臨界熱通量

在對(duì)流沸騰中，主要有兩種類型的臨界熱流密度：偏離核態(tài)沸騰和干涸。在壓水堆核動(dòng)力裝置穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)中，通常只遇到過(guò)冷沸騰和低含汽量的飽和沸騰，因此偏離核態(tài)沸騰熱流密度尤其重要。

偏離核態(tài)沸騰機(jī)理模型主要包括三種類型：(a)當(dāng)發(fā)熱元件壁面上形成一大蒸汽泡時(shí)，其底部薄層液膜不斷蒸發(fā)，形成干斑，導(dǎo)致發(fā)熱元件壁面?zhèn)鳠釔夯?b)當(dāng)發(fā)熱元件壁面上的汽泡層增厚到足以阻礙液體潤(rùn)濕壁面時(shí)，蒸汽將無(wú)法逸出而形成汽殼，堵塞了液體流道，導(dǎo)致發(fā)熱元件壁面發(fā)生過(guò)熱；(c)在高熱流密度下，汽塊與發(fā)熱元件壁面之間的液膜蒸發(fā)速度大于液體潤(rùn)濕壁面速度時(shí)，導(dǎo)致發(fā)熱元件壁面異常過(guò)熱而干涸。由于臨界熱流密度機(jī)理及其現(xiàn)象太復(fù)雜，通常采用試驗(yàn)研究的方法，得到臨界熱流密度關(guān)系式。根據(jù)臨界熱流密度試驗(yàn)?zāi)康募捌鋬?nèi)容，按相似準(zhǔn)則要求設(shè)計(jì)試驗(yàn)段，研究系統(tǒng)壓力、質(zhì)量流速、臨界點(diǎn)含汽量、結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對(duì)臨界熱流密度的影響。

在臨界熱流密度試驗(yàn)過(guò)程中，臨界判斷一般采用加熱元件壁溫判斷，其判據(jù)有兩條：一是加熱元件壁溫躍升速率達(dá)到或超過(guò)某一定值；二是加熱元件壁溫達(dá)到或超過(guò)最高溫度限值。臨界熱流密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析要求給出95%的置信度上，至少95%的概率不發(fā)生臨界沸騰的臨界熱流密度比。

對(duì)均勻加熱試驗(yàn)段，一般采用局部平均參數(shù)法處理臨界熱流密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)；對(duì)非均勻加熱試驗(yàn)段，一般采用子通道分析法處理臨界熱流密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在核動(dòng)力裝置安全評(píng)審中，臨界熱流密度是重要的限制性熱工水力參數(shù)，它的大小直接影響核動(dòng)力裝置的安全性和經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)優(yōu)化燃料組件結(jié)構(gòu)，提高臨界熱流密度，使反應(yīng)堆系統(tǒng)產(chǎn)生最大的熱功率，從而在保證核動(dòng)力裝置工程設(shè)計(jì)安全可靠的基礎(chǔ)上，提高經(jīng)濟(jì)性。 2100433B

當(dāng)熱流密度達(dá)到由核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰所對(duì)應(yīng)的值時(shí)，加熱表面上的氣泡很多，以致使很多氣泡連成一片，覆蓋了部分加熱面。由于氣膜的傳熱系數(shù)低，加熱面的溫度會(huì)很快升高，而使加熱面燒毀。這一臨界對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的熱流密度即臨界熱通量，又稱為沸騰臨界點(diǎn)或臨界熱流密度CHF（Critical Heat Flux）。

臨界熱通量常用符號(hào)“qcr” 表示，單位為“W/m2”。其值不僅取決于液體的物理性質(zhì)，而且還受沸騰壓力和加熱表面情況等因素的較大影響，常需通過(guò)專門的試驗(yàn)確定。對(duì)于水在大氣壓力下所發(fā)生的大容器飽和沸騰而言，qcr的值大致為 (1.5～3)×10⁶(W/m²)。熱流密度q一旦超過(guò)了臨界熱流密度，對(duì)流換熱熱阻就會(huì)隨之迅速增大，而加熱面壁溫則急劇升高，甚至有可能超過(guò)金屬材料的熔點(diǎn)而造成“燒毀” 設(shè)備的嚴(yán)重后果。因此，在鍋爐水冷壁、蒸汽發(fā)生器、沸水(反應(yīng))堆等熱力設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，必須對(duì)熱負(fù)荷嚴(yán)加控制，使之總是小于臨界熱流密度，或在可能發(fā)生膜態(tài)沸騰的某些加熱部位采取一定的保護(hù)措施 (如在相關(guān)受熱面外側(cè)涂上一層低導(dǎo)熱性能的粗糙覆蓋材料等)，以確保加熱面能在泡核沸騰的條件下安全可靠地工作。

熱通量的測(cè)量可以以幾種不同的方式進(jìn)行。通常已知但通常不切實(shí)際的方法是通過(guò)測(cè)量具有已知導(dǎo)熱率的一塊材料上的溫差來(lái)進(jìn)行的。這種方法類似于測(cè)量電流的標(biāo)準(zhǔn)方法，其中測(cè)量已知電阻上的電壓降。通常這種方法很難執(zhí)行，因?yàn)楸粶y(cè)試材料的熱阻通常是未知的。為了確定熱阻，需要準(zhǔn)確的材料厚度和熱導(dǎo)率值。利用熱阻以及材料兩側(cè)的溫度測(cè)量，可以間接計(jì)算熱通量。

測(cè)量熱通量的第二種方法是通過(guò)使用熱通量傳感器或熱通量傳感器來(lái)直接測(cè)量傳遞到熱通量傳感器所安裝到的表面的熱量的量。最常見(jiàn)的熱通量傳感器類型是差示溫度熱電堆，其基本上與所提到的第一種測(cè)量方法相同，除了其具有的優(yōu)點(diǎn)是熱阻/傳導(dǎo)率不需要是已知的參數(shù)。由于熱通量傳感器能夠通過(guò)使用塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有熱通量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，因此不必知道這些參數(shù)。但是，差熱電堆熱通量傳感器已經(jīng)在為了進(jìn)行校準(zhǔn)，以涉及它們的輸出信號(hào)[μV]到熱通量值[W/(m²?K)]。一旦熱通量傳感器被校準(zhǔn)，它就可以用來(lái)直接測(cè)量熱通量，而不需要罕見(jiàn)的熱阻或熱傳導(dǎo)值。

依據(jù)熱傳導(dǎo)方式的不同，熱通量分為傳導(dǎo)熱通量（傳導(dǎo)熱流密度）、輻射熱通量（輻射熱流密度）和對(duì)流熱通量（對(duì)流熱流密度） 對(duì)于不同的應(yīng)用，熱通量的名稱還有如：大地?zé)嵬浚ㄒ卜Q大地?zé)崃髅芏?，土壤熱通量），它是大地（土壤）中熱傳?dǎo)方式的表述；感熱通量是物體在加熱或冷卻過(guò)程中，溫度升高或降低而不改變其原有相態(tài)所需吸收或放出的熱量通量；潛熱通量是物質(zhì)發(fā)生相變（物態(tài)變化）且溫度不發(fā)生變化時(shí)吸收或放出的熱量通量。