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反应堆热工水力学.ppt

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反应堆工程CPIManu幻灯片PPT

反应堆工程CPIManu幻灯片PPT

局部压降〔形阻压降〕
一般只能由实验确定 提升压降和沿程摩擦压降均可忽略 局部压降的计算公式形式为：
v2
pc k 2
k 称为局部损失系数。
pc 1A A 1 2 22 v1 2ke2 v1 2
(a) 截p1面突p2然扩大pas pc
时将产由生于一A负1 的< 压A2降AA时，12，亦2上即式，AA右12流边体是静v负12压值力。将即有p所1 上< 升p2。。可见，流体在面积突扩 式中，ke =[1-(A1/A1A222)]2A为11截A2面突W然2 扩大的形阻系数
空泡份额〔Void(FA rafc tiA og n)〕 是z：流A g 动 系A 统f中，A 气相占据整个两相混合
pc
kc
v2
2
3.2 两相流体的流动压降
两相流动根底
✓ 反响堆中的两相过程
◘ 在BWR正常运行时，堆芯内的冷却剂是含汽的； ◘ PWR虽然在正常运行时堆的出口是不含汽的，但堆芯内最热通 道却允许饱和沸腾，其含汽量可达8％； ◘ 尤其在事故情况下，堆芯内冷却剂不仅可能含汽，而且可能变为 过热蒸汽； ◘ 严重事故； ◘
两相流动概念与参数 (a) 两相流动通道
A 表示流道横截面，其中，汽相占有的流 道截面为Ag，液相为Af。且有A = Ag + Af。
(b) 质量流量W与质量流速G 单位时间内流过任一截面的两相混合物的质量称为两相流体质量流量W
〔kg/s〕。 流道单位截面通过的质量流量称为质量流速或质量流密度G [kg/(m2 s)]
(b) 棒a束通0.1道166 3 b 7.3 4 10 6 ( 0 P /d )3 [ 1 .2(P 7 /d ) 3 2 1 ]4 [ 1 .1(P 2 /d ) 2 1 ]9 /2 对于三角形排列：

热工水力学-第4章

热工水力学-第4章
qu hg tu tci
反应堆热工水力学
四、燃料元件和堆内部件的传热及温度分布 4.2 棒状燃料元件温度分布 ➢由下图可见，间隙传热计算的可靠程度，将极大 地影响燃料芯块温度计算的准确性
反应堆热工水力学
四、燃料元件和堆内部件的传热及温度分布 4.2 棒状燃料元件温度分布
➢间隙热导计算相当复杂，主要因为： ➢随着燃耗的增加，裂变气体的释放，间隙中的气 体成分不断改变，会使混合气体热导率降低； ➢随着燃耗的增加，芯块的龟裂、肿胀变形，包壳 的蠕变，都会使间隙的几何条件不断改变； ➢运行中芯块与包壳接触。 ➢所以要精确估算间隙的温差是相当复杂的
d 2t
dr
2
1 r
dt dr
qv ku
0
r
0,
dt dr
0
r ru,t tu
令 dt ＝u得： dr
du 1 u qv 0 dr r ku
反应堆热工水力学
t0(z)
0
r
ru du
tu (z)
圆柱形燃料芯块示意图
四、燃料元件和堆内部件的传热及温度分布 4.2 棒状燃料元件温度分布
反应堆热工水力学
四、燃料元件和堆内部件的传热及温度分布 4.2 棒状燃料元件温度分布
➢燃料芯块表面温度可用下式计算：
tu
tci
ql
dci hg
对于燃耗很深的燃料元件, 应该采用接触导热模型。
反应堆热工水力学
四、燃料元件和堆内部件的传热及温度分布 4.2 棒状燃料元件温度分布
➢4.2.5 包壳外表面对冷却剂的传热
2kc
ln dcs dci
ql
dcsh
反应堆热工水力学
四、燃料元件和堆内部件的传热及温度分布 4.2 棒状燃料元件温度分布

核反应堆热工分析ppt(热工部分)

核反应堆热工分析ppt(热工部分)

热量
裂变产物和
停堆后的功率
铀棒内的显热和剩余中子裂变热大约在半分钟之内传出， 其后的冷却要求完全取决于衰变热
压水堆的衰变热：
核科学与技术学院
四
停堆后的功率
核科学与技术学院
四
停堆后的功率
剩余裂变功率的衰减

停堆后时间非常短（0.1s内）：
(keff 1) ( ) (0) exp l
核科学与技术学院
二
2.堆芯功率的分布及其影响因素
非均匀堆栅阵

用具有等效截面的圆来代替原来的正方形栅元 假设热中子仅在整个慢化剂内均匀产生
运用扩散理论，燃料元件内热中子通量分布的表达式：
AI0 ( K0r )
若燃料棒表面处的热中子通量为 ，则在
s ，则：
I0 ( K0 r ) s I 0 ( K 0 R0 )
N s2 239U， 101 =825 2.28 103 0.88 1 0.2 exp 4.91 104 101 =1.98MW
N s2 239U ,3.6 103 0.34 MW
N s2 239U , 4.74 107 0 MW
二
2.堆芯功率的分布及其影响因素
堆芯功率的分布
简化一：
简化二：
均匀裸堆
富集度相同 的燃料均匀 分布在整个 活性区内 活性区外面 没有反射层
进行理论分析时极其有用
核科学与技术学院
二
2.堆芯功率的分布及其影响因素
目前绝大部分的堆都采用圆柱形堆芯，圆柱形堆芯的均匀裸堆，热中子 通量分布在高度方向上为余弦分布，半径方向上为零阶贝塞尔函数分布：
衰变功率的衰减

热工水力学-第3章 反应堆传热

热工水力学-第3章 反应堆传热
速度边界层
壁面附近流体速度发生剧烈变化的流体薄层，即粘 性起主要作用的薄层，称为速度边界层。
反应堆热工水力学
三、反应堆传热 3.3 单相流体对流传热 ➢3.3.2 温度边界层与速度边界层
速度边界层
通常把从速度为0的壁面到达到来流速度的99%的距 离，定义为速度边界层。
反应堆热工水力学
速度边界层
临界雷诺数确定 2×105- 3×106
k q
T
➢物理意义：
单位时间，单位面积，单位负温度梯度下的 导热量。（或在单位温度梯度作用下通过物体的热 流密度。）
反应堆热工水力学
三、反应堆传热
3.1 反应堆热量的传输过程
➢3.1.1 燃料元件的导热
•k固体> k液体 > k气体 k取决于物质的种类和温度 热绝缘（保温）材料 k<0.12W/(mK)（GB84） 反应堆导热：依靠热传导把燃料元件中由于核裂变 产生的能量，从温度较高的燃料芯块内部传递到温 度较低的包壳外表面的过程
流体流过一物体表面时对流与导热联合作用的 热量传递过程。
反应堆热工水力学
三、反应堆传热 3.1 反应堆热量的传输过程
➢辐射 辐射换热：以辐射形式传递的热量。 一切物体都有辐射粒子的能力，辐射粒子具有 的能量称为辐射能。 物体通过电磁波传递能量的方式称为辐射。物体 会因各种原因发出辐射能，其中由于物体热的原因 而发出的辐射能的现象就是热辐射。
反应堆热工水力学
三、反应堆传热 3.1 反应堆热量的传输过程 ➢3.1.2 包壳外表面与冷却剂之间的传热
反应堆热工水力学
三、反应堆传热 3.1 反应堆热量的传输过程 ➢3.1.2 冷却剂的输热 把燃料元件传给冷却剂的热量通过热焓的形式 带出堆外的过程。

反应堆热工水力

反应堆热工水力

第一章核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应，从而实现核能到热能转换的装置。

传热机理—热传导、热对流、热辐射世界上第一座反应堆是1942 年美国芝加哥大学建成的。

核反应堆按照冷却剂类型分为轻水堆、重水堆、气冷堆、钠冷堆按照用途分为实验堆、生产堆、动力堆按中子能量分类：热中子堆、中能中子堆、快中子堆以压水堆为热源的核电站称为压水堆核电站主要有核岛和常规岛核岛的四大部件为蒸汽发生器、稳压器、主泵、堆芯五种重要堆型压水堆沸水堆重水堆高温气冷堆钠冷快中子增值堆水作为冷却剂慢化剂的优缺点：轻水作为冷却剂缺点是沸点低，优点具有优良热传输性能，且价格便宜。

描述反应堆性能的参数反应堆热功率[MWh]：反应堆堆芯内生产的总热量电厂功率输出[MWe]：电厂生产的净电功率电厂净效率[%]：电厂电功率输出/反应堆热功率容量因子[%]：某时间间隔内生产的总能量/[(电厂额定功率)×该时间间隔]功率密度[MW/m3]：单位体积堆芯所产生的热功率线功率密度[kW/m]：单位长度燃料元件内产生的热功率比功率[kW/kg]：反应堆热功率/可裂变物质初始总装量燃料总装量[kg]：堆芯内燃料总质量燃料富集度[%]：易裂变物质总质量/易裂变物质和可转换物质总质量比燃耗[MWd/t]：堆芯工作期间生产的总能量/可裂变物质总质量本章主要内容1.压水堆的主要特征2 沸水堆和重水堆的主要特征3 热工水力学分析的目的与任务（这个可以忽略）第二章（本章可以覆盖部分计算题）热力学第一定律：热力系内物质的能量可以传递，其形式可以转换，在转换和传递过程中总能量保持不变。

热力学第二定律（永动机不可能制成）：不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化；不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响；不可逆热力过程中的熵的微增量总是大于零。

最基本的状态参数：压力（压强Pa，atm，bar，at）比体积（m3/kg）温度内能：系统内部一切微观粒子的一切运动形式所具有的能量总和，U焓：热力学中表示物质系统一个状态参数–H，数值上等于系统内能加上压强与体积的乘积。

大学精品课件：核反应堆热工分析(热工部分)

大学精品课件：核反应堆热工分析(热工部分)

核科学与技术学院
四 停堆后的功率
铀棒内的显热和剩余中子裂变热大约在半分钟之内传出， 其后的冷却要求完全取决于衰变热
压水堆的衰变热：
Байду номын сангаас
核科学与技术学院
四 停堆后的功率
核科学与技术学院
四 停堆后的功率
剩余裂变功率的衰减
停堆后时间非常短（0.1s内）：
(
)

(0)
exp

(keff
(
)a
(
0 )a

核科学与技术学院
四 停堆后的功率
衰变功率的衰减
中子俘获产物的衰变功率： 若是用天然铀或低富集度铀作为反应堆燃料的中子俘获衰变功率为：
Ns2 ( ) 2.28103 c(1 ) exp(4.91104 )
N (0)
2.19103 c(1 ) exp(3.14106 )
核科学与技术学院
二 2.堆芯功率的分布及其影响因素
轻水作慢化剂的堆芯中，水隙的存在引起附加慢化作 用，使该处的中子通量上升，提高水隙周围元件的功 率，增大了功率分布的不均匀程度
影
响
燃料布置
功
克服办法：采用棒束型控制棒组件
率
分 布
控制棒 空泡的存在将导致堆芯反应性下降
的
因 水隙及空泡 素
沸水堆控制棒由堆底部向上插入堆芯的原因
Ef 200MeV
堆内热源及其分布还与时间有关，新装料、平衡运行和停堆后都不相同 输出燃料元件内产生的热量的热工水力问题就成为反应堆设计的关键
核科学与技术学院
二 2.堆芯功率的分布及其影响因素
裂变率
释热率
热功率

反应堆热工水力

反应堆热工水力学是传热学在核反应堆领域的重要应用，主要研究热量在反应堆内的传递过程。热量传递主要包括导热、对流和辐起的热能传递。在反应堆中，燃料芯块、包壳等部件的导热性能至关重要。对流是由于流体各部分的相对运动而传递热量的过程。反应堆内的冷却剂通过强迫对流方式，将燃料元件产生的热量带走。辐射则是通过电磁波传递热量，高温时辐射传热的作用尤为显著。传热系数是影响对流传热效果的关键因素，受流体性质、流速、流动状态及传热壁形状尺寸等多因素影响。此外，反应堆的输热过程也极为重要，它涉及到冷却剂的比焓变化以及反应堆的总热功率输出。通过相关的计算方法和公式，可以准确评估反应堆的热工性能。同时，体积释热率、表面热流密度等参数也为反应堆的设计和运行提供了重要依据。

反应堆热工水力

反应堆热工水力
反应堆热工水力是指研究反应堆内热能传递、热力学过程和流体运动等方面的学科，是反应堆工程的重要组成部分。

它涉及到反应堆内部各种介质的流动、传热、传质等复杂过程，需要结合热力学、流体力学、传热学等多个学科进行研究。

在反应堆内部，核反应释放的热能需要通过冷却剂（如水、氦、钠等）进行传递，而冷却剂的流动又会受到反应堆内部结构和热力学条件等多个因素的影响。

因此，在设计反应堆时，需要考虑如何优化反应堆内部的热工水力条件，以确保反应堆安全、高效地运行。

反应堆热工水力研究的一些重要问题包括：冷却剂的流动模式和速度分布、热交换器的设计和性能优化、反应堆内部的温度分布和热应力分析等。

这些问题涉及到反应堆工程中的许多关键技术，如换热器的设计、流场模拟、实验测试等。

总之，反应堆热工水力是反应堆工程中不可或缺的重要研究领域，其研究成果对于反应堆的设计、安全运行和性能优化都具有重要意义。

- 1 -。

(完整版)反应堆热工水力

▪ 式中，Pth，t是反应堆输出的总热功率，W；mt是进入反应堆的冷却剂的总质 量流量，kg/s；hout和hin是反应堆出口和进口处的冷却剂比焓，J/kg；Tout和 Tin是反应堆出口和进口处的冷却剂温度，K；Cp是反应堆内冷却剂平均定压 比热容，J/(kg·K)。
返回
传热学
体积释热率qv：单位燃料体积所发出的热量；W/m3或W/cm3； 表面热流密度q：流过单位面积的热量； W/m2或W/cm2 线功率密度ql：单位燃料长度所发出的热量； W/m或W/cm；
例： 设燃料芯块半径ru=4.1mm，包壳外半径rc=4.7mm，燃料芯块的热导率
Ku=2W/（m·℃），包壳热导率Kc=5.4 W/（m·℃）[Kc已包括了间隙热阻的影响]
传热学
▪ 热辐射传热: 物体通过电磁波传热的方式称 做辐射，在常温下热辐射起的作用不大，在 高温时则起重要作用。
▪ 例如:在反应堆失水事故时堆芯裸露，燃料 元件温度升得很高时，就要考虑热辐射的作 用。
返回
燃料传递热量到冷却剂的过程
❖ 燃料元件内部（包括燃 料芯块、间隙和包壳） 的导热
❖ 包壳外表面与冷却剂之 间的传热（主要是单相 强迫对流传热），
▪ 设有一段长为ΔZ、直径为dcs的燃料元件棒，其燃料芯块
的直径为du，如果该小段燃料芯块的体积释热率qv,f是均
匀的，试写出在稳态工况下qv,f、线功率ql、元件表面热流
密度q和该段热功率Pth,ΔZ之间的关系
4
du
2
qV
,
f
dcs q ql
Pth,
传热学
例：某压水堆燃料元件热点处的燃料芯块的
热流密度；k是材料的热导率， W/(m·K)，它是物性量；是温度梯

反应堆热工水力

返回
传热学
热对流:随着流体不同部分的相对位移，把热量 从一处带到另一处的现象，称为热对流，所以 热对流与流体的流动有关。
返回
传热学
对流传热:实际上，常会遇到导热和热对流两种基本
方式同时出现，而形成一种较复杂的热传递过程， 称为对流传热或对流换热。
如:流体在管道内流动，当流体和管道内壁温度不同 时，它们之间必然会发生热量传递，紧贴管壁处总 有一薄层流体作层流流动，其中垂直于壁面的方向 上仅有分子能量的传递，即只存在导热，而层流薄 层以外的区域，热量的传递主要依靠对流。
u 为平板燃料芯块的半厚度
总热阻： R总＝R1+R2+R3 Q= ql L= (T0-Tf)/ R总
以上公式均为解微分方程得到的
传热学
理论最大释热率：当燃料元件包壳外表面与冷却剂之间的对流传热系数为无限大
（即h→∞）时，燃料元件所能达到的释热率。
例： 设燃料芯块半径ru=4.1mm，包壳外半径rc=4.7mm，燃料芯块的热导率
传热学
热辐射传热: 物体通过电磁波传热的方式称 做辐射，在常温下热辐射起的作用不大，在 高温时则起重要作用。
例如:在反应堆失水事故时堆芯裸露，燃料 元件温度升得很高时，就要考虑热辐射的作 用。
返回
燃料传递热量到冷却剂的过程
燃料元件内部（包括燃 料芯块、间隙和包壳） 的导热
包壳外表面与冷却剂之 间的传热（主要是单相 强迫对流传热），
U=0 管内层流
Ur Umax
Ur Umax
U=0 管内湍流
沸腾Байду номын сангаас
泡核沸腾是在加热表面上产生蒸汽泡的传热。 在较低热流密度下，产生的汽泡数量较少，当 热流密度较高时，产生的汽泡数量很多，并有 大量的汽泡脱离加热面，形成蒸汽柱。
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f
L D
Vm2
2
0.0905 16.5 1000 0.03182
0.0222
2
34.0Pa
09:48:56
方程体系
15
管内湍流摩擦系数
光滑管Karman-Nikuradse关系式
1 0.8 0.87 ln Re f
f
显式： f CRe n
作者 McAdams Blasius Bishop
f
0.0028
0.25 Re0.32
Tw Tf
0.6
09:48:56
方程体系
20
例5-9
蒸汽发生器传热管与例5-8相同，判断在满功率 流量下流动是层流还是湍流，并计算摩擦系数和 出入口压降。
题中没有给出传热管的表面粗糙突起高度，采用 McAdams关系式计算摩擦系数，于是得
f 0.184 Re0.2 0.0197
09:48:56
方程体系
28
作业
5.5 如图所示，试验段长1.2 m，内径13 mm。套管式热交换器1.5m长， 90°弯头（R / D = 1.5），热交换器安装在水平管道的中间部分，加热 器安装在竖直管道的中间部分，冷却水在管外逆向流动。热交换器的 内管以及把试验段、热交换器、泵连接起来的管道均为内径25 mm的 不锈钢管。试验装置高3m，宽6m，回路的运行压力是16MPa。
1 A52
1 A12
C2
1
2p
1 A52
1 A12ຫໍສະໝຸດ 1/ C 2.96104(1
dqm qmC )(1
qmC )
p
A l
T
dt
dqm
21 qmC
dqm
21 qmC
p
A l
T
dt
09:48:56
方程体系
5
dqm
21 qmC
dqm
21 qmC
p
A l
T
dt
1 2C
ln(1
qmC )
C 0.184 0.316 0.084
n 0.2 0.25 0.245
应用范围 工业用光滑管, 环形通道 普通无缝钢管, 黄铜管, 玻璃管 超临界水
09:48:56
方程体系
16
管内湍流摩擦系数
粗糙管： Colebrook关系式
f
1/ 2
1.74 2 lg
2
De
18.7 Re f 1/ 2
V22
2
V12-V22
2
斜率 -
f
D
V22
2
09:48:56
方程体系
K
V12
2
25
截面突然扩大
p1 A1 p1 ( A2 A1 ) p2 A2 A2V22 A1V12
A1V1 A2V2
p1 p2 V22 V1V2
p1
p2
1 2
V22
V12
pform
pform
1
V2 V1
V
De
p*
p
V 2
x*, y*, z* x , y , z De De De
Dυ* Dt *
* p*
VDe
*2υ*
De V
g
2
g g
Dυ* Dt*
* p*
1 *2υ* Re
De g V2
g g
09:48:56
方程体系
8
边界层
V
无粘区
0 层流边界层 过渡区
湍流区
09:48:56
方程体系
湍流区 扩展区 粘性底层
2 3
4
5
堆芯
蒸发器
pout
l1/A1 l2/A2
l3/A3
l4/A4
l5/A5
09:48:56
方程体系
23
l A T
dqm dt
p
qm2
2
1 A52
1 A12
KR
VR2
2
KSG
VS2G
2
i
f Li i2 0
Di 2
l
A
T
dqm dt
p
qm2
2
1 A52
1 A12
KR AR2
f CRen M
作者 Miller（1956） Tourneau（1957） Wantland（1957）
C
n
0.296
0.2
0.163~0.184 0.2
1.76
0.39
90.0
1.0
M 0
0
0 0.0082
09:48:56
方程体系
19
非等温修正
Sieder-Tate认为
f
feu
w f
n
对于气体，Toylor推荐
（1）当260℃的水以5 m/s的速度等温流过试验段时（即试验段不加 热），求整个回路的压降。
（2）若试验段均匀加热，入口温度260℃，出口温度变为300℃，计算 回路的总压降。（假定热量可以全部从热交换器带走）
09:48:56
方程体系
29
KSG AS2G
i
f
Li Di
1 Ai2
0
C 2
1
2p
1 A52
1 A12
KR AR2
KSG AS2G
i
f
Li Di
1 Ai2
1.803108
qm
1 C
7447kg/s
比较：qm
t
1 C
2.96 104
09:48:56
方程体系
24
截面突然缩小和截面突然扩大
12
2 1
涡团
V22-V12
2
K
9
5.2.3 管内层流边界层
z r r
z
z z
r z
Vz(r)
入口区
p 0, p 0
r
r
09:48:56
方程体系
R Vz(r)
充分发展区
10
5.2.3 管内层流
z
z
z
r
z
r
p
z
2 z
z 2
r
r
r
z
r
r z p
r r r z
rz
d dr
r
dz
dr
0
rR
z 0
dp dz
z
R2
4
dp dz
1
r2 R2
r r0
09:48:56
方程体系
11
5.2.3 管内层流
z
R2
4
dp dz
1
r2 R2
w
r
p
z
p+
p z
z
(r)
z
Vz(r)
09:48:56
方程体系
12
层流摩擦系数
z
R2
4
dp dz
1
r2 R2
r dz 4 Vm r
z2
z1
z
gdz
pfric
f
L D
r2ef
2
pform
K
2 ref
2
09:48:56
方程体系
22
例5-6中如果流动是粘性流动，堆芯和蒸汽发生器中的局部 形阻系数分别为18和52，且假设各个地方的摩擦系数均为 0.015，试计算稳态流量 。
1
pin
3
堆芯 2
蒸
发4
器
1
主泵 5
pin
pout
Δp
f
L D
Vm2
2
0.0197 16.5 1000 3.182
0.0222
2
74000Pa
09:48:56
方程体系
21
稳定流动单相流压降
p pacc pgrav pfric pform
•加速压降 •提升压降 •摩擦压降 •局部压降
1
pacc 2
2V22 1V12
pgrav
09:48:56
方程体系
14
Re VmD qmD
4686 0.02220.01
707.25 2100
A 0.001 3800 0.02222 / 4
f 64 0.0905 Re
Vm
qm
A 1000
4686 0.01 3800 0.02222 / 4
0.0318
Δp
显式：
f
0.00551
20000
De
106 Re
1 3
09:48:56
方程体系
17
各种管子的表面粗糙突起高度
管材料 冷拉管 工业用钢管 涂沥青铁管 镀锌铁管 铸铁管 混粘土管
ε/ mm 0.0015 0.045 0.12 0.15 0.26 0.3~3.05
09:48:56
方程体系
18
棒束通道摩擦系数
Y
y
Fx x
t<0,流 体 处 于 静 止 状 态
Vx
Fx
V t=0,上 板 开 始 向 右 运 动
x
A Y A Vx(y,t)
yx
t时 刻 液 体 在 粘 性 力
作 用 下 也 开始向 右 运 动
Vx(y)
t= 时形成稳定流动
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方程体系
7
Re数
υ* υ t* tV ,
l1/A1
3
堆芯 2
蒸
发4
器
1 主泵 5
pin
pout