基本介紹
- 中文名：臨界熱通量
- 外文名：critical heat flux
- 別名：臨界熱流密度、臨界比熱流量
- 常用符號：qcr
- 單位：W/m2
- 學科：熱力學
簡介,類型,臨界判斷,
簡介
當熱流密度達到由核態沸騰轉變為膜態沸騰所對應的值時，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。由於氣膜的傳熱係數低，加熱面的溫度會很快升高，而使加熱面燒毀。這一臨界對應點上的熱流密度即臨界熱通量，又稱為沸騰臨界點或臨界熱流密度CHF（Critical Heat Flux）。
臨界熱通量常用符號“qcr” 表示，單位為“W/m2”。其值不僅取決於液體的物理性質，而且還受沸騰壓力和加熱表面情況等因素的較大影響，常需通過專門的試驗確定。對於水在大氣壓力下所發生的大容器飽和沸騰而言，qcr的值大致為 (1.5～3)×10(W/m)。熱流密度q一旦超過了臨界熱流密度，對流換熱熱阻就會隨之迅速增大，而加熱面壁溫則急劇升高，甚至有可能超過金屬材料的熔點而造成“燒毀” 設備的嚴重後果。因此，在鍋爐水冷壁、蒸汽發生器、沸水(反應)堆等熱力設備的設計和運行中，必須對熱負荷嚴加控制，使之總是小於臨界熱流密度，或在可能發生膜態沸騰的某些加熱部位採取一定的保護措施 (如在相關受熱面外側塗上一層低導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。
類型
在對流沸騰中，主要有兩種類型的臨界熱流密度：偏離核態沸騰和乾涸。在壓水堆核動力裝置穩態熱工設計中，通常只遇到過冷沸騰和低含汽量的飽和沸騰，因此偏離核態沸騰熱流密度尤其重要。
偏離核態沸騰機理模型主要包括三種類型：(a)當發熱元件壁面上形成一大蒸汽泡時，其底部薄層液膜不斷蒸發，形成乾斑，導致發熱元件壁面傳熱惡化；(b)當發熱元件壁面上的汽泡層增厚到足以阻礙液體潤濕壁面時，蒸汽將無法逸出而形成汽殼，堵塞了液體流道，導致發熱元件壁面發生過熱；(c)在高熱流密度下，汽塊與發熱元件壁面之間的液膜蒸發速度大於液體潤濕壁面速度時，導致發熱元件壁面異常過熱而乾涸。由於臨界熱流密度機理及其現象太複雜，通常採用試驗研究的方法，得到臨界熱流密度關係式。根據臨界熱流密度試驗目的及其內容，按相似準則要求設計試驗段，研究系統壓力、質量流速、臨界點含汽量、結構參數等因素對臨界熱流密度的影響。
臨界判斷
在臨界熱流密度試驗過程中，臨界判斷一般採用加熱元件壁溫判斷，其判據有兩條：一是加熱元件壁溫躍升速率達到或超過某一定值；二是加熱元件壁溫達到或超過最高溫度限值。臨界熱流密度試驗數據分析要求給出95%的置信度上，至少95%的機率不發生臨界沸騰的臨界熱流密度比。
對均勻加熱試驗段，一般採用局部平均參數法處理臨界熱流密度試驗數據；對非均勻加熱試驗段，一般採用子通道分析法處理臨界熱流密度試驗數據。在核動力裝置安全評審中，臨界熱流密度是重要的限制性熱工水力參數，它的大小直接影響核動力裝置的安全性和經濟性。通過最佳化燃料組件結構，提高臨界熱流密度，使反應堆系統產生最大的熱功率，從而在保證核動力裝置工程設計安全可靠的基礎上，提高經濟性。
