CN112178621B - 一种蒸干后偏离热力平衡程度及蒸汽过热温度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蒸干后偏离热力平衡程度及蒸汽过热温度的计算方法，根据换热设备的结构尺寸、流量、进出口温度和运行压力建立设备的热质平衡计算模型，根据经典蒸干质量含汽率计算关联式计算蒸干传热恶化现象发生时的质量含汽率；根据换热设备实际运行过程，通过实验或数值模拟确定其实际质量含汽率分布规律；解析偏离热力平衡传热机理，定义衡量蒸干后偏离热力平衡程度的量化指标‑偏离度，并提出偏离度与缺液区蒸汽过热温度的计算方法；根据换热设备实际运行状态，得到蒸干传热恶化现象发生后的偏离热力平衡程度与蒸汽过热温度。本发明为缺液区蒸汽过热温度的预测以及涉及蒸干传热恶化现象的汽液两相换热设备热力计算合理分区提供指导。

Description

一种蒸干后偏离热力平衡程度及蒸汽过热温度的计算方法

技术领域

本发明涉及一种计算方法，尤其涉及一种蒸干后偏离热力平衡程度及蒸汽过热温度的计算方法。

背景技术

流动沸腾是工业用换热器、核反应堆棒束、核动力蒸汽发生器中的一种常见现象。为提高工质作功能力，通常增大换热设备出口质量含汽率或使蒸汽在出口处达到过热状态。但是当流道内质量含汽率达到相应运行状态下的临界值时将发生沸腾危机-蒸干传热恶化现象。蒸干发生在流动沸腾环状流向雾状流转变的区域。在环状流域，随着流动沸腾的进行，质量含汽率逐渐增大，壁面处连续液膜在液滴夹带和沉积、自身蒸发及表面扰动等多重作用下逐渐变薄，最终当质量含汽率达到临界值时液膜被撕裂成液滴、液膜消失，壁面处直接被蒸汽覆盖。由于相同状态下蒸汽的传热性能远低于液相，因此液膜的消失意味着壁面处传热性能的急剧下降、壁温的急剧升高。蒸干发生后，传热分区转变为缺液区。该区域内连续蒸汽夹带着饱和离散液滴进行流动与换热。尽管该区域仍然处于流动沸腾区，但是由于壁面温度较高，并且换热方式为壁面与蒸汽间的对流换热，因此出现偏离热力平衡现象，如图1所示。可以发现蒸干发生后壁温发生显著的非线性变化，蒸干位置附近出现高应力区域(即应力集中)。传热管束长期在这种环境下工作时，该区域内首先会出现微裂纹，裂纹尖端位置的高度应力集中促使裂纹逐渐扩展，传热管变薄，最终在偶然的超载瞬间，传热管出现疲劳破坏(断裂)，从而导致一、二次侧流体的混合，进而破坏反应堆的工作状态。在核反应堆、蒸汽发生器和其它换热设备设计和运行过程中确定壁温的轴向变化率十分重要。如果不对其进行有效的控制，较大的壁温轴向变化率将引发疲劳破坏、应力腐蚀和老化失效等问题，直接影响换热设备的安全和稳定运行。因此必须对蒸干后偏离热力平衡现象进行准确预测以实现有效的控制，避免壁温突然升高引起的传热管应力腐蚀、老化失效以及可能引发的安全事故，这也是对蒸干后偏离热力平衡程度量化的意义所在。

目前研究人员针对蒸干传热恶化现象主要关注的是蒸干发生的位置及蒸干发生时壁温、表面传热系数等的变化规律，对蒸干及蒸干后区域的偏离热力平衡传热关注很少。但偏离热力平衡现象对于蒸干及蒸干后壁温的控制又非常重要。因此，研究蒸干后偏离热力平衡程度及蒸汽过热温度计算方法，提出有价值的建议对直流蒸汽发生器等换热设备的安全、稳定运行具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蒸干后偏离热力平衡程度及缺液区蒸汽过热温度的计算方法，以实现管内流动沸腾过程中蒸干及蒸干后偏离热力平衡程度的量化及汽液两相换热设备热力计算的合理分区。

本发明的目的是这样实现的：

一种蒸干后偏离热力平衡程度及蒸汽过热温度的计算方法，包括如下步骤：

步骤1：根据换热设备的结构尺寸、流量、进出口温度和运行压力建立设备的热质平衡计算模型，根据经典蒸干质量含汽率计算关联式计算蒸干传热恶化现象发生时的质量含汽率；根据换热设备实际运行过程，通过实验或数值模拟确定其实际质量含汽率分布规律；

步骤2：解析偏离热力平衡传热机理，定义衡量蒸干后偏离热力平衡程度的量化指标-偏离度，并提出偏离度与缺液区蒸汽过热温度的计算方法；

步骤3：根据换热设备实际运行状态，得到蒸干传热恶化现象发生后的偏离热力平衡程度与蒸汽过热温度；

步骤4：利用已有公开数据对比验证本发明提出的计算方法的准确性。

本发明还包括这样一些特征：

步骤1所述的热质平衡计算模型如下：

qA_z＝q_m[(x_eh"+(1-x_e)h')-h_in]

式中：q为壁面热流密度，W/m²；A_z为从入口到任一轴向位置的换热面积，m²；q_m为质量流量，kg/s；x_e为热平衡含汽率；h"为饱和蒸汽焓，J/kg；h'为饱和液焓，J/kg；h_in为入口焓，J/kg。

步骤1所述的蒸干质量含汽率计算如下：

式中：x_crit为蒸干质量含汽率；G为质量流速，kg/(m²·s)；d_e为流域当量直径，m；p为运行压力，Pa。

步骤2所述的偏离度计算如下：

式中：x_a为实际质量含汽率；z_post-dryout为蒸干位置到蒸干后任一位置的距离，m。

步骤2所述的缺液区蒸汽过热温度(焓值)计算如下：

Q＝Q_l+Q_v

Q_l＝(x_a-x_crit)(M'+M")h_lv

Q_v＝(x_a-x_crit)(M'+M")(h_v-h")

式中：Q为蒸干位置到蒸干后任一位置的总换热量，W；Q_l为蒸干位置到蒸干后任一位置液相汽化吸收的热量，W；Q_v为蒸干位置到蒸干后任一位置蒸汽过热吸收的热量，W；h_v为过热蒸汽焓值，J/kg。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明定义了衡量缺液区偏离热力平衡程度的量化指标-偏离度，为流动沸腾过程中蒸干后偏离热力平衡现象的量化研究提供了很大的便捷；

2、本发明提出了一种基于上述定义的偏离度确定从缺液区向单相汽对流区过渡时的过热蒸汽焓值(温度)的方法，进而计算出更符合实际换热的缺液区和单相蒸汽对流区所需的传热面积(传热管长度)；

3、本发明提出的蒸干后偏离热力平衡程度及缺液区蒸汽过热温度的计算方法可以更加准确地研究两相流动沸腾蒸干及蒸干后区域的应力集中现象，这样可以发现、进而避免由于蒸干传热恶化现象带来的传热管壁面烧毁问题。

附图说明

图1是蒸干后偏离热力平衡示意图；

图2是蒸干后偏离热力平衡程度及蒸汽过热温度计算流程图；

图3是直流蒸汽发生器实际运行状态图；

图4是直流蒸汽发生器轴向含汽率数值模拟结果图；

图5是缺液区偏离度沿传热管轴向高度的分布图；

图6是一、二次侧耦合换热下缺液区过热蒸汽温度预测图；

图7a-b是针对公开实验数据的缺液区过热蒸汽温度预测图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

为量化地评估蒸干后偏离热力平衡程度，定义新参数-偏离度post-dl(post-dryout deviation level)：

上述提出的新参数-偏离度可用于预测缺液区的过热蒸汽温度。以蒸干位置为预测起始点，各参数的计算式如下：

Q＝Q_l+Q_v (3)

Q_l＝(x_a-x_crit)(M'+M")h_lv (4)

Q_v＝(x_a-x_crit)(M'+M")(h_v-h") (5)

在公式(6)中，Q、M'、M"、h'均已知，x_crit可以根据适用于给定条件下的经典临界质量含汽率计算关联式计算得到，x_e可根据热质平衡计算得到。

qA_z＝q_m[(x_eh"+(1-x_e)h')-h_in] (9)

这样，当给定任一位置处的实际质量含汽率或偏离热力平衡程度值时，即可根据偏离热力平衡程度的定义式(1)计算出对应的偏离度或实际质量含汽率。然后根据式(6)就可以得到该位置处过热蒸汽的焓值，进而利用水和水蒸汽参数表就可以确定相应压力和焓值下的过热蒸汽温度。

在蒸干传热恶化现象发生的位置上游，热平衡含汽率基本等于实际质量含汽率，因此不存在偏离热力平衡现象。在蒸干传热恶化现象发生后(蒸干后充分发展区域)，壁面直接与蒸汽接触，此时壁面处传递的热量先全部被蒸汽吸收，连续蒸汽中夹带的饱和液滴进而从蒸汽中吸收部分热量，用于液滴本身的汽化，由于该区域内传热方式的复杂性导致偏离度发生非线性变化。当液滴全部汽化，传热进入单相蒸汽对流区时，偏离度降低到0。也就是说，当偏离度为零时，即为缺液区向单相汽对流区的过渡，此时的过热蒸汽温度(过热蒸汽焓值) 可作为划分缺液区与单相汽对流区的判据，代替直流蒸汽发生器等汽液两相换热设备热力计算中采用干饱和蒸汽焓作为判据的传统做法，为传热区域的合理划分提供依据。

热力计算是直流蒸汽发生器等汽液两相换热设备设计的关键步骤，计算时通常根据流体与壁面间换热的特点将其分为单相液对流区、核态沸腾区、液膜强制对流蒸发区、缺液区和单相汽对流区。缺液区与单相汽对流区的过渡以干饱和蒸汽的焓值为基准进行划分。然而通过前述研究发现，在实际流动沸腾过程中缺液区发生了偏离热力平衡现象，该区域内蒸汽吸收热量进入过热状态。目前暂未提出缺液区内过热蒸汽温度的确定方法，所以工程中多以干饱和蒸汽的焓值为依据进行传热区域的划分，很明显采用干饱和蒸汽焓值作为基准的分区方法带有一定的近似性。在定义衡量缺液区偏离热力平衡程度的量化指标-偏离度这一参数后，就可以根据式(3)～(9)所述的方法确定从缺液区向单相汽对流区过渡时的过热蒸汽焓值(温度)，进而计算出更符合实际换热的缺液区和单相蒸汽对流区所需的传热面积(传热管长度)，为直流蒸汽发生器等汽液两相换热设备传热区域的合理确定提供一定的工程参考。

图7a中公开数据是针对均匀电加热竖直管内的蒸干进行的数值模拟研究(工况：压力 7.01MPa，入口过冷度11.7K，入口质量流速1000.9kg/(m2·s)，壁面热流密度765kW/m²)，给出了轴向四个高度(名称分别为z2、z5、z8、z10)处蒸汽温度的径向分布，其中后三个位置均位于缺液区内；图7b中公开数据是针对非均匀热流密度下管束间的蒸干进行的数值模拟研究(工况：压力6.38MPa，入口过冷度41.82K，入口质量流速190.19kg/(m2·s)，缺液区壁面热流密度约为205kW/m²)，提供了缺液区内过热蒸汽温度的轴向分布数据。

本发明以换热器等设备中典型的蒸干传热恶化现象为研究对象，提出一种蒸干后偏离热力平衡程度及缺液区蒸汽过热温度的计算方法。

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明技术方案。本发明以换热设备实际结构与运行状态为基础，借助流道内质量含汽率的分布规律进行蒸干后偏离热力平衡程度和蒸汽过热温度的计算，具体流程图见图2。步骤如下：

(1)确定换热设备结构及运行状态(例如附图3)，通过热质平衡(公式(9))计算热平衡质量含汽率的分布(图4)；

(2)确定换热设备内实际质量含汽率的轴向分布(实验测量或数值模拟，图4)；

(3)通过蒸干质量含汽率计算关联式(公式(7)～(8))确定蒸干传热恶化现象发生时的质量含汽率；

(4)计算本发明定义的蒸干后偏离热力平衡程度的量化指标-偏离度(公式(1)～(2)，图5)；

(5)根据本发明提出的式(3)～(6)计算缺液区蒸汽过热温度(图6～7)。从图中可以看出，采用本方法能较为准确地预测所研究工况下缺液区内的蒸汽过热温度。

上述实施例并非是对本发明的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域的技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均被应认为是处于本发明的保护范围之内。

蒸干传热恶化及蒸干后缺液区偏离热力现象的发生导致壁温发生非线性变化，并且缺液区尽管仍存在饱和离散液滴，但蒸汽已经进入过热状态。通过本方法计算蒸干后缺液区偏离热力平衡程度和蒸汽过热温度分布规律，据此对换热设备传统热力计算方法进行改进，得到更符合实际换热的缺液区和单相蒸汽对流区所需的传热面积(传热管长度)。

综上所述：本发明的目的在于提出一种蒸干后偏离热力平衡程度及蒸汽过热温度的计算方法。通过运用热质平衡基础理论，综合考虑偏离热力平衡传热机理，得到流动沸腾蒸干后偏离热力平衡程度及缺液区蒸汽过热温度的计算式。针对工程中变热流密度和定热流密度加热等情形，运用本发明提出的方法进行了计算，精度较高。本发明可以为缺液区蒸汽过热温度的预测以及涉及蒸干传热恶化现象的汽液两相换热设备热力计算合理分区提供指导。

Claims (1)

1.一种蒸干后偏离热力平衡程度及蒸汽过热温度的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据换热设备的结构尺寸、流量、进出口温度和运行压力建立设备的热质平衡计算模型，根据经典蒸干质量含汽率计算关联式计算蒸干传热恶化现象发生时的质量含汽率；根据换热设备实际运行过程，通过实验或数值模拟确定其实际质量含汽率分布规律；

步骤2：解析偏离热力平衡传热机理，定义衡量蒸干后偏离热力平衡程度的量化指标-偏离度，并提出偏离度与缺液区蒸汽过热温度的计算方法；

步骤3：根据换热设备实际运行状态，得到蒸干传热恶化现象发生后的偏离热力平衡程度与蒸汽过热温度；

步骤1所述的热质平衡计算模型如下：

qA_z＝q_m[(x_eh"+(1-x_e)h')-h_in]

式中：q为壁面热流密度，W/m²；A_z为从入口到任一轴向位置的换热面积，m²；q_m为质量流量，kg/s；x_e为热平衡含汽率；h"为饱和蒸汽焓，J/kg；h'为饱和液焓，J/kg；h_in为入口焓，J/kg；

步骤1所述的蒸干质量含汽率计算如下：

式中：x_crit为蒸干质量含汽率；G为质量流速，kg/(m²·s)；d_e为流域当量直径，m；p为运行压力，Pa；

步骤2所述的偏离度计算如下：

式中：x_a为实际质量含汽率；z_post-dryout为蒸干位置到蒸干后任一位置的距离，m；

步骤2所述的缺液区蒸汽过热温度(焓值)计算如下：

Q＝Q_l+Q_v

Q_l＝(x_a-x_crit)(M'+M")h_lv

Q_v＝(x_a-x_crit)(M'+M")(h_v-h")

式中：Q为蒸干位置到蒸干后任一位置的总换热量，W；Q_l为蒸干位置到蒸干后任一位置液相汽化吸收的热量，W；Q_v为蒸干位置到蒸干后任一位置蒸汽过热吸收的热量，W；h_v为过热蒸汽焓值，J/kg。

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