第3 讲8 燃料元件传热分析.ppt

第一章 核电站基础知识 第 三 章　燃料元件传热分析 为什么要分析燃料元件的温度场？ 　要保证任何情况下不会发生燃料元件熔化； 　由于温度梯度会产生热应力，在燃料芯块和　　 　结构材料设计时必须考虑到； 　包壳表面与冷却剂的化学与温度有关； 　反应性与温度有关。 影响燃料元件内温度分布的因素： 燃料的释热率 元件组成和包壳材料 冷却剂的流动状态及温度状态 物体内部或物体之间存在温差，就会产生热量的传递 传热基本方式 导热（热传导） 对流 热辐射 表征传热大小的物理量 热流量 Q 单位时间通过传热面的热量 , W 热流密度 q 单位时间通过单位传热面的热量 , W/m2 导 热 定义 热量从物体中温度较高部分传递到较低部分，或从温度较高物体传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程 机理 气体—— 分子相互碰撞 金属—— 自由电子运动 固体—— 晶格结构的振动 傅立叶定律 k为导热系数，W/m·℃。它反映了该种物质导热能力的强弱。 k金属 ? k液 ? k气 通过平板稳态导热计算 多层平板稳态导热 多层圆筒壁稳态导热 导热微分方程 无内热源的导热微分方程 例题讲解 例题1 一块厚度δ＝50 mm的平板，两侧表面分别维持在tw1=300℃，tw2=100 ℃ ，试求下列条件下通过单位截面积的导热量：（1）材料为铜，导热系数k＝374 W／(m.K)；(2)材料为钢，导热系数k＝ 36.3W／(m·K)。 例题讲解 根据傅立叶定律 （1）材料为铜， k＝374 W／(m.K)代入得： （2）材料为钢， k＝36.3 W／(m.K)代入得： 二、对 流 换 热 对流 流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。它仅发生在流体中，且伴随有导热现象。 对流换热 流体流过另一物体表面时发生的热交换过程。 牛顿冷却公式 影响?的因素 流体的性质（?、?、?、cp等） 流速和流动原因（强迫对流/自然对流） 层流或紊流 单相换热或沸腾换热 传热壁面的形状、尺寸（如纵掠平板、外掠 圆管、管内流动） 对流换热类型 例题讲解 例题讲解 根据牛顿冷却公式： 对流换热的准则方程式（一） 对流换热的准则方程式（二） 使用准则方程注意事项 （１）定性温度 （２）定性尺寸 （３）适用范围 三、热 辐 射 定义 物体通过电磁波来传递能量的过程称辐射，其中因热的原因而发出辐射能称为热辐射 特点 当两个物体被真空隔开时，只有热辐射一种方式 伴有能量形式的转化 辐射力计算 辐射力：单位时间、单位表面积向半球空间所有方向发射的全部波长的辐射能的总量， 传 热 过 程 定义 热量由壁面一侧的流体穿过壁面传到另一侧的流体中 传热方式 对流换热 - 导热 - 对流换热 计算公式 q = h ?t h–– 传热系数 ?t = tf1 –tf2 传热系数计算（一） 传热系数计算（二） 例题3 对一台氟里昂冷凝器的传热过程作初步测算得到以下数据：管内水的对流换热表面传热系数α1=8700 W／(m2·K)，管外氟里昂蒸气凝结换热表面传热系数α2=1800 W／(m2·K)，换热管子壁厚δ=1.5mm，管子材料为导热系数k＝383W／(m·K)的钢。试计算：三个环节的热阻及冷凝器的总传热系数；欲增强传热应从哪个环节入手?分析时可把圆管当成平壁处理。 例题讲解 解：水侧换热热阻 管壁导热热阻 蒸气凝结热阻 冷凝器的总传热系数： 燃料元件释热率的表示方法 反应堆内热量的输出过程 堆内的热源来自核燃料的裂变，要把堆芯裂变产生的热量输出到堆外，需要经过燃料元件内的导热、元件壁面与冷却剂之间的对流和冷却剂将热量送到堆外的输热等三个过程。 燃料棒温度分布图 二、棒状元件的传热计算 芯块中心 ? 芯块表面——定常热导率法 ?tu = t０? tu 传热模型：带内热源的圆柱体导热 芯块表面 ? 包壳内表面 ?tg = tu? tci 传热模型：间隙导热 包壳内表面 ? 包壳外表面 ?tw = tci? tw 传热模型：圆筒壁导热 包壳外表面 ? 冷却剂 ?tf = tw? tf 传热模型：对流换热 芯块中心?芯块表面 燃料元件的传热计算 板状元件的传热及横截面上的温度分布 一、假设条件 1、只讨论稳态传热问题 2、一维导热问题。 3、每一小段芯块内的k和qv 为常数。 4、包壳和冷却剂内不释热；所有材料为常物性。 5、不考虑气隙热阻。 燃料元件的传热计算 二、燃料芯块内的导热及温度分布 图7.10表示一段截面均匀的板状燃料元件短段，其