高溫高壓滲流傳熱機(jī)理及其對燃料熱預(yù)處理過程的影響

用三維逾滲網(wǎng)絡(luò)模擬顆粒床層的孔隙結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律，通過實驗和測試方法研究多孔介質(zhì)中滲流與傳熱相互作用，以及高溫高壓熱滲透對顆粒層燃料熱化工和輸運過程的影響，建立含反應(yīng)多孔介質(zhì)中高溫高壓滲流傳熱理論模型，探索在顆粒給料系統(tǒng)中通過高強度熱滲透對燃料進(jìn)行瞬態(tài)熱預(yù)處理的方法，以指導(dǎo)實際給料機(jī)的設(shè)計和新一代燃料給料系統(tǒng)的開發(fā)。 2100433B

影響沸騰傳熱過程的因素很多，包括液體和蒸氣的性質(zhì)、加熱面的表面物理性質(zhì)和粗糙程度，尤其重要的是液體對表面的潤濕性以及操作壓力和溫度差。在泡核沸騰范圍內(nèi)，溫度差越大，傳熱分系數(shù)也越大。加熱壁面粗糙和能被液體潤濕時，也能使傳熱分系數(shù)增大。據(jù)此，將細(xì)小金屬顆粒沉積于金屬板或管上，制成金屬多孔表面，可使沸騰傳熱分系數(shù)提高十幾倍至幾十倍。2100433B

高溫金屬熔體在凝固時的相變是原子由無序狀態(tài)向有序排列的轉(zhuǎn)變過程。伴隨相變反應(yīng)同時還發(fā)生釋放熱能和熱能傳遞等傳熱過程、元素偏析和氣體析出等傳質(zhì)過程。凝固過程金屬體積會出現(xiàn)顯著變化。

一般鐵合金凝固的溫度低于其熔點。金屬開始凝固的溫度低于其熔點的現(xiàn)象稱為過冷。熔體的過冷度隨著冷卻速度的提高而增大。金屬凝固是晶粒的形成和長大的過程。這一過程的驅(qū)動力是固相和液相的自由能差值。熔體只有具備一定的過冷度才具備凝固過程的所需要的驅(qū)動力。過冷度越高驅(qū)動力越大，金屬凝固速度越快。形核的阻力是液相和固相的界面能，即形核的表面能。

在冷卻速度非常高時液態(tài)金屬無序的原子結(jié)構(gòu)會保存下來生成具有無定形結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)合金。非晶態(tài)合金又稱金屬玻璃，通常是由鐵、鎳、硅、硼元素等鐵合金制成。由于原子排列的特殊結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)合金不僅具有優(yōu)異的耐腐蝕性、高強度、高硬度、高耐磨性，而且還表現(xiàn)出優(yōu)良的軟磁性能以及超導(dǎo)特性。

一些雜質(zhì)元素在金屬固相中的溶解度比液相低。因此，在合金由液相向固相轉(zhuǎn)變時，溶解度低的雜質(zhì)元素會從固相分離出來，富集在液相中，使鐵合金產(chǎn)出現(xiàn)偏析。

大多數(shù)鐵合金的固相密度比液相小5%～10%。凝固后鐵錠外表面會出現(xiàn)收縮或縮孔，內(nèi)部出現(xiàn)疏松及裂隙。氣體元素在固相中的溶解度隨溫度降低而降低。凝固時分離出來的氣體被固化在合金錠內(nèi)部形成明顯的氣孔或結(jié)構(gòu)疏松。

金屬在凝固時放出的熱能數(shù)值上相當(dāng)于其熔化熱。鐵合金凝固過程放出的熱能通過熱傳導(dǎo)和熱輻射傳遞給錠模和周圍環(huán)境。金屬硅的熔化熱約為鐵、錳等黑色金屬熔化熱的5倍。金屬硅和硅鐵等硅系鐵合金凝固時放出的大量熱能顯著降低其冷凝速度，使硅系鐵合金更易出現(xiàn)元素偏析。此外，硅系鐵合金凝固放熱傳遞到錠模，使錠模溫度過高，會導(dǎo)致錠模損毀。為了加快錠模冷卻需要使用模鐵比高的錠模澆注硅系鐵合金。