參數：狀態參數：p、v、T、u、h、s工質的狀態工質的狀態：固、液、汽：固、液、汽狀態方程狀態方程：

7、（工質物性的描述）：（工質物性的描述）152.4 工質的物性工質的物性162.4 工質的物性工質的物性飽和水和干飽和蒸汽飽和水和干飽和蒸汽濕蒸汽濕蒸汽：汽化潛熱：汽化潛熱：(1)(1)(1)(1)vvvvvxv xhhxh xuuxu xssxs x定義：液體的質量干飽和蒸汽的質量濕蒸汽的總質量干度：濕蒸汽中干飽和汽所占的百分數 即1kg的濕蒸汽，含x(kg)干飽和汽和（1-x)(kg)的液體，x為干度。172.4 工質的物性工質的物性比熱比熱： dq=cdT 對于對于氣體氣體有定壓比熱有定壓比熱Cp和定容比熱和定容比熱Cv在在可逆可逆過程中：過程中： 定壓定壓：dq= CpdT 定容定容：d

8、q= CvdT182.4 工質的物性工質的物性192.4 工質的物性工質的物性202.5 熱力學第一定律熱力學第一定律數學描述數學描述：2211221121212syssysshshdQ dEedmedmdWQEWedmedmqu wdq du dwqhcg Z WWh hh 一般表達式：微分形式：積分形式：封閉系統： 或 穩定流動系統： 應用于透平（蒸汽輪機）：212.6 工質的熱力過程工質的熱力過程定容過程：定容過程：定壓過程：定壓過程：絕熱過程：絕熱過程：定熵過程：定熵過程： （一般以理想氣體狀態方程推導加深（一般以理想氣體狀態方程推導加深概念）概念）222.7 熱力循環熱力循環朗肯循環

9、：朗肯循環：232.7 熱力循環熱力循環提高循環熱效率：提高循環熱效率：242.7 熱力循環熱力循環再熱循環：再熱循環：252.7 熱力循環熱力循環回熱循環：回熱循環：262.8 熱力學第二定律熱力學第二定律克勞休氏敘述：克勞休氏敘述： 熱不可能自發地、不付代價地從低溫物熱不可能自發地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體。體傳到高溫物體。開爾文敘述：開爾文敘述： 不可能制造出從單一熱源吸熱，使之全不可能制造出從單一熱源吸熱，使之全部轉化為功而不留下其他任何變化的熱力部轉化為功而不留下其他任何變化的熱力發動機。發動機。273、反應堆熱工分析的內容、反應堆熱工分析的內容1）堆芯材料和熱物性）堆芯材料

10、和熱物性 （第一節第五小節第一節第五小節）2）反應堆的熱源）反應堆的熱源 （第二節第二節）3）穩態熱工分析）穩態熱工分析 （第二節第二節傳熱分析，傳熱分析，第三節第三節水力分析）水力分析）4）瞬態熱工分析）瞬態熱工分析 （第五節第五節）284、堆芯材料和熱物性、堆芯材料和熱物性堆芯結構材料包括堆芯結構材料包括：1）燃料元件用材料：）燃料元件用材料：燃料芯塊燃料芯塊材料、材料、燃料包殼燃料包殼材材料、燃料組件和部件材料、導向管材料；料、燃料組件和部件材料、導向管材料；2）冷卻劑冷卻劑3）慢化劑慢化劑4）反射層材料；）反射層材料；5）控制材料：熱中子吸收材料及控制棒材料、控）控制材料：熱中子吸收材

11、料及控制棒材料、控制棒包殼材料、控制棒構件、液體控制材料；制棒包殼材料、控制棒構件、液體控制材料；6）屏蔽材料；）屏蔽材料；7）反應堆容器材料。）反應堆容器材料。291）核燃料）核燃料n核燃料： 裂變燃料：鈾235（自然界存在的唯一一種核燃料） 鈾233 钚239 轉換燃料：釷232 鈾238n核燃料的形態： 固態：實際應用的核燃料 液態：未達到工業應用的程度301）核燃料）核燃料n對對固體核燃料固體核燃料的要求：的要求： 具有良好的輻照穩定性，保證燃料元件在經具有良好的輻照穩定性，保證燃料元件在經受深度燃耗后，尺寸和形狀的變化能保持在允受深度燃耗后，尺寸和形狀的變化能保持在允許的范圍之內許的

12、范圍之內 具有良好的熱物性（熔點高，熱導率大，熱具有良好的熱物性（熔點高，熱導率大，熱膨脹系數?。?，使反應堆能達到高的功率密度膨脹系數小），使反應堆能達到高的功率密度 在高溫下與包殼材料的相容性好在高溫下與包殼材料的相容性好 與冷卻劑接觸不產生強烈的化學腐蝕與冷卻劑接觸不產生強烈的化學腐蝕 工藝性能好，制造成本低，便于后處理工藝性能好，制造成本低，便于后處理311）核燃料）核燃料n固體核燃料固體核燃料： 金屬鈾與鈾合金金屬鈾與鈾合金 特點：密度高、熱導率大、工藝性能好；輻照穩定特點：密度高、熱導率大、工藝性能好；輻照穩定性差，有性差，有“腫脹腫脹”現象；現象；不能在現在動力堆中使用不能在現在動

13、力堆中使用。 陶瓷燃料：氧化物、碳化物、氮化物陶瓷燃料：氧化物、碳化物、氮化物 氧化物氧化物的使用研究最多，輕水、重水、改進型氣冷、的使用研究最多，輕水、重水、改進型氣冷、快堆等均使用燒結的氧化物圓柱小塊。高溫氣冷堆使用快堆等均使用燒結的氧化物圓柱小塊。高溫氣冷堆使用氧化物或碳化物氧化物或碳化物作成的包覆顆粒在石墨基體中的彌散體。作成的包覆顆粒在石墨基體中的彌散體。321）核燃料）核燃料n固體核燃料固體核燃料： 陶瓷燃料陶瓷燃料：氧化物、碳化物、氮化物：氧化物、碳化物、氮化物 氧化鈾氧化鈾：特點（：特點（5點內容）點內容） 熱物性熱物性（熔點、密度、熱導率、比熱）（熔點、密度、熱導率、比熱）

14、钚、鈾混合物钚、鈾混合物：UO2+PuO2 UC+PuC UN+PuN 彌散體燃料彌散體燃料 陶瓷型燃料顆粒均勻分布在非裂變材料的基體中。陶瓷型燃料顆粒均勻分布在非裂變材料的基體中。 基體材料：基體材料：鋁、不銹鋼、鋯合金、石墨鋁、不銹鋼、鋯合金、石墨等等 缺點：基體材料所占百分比大，必須使用濃縮鈾缺點：基體材料所占百分比大，必須使用濃縮鈾（加濃鈾）（加濃鈾）331）核燃料）核燃料燃料形式形態材料適應堆芯固體燃料金屬U石墨慢化堆合金U-Al快堆U-Mo快堆U-ZrH脈沖堆陶瓷U3Si重水堆(U,Pu)O2快堆(U,Pu)C快堆(U,Pu)N快堆UO2輕水堆、重水堆彌散體燃料金屬金屬UAl4-A

15、l重水堆陶瓷金屬UO2-Al重水堆陶瓷陶瓷(U,Th)O2-(熱解石墨,SiC)- 石墨高溫氣冷堆金屬陶瓷(U,Th)C2-(熱解石墨,SiC)- 石墨,UO2-W高溫氣冷堆液體燃料水溶液(UO2)SO4-H2O沸水堆懸濁液U3O8-H2O水均勻堆金屬溶液U-Bi溶鹽UF4-LiF-BeF2-ZrF4溶鹽堆341）核燃料）核燃料UO2的密度的密度： UO2的理論密度是的理論密度是10.9510.97 g/cm3，所謂理論密度是根據所謂理論密度是根據晶格常數晶格常數計算得到的，計算得到的，實際制造出來的實際制造出來的UO2芯塊是由粉末狀的芯塊是由粉末狀的UO2燒結出來的，由于制造工藝造成存在燒結

16、出來的，由于制造工藝造成存在空隙，達不到理論密度，計算中一般取空隙，達不到理論密度，計算中一般取95%理論密度理論密度下的值。下的值。351）核燃料）核燃料UO2的熔點的熔點： UO2的熔點隨的熔點隨O/U比和微量雜質而變化，由于比和微量雜質而變化，由于UO2在在高溫下會析出氧，使得高溫下會析出氧，使得O/U比在加熱過程中要發生變化，比在加熱過程中要發生變化，因此因此UO2的真正的真正熔點難以測定熔點難以測定。正是由于這個緣故，不。正是由于這個緣故，不同的研究人員測得的同的研究人員測得的熔點各不相同熔點各不相同，但大體都在，但大體都在2800 oC左右左右，以下是一些研究人員測得的數據：，以下

17、是一些研究人員測得的數據： 284020 oC ；286030 oC ；2800100 oC ；276030 oC ；286045 oC ；286515 oC ；280015 oC等等等等 輻照后，隨著固相裂變產物的積累和輻照后，隨著固相裂變產物的積累和O/U比的變化，比的變化，燃料的熔點會有所下降，燃耗每增加燃料的熔點會有所下降，燃耗每增加104兆瓦日兆瓦日/噸鈾，噸鈾，熔點下降熔點下降32 oC 。例如，。例如，燃耗達燃耗達50000兆瓦日兆瓦日/噸鈾噸鈾的燃料，的燃料，熔點為熔點為2645 oC 。361）核燃料）核燃料UO2的熱導率：的熱導率： 371）核燃料）核燃料UO2的比熱：的比

18、熱：381）核燃料）核燃料UO2的比熱：的比熱：391）核燃料）核燃料UO2的熱膨脹系數的熱膨脹系數： 在分析核燃料在反應堆內的行為時，在分析核燃料在反應堆內的行為時，熱膨脹系數也是一個重要的性質。雖然試熱膨脹系數也是一個重要的性質。雖然試驗結果不很一致，但在驗結果不很一致，但在1000oC以下的熱膨以下的熱膨脹系數大約為脹系數大約為110-5/oC。大于。大于1000oC時時可以取可以取1310-6/oC由于由于UO2在在2450oC以上以上會顯著地會顯著地蒸發蒸發，因此高溫下的熱膨脹系數，因此高溫下的熱膨脹系數只是定性的。只是定性的。402）包殼材料）包殼材料n對包殼材料的要求：對包殼材料

19、的要求： 具有良好的核性能，也就是中子吸收截面要小，感具有良好的核性能，也就是中子吸收截面要小，感生放射性要弱。生放射性要弱。 具有良好的導熱性能。具有良好的導熱性能。 與核燃料的相容性要好，也就是說在燃料元件的工與核燃料的相容性要好，也就是說在燃料元件的工作狀態下，包殼與燃料的界面處不會發生使燃料元件性作狀態下，包殼與燃料的界面處不會發生使燃料元件性能變壞的物理作用和化學反應。能變壞的物理作用和化學反應。 具有良好的機械性能，即能夠提供合適的機械強度具有良好的機械性能，即能夠提供合適的機械強度和韌性，使得在燃耗較深的條件下，仍能保持燃料元件和韌性，使得在燃耗較深的條件下，仍能保持燃料元件的機

20、械完整性。的機械完整性。 應有良好的抗腐蝕能力。應有良好的抗腐蝕能力。 具有良好的輻照穩定性。具有良好的輻照穩定性。 容易加工成形，成本低廉，便于后處理。容易加工成形，成本低廉，便于后處理。412）包殼材料）包殼材料n包殼材料包殼材料： 鋯合金鋯合金：特點、物性：特點、物性 不銹鋼和鎳基合金不銹鋼和鎳基合金 水堆水堆中應用最普遍的是中應用最普遍的是鋯鋯2和鋯和鋯4合金合金 快堆快堆中主要考慮高溫性能和抗輻照損傷性能，目前多采中主要考慮高溫性能和抗輻照損傷性能，目前多采用用奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼，有時也使用，有時也使用鎳基合金鎳基合金。 422）包殼材料）包殼材料Zr-4合金的熱導率：合金的熱

21、導率：432）包殼材料）包殼材料Zr-4合金的比熱：合金的比熱：443）冷卻劑）冷卻劑n對冷卻劑的要求：對冷卻劑的要求： 中子吸收截面小，感生放射性弱。中子吸收截面小，感生放射性弱。 具有良好的熱物性（比熱大、熱導率大、熔點低、具有良好的熱物性（比熱大、熱導率大、熔點低、沸點高，飽和蒸汽壓低等），以便從較小的傳熱面沸點高，飽和蒸汽壓低等），以便從較小的傳熱面積帶走較多的熱量。積帶走較多的熱量。 粘度低，密度高，使循環泵消耗的功率小。粘度低，密度高，使循環泵消耗的功率小。 與燃料和結構材料相容性好。與燃料和結構材料相容性好。 良好的輻照穩定性和熱穩定性。良好的輻照穩定性和熱穩定性。 慢化能力與反

22、應堆類型相匹配。慢化能力與反應堆類型相匹配。 成本低，使用方便，盡可能避免使用價格昂貴的成本低，使用方便，盡可能避免使用價格昂貴的材料。材料。453）冷卻劑）冷卻劑n常用冷卻劑：常用冷卻劑： 水和重水水和重水：水作為冷卻劑和慢化劑主要應用于：水作為冷卻劑和慢化劑主要應用于輕水輕水堆。堆。 缺點：缺點：沸點低、存在沸騰臨界沸點低、存在沸騰臨界、在高溫下有腐蝕作用。、在高溫下有腐蝕作用。 重水慢化堆采用重水作冷卻劑的好處是可以減少核燃料的重水慢化堆采用重水作冷卻劑的好處是可以減少核燃料的裝載量裝載量或降低核或降低核燃料的燃料的濃縮度濃縮度。缺點是。缺點是價格昂貴價格昂貴。 鈉鈉：鈉作為冷卻劑主要應

23、用于：鈉作為冷卻劑主要應用于快中子堆快中子堆。 缺點：缺點：鈉水劇烈反應鈉水劇烈反應、溫度梯度質量遷移、金屬的擴散結合、存在由反應、溫度梯度質量遷移、金屬的擴散結合、存在由反應性性正空泡效應正空泡效應引起的控制和安全問題。引起的控制和安全問題。 氦氣氦氣：氦氣作為冷卻劑主要應用于：氦氣作為冷卻劑主要應用于氣冷堆氣冷堆。 缺點：因運行壓力和流量大而缺點：因運行壓力和流量大而消耗功率大、價格昂貴、泄漏問題消耗功率大、價格昂貴、泄漏問題。464）慢化劑）慢化劑n對對固體慢化劑固體慢化劑的要求：的要求： 具有一定的結構強度具有一定的結構強度 良好的導熱性能良好的導熱性能 良好的熱穩定性和輻照穩定性良好

24、的熱穩定性和輻照穩定性 與冷卻劑相容與冷卻劑相容 原子密度高原子密度高 便于加工，成本低廉便于加工，成本低廉n可用的可用的固體慢化劑固體慢化劑： 可用的固體慢化劑有可用的固體慢化劑有石墨、鈹、氧化鈹和氧化石墨、鈹、氧化鈹和氧化鋯鋯474）慢化劑）慢化劑n對對液體慢化劑液體慢化劑的要求：的要求： 熔點在室溫以下，高溫下蒸汽壓要低熔點在室溫以下，高溫下蒸汽壓要低 良好的傳熱性能良好的傳熱性能 良好的熱穩定性和輻照穩定性良好的熱穩定性和輻照穩定性 原子密度高原子密度高 不腐蝕結構材料不腐蝕結構材料n常用常用液體慢化劑液體慢化劑： 常用的液體慢化劑有常用的液體慢化劑有水和重水水和重水48二、反應堆的熱

25、源和穩態傳熱分析二、反應堆的熱源和穩態傳熱分析1、反應堆的熱源分布、反應堆的熱源分布2、傳熱學的基本知識、傳熱學的基本知識3、反應堆內熱量的輸出過程、反應堆內熱量的輸出過程4、燃料元件的傳熱計算、燃料元件的傳熱計算5、堆內結構的傳熱計算簡介、堆內結構的傳熱計算簡介491、反應堆的熱源分布、反應堆的熱源分布1）裂變能及其在堆芯內的分布）裂變能及其在堆芯內的分布2）影響堆芯功率分布的因素）影響堆芯功率分布的因素3）燃料元件內的功率分布）燃料元件內的功率分布4）核熱管因子）核熱管因子5）控制棒、慢化劑和結構材料中的熱源及）控制棒、慢化劑和結構材料中的熱源及分布分布501）裂變能及其在堆芯內的分布）裂

26、變能及其在堆芯內的分布511）裂變能及其在堆芯內的分布）裂變能及其在堆芯內的分布521）裂變能及其在堆芯內的分布）裂變能及其在堆芯內的分布裂變率：裂變率：531）裂變能及其在堆芯內的分布）裂變能及其在堆芯內的分布體積釋熱率：體積釋熱率： 體積釋熱率是體積釋熱率是單位時間單位時間、單位體積單位體積內內釋放的熱能釋放的熱能的度量，也稱的度量，也稱為為功率密度功率密度。要注意的是，體積釋熱率指的是已經轉化為熱能的能。要注意的是，體積釋熱率指的是已經轉化為熱能的能量，并量，并不是不是在該體積單元內釋放出的在該體積單元內釋放出的全部能量全部能量，因為有些能量（例，因為有些能量（例如如射線射線能）會在別的

27、地方轉化為熱能，甚至有的能量根本就能）會在別的地方轉化為熱能，甚至有的能量根本就無法無法轉化為熱能轉化為熱能加以利用。加以利用。541）裂變能及其在堆芯內的分布）裂變能及其在堆芯內的分布均勻裸堆釋熱率分布：均勻裸堆釋熱率分布：551）裂變能及其在堆芯內的分布）裂變能及其在堆芯內的分布562）影響堆芯功率分布的因素）影響堆芯功率分布的因素572）影響堆芯功率分布的因素）影響堆芯功率分布的因素582）影響堆芯功率分布的因素）影響堆芯功率分布的因素592）影響堆芯功率分布的因素）影響堆芯功率分布的因素603）燃料元件內的功率分布）燃料元件內的功率分布613）燃料元件內的功率分布）燃料元件內的功率分布

28、624）核熱管因子）核熱管因子n熱管和熱點的概念熱管和熱點的概念634）核熱管因子）核熱管因子n熱管因子熱管因子： 為了衡量各有關的熱工參數的為了衡量各有關的熱工參數的最大值偏離最大值偏離平均值平均值（或名義值）的程度，引入一個修正因（或名義值）的程度，引入一個修正因子，這個子，這個修正因子修正因子就稱為就稱為熱管因子熱管因子。熱管因子。熱管因子是用各有關的熱工（或物理）參數的最大值與是用各有關的熱工（或物理）參數的最大值與平均值的平均值的比值比值來表示的。來表示的。n熱管因子的熱管因子的分類分類： 一般把熱管因子分為一般把熱管因子分為兩大類兩大類：一類是：一類是核核熱熱管因子；一類是管因子；

29、一類是工程工程熱管因子。熱管因子。 644）核熱管因子）核熱管因子n核熱管因子的定義：核熱管因子的定義：NLNZNRNqNLNZNRNqNZNRFFFFFFFFFF熱流量核熱管因子局部峰核熱管因子堆芯平均熱流量堆芯最大熱流量熱流量核熱管因子熱管的平均熱流量熱管的最大熱流量軸向核熱管因子量堆芯平均管的平均熱流熱管的平均熱流量徑向核熱管因子654）核熱管因子）核熱管因子665）控制棒、慢化劑和結構材料中的熱源及分布）控制棒、慢化劑和結構材料中的熱源及分布n控制棒中的熱源及其分布控制棒中的熱源及其分布n慢化劑中的熱源及其分布慢化劑中的熱源及其分布n結構材料中的熱源及其分布結構材料中的熱源及其分布67

30、2、傳熱學的基本知識、傳熱學的基本知識1）熱傳導）熱傳導2）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱3）熱輻射、輻射換熱）熱輻射、輻射換熱4）傳熱過程和傳熱系數）傳熱過程和傳熱系數681）熱傳導）熱傳導691）熱傳導）熱傳導單層平壁：單層平壁：11212121212wwwwwwwwwwwdTQkFdxQdTdxkFQTxCkFQTxTkFTTTTTTQkFRkFTTTTQqFrk 701）熱傳導）熱傳導圓筒壁：圓筒壁：12122211112222ln22lnln222wwwwdTdTQkFkrLdrdrQdrdTrL rQTrCrLTTrLQTTrrrrrLQrLqr Lq 712）熱對流、對流換熱

31、）熱對流、對流換熱牛頓冷卻定律：牛頓冷卻定律：722）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱速度邊界層速度邊界層定義定義732）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱速度邊界層速度邊界層雷諾數雷諾數Re和臨界雷諾數和臨界雷諾數Rec6556ReReRe2 10Re10Re5 1010Re2300fcfccccccVLVLLVV xV x 、為幾何尺寸、 、 、 分別為流體密度、流速、動力粘度和運動粘度平板臨界雷諾數： 來流平靜、平面光滑： 壁面粗糙、人為擾動： 一般情況：管內流動：742）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱速度邊界層速度邊界層速度邊界層厚度速度邊界層厚度5121557115Re5 10

32、5 Re0.381 Re5 10Re100.381Re10256Rexxxxxxxxx層流邊界層厚度：波爾豪森：卡門：紊流邊界層厚度：752）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱熱邊界層與速度邊界層熱邊界層與速度邊界層762）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱熱邊界層與速度邊界層熱邊界層與速度邊界層772）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱熱邊界層與速度邊界層熱邊界層與速度邊界層13Pr10.977Prppttckakc普朗特數：流體不同，Pr不同。波爾豪森假定：，得到：782）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱影響影響對流換熱的對流換熱的因素因素A、流體流動產生的原因流體流動產生的原因 強迫流

33、動（強迫對流）、自然流動強迫流動（強迫對流）、自然流動（自然對流）（自然對流） 強迫流動和自然流動具有不同的換熱強迫流動和自然流動具有不同的換熱規律，計算對流換熱的方法也有所不同。規律，計算對流換熱的方法也有所不同。一般來說，一般來說，強迫強迫對流流速高，換熱系數對流流速高，換熱系數h也也大大。792）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱影響影響對流換熱的對流換熱的因素因素B、流體流動情況流體流動情況 層流、紊流層流、紊流 在對流換熱過程中，如保持其它條件在對流換熱過程中，如保持其它條件相同，則流速高的紊流與流速低的層流相相同，則流速高的紊流與流速低的層流相比，比，紊流紊流的換熱系數的換熱系數h

34、要比層流的換熱系要比層流的換熱系數數h大好幾倍大好幾倍甚至更多。甚至更多。802）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱影響影響對流換熱的對流換熱的因素因素C、流體有無相變發生流體有無相變發生 相變相變指在某些換熱過程中，參與換熱的流體指在某些換熱過程中，參與換熱的流體吸熱而沸騰或放熱而凝結。吸熱而沸騰或放熱而凝結。 相變換熱特點：相變換熱特點：溫度不變溫度不變（某壓力下的飽和（某壓力下的飽和溫度）溫度） 換熱量為流體吸收或放出的換熱量為流體吸收或放出的潛熱潛熱 兩相流動兩相流動而非單相流動而非單相流動 一般來說，對于同一種流體，有一般來說，對于同一種流體，有相變相變時比無時比無相變時的相變時的換

35、熱強度大換熱強度大得多。得多。812）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱影響影響對流換熱的對流換熱的因素因素D、流體的物性流體的物性 不同得流體，其物理性質不同，對對流換不同得流體，其物理性質不同，對對流換熱得影響也不一樣。熱得影響也不一樣。 導熱系數導熱系數影響導熱熱阻，從而影響換熱系影響導熱熱阻，從而影響換熱系數數 動力粘度和密度動力粘度和密度影響影響Re，從而影響換熱系，從而影響換熱系數數 比熱比熱影響換熱后得溫度變化，即熱邊界層影響換熱后得溫度變化，即熱邊界層的溫度梯度，從而影響換熱系數的溫度梯度，從而影響換熱系數822）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱影響影響對流換熱的對流換熱的因

36、素因素E、換熱面的幾何因素換熱面的幾何因素832）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱影響影響對流換熱的對流換熱的因素因素E、換熱面的幾何因素換熱面的幾何因素842）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱影響影響對流換熱的對流換熱的因素因素 上述上述定性定性介紹了一些介紹了一些主要因素主要因素對對流對對流換熱的影響。為了運用熱傳遞理論解決實換熱的影響。為了運用熱傳遞理論解決實際的換熱問題，還有待進一步掌握換熱系際的換熱問題，還有待進一步掌握換熱系數數h與各影響因素間的與各影響因素間的數量關系數量關系。 對流換熱過程比較復雜，組合了多種對流換熱過程比較復雜，組合了多種不同規律的換熱過程。只有對各種情況

37、分不同規律的換熱過程。只有對各種情況分門分門別類，進行門分門別類，進行分析和試驗分析和試驗，才能獲得，才能獲得反映各種情況的反映各種情況的計算公式計算公式。852）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱對流換熱的對流換熱的準則方程式準則方程式 對流換熱受諸多因素的影響，甚為復雜。對流對流換熱受諸多因素的影響，甚為復雜。對流換熱系數值顯然也是變化范圍很大，因此，確定換熱系數值顯然也是變化范圍很大，因此，確定h值是一個很復雜的問題。值是一個很復雜的問題。 理論研究、實驗研究、數值分析。理論研究、實驗研究、數值分析。 相似理論或量綱分析相似理論或量綱分析法：把眾多的影響因素歸法：把眾多的影響因素歸并成為

38、數不多的幾個并成為數不多的幾個無量綱的準則無量綱的準則。如：。如：Re、Pr、Nu、Gr等等 把對流換熱的表達關系式變成由無量綱準則數把對流換熱的表達關系式變成由無量綱準則數組成的準則方程式組成的準則方程式即對流換熱的即對流換熱的準則方程式準則方程式。 對流換熱的準則方程式中包含的對流換熱的準則方程式中包含的待定系數待定系數和指和指數通過數通過實驗來確定實驗來確定。862）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱對流換熱的對流換熱的準則方程式準則方程式 對流換熱有多種方式，對流換熱有多種方式，不同的換熱方式有不同的準則方程式不同的換熱方式有不同的準則方程式：32Re,PrRe Pr(,mnhLNuk

39、hkLNufNuCCmngtLGrLNuf Gr受迫流動： 努謝爾特數： 其中： 對流換熱系數； 導熱系數； 定性尺寸（特性尺寸） 準則方程式： 管內流動準則方程式： 其中： 、 、 待定的系數和指數自然對流： 格拉曉夫數： 其中： 流體的體積膨脹系數； 流體的運動粘度； 定性尺寸 準則方程式：Pr),PrnNuC GrCn 大空間自然對流準則方程式： 其中： 、 待定的系數和指數872）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱對流換熱的對流換熱的準則方程式準則方程式定性溫度定性溫度： 準則數中包含物性參數，而物性參數隨準則數中包含物性參數，而物性參數隨溫度而變化，因此在確定準則方程式中的溫度而變化

40、，因此在確定準則方程式中的準則數值時，必須明確這些準則中的物性準則數值時，必須明確這些準則中的物性參數是根據什么溫度來選用的。這個溫度參數是根據什么溫度來選用的。這個溫度叫叫“定性溫度定性溫度”。否則將帶來。否則將帶來錯誤錯誤。882）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱對流換熱的對流換熱的準則方程式準則方程式定性尺寸定性尺寸： 在有的準則數中包含有幾何尺寸，如在有的準則數中包含有幾何尺寸，如Nu數和數和Re數中的長度數中的長度L，實際上是影響對，實際上是影響對流換熱的幾何尺寸，叫流換熱的幾何尺寸，叫“定性尺寸定性尺寸”。不。不同的對流換熱過程，特性尺寸有所不同，同的對流換熱過程，特性尺寸有所不

41、同，在使用準則方程時在使用準則方程時不可搞錯不可搞錯。892）熱對流、對流換熱）熱對流、對流換熱對流換熱的對流換熱的準則方程式準則方程式適應范圍適應范圍： 準則方程式的具體形式，是針對某些試準則方程式的具體形式，是針對某些試驗結果整理出來的，這些試驗中的變量或驗結果整理出來的，這些試驗中的變量或測量的參數是有一定范圍的。因此，這些測量的參數是有一定范圍的。因此，這些準則方程式只能在這樣的范圍內適用，準則方程式只能在這樣的范圍內適用，不不宜隨意延伸和外推宜隨意延伸和外推。903）熱輻射、輻射換熱）熱輻射、輻射換熱 凡物體都有放射、輻射粒子（光子）的能力，輻凡物體都有放射、輻射粒子（光子）的能力，

42、輻射粒子具有的能量稱為輻射能。射粒子具有的能量稱為輻射能。物體因熱的原因而發物體因熱的原因而發出輻射能的現象稱為熱輻射出輻射能的現象稱為熱輻射。熱輻射是依靠電磁波來。熱輻射是依靠電磁波來傳遞的。傳遞的。 自然界中各個物體都不停地向空間發出熱輻射，自然界中各個物體都不停地向空間發出熱輻射，同時又不斷地吸收其他物體發出的熱輻射。當物體與同時又不斷地吸收其他物體發出的熱輻射。當物體與周圍環境處于熱平衡時，輻射換熱量等于零，但這是周圍環境處于熱平衡時，輻射換熱量等于零，但這是動態平衡動態平衡，輻射與吸收過程仍在不停地進行。，輻射與吸收過程仍在不停地進行。 熱輻射可以在熱輻射可以在真空中傳播真空中傳播，

43、而導熱和對流換熱這，而導熱和對流換熱這兩種熱傳遞方式只能在有物質存在的條件下才能實現；兩種熱傳遞方式只能在有物質存在的條件下才能實現；輻射換熱不僅產生能量的轉移，而且還伴隨著輻射換熱不僅產生能量的轉移，而且還伴隨著能量形能量形式的轉化式的轉化，即發射時從熱能轉換成輻射能，而被吸收，即發射時從熱能轉換成輻射能，而被吸收時又從輻射能轉換為熱能。時又從輻射能轉換為熱能。913）熱輻射、輻射換熱）熱輻射、輻射換熱 物體的物體的熱輻射熱輻射能力與物體能力與物體溫度溫度、性質性質和和表面表面情況有關。情況有關。絕對黑體絕對黑體（簡稱黑體）：（簡稱黑體）： 在同溫的物體中具有在同溫的物體中具有最大的輻射本領

44、和吸收本領最大的輻射本領和吸收本領。是一種。是一種理想理想物體。物體。48242441W10/1ooooQFTw m KFmTKQFTQF T黑體的輻射能量： 斯蒂芬玻爾茲曼定律： ， 其中：黑體輻射常數，即斯蒂芬玻爾茲曼常數，為5.67 物體的輻射面積，； 表面的絕對溫度，實際物體的輻射能量： 斯蒂芬玻爾茲曼定律的經驗修正： 其中： 物體的黑度，其值小于輻射換熱量： 如兩個平行黑體表面的換熱量：42T923）熱輻射、輻射換熱）熱輻射、輻射換熱 在壓水堆在壓水堆穩態工況穩態工況下，堆內的溫下，堆內的溫度不很高，輻射換熱相對于導熱和度不很高，輻射換熱相對于導熱和對流換熱熱量小很多，一般可以忽對流

45、換熱熱量小很多，一般可以忽略不計。略不計。 在在事故工況事故工況下，堆內可以達到相下，堆內可以達到相當高的溫度，輻射傳熱量就不可不當高的溫度，輻射傳熱量就不可不計算了。計算了。934）傳熱過程和傳熱系數）傳熱過程和傳熱系數 工程工程實際中的熱傳實際中的熱傳遞過程總是比較復雜遞過程總是比較復雜的，常常是的，常常是幾種幾種基本基本方式同時作用方式同時作用的結果。的結果。944）傳熱過程和傳熱系數）傳熱過程和傳熱系數111122221212121212121212121111111111fwwwwfffffkkffkkQh F TTQF TTQh F TTQTTh FkFh FQKF TTKhkhR

46、RRRh FkFh FrrrrhkhTTQFrK；解為： 定義傳熱方程式： 其中：傳熱系數為 而： 和： 故： 傳熱系數：1kr953、反應堆內熱量的輸出過程、反應堆內熱量的輸出過程1）堆內的導熱過程）堆內的導熱過程2）堆內的放熱過程）堆內的放熱過程3）堆內的輸熱過程）堆內的輸熱過程961）堆內的導熱過程）堆內的導熱過程 燃料元件的導熱是指燃料燃料元件的導熱是指燃料芯塊內芯塊內產生產生的的熱量熱量通過熱傳導傳到燃料元件通過熱傳導傳到燃料元件包殼外包殼外表表面這樣一個面這樣一個過程過程。核燃料包殼熱量971）堆內的導熱過程）堆內的導熱過程2222200000101424vvvuuuuvuuluu

47、uuqtktqkqd tdtdrr drkrrttqttqttqkkktt有內熱源的情況： 導熱微分方程： 其中：是拉普拉斯符， 是溫度， 是體積釋熱率， 是導熱率 圓柱形燃料芯塊： 導熱微分方程： 解為：； 其中： 燃料芯塊中心溫度，； 燃料芯塊表面溫度，； 3222220/./222uuvlvlluuvvuuuuvuurmkW mqqqW mW mW mqqqqr qr qqd tdxkttqqkk 燃料芯塊半徑， ； 燃料芯塊熱導率， 、 、 分別為燃料芯塊體積釋熱率、表面釋熱率、線功率 、 、 之間的關系為： 平板形燃料芯塊： 導熱微分方程： 解為：981）堆內的導熱過程）堆內的導熱過

48、程 2/.lnlnln222ocucsccucsocslcslcsucscucucudtqkdxttqkqW mmkW mttdtQk FdrrqrqdQttk Lrkrkd 無內熱源的情況： 平板： 解為： 其中： 包殼表面熱流密度； 包殼厚度； 包殼導熱率 ； 燃料芯塊表面溫度，即包殼內表面溫度 ；包殼外表面溫度 圓筒： 解為：992）堆內的放熱過程）堆內的放熱過程 放熱過程是燃料元件放熱過程是燃料元件包殼表面包殼表面與與冷卻冷卻劑劑之間直接接觸時的之間直接接觸時的熱交換熱交換，即熱量由，即熱量由包包殼殼的的外表面外表面傳遞給傳遞給冷卻劑冷卻劑的的過程過程。核燃料包殼冷卻劑熱量熱量1002

49、）堆內的放熱過程）堆內的放熱過程( )( )( )( )( )( )( )( )flcsflllffcsfQhFq ztztzh z FQq zzhh zzFFztztz牛頓冷卻定律： 解為： 其中： ，包殼外表面傳遞給冷卻劑的熱功率，位置 處線功率 ，對流放熱系數，位置 處對流放熱系數 ，傳熱面積， ，單位長度燃料元件外表面積 ，膜溫壓。在某一位置 處， ( )( )csftzztzz ，位置 處包殼表面溫度 ，位置 處冷卻劑的溫度1012）堆內的放熱過程）堆內的放熱過程強迫對流換熱強迫對流換熱：0.80.4450.80.330.023RePr5010Re1.2 10 0.6Pr1200.0

50、27RePrfwADittusBoelterNuNu流體在圓形通道內強迫對流的放熱系數 、流體在圓形通道內強迫對流時的放熱系數 迪圖斯（）貝爾特（）關系式： 膜溫壓不能太大，管長應大于內徑的倍， 且：， 對于大膜溫壓：0.141022）堆內的放熱過程）堆內的放熱過程強迫對流換熱強迫對流換熱：0.81 3RePr420.0260.006BNuCPPCddPPCddPd流體在圓形通道內強迫對流的放熱系數 、水縱向流過平行棒束時的放熱系數 韋斯曼關系式： 對于正方形柵格： 當 ， 對于三角形柵格： 當 ， 其中： 為柵距， 為棒徑1032）堆內的放熱過程）堆內

51、的放熱過程自然對流放熱自然對流放熱：1 35111 413160.250 25Pr0.6Pr)10100.17Pr)2 10Pr100.5PrPrPrPrndffwdfNuC GrNuGrGrNuGrGrNuGrGr。自然對流放熱準則關系式： （） 當壁面的熱流量恒定時，豎壁的放熱系數： （， （層流） （， （紊流） 橫管的自然對流平均放熱系數： （）（） ，（）8101042）堆內的放熱過程）堆內的放熱過程沸騰放熱沸騰放熱：大容積大容積沸騰：沸騰：大氣壓下水的大氣壓下水的大容積沸騰曲線大容積沸騰曲線1052）堆內的放熱過程）堆內的放熱過程沸騰放熱沸騰放熱：流動流動沸騰沸騰：0.2560.5

52、25exp106.20.717.20.0225exp8.6913.79wswswsqpttMPapttqMPaqptt過冷泡核沸騰關系式： 詹斯和洛特斯： 水的壓力為： 湯姆： 水的壓力為： 5.17 其中： 熱流密度， 壓力， 壁面溫度， 流體飽和溫度1062）堆內的放熱過程）堆內的放熱過程沸騰放熱沸騰放熱：泡和沸騰起始點泡和沸騰起始點ONB的確定的確定0.02342.82831.15691.798 105pONBwsONBwsqpttqttp式中為在壁面過冷度和系統壓力為 時，開始產生沸騰所需的熱流量1072）堆內的放熱過程）堆內的放熱過程沸騰放熱沸騰放熱：過冷沸騰過冷沸騰起始點的位置起始

53、點的位置：,0.256,25exp106.2f ONBsffwshONBinpf ONBf inpf ONBf inONBinhinONBf inqtthqpttqpZZGACttGACttZZqpZZtp單相強迫對流傳熱方程：詹斯洛特斯沸騰傳熱方程：聯立求解： 其中：、分別為進口處和最初汽泡產生點的距離；進口處流體溫度； hAGq通道的周界； 通道的流通截面； 流體質量流速； 加熱通道熱流密度1082）堆內的放熱過程）堆內的放熱過程沸騰放熱沸騰放熱：汽泡汽泡脫離壁面脫離壁面起始點的起始點的位置位置：,700004550.0022700000.0065154fsatf FDBp fsatf F

54、DBp ffsubFDBfsubfsubFDBp ff FDBsqDNukttqStGCttGDCNuPekStqDqDPeNutkTkqPeSttGCtt定義： 努謝爾特數： 史坦頓數： 貝克利數： ， ； ， ； 有：,subFDBpf FDBf inFDBinhtGACttZZqp 求得：1092）堆內的放熱過程）堆內的放熱過程沸騰放熱沸騰放熱：沸騰臨界沸騰臨界：沸騰臨界的特點是由于沸騰機理的變化引起放：沸騰臨界的特點是由于沸騰機理的變化引起放熱系數的熱系數的陡降陡降，導致受熱面的溫度，導致受熱面的溫度驟升驟升。剛剛達到沸騰。剛剛達到沸騰臨界時的熱流密度稱為臨界時的熱流密度稱為臨界熱流密

55、度（臨界熱流密度（CHF）。 以流動以流動工況工況沸騰臨界分為：沸騰臨界分為： 過冷或低含汽量過冷或低含汽量下的臨界沸騰；下的臨界沸騰； 高含汽量高含汽量下的臨界沸騰。下的臨界沸騰。 低含汽量低含汽量下：下：“沸騰臨界沸騰臨界”也稱為也稱為“偏離泡核沸騰偏離泡核沸騰（DNB）”，或稱，或稱“燒毀燒毀”，也稱，也稱“快速燒毀快速燒毀”。 高含汽量高含汽量下：下： “沸騰臨界沸騰臨界”也稱為也稱為“蒸干蒸干”，或稱，或稱“干凅干凅”，又稱，又稱“慢速燒毀慢速燒毀”。 術語臨界熱流密度（術語臨界熱流密度（CHF）則用來描述上述工況下）則用來描述上述工況下的熱流量值，以及確定在那一點最先發生上述工況。

56、的熱流量值，以及確定在那一點最先發生上述工況?！芭R界熱流量臨界熱流量”也稱為也稱為“臨界熱負荷臨界熱負荷”或或“燒毀熱通燒毀熱通量量”。1103）堆內的輸熱過程）堆內的輸熱過程( )( )( )( )( ):pffpffpfzQ zWctzA V ctzW HzQ zzWcA 輸熱過程指的是，當冷卻劑流過堆芯時，將堆內裂變過程中所釋放的熱量帶出堆外這樣一個過程。冷卻劑從堆芯進口到位置 處的輸熱量為： 其中：冷卻劑從堆芯進口到位置 處的輸熱量 冷卻劑的質量流量；冷卻劑的比熱； 冷卻劑的密度；冷卻劑的流通截面積 ( ):( ):ffHzztzz冷卻劑從堆芯進口到位置 處的焓升 冷卻劑從堆芯進口到位

57、置 處的溫升1114、燃料元件的傳熱計算、燃料元件的傳熱計算1）燃料元件的形式及其冷卻方式）燃料元件的形式及其冷卻方式2）棒狀燃料元件的傳熱計算）棒狀燃料元件的傳熱計算3）積分熱導率的概念）積分熱導率的概念4）板狀燃料元件的傳熱計算）板狀燃料元件的傳熱計算1121）燃料元件的形式及其冷卻方式）燃料元件的形式及其冷卻方式1131）燃料元件的形式及其冷卻方式）燃料元件的形式及其冷卻方式1142）棒狀燃料元件的傳熱計算）棒狀燃料元件的傳熱計算n沿燃料元件軸向的冷卻劑溫度分布沿燃料元件軸向的冷卻劑溫度分布n包殼外表面溫度的計算包殼外表面溫度的計算n包殼內表面溫度的計算包殼內表面溫度的計算n燃料芯塊表面

58、溫度的計算燃料芯塊表面溫度的計算n燃料芯塊中心溫度的計算燃料芯塊中心溫度的計算1152）棒狀燃料元件的傳熱計算）棒狀燃料元件的傳熱計算1162）棒狀燃料元件的傳熱計算）棒狀燃料元件的傳熱計算1172）棒狀燃料元件的傳熱計算）棒狀燃料元件的傳熱計算 ,Re2ReReReRe2Re,ReRe0 cos00 cossinsin20sinsin2RRff inpzlllLzlRlLlRff inpQ ztztWCzQ zqz dzqzqLqLLzzQ zqdzLLLqLLztztWCLL沿燃料元件軸向的冷卻劑溫度分布： 而：，且： 有： Re,ReRe,ReReReRe,Re20sin22220sin

59、20sin220sin2lRRRf exff inplRff exf inpflRpflff inpqLLLLztttWCLqLLtttWCLtqLLWCLtqLztztWCL 當 ，冷卻劑出口溫度： 即： 故：1182）棒狀燃料元件的傳熱計算）棒狀燃料元件的傳熱計算 ReReRe,0cos00000 cos02cslcsfcsllcsffcscslfcsfcsfcsffflcsf inptzqztztzd h zqzqztztztzd h zd h zLqttd hzztztzLtL qtztWC 包殼外表面溫度的計算： 對流放熱方程： 即： 令： 故： ReResin0 cosfzzLL1

60、192）棒狀燃料元件的傳熱計算）棒狀燃料元件的傳熱計算 ,max,max,maxReReReReRe,maxReReReRe,max,max,0cos0sin0010010cscscscslfpcslpflcspfcsftzzdtzqLdzWCLLLLzqLtgLWCqLLzarctgWCtt包殼外表面的最高溫度： 求導： 得： 則： ,max,maxReReRe,max2,max,Re22,max,Re,max0sincos2012101csc2202fcscslinfpfcscsf infffRcsf inffcstzzqLWCLLtztttgLttLttLt 三角函數變換得： 即： 對于