自然循環(huán)凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)計(jì)算分析

孫景坤+方麗紅

摘 ?要 ?自然循環(huán)是在閉合回路內(nèi)依靠熱段和冷段中的流體密度差所產(chǎn)生的驅(qū)動壓頭來實(shí)現(xiàn)的流動循環(huán)。通常將可以看到的有氣泡開始脫離加熱表面進(jìn)入主流的點(diǎn)定義為氣泡脫離點(diǎn)或凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)（FDB）。在壓水反應(yīng)堆中，凈蒸汽產(chǎn)生起始點(diǎn)對堆芯冷卻劑通道內(nèi)的中子慢化性能及流動不穩(wěn)定性都有重要的影響。因此，在壓水反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)中，凈蒸汽產(chǎn)生起始點(diǎn)的計(jì)算直接影響反應(yīng)堆的安全性。本文將從加熱功率、流體進(jìn)口溫度、流量和壓力等幾方面對其特性進(jìn)行分析比較。

關(guān)鍵詞 ?自然循環(huán);凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn);過冷沸騰

中圖分類號：TL334 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0058-01

1 ?計(jì)算模型

1）強(qiáng)迫循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)熱力學(xué)平衡干度計(jì)

算式。

Saha模型被認(rèn)為是目前為止用于預(yù)測強(qiáng)迫循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的精度較高的一個(gè)模型。Saha模型預(yù)測過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱流密度經(jīng)驗(yàn)公式如下：

當(dāng)時(shí)

（1）

2）自然循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)熱力學(xué)平衡干度計(jì)

算式。

①清華大學(xué)的楊瑞昌教授等提出了以下的預(yù)測自然循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)公式[2]：

（2）

②孫奇等根據(jù)在低流速工況下，過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)主要受流體熱力學(xué)特性控制，對垂直壁面上的沸騰氣泡列力的平衡方程，最終得出了過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)蒸發(fā)冷凝模型[1]：

（3）

2 ?算例

選取=-0.1，進(jìn)口溫度=60～100℃，=13.0，=300.0，=0.01，=22.064。進(jìn)口溫度、質(zhì)量流速、壓力與過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)熱力學(xué)平衡干度間的關(guān)系如圖1、圖2、圖3所示。

3 ?結(jié)果分析

1）加熱量對過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的影響。

熱流密度增大時(shí)，過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度減小。這是由于當(dāng)加熱量增大時(shí)，處于較低熱力學(xué)平衡干度的液相容易獲得足夠的能量，產(chǎn)生氣泡并以致發(fā)生躍離，即導(dǎo)致過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度減小。在其它條件相同的情況下，熱流密度的增加導(dǎo)致加熱段流體溫度的升高，一方面，增大了這種密度差，即驅(qū)動力變大，使得產(chǎn)生的氣泡更加容易脫離壁面，另一方面，使得局部過冷度降低，氣泡能夠進(jìn)入主流核心。而強(qiáng)迫循環(huán)的驅(qū)動力主要依靠外力，這種密度差變化對它產(chǎn)生的影響不大，所以強(qiáng)迫循環(huán)的過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度變化不大。

2）進(jìn)口溫度對過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的影響。

在加熱量相同的條件下，楊瑞昌經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果反映了自然循環(huán)過冷沸騰在較低入口溫度下出現(xiàn)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)，此時(shí)的熱力學(xué)平衡干度較低，并隨入口溫度的提高而減小。這是由于入口溫度的增加使得流體的密度差變大，驅(qū)動力變大，流體的擾動性增加，產(chǎn)生的氣泡更加容易脫離壁面的緣故。在強(qiáng)迫循環(huán)中，由于所選溫度變化范圍還不是很大，造成相關(guān)計(jì)算參數(shù)包括物性均很小，因此，在該溫度變化范圍內(nèi)，強(qiáng)迫循環(huán)的過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度變化很小。

3）質(zhì)量流速對過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的影響。

一般而言，流速增加，擾動增加，氣泡產(chǎn)生并易脫離壁面。但流量增大的同時(shí)，削弱了同等熱量對流體的貢獻(xiàn)，增大了熱容量，可能導(dǎo)致過冷沸騰起始點(diǎn)不易產(chǎn)生，從而引起過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的延遲，即過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度增加。強(qiáng)迫循環(huán)的過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度基本不隨質(zhì)量流速發(fā)生變化，由公式可以看出是因?yàn)橘|(zhì)量流速較低的緣故。至于在同等流量下，自然循環(huán)的過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度小于強(qiáng)迫循環(huán)是由于此時(shí)自然循環(huán)中有較大的密度差環(huán)境，擾動增加，氣泡更易產(chǎn)生并躍離。

4）壓力對過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的影響。

壓力從兩個(gè)方面影響過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)。一方面，系統(tǒng)壓力升高，工質(zhì)的沸點(diǎn)提高，抑制凈蒸汽的產(chǎn)生，同時(shí)，汽水密度差減小，擾動減小，氣泡不易脫離加熱面，這兩個(gè)因素均使過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度變大。另一方面，壓力升高，液體的表面張力減小，汽化核心增多，容易提前發(fā)生過冷沸騰出現(xiàn)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)。由圖3可以看出，過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度均隨系統(tǒng)壓力的增加而減小。

參考文獻(xiàn)

[1]孫奇，楊瑞昌.低流速凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)模型預(yù)測過冷沸騰空泡率[J].熱能動力工程，2004，19（02）：124-126.

[2]楊瑞昌，王彥武，唐虹，梁玥.自然循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24（02）：247-250.

[3]于平安，朱瑞安，喻真煥.核反應(yīng)堆熱工分析[M].北京：原子能出版社，1986.endprint

摘 ?要 ?自然循環(huán)是在閉合回路內(nèi)依靠熱段和冷段中的流體密度差所產(chǎn)生的驅(qū)動壓頭來實(shí)現(xiàn)的流動循環(huán)。通常將可以看到的有氣泡開始脫離加熱表面進(jìn)入主流的點(diǎn)定義為氣泡脫離點(diǎn)或凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)（FDB）。在壓水反應(yīng)堆中，凈蒸汽產(chǎn)生起始點(diǎn)對堆芯冷卻劑通道內(nèi)的中子慢化性能及流動不穩(wěn)定性都有重要的影響。因此，在壓水反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)中，凈蒸汽產(chǎn)生起始點(diǎn)的計(jì)算直接影響反應(yīng)堆的安全性。本文將從加熱功率、流體進(jìn)口溫度、流量和壓力等幾方面對其特性進(jìn)行分析比較。

關(guān)鍵詞 ?自然循環(huán);凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn);過冷沸騰

中圖分類號：TL334 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0058-01

1 ?計(jì)算模型

1）強(qiáng)迫循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)熱力學(xué)平衡干度計(jì)

算式。

Saha模型被認(rèn)為是目前為止用于預(yù)測強(qiáng)迫循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的精度較高的一個(gè)模型。Saha模型預(yù)測過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱流密度經(jīng)驗(yàn)公式如下：

當(dāng)時(shí)

（1）

2）自然循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)熱力學(xué)平衡干度計(jì)

算式。

①清華大學(xué)的楊瑞昌教授等提出了以下的預(yù)測自然循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)公式[2]：

（2）

②孫奇等根據(jù)在低流速工況下，過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)主要受流體熱力學(xué)特性控制，對垂直壁面上的沸騰氣泡列力的平衡方程，最終得出了過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)蒸發(fā)冷凝模型[1]：

（3）

2 ?算例

選取=-0.1，進(jìn)口溫度=60～100℃，=13.0，=300.0，=0.01，=22.064。進(jìn)口溫度、質(zhì)量流速、壓力與過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)熱力學(xué)平衡干度間的關(guān)系如圖1、圖2、圖3所示。

3 ?結(jié)果分析

1）加熱量對過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的影響。

熱流密度增大時(shí)，過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度減小。這是由于當(dāng)加熱量增大時(shí)，處于較低熱力學(xué)平衡干度的液相容易獲得足夠的能量，產(chǎn)生氣泡并以致發(fā)生躍離，即導(dǎo)致過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度減小。在其它條件相同的情況下，熱流密度的增加導(dǎo)致加熱段流體溫度的升高，一方面，增大了這種密度差，即驅(qū)動力變大，使得產(chǎn)生的氣泡更加容易脫離壁面，另一方面，使得局部過冷度降低，氣泡能夠進(jìn)入主流核心。而強(qiáng)迫循環(huán)的驅(qū)動力主要依靠外力，這種密度差變化對它產(chǎn)生的影響不大，所以強(qiáng)迫循環(huán)的過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度變化不大。

2）進(jìn)口溫度對過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的影響。

在加熱量相同的條件下，楊瑞昌經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果反映了自然循環(huán)過冷沸騰在較低入口溫度下出現(xiàn)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)，此時(shí)的熱力學(xué)平衡干度較低，并隨入口溫度的提高而減小。這是由于入口溫度的增加使得流體的密度差變大，驅(qū)動力變大，流體的擾動性增加，產(chǎn)生的氣泡更加容易脫離壁面的緣故。在強(qiáng)迫循環(huán)中，由于所選溫度變化范圍還不是很大，造成相關(guān)計(jì)算參數(shù)包括物性均很小，因此，在該溫度變化范圍內(nèi)，強(qiáng)迫循環(huán)的過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度變化很小。

3）質(zhì)量流速對過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的影響。

一般而言，流速增加，擾動增加，氣泡產(chǎn)生并易脫離壁面。但流量增大的同時(shí)，削弱了同等熱量對流體的貢獻(xiàn)，增大了熱容量，可能導(dǎo)致過冷沸騰起始點(diǎn)不易產(chǎn)生，從而引起過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的延遲，即過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度增加。強(qiáng)迫循環(huán)的過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度基本不隨質(zhì)量流速發(fā)生變化，由公式可以看出是因?yàn)橘|(zhì)量流速較低的緣故。至于在同等流量下，自然循環(huán)的過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度小于強(qiáng)迫循環(huán)是由于此時(shí)自然循環(huán)中有較大的密度差環(huán)境，擾動增加，氣泡更易產(chǎn)生并躍離。

4）壓力對過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的影響。

壓力從兩個(gè)方面影響過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)。一方面，系統(tǒng)壓力升高，工質(zhì)的沸點(diǎn)提高，抑制凈蒸汽的產(chǎn)生，同時(shí)，汽水密度差減小，擾動減小，氣泡不易脫離加熱面，這兩個(gè)因素均使過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度變大。另一方面，壓力升高，液體的表面張力減小，汽化核心增多，容易提前發(fā)生過冷沸騰出現(xiàn)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)。由圖3可以看出，過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度均隨系統(tǒng)壓力的增加而減小。

參考文獻(xiàn)

[1]孫奇，楊瑞昌.低流速凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)模型預(yù)測過冷沸騰空泡率[J].熱能動力工程，2004，19（02）：124-126.

[2]楊瑞昌，王彥武，唐虹，梁玥.自然循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24（02）：247-250.

[3]于平安，朱瑞安，喻真煥.核反應(yīng)堆熱工分析[M].北京：原子能出版社，1986.endprint

摘 ?要 ?自然循環(huán)是在閉合回路內(nèi)依靠熱段和冷段中的流體密度差所產(chǎn)生的驅(qū)動壓頭來實(shí)現(xiàn)的流動循環(huán)。通常將可以看到的有氣泡開始脫離加熱表面進(jìn)入主流的點(diǎn)定義為氣泡脫離點(diǎn)或凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)（FDB）。在壓水反應(yīng)堆中，凈蒸汽產(chǎn)生起始點(diǎn)對堆芯冷卻劑通道內(nèi)的中子慢化性能及流動不穩(wěn)定性都有重要的影響。因此，在壓水反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)中，凈蒸汽產(chǎn)生起始點(diǎn)的計(jì)算直接影響反應(yīng)堆的安全性。本文將從加熱功率、流體進(jìn)口溫度、流量和壓力等幾方面對其特性進(jìn)行分析比較。

關(guān)鍵詞 ?自然循環(huán);凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn);過冷沸騰

中圖分類號：TL334 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0058-01

1 ?計(jì)算模型

1）強(qiáng)迫循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)熱力學(xué)平衡干度計(jì)

算式。

Saha模型被認(rèn)為是目前為止用于預(yù)測強(qiáng)迫循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的精度較高的一個(gè)模型。Saha模型預(yù)測過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱流密度經(jīng)驗(yàn)公式如下：

當(dāng)時(shí)

（1）

2）自然循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)熱力學(xué)平衡干度計(jì)

算式。

①清華大學(xué)的楊瑞昌教授等提出了以下的預(yù)測自然循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)公式[2]：

（2）

②孫奇等根據(jù)在低流速工況下，過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)主要受流體熱力學(xué)特性控制，對垂直壁面上的沸騰氣泡列力的平衡方程，最終得出了過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)蒸發(fā)冷凝模型[1]：

（3）

2 ?算例

選取=-0.1，進(jìn)口溫度=60～100℃，=13.0，=300.0，=0.01，=22.064。進(jìn)口溫度、質(zhì)量流速、壓力與過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)熱力學(xué)平衡干度間的關(guān)系如圖1、圖2、圖3所示。

3 ?結(jié)果分析

1）加熱量對過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的影響。

熱流密度增大時(shí)，過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度減小。這是由于當(dāng)加熱量增大時(shí)，處于較低熱力學(xué)平衡干度的液相容易獲得足夠的能量，產(chǎn)生氣泡并以致發(fā)生躍離，即導(dǎo)致過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度減小。在其它條件相同的情況下，熱流密度的增加導(dǎo)致加熱段流體溫度的升高，一方面，增大了這種密度差，即驅(qū)動力變大，使得產(chǎn)生的氣泡更加容易脫離壁面，另一方面，使得局部過冷度降低，氣泡能夠進(jìn)入主流核心。而強(qiáng)迫循環(huán)的驅(qū)動力主要依靠外力，這種密度差變化對它產(chǎn)生的影響不大，所以強(qiáng)迫循環(huán)的過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度變化不大。

2）進(jìn)口溫度對過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的影響。

在加熱量相同的條件下，楊瑞昌經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果反映了自然循環(huán)過冷沸騰在較低入口溫度下出現(xiàn)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)，此時(shí)的熱力學(xué)平衡干度較低，并隨入口溫度的提高而減小。這是由于入口溫度的增加使得流體的密度差變大，驅(qū)動力變大，流體的擾動性增加，產(chǎn)生的氣泡更加容易脫離壁面的緣故。在強(qiáng)迫循環(huán)中，由于所選溫度變化范圍還不是很大，造成相關(guān)計(jì)算參數(shù)包括物性均很小，因此，在該溫度變化范圍內(nèi)，強(qiáng)迫循環(huán)的過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度變化很小。

3）質(zhì)量流速對過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的影響。

一般而言，流速增加，擾動增加，氣泡產(chǎn)生并易脫離壁面。但流量增大的同時(shí)，削弱了同等熱量對流體的貢獻(xiàn)，增大了熱容量，可能導(dǎo)致過冷沸騰起始點(diǎn)不易產(chǎn)生，從而引起過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的延遲，即過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度增加。強(qiáng)迫循環(huán)的過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度基本不隨質(zhì)量流速發(fā)生變化，由公式可以看出是因?yàn)橘|(zhì)量流速較低的緣故。至于在同等流量下，自然循環(huán)的過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度小于強(qiáng)迫循環(huán)是由于此時(shí)自然循環(huán)中有較大的密度差環(huán)境，擾動增加，氣泡更易產(chǎn)生并躍離。

4）壓力對過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的影響。

壓力從兩個(gè)方面影響過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)。一方面，系統(tǒng)壓力升高，工質(zhì)的沸點(diǎn)提高，抑制凈蒸汽的產(chǎn)生，同時(shí)，汽水密度差減小，擾動減小，氣泡不易脫離加熱面，這兩個(gè)因素均使過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度變大。另一方面，壓力升高，液體的表面張力減小，汽化核心增多，容易提前發(fā)生過冷沸騰出現(xiàn)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)。由圖3可以看出，過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的熱力學(xué)平衡干度均隨系統(tǒng)壓力的增加而減小。

參考文獻(xiàn)

[1]孫奇，楊瑞昌.低流速凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)模型預(yù)測過冷沸騰空泡率[J].熱能動力工程，2004，19（02）：124-126.

[2]楊瑞昌，王彥武，唐虹，梁玥.自然循環(huán)過冷沸騰凈蒸汽產(chǎn)生點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24（02）：247-250.

[3]于平安，朱瑞安，喻真煥.核反應(yīng)堆熱工分析[M].北京：原子能出版社，1986.endprint