【文章內(nèi)容簡介】 是流體流過另一固體表面時對流和導(dǎo)熱聯(lián)合起作用的熱量傳遞，稱為對流換熱。本節(jié)重點討論對流換熱。 流體流過固體表面，當(dāng)流體和固體溫度不同時，它們之 間必然會發(fā)生熱量傳遞。緊貼固體表壁處總有一薄層流體作層流流動，其中垂直于壁面的方向上僅有分子能量的傳遞，即只存在導(dǎo)熱，而層流薄層以外的區(qū)域，熱量的傳遞主要依靠對流。 對流換熱的基本計算式為牛頓冷卻公式： Q = F（ tw?tf） 式中 F—— 與流體接觸的壁面面積， m2； ?—— 對流換熱系數(shù)， W/（ m2?℃）； tw—— 壁面溫度，℃； tf—— 流體平均溫度，℃。 由對流換熱公式可導(dǎo)出對流熱阻FRt ?1?。 對流換熱有多種類型，見表 。 表 對流換熱的類型 單相流體對流傳熱 兩相流體對流傳熱 沸 騰 冷 凝 強迫對流傳熱 自然對流傳熱 池式沸騰 泡核沸騰 過渡沸騰 膜態(tài)沸騰 滴狀凝結(jié) 膜狀凝結(jié) 流動沸騰 泡核沸騰 過渡沸騰 膜態(tài)沸騰 通過液膜的強迫對流 缺液區(qū)傳熱 求解對流換熱問題，關(guān)鍵是求出對流換熱系數(shù) ? ，而它與許多因素有關(guān)，一般只能通過實驗得出各種特定條件下適用的計算表達式。 影響對流換熱的因素有五個方面： (1) 流體流動的原因 流動分為強迫流動和自然流動兩類。凡受外力的推動（如鼓 風(fēng)機或泵）而引起的流體流動，稱為強迫流動；原來靜止的流體，由于內(nèi)部溫度不平衡，因而流體各部分之間產(chǎn)生密度差，由此引起的流動稱為自然流動。強迫流動和自然流動具有不同的換熱規(guī)律，計算對流換熱的方法也有所不同。 (2) 流體的流態(tài) 流體的流態(tài)分層流和紊流。由于兩種流態(tài)的機理不同，熱傳遞的規(guī)律也隨之而異。層流時，熱傳遞主要依靠互不相干的流層之間的導(dǎo)熱；紊流時，除緊貼壁面的層流底層外，流體沿壁面法線方向產(chǎn)生對流作用而使熱傳遞增強。 (3) 流體有無相變發(fā)生 在某些換熱過程中，參與換熱的液體因受熱（或放熱）而發(fā)生沸騰（ 或凝結(jié)）。流體有相變的換熱過程與無相變的對流換熱過程有很大差別。在相變過程中，流體溫度基本保持相應(yīng)壓力下的飽和溫度而不變，這時液體與壁面間的換熱量等于流體吸收或放出的潛熱，同時汽液兩相的流動情況也不同于單相流動，所以有相變時與無相變時的換熱條件大不一樣。對同一種液體，有相變時的換熱強度要大得多。 (4) 流體的物理性質(zhì) 不同流體如空氣、水和油等，它們的物理性質(zhì)不同，例如在溫度和速度完全相同的水和空氣中，物體被加熱或冷卻的快慢速度相差甚大。這主要是因為水和空氣的導(dǎo)熱系數(shù) ?相差懸殊，以致邊界層中的導(dǎo)熱熱阻不同， 從而影響了換熱系數(shù) ? 。此外，流體的動力粘度和密度 通過 Re 數(shù)而反映出流體的流動情況是層流還是紊流，進而影響換熱系數(shù) ? 。又如流體的比熱 CP的大小能確定流體吸放或放熱后的溫度變化，從而與邊界層中的溫度梯度有關(guān)，當(dāng)然對換熱強度也有影響。 (5) 換熱面的幾何因素 它包括換熱面的形狀、大小以及換熱面在流體中的相對位置。換熱面的形狀和大小不同，就會影響流體在換熱面附近的流動情況。例如，流體橫向繞流圓柱體，尾部產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象，流動情況與管內(nèi)流動就完全不同，這些因素都會影響對流換熱規(guī)律。 3． 熱輻射 一切物體都有輻射粒子 （光子）的能力，輻射粒子具有的能量稱為輻射能。物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。物體會因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象就是熱輻射。 自然界中各個物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射，同時又不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射。輻射與吸收過程的綜合結(jié)果就造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞，這就是輻射換熱。當(dāng)物體與周圍環(huán)境處于熱平衡時，輻射換熱量等于零，但這是動態(tài)平衡，輻射與吸收過程仍在不停地進行。 熱輻射可以在真空中傳播，而導(dǎo)熱和對流換熱這兩種熱傳遞方式只能在有物質(zhì)存在的條件下才能實現(xiàn)。當(dāng)兩 個物體被真空隔開時，例如地球與太陽之間，導(dǎo)熱與對流都不會發(fā)生，只能進行輻射換熱，這是熱輻射的一個特點。另一個特點是輻射換熱不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化，即發(fā)射時從熱能轉(zhuǎn)換成輻射能，而被吸收時又從輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。 實驗表明，物體的輻射能力與溫度有關(guān)，同一溫度下不同物體的輻射與吸收本領(lǐng)也大不一樣。一種稱做絕對黑體（簡稱黑體）的理想物體在同溫度的物體中具有最大的輻射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)。 黑體在單位時間內(nèi)向所有方向輻射出的熱量稱為輻射力 E，它由斯蒂芬 — 玻爾茲曼定律計算： E= 0 FT4 式中 F—— 物體的輻射表面積， m2； 0—— 黑體輻射常數(shù)，也稱斯蒂芬 — 玻爾茲曼常數(shù)，其值為 8W/（ m2?k4）； T—— 表面的絕對溫度， K 。 實際物體的輻射能力小于同溫度下黑體的值，其計算可以采用斯蒂芬 — 玻爾茲曼定律的經(jīng)驗修正形式： E= 0 FT4 式中， ε 稱為該物體的黑度（又稱發(fā)射率），與物體的種類及表面狀態(tài)有關(guān)，其值總是小于1。 在壓水堆穩(wěn)態(tài)工況下，堆內(nèi)的溫度不是很高，輻射換熱量相對于導(dǎo)熱和對流小得多，一般可以忽略不計。但在事故工況下，堆內(nèi)可達到相當(dāng)高的溫度，就要 考慮熱輻射的作用了。 4．傳熱過程 在換熱設(shè)備中，需要交換熱量的冷、熱流體一般分別處于固體壁面的兩側(cè)，熱量由壁面一側(cè)的流體穿過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)的流體中，這個過程稱為傳熱過程。 傳熱過程包括三個串聯(lián)的環(huán)節(jié)。第一個環(huán)節(jié)是高溫流體傳熱給壁面，屬對流換熱；第二個環(huán)節(jié)是熱量從固體的一側(cè)傳到另一側(cè)，屬導(dǎo)熱；第三個環(huán)節(jié)是另一壁面?zhèn)鳠峤o低溫流體，屬對流換熱。 傳熱過程的基本計算公式為： q = k ?t （ 11） 式中， k 為傳熱系數(shù)， W/(m2?℃ ) ； ?t = tf1 –tf2 ，即兩側(cè)流體的溫差。 流體的溫度比較容易測量，因此求解上式的關(guān)鍵在于計算 k 。下面以平板的傳熱過程為例分析如何推導(dǎo) k 。 圖 平板傳熱過程 [方法一 ] 由各環(huán)節(jié)的傳熱方程式推導(dǎo)。 111 ?qtt wf ?? ??/21 qtt ww ?? 222 ?qtt fw ?? 三式相加得： )11( 2121 ???? ???? qtt ff 把它與式（ 11）比較，可得： 2111 1 ???? ???k [方法二 ] 利用熱阻的概念。 傳熱過程的三個環(huán)節(jié)相當(dāng)于三個串聯(lián)的熱阻： 1/?1 ??? 1/?2 根據(jù)歐姆定律，總熱阻為： 2111 ???? ???tR 又從式（ 11）可知： kRt 1? 所以 2111 1 ???? ???k 單相流體的對流換熱 在核電站的許多系統(tǒng)，如反應(yīng)堆堆芯的燃料棒束通道中 以及蒸汽發(fā)生器或凝汽器的傳熱管內(nèi)，水與壁面之間的傳熱都是單相流體的強迫對流換熱。 2PrRe ceDc ?? ? 式中 ?—— 對流換熱系數(shù)， W/(m2?℃ ) ?—— 流體的熱導(dǎo)率， W/(m?℃ ) De—— 流道的當(dāng)量直徑，其中UADe 4?， A 為流道截面積， U 為濕潤周界； Re—— 雷諾數(shù)，??eVD?Re V—— 流速， m/s ?—— 流體密度， kg/m3 ?—— 流體動力粘度， kg/(ms) Pr—— 普朗特數(shù)，?? pC?Pr Cp—— 流體的定壓比熱， J/(kg℃ )。 c1 和 c2 為常數(shù)。對于管內(nèi)流體與壁面的傳熱， c1＝ ， c2＝ 。 在反應(yīng)堆堆芯中，燃料棒成柵格排列，每四根燃料棒構(gòu)成一個棒束柵元，冷卻劑在其中流動，形成一個水力流道（如圖 ）。對于這種情況， 1 ?? dlc ，312?c， 其中l(wèi) 為燃料棒中心距， d 圖 棒束柵元 從圖中可見，流道的截面積等于正方形面積減去一根燃料棒的截面積，濕潤周界為四條1/4 燃料棒周長之和，即等于一根燃料棒的周長。 大亞灣核電站燃料棒外徑 d＝ ，棒中心距為 l＝ ，因此一個棒束柵元的當(dāng)量直徑為 442222?? ???????? ??????????? ??? ????ddlU AD e 沸騰傳熱 沸騰是一種重要的傳熱機理，它存在于蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器的電加熱器表面等傳熱設(shè)備之中。在正常運行時，堆芯局部也存在欠熱沸騰。在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)出 現(xiàn)破口而突然卸壓 沸騰可以分為池式沸騰和流動沸騰。池式沸騰是指浸沒在大容積液體內(nèi)的傳熱面上產(chǎn)生的沸騰，流動沸騰是液體流過傳熱面時產(chǎn)生的沸騰。在堆芯和蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側(cè)出 圖 表示豎直放置的均勻加熱通道中流體的流動結(jié)構(gòu)和相關(guān)的傳熱工況，其中圖 (a)是熱流密度較小的情況，圖 (b) 圖 流動沸騰的傳熱區(qū)域 1．熱流密度較低時的沸騰工況 此時，流道內(nèi)相繼會出現(xiàn)下 (1) (2) 泡核沸騰。泡核沸騰又可分成兩種情況： —— 欠熱泡核沸騰：此時液體的主流溫度還沒有達到飽和溫度，但壁面已經(jīng)超過飽和溫度，在壁面上產(chǎn)生了汽泡。汽泡脫離壁面后進入主流區(qū)，與欠熱水相遇后冷凝，所以汽泡主要存在于壁面附近。 —— 飽和泡核沸騰：發(fā)生在液體主流溫度已經(jīng)達到飽和溫度的情況下，主流中存在分立的汽泡。 在泡核沸騰工況下，壁面上的汽泡不斷產(chǎn)生又不斷脫離，對邊界層產(chǎn)生很大的擾動，對傳熱有明顯的改善作用。 (3) 通過液膜的強迫對流 蒸發(fā)。這時兩相流中的含汽率已經(jīng)相當(dāng)大，兩相流呈環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)，即液體薄層沿壁面流動，形成一個環(huán)狀液膜，中間是汽芯。熱量傳到液膜與汽芯的交界面，液體的蒸發(fā)將熱量帶走。 (4) 缺液區(qū)的傳熱。液體呈滴狀混在蒸汽中一起流動。由于此時液膜已經(jīng)燒干，加熱表面與蒸汽相接觸，與液膜燒干前相比，傳熱系數(shù)大幅度降低，壁溫突然升高。但因為液滴對傳熱有增強作用，所以傳熱系數(shù)仍高于下一階段單相蒸汽時的傳熱。液膜燒干時的工況，即強迫對流蒸發(fā)到缺液區(qū)傳熱的轉(zhuǎn)折點，稱為“干涸”。 (5) 單相蒸汽的對流傳熱。傳熱系數(shù)降低，壁溫將進一步升高 。 2．熱流密度較高時的沸騰工況 當(dāng)加熱壁面的熱流密度提高時，泡核沸騰階段壁面上產(chǎn)生汽泡的數(shù)量增多。當(dāng)熱流密度增加到一定程度時，產(chǎn)生的汽泡在離開壁之前就連成一片，形成一個汽膜。汽膜覆蓋了傳熱表面，形成很大的熱阻，傳熱系數(shù)陡然降低，壁面熱量不能被及時傳出，引起壁溫急劇上升。傳熱表面被汽膜覆蓋時的沸騰工況稱為膜態(tài)沸騰，由泡核沸騰轉(zhuǎn)變成膜態(tài)沸騰現(xiàn)象稱為偏離泡核沸騰，記作 DNB。在膜態(tài)沸騰之后，接下去是缺液區(qū)的傳熱和單相蒸汽的傳熱。 3．沸騰危機 由于沸騰機理的變化引起傳熱系數(shù)陡降，導(dǎo)致傳熱壁面溫度驟然升高的現(xiàn)象稱 為沸騰危機，發(fā)生沸騰危機時的熱流密度稱為臨界熱流密度。如上所述，在流動沸騰中有兩種沸騰危機，一種是偏離泡核沸騰（ DNB），其機理是泡核沸騰在熱流密度足夠大時突然轉(zhuǎn)變成膜態(tài)沸騰，它發(fā)生在含汽率很低或者欠熱的液體中；另一種沸騰危機是干涸（ Dryout），其機理是環(huán)狀流的液膜由于不斷蒸發(fā)而破裂甚至蒸干，傳熱面由于失去液膜覆蓋而傳熱性能變差，這種沸騰危機發(fā)生在含汽率很高的環(huán)狀兩相流中。在堆芯中傳熱惡化的危險主要來自偏離泡核沸騰，但在一回路大破口失水事故中的堆芯裸露階段，也有可能出現(xiàn)干涸。 由于下列兩種原因，堆芯中發(fā) 生偏離泡核沸騰的后果比發(fā)生干涸時嚴重很多： (1) 發(fā)生偏離泡核沸騰的必要條件是熱流密度特別大，因而一旦傳熱能力下降時，傳熱面上熱量的積聚和溫度的升高將是非常迅猛的。而干涸的出現(xiàn)主要決定于流量和含汽率，通常熱流密度并不很高。 (2) 在從泡核沸騰轉(zhuǎn)變成膜態(tài)沸騰時，傳熱系數(shù)降低的幅度很大，這就更加劇了傳熱面（例如包殼）溫度上升的過程。而干涸發(fā)生后，蒸汽的流速通常很高，而且其中還夾帶著液滴，所以發(fā)生干涸時傳熱系數(shù)降低的幅度較小。 4．臨界熱流密度 燃料元件表面如果出現(xiàn)了偏離泡核沸騰工況，包殼溫度上升很快，這時鋯 合金的機械特性、化學(xué)特性都急劇惡化，致使燃料元件發(fā)生破損，所以有時把這種工況稱做“燒毀”。發(fā)生偏離泡核沸騰時的臨界熱流密度記作 qDNB 。 qDNB 的大小主要受下列因素影響： (1) 質(zhì)量流速。流速大，流體的擾動強，加熱面上難以形成穩(wěn)定的汽膜，因而使 qDNB增大； (2) 通道進口處水的欠熱度。欠熱度越大 qDNB 越大； (3) 工作壓力。壓力增加會使飽和溫度上升，因而兩相流中的含汽率減小，這使 qDNB增加； (4) 發(fā)生 DNB處冷卻劑的焓 。冷卻劑的焓越大，越易產(chǎn)生汽泡，故 qDNB 越?。? (5) 加熱表面的粗 糙度。粗糙度大，流體攪動加強，使汽泡容易脫離壁面， qDNB 有所增 qDNB的數(shù)值可以用公式進行計算，所用的公式是從大量的試驗結(jié)果綜合出來的，是半經(jīng)驗公式。大亞灣核電站所用的 qDNB 計算公式是 WR