Основные характеристики двухфазных потоков

Двухфазный поток в рассматриваемых водо-водяных кипящих реакторах – это поток водного теплоносителя, содержащий на части длины канала (высоты активной зоны) одновременно жидкую и паровую фазы. В самом общем случае для так назывемого прямоточного реактора на вход в активную зону поступает недогретая до состояния насыщения вода, а на выходе активной зоны имеется перегретый пар. По длине канала можно выделить два участка с однофазным потоком (за входом – жидкая фаза, перед выходом – паровая фаза (перегретый пар)) и один участок (средняя часть канала) с двухфазным потоком. Расчет теплогидравлических характеристик на первых двух участках ведется по известным соотношениям для однофазного теплоносителя с использованием соответствующих теплофизических свойств. Область двухфазного потока, как уже указывалось выше, характеризуется большей сложностью процессов и соответственно большим количеством параметров, основные из которых приводятся ниже.

Относительная энтальпия двухфазного потока :

(1)

где - среднемассовая энтальпия теплоносителя в сечении , определяемая по балансу теплоты в парогенерирующем канале, например,

(2)

или

(3)

- энтальпия теплоносителя на входе в канал, - массовый расход теплоносителя в канале, - распределение линейного теплового потока по длине канала, - распределение плотности теплового потока по длине канала; - периметр теплоотдающей поверхности; - энтальпия воды на линии насыщения при данном давлении; - энтальпия пара на линии насыщения; - удельная теплота парообразования.

Массовое расходное паросодержание -отношение массового расхода паровой фазы к массовому расходу смеси воды и пара :

(4)

Необходимо отметить, что если массовое расходное паросодержание может принимать значения только от 0 до 1 (по определению), то значение относительной энтальпии может быть как отрицательным (жидкость недогрета до насыщения, т.е. ), так и большим единицы (перегретый пар ).

Истинное объемное паросодержание - отношение площади проходного сечения канала, занятого паром, к полной площади проходного сечения канала :

(5)

С учетом того, что массовые расходы соответственно пара и воды , где , - плотности пара и воды, , - средние скорости фаз, можно получить

(6)

- отношение средних скоростей фаз – коэффициент скольжения фаз.

Знание распределения по объему активной зоны реакторов типа ВВРК чрезвычайно важно, так как именно распределение объемного паросодержания определяет поле ядерной плотности замедлителя (водяного), а значит, и распределение плотности потока тепловых нейтронов и энерговыделения по объему актиной зоны, что, в свою очередь, определяет поле объемного паросодержания. Этим и обуславливается теснейшая взаимосвязь нейтронно-физического и теплогидравлического расчетов активных зон водо-водяных реакторов с кипящей водой.

Объемное расходное паросодержание - отношение объемного расхода паровой фазы к общему объемному расходу смеси :

(7)

Нетрудно заметить, что в частном случае отсутствия проскальзывния фаз () значения истинного объемного паросодержания и объемного расходного паросодержания равны: . Можно получить следующее соотношение, связывающее и :

. (8)

Двухфазные пароводяные потоки могут быть равновесными, когда и жидкая, и паровая фазы имеют одинаковую температуру, равную температуре насыщения, и при этом , , и неравновесными, когда значения температуры фаз различны. Реально термодинамическая неравновесность имеет место при значениях относительной энтальпии , близких нулю () или единице (), т.е. во входных участках, например при поверхностном кипении недогретой до насыщения жидкости, а также в закризисной зоне, когда капли жидкости, находящиеся в ядре потока, получают теплоту от перегретой паровой фазы. В областях неравновесного двухфазного потока () и появляется различие между фактическими значениями истинного объемного паросодержания и его «равновесным» значением. С точки зрения нейтронно-физических характеристик зоны достоверное знание истинного объемного паросодержания при значениях , близких к нулю, более важно, чем при значениях , близких к единице (в последнем случае темп изменения объемного паросодержания при изменении массового очень мал). Качественно это может быть проиллюстрировано графиком функции , построенным по соотношению (6) при МПа для двух значений коэффициента скольжения (принятых постоянными во всем диапазоне изменения ) и (рисунок 1).

Рисунок 1 – Зависимость истинного объемного паросодержания от массового расходного паросодержания :

______ - коэффициент скольжения фаз ; ------- - .

Истинная плотность пароводяной смеси :

Зная распределение истинной плотности пароводяной смеси по высоте канала , можно найти усредненную по высоте плотность – среднюю напорную плотность пароводяной смеси, необходимую для расчета поля давления по длине канала, а также движущего напора в случае организации движения теплоносителя за счет естественной циркуляции.