CN112992394A - 一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法及系统 - Google Patents

一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法及系统，其中，方法包括以下步骤：获取反应堆堆芯在单相传热阶段的热平衡ηcv；获取反应堆堆芯在单相传热阶段的环境温度Tf1和壁面温度Tw,cv，以及反应堆堆芯在两相传热阶段的环境温度Tf2和壁面温度Tw,tp；根据所述热平衡ηcv、所述环境温度Tf1、所述壁面温度Tw,cv、所述环境温度Tf2以及所述壁面温度Tw,tp获取反应堆堆芯在两相传热阶段的热平衡ηtp。本发明的目的在于提供一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法及系统，通过指定的实验流程来计算两相热质传递过程中的热损失，从而准确地反映对应工况下实验本体的热损失，提高了两相热质传递实验结果的精度。

Description

一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法及系统
技术领域
本发明涉及反应堆热工水力实验技术领域，尤其涉及一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法及系统。
背景技术
两相传热(尤其是沸腾传热)过程广泛存在于诸多换热系统中，如沸水堆堆芯、蒸汽发生器等。由于保温材料无法做到绝对的绝热，实验本体的发热量一部分被冷却工质吸收，有一部分热量直接流失到周围环境中，散失的这部分热量称为热损失。作为反应堆热工水力领域重要的实验内容，沸腾传热实验过程中的有效热流密度及加热功率的测算一直以来都是反应堆热工水力实验技术的重点和难点。在反应堆堆芯热工水力实验技术中，沸腾传热过程的换热系数，流动不稳定性实验的失稳界限功率、界限含气率和以及临界热流密度实验的临界热流密度、临界含气率等参数的测算都依赖于热平衡数据的准确获取。因此。准确的测算获得热平衡是获得高精度相变传热实验数据的前提。
现阶段，热平衡数据的测算主要是通过单相稳态实验获得，利用单相阶段流体的进出口焓升、质量流量以及加热功率测算。然而，对于相变热质传递过程而言(沸腾传热、流动不稳定性、临界热流密度、冷凝换热等)，进入两相阶段后壁面温度特性势必和单相阶段有较大的差异，这也导致两相阶段的散热量与单相阶段存在差异。现有的处理方法主要是在其他热工参数尽可能不变的情况下测算单相热平衡，并认为两相阶段的热损失在总加热功率中占有的比例与单相阶段一致。由于两相和单相阶段加热功率、壁面温度以及热损失之间并非简单的线性关系，这种处理方法势必造成较大的偏差，从而对最终的两相热质传递实验数据结果造成较大的偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法及系统，通过指定的实验流程来计算反应堆堆芯在两相热质传递过程中的热损失，从而准确地反映对应工况下实验本体的热损失，提高了反应堆堆芯在两相热质传递实验结果(沸腾及冷凝传热系数、流动不稳定性失稳界限含气率、临界热流密度等)的精度。
本发明通过下述技术方案实现：
一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法，包括以下步骤：
S1：获取反应堆堆芯在单相传热阶段的热平衡ηcv；
S2：获取反应堆堆芯在单相传热阶段的环境温度Tf1和壁面温度Tw,cv，以及反应堆堆芯在两相传热阶段的环境温度Tf2和壁面温度Tw,tp；
S3：根据所述热平衡ηcv、所述环境温度Tf1、所述壁面温度Tw,cv、所述环境温度Tf2以及所述壁面温度Tw,tp获取反应堆堆芯在两相传热阶段的热平衡ηtp。
优选地，所述S1包括以下子步骤：
S11：获取反应堆堆芯在单相传热阶段的出口焓升、进口焓升、质量流量以及总加热功率；
S12：按下式获取所述热平衡ηcv：
Figure BDA0002947076180000021
其中，hout表示出口焓升，hin表示进口焓升，W表示质量流量，Q表示单相传热阶段的总加热功率。
优选地，在实验系统与环境换热稳定的情况下获取所述出口焓升、所述进口焓升、所述质量流量以及所述总加热功率。
优选地，所述环境温度Tf2和所述壁面温度Tw,tp在即将取得实验值时进行测量；其中，所述实验值为近失稳点或近临界点。
优选地，所述两相传热阶段的热平衡ηtp由下式获取：
Figure BDA0002947076180000031
一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算系统，其特征在于，包括第一获取模块、第二获取模块以及计算模块；
所述第一获取模块，用于获取反应堆堆芯在单相传热阶段的热平衡ηcv；
所述第二获取模块，用于获取反应堆堆芯在单相传热阶段的环境温度Tf1和壁面温度Tw,cv，以及反应堆堆芯在两相传热阶段的环境温度Tf2和壁面温度Tw,tp；
所述计算模块，用于根据所述热平衡ηcv、所述环境温度Tf1、所述壁面温度Tw,cv、所述环境温度Tf2以及所述壁面温度Tw,tp获取反应堆堆芯在两相传热阶段的热平衡ηtp。
优选地，所述第一获取模块包括获取单元和计算单元；
所述获取单元，用于获取反应堆堆芯在单相传热阶段的出口焓升、进口焓升、质量流量以及总加热功率；
所述计算单元，用于根据下式获取所述热平衡ηcv：
Figure BDA0002947076180000032
其中，hout表示出口焓升，hin表示进口焓升，W表示质量流量，Q表示单相传热阶段的总加热功率。
优选地，在实验系统与环境换热稳定的情况下获取所述出口焓升、所述进口焓升、所述质量流量以及所述总加热功率。
优选地，所述环境温度Tf2和所述壁面温度Tw,tp在即将取得实验值时进行测量；其中，所述实验值为近失稳点或近临界点。
优选地，所述计算模块用于根据下式获取所述热平衡ηtp：
Figure BDA0002947076180000041
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
利用温差是热量传递的根本驱动力原理，通过测定两相阶段的传热温差，并巧妙绕过保温材料热阻的测算，获得高精度两相热质传递实验热平衡测算方法，可以精确考虑实验中实验本体的热损失、从而使得两相热质传递过程中的重要数据(沸腾及冷凝传递系数、流动不稳定性失稳界限含气率、临界热流密度等)的计算更加准确，提高了两相热质传递实验数据的精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：获取反应堆堆芯在单相传热阶段的热平衡ηcv；
具体地，在实验系统与外界环境换热稳定的情况下，获取反应堆堆芯在单相阶段的进口焓升、出口焓升、质量流量以及总加热功率；并根据获取的进口焓升、出口焓升、质量流量以及总加热功率按下式获取反应堆堆芯在单相阶段的热平衡ηcv；
Figure BDA0002947076180000051
其中，hout表示出口焓升，hin表示进口焓升，W表示质量流量，Q表示单相传热阶段的总加热功率。
S2：获取反应堆堆芯在单相传热阶段的环境温度Tf1和壁面温度Tw,cv，以及两相传热阶段的环境温度Tf2和壁面温度Tw,tp；
S3：根据热平衡ηcv、环境温度Tf1、壁面温度Tw,cv、环境温度Tf2以及壁面温度Tw,tp按下式获取反应堆堆芯在两相传热阶段的热平衡ηtp：
Figure BDA0002947076180000052
以下，对本方案的原理做进一步说明：
反应堆堆芯在两相阶段的损失热流密度通常由式
Figure BDA0002947076180000053
获取，其中，qss,cv表示两相阶段的损失热流密度，Rss表示热阻，Tf2表示两相阶段的环境温度，Tw,tp表示两相阶段的壁面温度，而热阻通常不可测量，因此无法准确的获取反应堆堆芯在两相阶段的损失热流密度。
基于此，在本申请中，首先基于单相传热阶段直接测定流体的温升、确定流体的焓升以及总的加热功率，从而可以获得反应堆堆芯在单相阶段的热平衡数据。在此基础上，利用温差是热量传递的根本驱动力这一基本原理，通过测定两相阶段的传热温差，并巧妙绕过保温材料热阻的测算，从而获得反应堆堆芯在两相阶段的热平衡数据。
具体地，首先在实验系统与环境换热稳定的情况下，利用单相阶段的进出口焓升、质量流量以及总加热功率，测算获得该工况下热平衡ηcv，并同时获得实验系统的环境温度Tf1和对应壁面温度Tw,cv，如式(1)所示。式中hout和hout分别为出口焓和进口焓(kJ/kg)，W为质量流量(kg/s)，Q为总加热功率(kW)。
Figure BDA0002947076180000061
然后，利用单相阶段的热平衡ηcv，可将反应堆堆芯在单相阶段的损失热流密度表示为qss,cv：
Figure BDA0002947076180000062
进入两相段之后，沸腾或冷凝实验为稳态实验，流动不稳定性和临界热流密度为准稳态实验。在即将取得实验值时(近失稳点、近临界点)测量获得对应时刻的环境温度Tf2和对应壁面温度Tw,tp。由于环境温度基本是没有变化(Tf1≈Tf2)，可以认为热阻值没有显著变化，单相阶段和两相阶段的损失热流密度可表示为式(3)所示。
Figure BDA0002947076180000063
其次，通过式(4)～(7)测算获得两相阶段对应的热平衡数据。
Figure BDA0002947076180000064
Figure BDA0002947076180000065
Figure BDA0002947076180000066
Figure BDA0002947076180000071
在本方案中，通过将损失热流密度的两个计算方式结合起来，从而避免了对热阻的一个计算，仅通过获取反应堆堆芯在单相阶段的热平衡ηcv、单相阶段的环境温度Tf1、单相阶段的壁面温度Tw,cv、两相阶段的环境温度Tf2以及两相阶段的壁面温度Tw,tp即可，其中，热平衡ηcv、单相阶段的环境温度Tf1、单相阶段的壁面温度Tw,cv、两相阶段的环境温度Tf2以及两相阶段的壁面温度Tw,tp均可以准确的测量出，从而有效的提升了反应堆堆芯在两相阶段的热平衡数据的准确性。
一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算系统，包括第一获取模块、第二获取模块以及计算模块；
第一获取模块，用于获取反应堆堆芯在单相传热阶段的热平衡ηcv；
第二获取模块，用于获取反应堆堆芯在单相传热阶段的环境温度Tf1和壁面温度Tw,cv，以及反应堆堆芯在两相传热阶段的环境温度Tf2和壁面温度Tw,tp；
计算模块，用于根据热平衡ηcv、环境温度Tf1、壁面温度Tw,cv、环境温度Tf2以及壁面温度Tw,tp获取反应堆堆芯在两相传热阶段的热平衡ηtp，其中，两相传热阶段的热平衡ηtp由下式获取：
Figure BDA0002947076180000072
进一步地，在本实施例中，第一获取模块包括获取单元和计算单元；
获取单元，用于获取反应堆堆芯在单相传热阶段的出口焓升、进口焓升、质量流量以及总加热功率；
计算单元，用于根据下式获取热平衡ηcv：
Figure BDA0002947076180000081
其中，hout表示出口焓升，hin表示进口焓升，W表示质量流量，Q表示单相传热阶段的总加热功率。
作为优选地，出口焓升、进口焓升、质量流量以及总加热功率在实验系统与环境换热稳定的情况下进行获取；环境温度Tf2和壁面温度Tw,tp在即将取得实验值时进行测量；其中，本实施例所说的实验值指近失稳点或近临界点。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取反应堆堆芯在单相传热阶段的热平衡ηcv；
S2：获取反应堆堆芯在单相传热阶段的环境温度Tf1和壁面温度Tw,cv，以及反应堆堆芯在两相传热阶段的环境温度Tf2和壁面温度Tw,tp；
S3：根据所述热平衡ηcv、所述环境温度Tf1、所述壁面温度Tw,cv、所述环境温度Tf2以及所述壁面温度Tw,tp获取反应堆堆芯在两相传热阶段的热平衡ηtp。
2.根据权利要求1所述的一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法，其特征在于，所述S1包括以下子步骤：
S11：获取反应堆堆芯在单相传热阶段的出口焓升、进口焓升、质量流量以及总加热功率；
S12：按下式获取所述热平衡ηcv：
Figure FDA0002947076170000011
其中，hout表示出口焓升，hin表示进口焓升，W表示质量流量，Q表示单相传热阶段的总加热功率。
3.根据权利要求2所述的一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法，其特征在于，在实验系统与环境换热稳定的情况下获取所述出口焓升、所述进口焓升、所述质量流量以及所述总加热功率。
4.根据权利要求1所述的一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法，其特征在于，所述环境温度Tf2和所述壁面温度Tw,tp在即将取得实验值时进行测量；其中，所述实验值为近失稳点或近临界点。
5.根据权利要求1所述的一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算方法，其特征在于，所述两相传热阶段的热平衡ηtp由下式获取：
Figure FDA0002947076170000021
6.一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算系统，其特征在于，包括第一获取模块、第二获取模块以及计算模块；
所述第一获取模块，用于获取反应堆堆芯在单相传热阶段的热平衡ηcv；
所述第二获取模块，用于获取反应堆堆芯在单相传热阶段的环境温度Tf1和壁面温度Tw,cv，以及反应堆堆芯在两相传热阶段的环境温度Tf2和壁面温度Tw,tp；
所述计算模块，用于根据所述热平衡ηcv、所述环境温度Tf1、所述壁面温度Tw,cv、所述环境温度Tf2以及所述壁面温度Tw,tp获取反应堆堆芯在两相传热阶段的热平衡ηtp。
7.根据权利要求6所述的一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算系统，其特征在于，所述第一获取模块包括获取单元和计算单元；
所述获取单元，用于获取反应堆堆芯在单相传热阶段的出口焓升、进口焓升、质量流量以及总加热功率；
所述计算单元，用于根据下式获取所述热平衡ηcv：
Figure FDA0002947076170000022
其中，hout表示出口焓升，hin表示进口焓升，W表示质量流量，Q表示单相传热阶段的总加热功率。
8.根据权利要求7所述的一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算系统，其特征在于，在实验系统与环境换热稳定的情况下获取所述出口焓升、所述进口焓升、所述质量流量以及所述总加热功率。
9.根据权利要求6所述的一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算系统，其特征在于，所述环境温度Tf2和所述壁面温度Tw,tp在即将取得实验值时进行测量；其中，所述实验值为近失稳点或近临界点。
10.根据权利要求6所述的一种反应堆堆芯两相热质传递实验热平衡测算系统，其特征在于，所述计算模块用于根据下式获取所述热平衡ηtp：
Figure FDA0002947076170000031
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