臨界熱通量

在對流沸騰中，主要有兩種類型的臨界熱流密度：偏離核態(tài)沸騰和干涸。在壓水堆核動力裝置穩(wěn)態(tài)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(tài)沸騰熱流密度尤其重要。

偏離核態(tài)沸騰機理模型主要包括三種類型：(a)當發(fā)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(fā)，形成干斑，導致發(fā)熱元件壁面?zhèn)鳠釔夯?b)當發(fā)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(fā)熱元件壁面發(fā)生過熱；(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)速度大于液體潤濕壁面速度時，導致發(fā)熱元件壁面異常過熱而干涸。由于臨界熱流密度機理及其現象太復雜，通常采用試驗研究的方法，得到臨界熱流密度關系式。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。

在臨界熱流密度試驗過程中，臨界判斷一般采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%的概率不發(fā)生臨界沸騰的臨界熱流密度比。

對均勻加熱試驗段，一般采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，一般采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。通過優(yōu)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。 2100433B

當熱流密度達到由核態(tài)沸騰轉變?yōu)槟B(tài)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。由于氣膜的傳熱系數低，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”。其值不僅取決于液體的物理性質，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” 設備的嚴重后果。因此，在鍋爐水冷壁、蒸汽發(fā)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措施 (如在相關受熱面外側涂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。

熱通量的測量可以以幾種不同的方式進行。通常已知但通常不切實際的方法是通過測量具有已知導熱率的一塊材料上的溫差來進行的。這種方法類似于測量電流的標準方法，其中測量已知電阻上的電壓降。通常這種方法很難執(zhí)行，因為被測試材料的熱阻通常是未知的。為了確定熱阻，需要準確的材料厚度和熱導率值。利用熱阻以及材料兩側的溫度測量，可以間接計算熱通量。

測量熱通量的第二種方法是通過使用熱通量傳感器或熱通量傳感器來直接測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量方法相同，除了其具有的優(yōu)點是熱阻/傳導率不需要是已知的參數。由于熱通量傳感器能夠通過使用塞貝克效應實現對現有熱通量的現場測量，因此不必知道這些參數。但是，差熱電堆熱通量傳感器已經在為了進行校準，以涉及它們的輸出信號[μV]到熱通量值[W/(m²?K)]。一旦熱通量傳感器被校準，它就可以用來直接測量熱通量，而不需要罕見的熱阻或熱傳導值。

依據熱傳導方式的不同，熱通量分為傳導熱通量（傳導熱流密度）、輻射熱通量（輻射熱流密度）和對流熱通量（對流熱流密度） 對于不同的應用，熱通量的名稱還有如：大地熱通量（也稱大地熱流密度，土壤熱通量），它是大地（土壤）中熱傳導方式的表述；感熱通量是物體在加熱或冷卻過程中，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；潛熱通量是物質發(fā)生相變（物態(tài)變化）且溫度不發(fā)生變化時吸收或放出的熱量通量。