Xây dựng chương trình tra cứu và cập nhật dữ liệu thông lượng nhiệt tới hạn – CHF

Vấn đề an toàn luôn là vấn đề được quan tâm trong bất kì ngành côngnghiệp nào. Trong nhà máy điện hạt nhân, khi có sự cố xảy ra làm phát tánchất phóng xạ vào môi trường thì hậu quả nó để lại hết sức khó lường. Vì vậyvấn đề an toàn đối với loại nhà máy điện hạt nhân lại càng dành được sự quantâm hàng đầu. Có rất nhiều thông số cho tiêu chuẩn an toàn đối với nhà máyđiện hạt nhân. Một thông số quan trọng dùng để tính toán giá trị tỷ lệ DBNR(Departure Nucleate Boiling Ratio) một tiêu chuẩn an toàn cực kỳ quan trọnglà thông lượng nhiệt tới hạn – CHF (Critical heat flux).Như chúng ta đã biết, một khi xảy ra hiện tượng sôi màng toàn phần tạimột vị trí trên vùng hoạt, giá trị thông lượng nhiệt truyền từ thanh nhiên liệuđến chất tải nhiệt đạt giá trị thông lượng nhiệt tới hạn – CHF. Trạng thái nàyrất nguy hiểm đối với cấu trúc của bó thanh nhiên liệu do nhiệt độ của thanhnhiên liệu cũng như cấu trúc vỏ thanh nhiên liệu thăng giáng rất mạnh (chế độtruyền nhiệt qua lớp màng chất lỏng tải nhiệt là nước tại bề mặt vỏ thanhnhiên liệu rất nhỏ, vì vậy dẫn đến chên lệch nhiệt độ lớn), có khả năng phá vỡtính toàn vẹn của thanh nhiên liệu.Vì vậy việc nghiên cứu dự đoán giá trị thông lượng nhiệt tới hạn đã đượctiến hành với quy mô lớn. Có rất nhiều phương pháp dự đoán giá trị CHFnhưng trong đó có phương pháp dự đoán dựa vào các giá trị thực nghiệmđược tiến hành đo đạc với nhiều giá trị đầu vào khác nhau và được tập hợpvào một bảng, được gọi là bảng tra cứu (Lookup table). Bảng có phạm vi baoquát lớn nhất, giá trị chính xác nhất trong tất cả các phương pháp tính toán giátrị CHF.

Trang 1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan Đồ án tốt nghiệp này do chính tôi thực hiện, các số liệu thu thập và kết quả đánh giá trong đề tài là trung thực và có dẫn chứng đầy đủ, đề tài không trùng với bất kỳ đề tài nghiên cứu khoa học nào Những thông tin tham khảo trong Đồ án đều được trích dẫn cụ thể

Hà Nội, tháng 6 năm 2017

Sinh viên thực hiện Nguyễn Quang Huy

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án của mình, tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Thái đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và luôn luôn động viên tôi trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy các cô trong Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường, Trường Đại học Bách khoa Hà nội đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt những năm học tập Với vốn kiến thức trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình thực hiện, hoàn thành đồ án

mà còn là hành trang quý báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin

Tôi xin đặc biệt gửi lời cảm ơn đên anh Đậu Văn Loan là sinh viên K55 cũng đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiêp Sau cùng tôi xin kính chúc các thầy các cô trong Viện Kỹ Thuật Hạt Nhân và Vật Lý Môi Trường dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý của mình

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 6 năm 2017

Sinh viên: Nguyễn Quang Huy

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 10

I TỔNG QUAN VỀ CÁC CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY HAI PHA VÀ HIỆN TƯỢNG SÔI ĐỐI LƯU 12

1.1 Các chế độ dòng chảy dòng hai pha 12

1.1.1 Chế độ dòng chảy bọt (bubbly flow) 13

1.1.2 Chế độ dòng chảy slug (Slug flow) 13

1.1.3 Chế độ dòng chảy Churn 13

1.1.4 Chế độ dòng chảy wispy-annular 13

1.1.5 Chế độ dòng chảy annular 14

1.2 Các chế độ dòng chảy trong kênh được gia nhiệt thẳng đứng 14

1.3 Quá trình sôi đối lưu 16

1.3.1 Chế độ trao đổi nhiệt 16

1.3.2 Bản đồ chế độ sôi (the boiling map) 20

II THÔNG LƯỢNG NHIỆT TỚI HẠN (CHF) 26

2.1 Tổng quan về CHF 26

2.2 Cơ chế hình thành thông lượng nhiệt tới hạn 26

2.2.1 Hiện tượng chuyển dời chế độ sôi nhân – DNB (Departure from nucleate boiling) 26

2.2.2 Hiện tượng bất định Helmholtz (Helmholtz instability) 28

Trang 4

2.2.3 Vị trí dryout có màng chất lỏng bề dày mỏng trong chế độ dòng

chảy hình xuyến (annular) 28

2.2.4 Vị trí Dryout có chu kỳ hoặc không ổn định 30

2.2.5 Vị trí dryout hình thành chậm (Slow dryout) 30

2.3 Vai trò của thông số thông lượng nhiệt tới hạn trong nhà máy điện hạt nhân 30

III PHƯƠNG PHÁP DỰ ĐOÁN THÔNG LƯỢNG NHIỆT TỚI HẠN 35

3.1 Phương pháp dự đoán CHF bằng thực nghiệm 35

3.2 Phương pháp bảng tra cứu thông lượng nhiệt tới hạn 1995 (CHF Look-up Table 1995) 36

3.2.1 Giới thiệu 36

3.2.2 Cơ sở dữ liệu giá trị CHF 38

3.2.3 Ảnh hưởng của đường kính ống đến giá trị CHF 40

3.2.4 Nguồn gốc của bảng tra cứu CHF năm 1995 42

3.2.5 So sánh độ chính xác dự đoán giữa tương quan thực nghiệm và bảng tra cứu CHF khác 48

IV XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH LOOKUPTABLE 54

4.1 Giới thiệu về Matlab và GUI 54

4.1.1 Matlab 54

4.1.2 GUI 54

4.2 Chương trình Lookuptable 55

4.2.1 Giới thiệu về chương trình Lookuptable 55

4.2.2 Cách cài đặt 57

4.2.3 Cách sử dụng 58

4.3 Đánh giá kết quả tra cứu của chương trình 69

4.4 Đánh giá về chương trình 71

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

Trang 5

PHỤ LỤC 76

Trang 6

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AOO: Anticipated operational occurences

BWR: Boiling water reactors

CHF: Critical Heat Flux

CPR: Critical power ratio

DNB: Departure from nucleate boiling

DNBR: Departure from nucleate boiling ratio

LHGR: Linear heat generation rate

PWR: Pressurized water reactors

Trang 7

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Đánh các tương quan thực nghiệm và các bảng CHF khác nhau……….51

Trang 8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Các mô hình chế độ dòng chảy trong dòng chảy thẳng đứng[4]

12

Hình 1 2: Mô hình dòng chảy hỗn hơp hai pha trong ống thẳng đứng[4] 17 Hình 1 3: Các vùng trao đổi nhiệt trong quá trình sôi đối lưu[4] 19

Hình 1 4: Quá trình thay đổi hệ số trao đổi nhiệt theo chất lượng nhiệt động học và thông lương nhiệt. [4] 22

Hình 1 5: Bề mặt quá trình sôi đối lưu cưỡng bức. [4] 23

Hình 1 6: Các vùng trao đối nhiệt đối lưu cưỡng bức như một hàm của chất lượng nhiệt động khi tăng thông lượng nhiệt.[4] 24

Hình 3 1: Phạm vi điều kiện trong ngân hàng dữ liệu tổng hợp AECL-IPPE[1] 39

Hình 3 2: Tỷ lệ CHF của các đường kính ống khác nhau đối với ống 8mm[1] 42

Hình 3 3: Xu hướng các thông số của bảng tra cứu CHF năm 1995 với dải áp suất cho trước. [1] 46

Hình 3 4: Biểu đồ sai số của bảng năm 1995[1] 48

Hình 3 5: Dòng tới hạn giới hạn trong dòng hai pha đoạn nhiệt[1] 49

Hình 3 6: So sánh phân bố sai số giữa các bảng CHF khác nhau[1] 52

Hình 3.7: So sánh phân bố sai số của các tương quan thực nghiệm và bảng CHF năm 1995[1] 53

Hình 4 1: Giao diện chương trình matlab 54

Hình 4 2: Tạo một giao diện người dùng với lệnh ‘Guide’ 55

Hình 4 3: Giao diện xuất hiện khi nhập lệnh ‘Guide’ 55

Hình 4 4: Cách tra bảng thông thường 56

Hình 4 5: Vào thư mục cài đặt chương trình nền tảng matlab 57

Hình 4 6: Cài đặt chương trình MCRIstaller 57

Hình 4 7: ‘Click’ vào file Lookuptable để khởi động chương trình 58

Trang 9

Hình 4 8: Giao diện của chương trình Lookuptable 59

Hình 4 9: Mục dùng để tra cứu dữ liệu thông lượng nhiệt tới hạn 59

Hình 4 10: Các bước thực hiện tra cứu dữ liệu thông lượng nhiệt tới hạn 60

Hình 4 11: Mục dùng để kiểm tra phạm vi dữ liệu và phương pháp dùng để tra cứu 61

Hình 4 12: Giao diện khi có dữ liệu thực nghiệm 62

Hình 4 13: Các bước thực hiện việc kiểm tra phạm vi dữ liệu ở chế độ ‘Range’ 62

Hình 4 14: Giao diện khi không có dữ liệu thực nghiệm 63

Hình 4 15: Các bước kiểm tra phương pháp tra cứu với chế độ ‘Method’ khi có dữ liệu đường kính 65

Hình 4 16: Giao diện khi không có dữ liệu đường kính 65

Hình 4 17: Bước một của việc cập nhật dữ liệu 66

Hình 4 18: Bước hai của việc cập nhật dữ liệu 67

Hình 4 19: Bước ba của việc cập nhật dữ liệu 67

Hình 4 20: Bước 4 của việc cập nhật dữ liệu 68

Hình 4 21: Bước 5 của việc cập nhật dữ liệu 68

Hình 4 22: Kết quả sau khi cập nhật dữ liệu 69

Hình 4.23: So sánh giá trị thông lượng nhiệt giữa sự tính toán của chương trình và giá trị thực nghiệm 69

Hình 4.24: So sánh giá trị thông lượng nhiệt giữa sự tính toán của chương trình và giá trị thực nghiệm 70

Trang 10

MỞ ĐẦU

Vấn đề an toàn luôn là vấn đề được quan tâm trong bất kì ngành công nghiệp nào Trong nhà máy điện hạt nhân, khi có sự cố xảy ra làm phát tán chất phóng xạ vào môi trường thì hậu quả nó để lại hết sức khó lường Vì vậy vấn đề an toàn đối với loại nhà máy điện hạt nhân lại càng dành được sự quan tâm hàng đầu Có rất nhiều thông số cho tiêu chuẩn an toàn đối với nhà máy điện hạt nhân Một thông số quan trọng dùng để tính toán giá trị tỷ lệ DBNR (Departure Nucleate Boiling Ratio) một tiêu chuẩn an toàn cực kỳ quan trọng

là thông lượng nhiệt tới hạn – CHF (Critical heat flux)

Như chúng ta đã biết, một khi xảy ra hiện tượng sôi màng toàn phần tại một vị trí trên vùng hoạt, giá trị thông lượng nhiệt truyền từ thanh nhiên liệu đến chất tải nhiệt đạt giá trị thông lượng nhiệt tới hạn – CHF Trạng thái này rất nguy hiểm đối với cấu trúc của bó thanh nhiên liệu do nhiệt độ của thanh nhiên liệu cũng như cấu trúc vỏ thanh nhiên liệu thăng giáng rất mạnh (chế độ truyền nhiệt qua lớp màng chất lỏng tải nhiệt là nước tại bề mặt vỏ thanh nhiên liệu rất nhỏ, vì vậy dẫn đến chên lệch nhiệt độ lớn), có khả năng phá vỡ tính toàn vẹn của thanh nhiên liệu

Vì vậy việc nghiên cứu dự đoán giá trị thông lượng nhiệt tới hạn đã được tiến hành với quy mô lớn Có rất nhiều phương pháp dự đoán giá trị CHF nhưng trong đó có phương pháp dự đoán dựa vào các giá trị thực nghiệm được tiến hành đo đạc với nhiều giá trị đầu vào khác nhau và được tập hợp vào một bảng, được gọi là bảng tra cứu (Look-up table) Bảng có phạm vi bao quát lớn nhất, giá trị chính xác nhất trong tất cả các phương pháp tính toán giá trị CHF

Xuất phát từ tầm quan trọng của giá trị thông lượng nhiệt tới hạn trong tính toán an toàn và nhằm hỗ trợ cho việc tính toán giá trị thông lượng nhiệt

Trang 11

tới hạn bằng phương pháp bảng tra cứu thông lượng nhiệt tới hạn, nên em đã

chọn đề tài “Xây dựng chương trình tra cứu và cập nhật dữ liệu thông

lượng nhiệt tới hạn – CHF”

Do kiến thức và thời gian nghiên cứu đề tài còn hạn chế, đề tài không tránh khỏi việc phạm phải những thiếu sót, kính mong quý thầy cô và các bạn đọc nghiên cứu đề tài góp ý chỉnh sửa để đồ án tốt nghiệp được hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn!

Trang 12

I TỔNG QUAN VỀ CÁC CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY HAI PHA VÀ

HIỆN TƯỢNG SÔI ĐỐI LƯU

1.1 Các chế độ dòng chảy dòng hai pha

Mô hình dòng chảy trong dòng chảy thẳng đứng, dòng chảy từ dưới lên trên được mô tả ở hình 1.1, các hình ảnh thực tế của mỗi mô hình dòng chảy được mô tả tương ứng ở hình 1.1

Hình 1 1: Các mô hình chế độ dòng chảy trong dòng chảy thẳng đứng [4]

Trang 13

1.1.1 Chế độ dòng chảy bọt (bubbly flow)

Trong chế độ dòng chảy bọt, pha hơi (hoặc khí) được phân bố thành các bọt riêng biệt phân tán trong pha lỏng được giả thiết là môi trường liên tục Bọt khí có kích thước nhỏ thường có dạng hình cầu, khi có kích thước lớn hơn phần đầu dạng cầu cùng với phần đuôi phẳng dẹt

1.1.2 Chế độ dòng chảy slug (Slug flow)

Trong chế độ dòng chảy slug, bọt hơi (hoặc khí) là bọt dài, lớn và có bề rộng xấp xỉ đường kính kênh dẫn Phần đầu của bọt có hình bán gần cầu đặc trưng và hơi (khí) trong bọt được tách ra từ bề mặt thành ống do quá trình làm giảm dần màng chất lỏng trên thành ống Miền chất lỏng trong chế độ dòng chảy slug tách rời khỏi các bọt hơi (khí) Các slug có thể chứa hoặc không chứa các bọt hơi nhỏ hơn bị cuốn theo khi các bọt lớn dần lên tạo thành các slug Chiều dài của bọt hơi (khí) có thể biến đổi đáng kể trong quá trình lưu thông dòng chảy.[4]

1.1.3 Chế độ dòng chảy Churn

Dòng chảy Churn xuất hiện khi các bọt hơi (hoặc khí) lớn ở chế độ dòng chảy slug bị vỡ hoặc biến dạng do tốc độ dòng khí ở lối vào tăng lên Dòng hơi (khí) chảy hỗn loạn hơn qua môi trường pha lỏng Chế độ dòng chảy Churn được đặc trưng bởi tính biến thiên liên tục của cấu hình hình học theo thời gian (hoặc dao động), do đó thường được gọi là dòng chảy Churn, đôi khi còn được gọi là dòng Slug-annular hoặc Semi-annular.[4]

1.1.4 Chế độ dòng chảy wispy-annular

Chế độ dòng chảy wispy-annular được xem là mô hình dòng chảy đặc trưng, được đề xuất từ kết quả nghiên cứu của Hewit và Hall-Taylor (1970) Dòng chảy wispy-annular có hình dạng là một màng chất lỏng tương đối dày

Trang 14

trên thành kênh dẫn, cùng với một lượng đáng kể chất lỏng bị cuốn theo ở miền lõi chứa pha hơi (khí) dưới dạng các giọt lỏng có kích thước rất nhỏ

Màng chất lỏng trong chế độ dòng chảy wispy-annular (aerated) mang các

bọt hơi (khí) nhỏ, và pha lỏng bị cuốn theo dòng hơi (khí) dưới dạng những giọt chất lỏng nhỏ kết tụ với nhau thành đám hoặc dải nhỏ dài không đều Dòng chảy wispy-annular xảy ra khi dòng chảy có vận tốc pha hơi (khí) lớn

và do màng chất lỏng có chứa các bọt hơi (khí) nên có thể bị nhầm lẫn với dòng chảy bọt ở vận tốc cao.[4]

1.1.5 Chế độ dòng chảy annular

Trong chế độ dòng chảy annular, màng chất lỏng hình thành tại thành ống với dòng hơi (hoặc khí) chuyển động liên tục tại lõi ống Trên bề mặt màng chất lỏng xuất hiện sóng bề mặt có biên độ lớn và quá trình phá vỡ sóng liên tục diễn ra tạo ra nguồn cung các giọt chất lỏng cho quá trình cuốn theo (entrainment) làm thay đổi lượng hơi ở trung tâm lõi Trong trường hợp này

mô hình dòng chảy annular với mô hình wispy-annular là các giọt chất lỏng bị chia tách chứ không kết tụ lại với nhau. [4]

1.2 Các chế độ dòng chảy trong kênh được gia nhiệt thẳng đứng

Sự hình thành hỗn hợp hai pha từ quá trình bay hơi trong kênh dẫn gia nhiệt thẳng đứng là một trường hợp đặc biệt quan trọng Ở trong kênh dẫn với dòng chảy thông thường (không được gia nhiệt), nếu xuất hiện thông lượng nhiệt (gia nhiệt) qua thành kênh dẫn sẽ làm thay đổi mô hình dòng chảy với chế độ dòng chảy cục bộ giống nhau Thay đổi này xảy ra do hai nguyên nhân chính; đầu tiên là quá trình dịch chuyển trạng thái cân bằng nhiệt động học,

cùng với phân bố nhiệt độ theo bán kính (radial temperature profile) trong

kênh; thứ hai là quá trình dịch chuyển từ trạng thái cân bằng thủy động lực học cục bộ trong khắp kênh dẫn Hình 1.2 đưa ra sơ đồ về kênh dẫn dạng ống

Trang 15

thẳng đứng được gia nhiệt bằng thông lượng nhiệt thấp đồng nhất và được cung cấp một dòng chất lỏng chảy từ dáy ống lên với trạng thái ngay dưới nhiệt độ bão hòa

Vùng đầu tiên là vùng một pha, ở đây chất lỏng sẽ được gia nhiệt đến nhiệt độ bão hòa Lớp biên nhiệt hình thành ở thành kênh dẫn và phân bố

nhiệt độ theo bán kính (radial temperature profile) được thiết lập Trên bề

mặt thành kênh dẫn, ở một vài vị trí có nhiệt độ vượt quá nhiệt độ bão hòa của chất lỏng đủ điều kiện để hình thành quá trình sinh hơi (tạo nhân sôi) Bọt hơi được hình thành và lớn lên từ các vị trí tạo nhân sôi này, sau đó thoát ra khỏi

bề mặt thành kênh dẫn tạo nên dòng chảy bọt Khi hơi được tạo ra nhiều hơn thì đồng nghĩa với mật độ cư trú bọt tăng lên theo chiều dài, sau đó diễn ra quá trình kết hợp các bọt này lại với nhau hình thành nên dòng chảy slug, cuối cùng là tạo nên dòng chảy annular dọc theo kênh dẫn Gần vị trí hình thành dòng chảy annular, quá trình tạo hơi ở các vị trí trên thành kênh dẫn có thể dừng lại và quá trình tạo thêm hơi sẽ do quá trình bay hơi trên màng chất lỏng tạo ra Khi vận tốc của dòng hơi trong lõi kênh tăng lên, và tác động đến bề mặt sóng của màng chất lỏng, làm tách ra các giọt chất lỏng li ti và bị cuốn theo hướng dòng hơi lên phía trên Hiện tượng cuốn theo giọt chất lỏng và hiện tượng bay hơi bề mặt làm giảm bề dày màng chất lỏng dẫn đến sự biến mất của lớp chất lỏng bảo phủ trên bề mặt kênh dẫn Các giọt chất lỏng tiếp tục tồn tại và dần dần bị bay hơi cho đến khi chỉ còn lại một pha hơi duy nhất

Hình 1.2 cho thấy vị trí tượng trưng cho chất lỏng đạt đến nhiệt độ bão

hòa (x = 0) và vị trí chất lỏng hoàn toàn bay hơi (x = 1) được chỉ ra trên sơ đồ

Ở đây có thể thấy rằng hơi nước (bọt hơi) xem như được tạo ra trước khi nhiệt

độ trung bình hỗn hợp chất lỏng (dưới bão hòa và bão hòa) đạt đến giá trị nhiệt độ bão hòa Hiện tượng này xảy ra là do sự thay đổi nhiệt độ theo bán

kính (radial temperature profile) trong chất lỏng, điều này cho phép thỏa mãn

Trang 16

các điều kiện hình thành hơi trên bề mặt thành kênh dẫn, trước khi nhiệt độ trung bình chất lỏng đạt đến nhiệt độ bão hòa Tuy nhiên trong một vài trường hợp nhất định, để đáp ứng thỏa mãn điều kiện hình thành hơi thì nhiệt độ trung bình của chất lỏng phải lớn hơn nhiệt độ bão hòa Thêm một điều nữa, trong trường hợp tốc độ tăng trưởng của bọt hơi ban đầu, tạo ra từ thành kênh dẫn là rất lớn thì sẽ hình thành trực tiếp dòng chảy slug mà bỏ qua dòng chảy bọt Đặc điểm thứ hai trên sơ đồ hình vẽ là sự xuất hiện của dòng chảy giọt lỏng (droplet) Trong các kênh dẫn thông thường (không được gia nhiệt), chất lỏng luôn luôn tồn tại trên bề mặt thành kênh dẫn và chỉ khi kênh dẫn được gia nhiệt tới mức làm cho chất lỏng được chuyển hóa hoàn toàn từ dạng lỏng sang dạng hơi thì mới xuất hiện dòng chảy giọt lỏng (droplet) Do đó có sự

xuất hiện của sự thay đổi nhiệt độ theo bán kính (radial temperature profile)

và sự thiếu cân bằng nhiệt động lực học có nghĩa là gần vị trí theo lý thuyết giọt chất lỏng bay hơi hoàn toàn (x = 1) thường có sự tồn tại hơi quá nhiệt. [4]

1.3 Quá trình sôi đối lưu

1.3.1 Chế độ trao đổi nhiệt

Xét một kênh dẫn dòng chảy thẳng đứng được gia nhiệt đồng đều theo chiều dài với thông lượng nhiệt thấp và dòng chất lỏng chảy vào ống có nhiệt

độ dưới nhiệt độ bão hòa, với vận tốc sao cho dòng chất lỏng hoàn toàn bay

hơi theo chiều dài của kênh dẫn Sơ đồ hình vẽ Hình 1.3 cho thấy quá trình

biến đổi của các mô hình dòng chảy và vùng trao đổi nhiệt tương ứng

Trang 17

Hình 1 2: Mô hình dòng chảy hỗn hơp hai pha trong ống thẳng đứng [4]

Vùng trao đổi nhiệt đối lưu một pha (vùng A) là quá trình mà ở đó nhiệt

độ bề mặt thành kênh dẫn (bề mặt gia nhiệt) chưa đủ điều kiện cho quá trình tạo nhân sôi và chất lỏng vẫn đang được gia nhiệt đến nhiệt độ bão hòa Sau

đó, ở một vài điểm trên kênh dẫn, gần với bề mặt thành kênh dẫn đủ điều kiện

để xảy ra quá trình sinh hơi từ các vị trí tạo nhân sôi Quá trình hình thành hơi xuất hiện đầu tiên ở vùng chất lỏng dưới bão hòa (vùng B) và cơ chế trao đổi nhiệt được gọi là quá trình sôi nhân dưới bão hòa Trong vùng sôi nhân dưới bão hòa (vùng B), nhiệt độ thành kênh dẫn lớn hơn nhiệt độ bão hòa vài độ,

Trang 18

lượng chênh lệch này gọi là độ quá nhiệt, TSAT, trong khi đó nhiệt độ chất lỏng đang tăng lên nhiệt độ bão hòa, lượng chênh lệch nhiệt độ ở đây là giữa nhiệt độ bão hòa và nhiệt độ trung bình chất lỏng cục bộ là độ chênh dưới bão hòa TSUB

Quá trình chuyển tiếp giữa vùng B và C, vùng sôi nhân dưới bão hòa và vùng sôi nhân bão hòa hoàn toàn được xác định từ quan điểm nhiệt động học

Đó là điểm mà nhiệt độ chất lỏng đạt giá trị bão hòa (x = 0), dựa trên cơ sở tính toán cân bằng nhiệt đơn giản Tuy nhiên chất lỏng có nhiệt độ dưới nhiệt

độ bão hòa vẫn có thể tồn tại ngay cả ở vùng được xác định là sôi nhân bão hòa Hơi được tạo ra trong vùng sôi dưới bão hòa xuất hiện tại vùng chuyển tiếp giữa vùng B và C (x = 0); theo đó một vài vị trí ở vùng chuyển tiếp nhiệt

độ chất lỏng phải ở mức dưới bảo hòa, để đảm bảo rằng enthalpy trung bình hỗn hợp chất lỏng (bão hòa và dưới bão hòa) bằng với enthalpy chất lỏng bão hòa (if) Hiệu ứng này xảy ra là do sự thay đổi nhiệt độ theo bán kính (radial temperature profile) trong chất lỏng và chất lỏng dưới bảo hòa chảy tại trung tâm của kênh dẫn sẽ chỉ đạt đến nhiệt độ bão hòa ở khoảng cách nhất định sau điểm x = 0

Trong vùng từ C đến G, biến số đặc trưng cho cơ chế trao đổi nhiệt là chất

lượng khối lượng nhiệt động học (thermodynamic mass “quality”) Chất

lượng của hỗn hợp hơi – lỏng tại khoảng cách, z được đưa ra dựa trên cơ sở nhiệt động học sau:

( ) = ( ) − (1)

Hoặc xác định theo thông lượng nhiệt và chiều dài

( ) = 4∅ ( − ) (2)

Trang 19

Trong đó zSC là chiều dài kênh dẫn cần thiết để đưa enthalpy của chất lỏng đạt đến enthalpy bão hòa, if Trong vùng 0 < x < 1 và trạng thái hoàn toàn cân bằng nhiệt động học, x biều thị cho tỷ số lưu lượng khối lượng hơi trên lưu lượng khối lượng tổng Từ định nghĩa nhiệt động học thì có thể thấy rằng x có thể có giá trị nhỏ hơn ‘0’ hoặc lớn hơn ‘1’ Mặc dù đôi khi được sử dụng để thuận lợi cho quá trình làm việc, nhưng giá trị x < 0 hoặc >1 không có ý nghĩa thực tế nào hơn ngoài việc nói lên rằng, chất lỏng đang ở trạng thái dưới bão hòa (x < 0) hay hơi quá nhiệt (x > 1) Biến số x cùng thường được gọi là “tỷ lệ khối lượng hơi” (“vapour weight fraction”)

Hình 1 3: Các vùng trao đổi nhiệt trong quá trình sôi đối lưu [4]

Trang 20

“Chất lượng” khối lượng nhiệt động học sẽ tăng lên khi qua vùng sôi nhân bão hòa và đến một mức nhất định thì một địa điểm có thể diễn ra quá trình chuyển tiếp trong cơ chế trao đổi nhiệt giữa các vùng Quá trình sôi sẽ được thay thế bằng quá trình bay hơi Sự chuyển tiếp từ quá trình sôi sang bay hơi

là do có thay đổi trong mô hình dòng chảy từ dòng chảy bọt hoặc slug sang dòng chảy annular (vùng E và F) Trong vùng E và F, bề dày màng chất lỏng

mỏng trên bề mặt gia nhiệt có hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng (effective thermal conductivity) đủ để ngăn chặn quá trình tương tác giữa chất lỏng với thành

kênh dẫn để tạo nhân sôi Cơ chế trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức tại vùng này làm cho lượng nhiệt được mang đi từ thành kênh dẫn bằng quá trình bay hơi màng chất lỏng Khi quá trình tạo nhân sôi hoàn toàn không còn thì quá trình trao đổi nhiệt không thể gọi là quá trình sôi Vùng vượt qua quá trình

chuyển tiếp (vùng D sang E) được gọi là vùng trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng

bức hai pha

Ở một vài giá trị tới hạn chất lượng nhiệt động học sẽ xảy ra quá trình bay

hơi hoàn toàn của màng chất lỏng Vùng chuyển tiếp được gọi là “dryout” và

đi kèm với sự gia tăng đột bến nhiệt độ thành kênh dẫn Diện tích giữa điểm

dryout và điểm chuyển tiếp đến vùng hơi bão hòa khô (dry saturated vapour) (vùng H) được gọi là vùng thiếu chất lỏng (liquid deficient region) (tương ứng với mô hình dòng chảy giọt chất lỏng droplet – vùng G) Trạng thái dryout

thường đưa ra giới hạn hiệu dụng lượng bay hơi được phép xảy ra trong kênh dẫn ở giá trị thông lượng nhiệt thực, có vai trò rất quan trọng trong thiết kế lò phản ứng hạt nhân. [4]

1.3.2 Bản đồ chế độ sôi (the boiling map)

Bản đồ quá trình sôi (boiling map) được dùng để mô tả quá trình biến đổi

của hệ số trao đổi nhiệt cục bộ theo chiều dài kênh dẫn, ít nhất về mặt định

Trang 21

tính Hệ số trao đổi nhiệt cục bộ có thể nhận được thông qua việc phân chia thông lượng nhiệt bề mặt (không đổi theo chiều dài kênh dẫn) bởi sự chênh lệch giữa nhiệt độ thành kênh dẫn và nhiệt độ trung bình chất lỏng Đặc trưng thay đổi của hai loại nhiệt độ (nhiệt độ thành kênh dẫn và nhiệt độ trung bình

chất lỏng) theo chiều dài kênh dẫn được thể hiện trên Hình 1.3 Hệ số trao đổi nhiệt thay đổi theo chiều dài kênh dẫn tương ứng với điều kiện Hình 1.3 được thể hiện trong Hình 1.4 (đường cong (i), đường nét liền) Hệ số trao đổi nhiệt

trong vùng trao đổi nhiệt đối lưu một pha không thay đổi quá lớn Trong vùng sôi nhân dưới bão hòa, chất lỏng được gia nhiệt đến nhiệt đỗ bào hòa, nhiệt độ chênh lệch giữa thành kênh dẫn và chất lỏng giảm tuyến tính nên hệ số trao đổi nhiệt trong vùng này tăng tuyến tính theo chiều dài kênh dẫn Có sự khác nhau trong nhiệt độ chất lỏng ở vùng sôi nhân bão hòa, nên hệ số trao đôi nhiệt vẫn không thay đổi Quá trình suy giảm độ dày màng chất lỏng trong

vùng trao đổi nhiệt đối lưu cũng bức hai pha được đặc trưng bởi hệ số gia tăng theo chiều dài kênh dẫn hoặc chất lượng nhiệt động học Tại điểm dryout

hệ số trao đổi nhiệt giảm mạnh từ giá trị rất cao trong vùng đối lưu cưỡng bức của màng chất lỏng đến giá trị gần với đối lưu cưỡng bức trong vùng hơi bão

hòa khô Chất lượng khối lượng nhiệt động học tăng theo vùng thiếu chất lỏng (liquid deficient region) nên vận tốc dòng hơi và hệ số trao đổi nhiệt tăng lên tương ứng Cuối cùng, trong vùng hơi một pha (single-phase vapour region) (x>1) hệ số trao đổi nhiệt vượt mức trao đổi nhiệt đối lưu tròng dòng

chảy hơi một pha

Các nhận xét trên chỉ giới hạn trong trường hợp thông lượng nhiệt cung cấp cho kênh dẫn tương đối thấp Tác động của việc tăng thông lượng nhiệt

bề mặt trong khi vẫn giữa cho tốc độ dòng chảy đầu vào không đổi sẽ được

xem xét từ Hình 1.4 đến Hình 1.6 Hình 1.4 chỉ ra rằng hệ số trao đổi nhiệt tỷ

lệ nghịch với chất lượng khối lượng nhiệt động học (chất lượng nhiệt động

Trang 22

học) theo chiều tăng của thông lượng nhiệt (đường cong từ (i) đến (vii)) Hình 1.5 đưa ra các vùng trao đổi nhiệt hai pha khác nhau trong qua trình sôi đối

lưu cưỡng bức, với các trục thông lượng nhiệt, chất lượng nhiệt động học và

nhiệt độ Hình 1.6 chỉ ra các vùng trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức hai pha

như một hàm của chất lượng nhiệt động học theo chiều gia tăng thông lượng nhiệt

Đường cong thứ (i) trong Hình 1.4 mô tả quá trình thay đổi của hệ số trao đổi nhiệt với mô hình gia nhiệt cho kênh dẫn như Hình 1.3 Mô hình nhiệt độ trong Hình 1.3 là hình chiếu theo trục thông lượng nhiệt của sơ đồ Hình 1.4

Hình 1 4: Quá trình thay đổi hệ số trao đổi nhiệt theo chất lượng nhiệt

động học và thông lương nhiệt [4]

Trang 23

Đường cong thứ (ii) cho thấy sự ảnh hưởng khi tăng thông lượng nhiệt Quá trình sôi dưới bão hòa đạt được sớm hơn, hệ số trao đổi nhiệt trong vùng sôi nhân cao hơn, nhưng không bị tác động trong vùng đối lưu cưỡng bức hai

pha Vị trí dryout xảy ra ở trạng thái chất lượng khối lượng nhiệt động thấp

hơn Đường cong thứ (iii) chỉ ra sự ảnh hưởng khi tăng thông lượng nhiệt thêm nữa Một lần nữa, quá trình sôi dưới bão hòa xảy ra sớm hơn và hệ số trao đổi nhiệt cũng lớn hơn trong vùng sôi nhân Vì chất lượng khối lượng nhiệt động học tăng, nên khi vùng đối lưu cưỡng bức hai pha bắt đầu xuất hiện và khi quá trình sôi nhân vẫn đang xảy ra, thì đột ngột xảy ra sự suy giảm trong quá trình làm mát bề mặt gia nhiệt (thành kênh dẫn) Quá trình chuyển tiếp này về bản chất tương tự như hiện tượng thông lượng nhiệt tới hạn trong sôi bể bão hòa và được gọi là “departure from nucleate boiling” (DNB)

Hình 1 5: Bề mặt quá trình sôi đối lưu cưỡng bức [4]

Trang 24

Cơ chế trao đổi nhiệt khi vượt quá thông lượng nhiệt tới hạn (DNB hoặc Dryout) phụ thuộc vào quá trình sôi (quá trình tạo nhân sôi trong vùng chất lượng khối lượng nhiệt động thấp hoặc vùng có nhiệt độ dưới bão hòa) hay quá trình bay hơi (sự bay hơi của màng chất lỏng trong vùng chất lượng nhiệt động cao) xuất hiện đầu tiên Với quá trình sôi sẽ dẫn đến cơ chế sôi màng (tương ứng với hiện tượng DNB), còn quá trình bay hơi sẽ dẫn đến vùng thiếu

chất lỏng (tương ứng với hiện tượng dryout) (Hình 1.6)

Hình 1 6: Các vùng trao đối nhiệt đối lưu cưỡng bức như một hàm của

chất lượng nhiệt động khi tăng thông lượng nhiệt [4]

Có thể thấy trong Hình 1.4 và Hình 1.6, khi tăng thêm thông lượng nhiệt

(đường cong (vi) và (vii)) là nguyên nhân làm DNB xảy ra trong vùng dưới bão hòa, cùng với toàn bộ vùng bão hòa hoặc chất lượng nhiệt động bị chiếm

Trang 25

bởi vùng sôi màng, và sau đó là vùng thiếu chất lỏng Trao đổi nhiệt trong cả hai vùng này đều tương đối không hiệu quả

Trong Hình 1.5 và Hình 1.6, vùng sôi màng đã bị chia tùy ý thành hai

vùng: “sôi màng dưới bão hòa” và “vùng sôi màng bão hòa” Trạng thái “Sôi màng” trong dòng chảy đối lưu cưỡng bức là một màng hơi cách nhiệt bao phủ bề mặt gia nhiệt Hệ số trao đổi nhiệt thấp hơn các vùng khác khi chưa vượt quá thông lượng nhiệt tới hạn, chủ yếu là do hệ số dẫn nhiệt của hơi kém hơn. [4]

những vùng có nhiệt độ bề mặt cao đột biến (spike) tương ứng với sự xuất hiện và biến mất liên tục của những mảng khô (Dry patches) trên bề mặt gia

nhiệt Lớp màng hơi ổn định có hệ số trao đổi nhiệt rất thấp lúc này đóng vai trò như một rào cản dòng nhiệt từ bề mặt gia nhiệt đến chất lỏng làm mát, dẫn đến khả năng sai hỏng trên bề mặt gia nhiệt do sự gia tăng đột biến về nhiệt

độ Do đó mức thông lượng nhiệt CHF là giới hạn chuẩn an toàn cho thiết kế

an toàn hệ thống trao đổi nhiệt, kể cả trong cấu trúc lò phản ứng hạt nhân hoặc nồi hơi thông thường Trong các điều kiện dẫn tới hình thành quá trình

sôi của dòng chảy (flow boiling) trong kênh dẫn hệ thống trao đổi nhiệt, cơ

chế xảy ra CHF phụ thuộc vào các thông số quan trọng như chế độ dòng chảy

và sự phân bố của các pha (flow regimes), được điều khiển và chi phối bởi giá trị áp suất, chất lượng nhiệt động (thermal quality) và thông lượng khối lượng (Mass Flux).[3]

2.2 Cơ chế hình thành thông lượng nhiệt tới hạn

2.2.1 Hiện tượng chuyển dời chế độ sôi nhân – DNB (Departure from nucleate boiling)

với bọt Nhưng để CHF (hoặc DNB) xảy ra thì cần phải có mức thông lượng

nhiệt bề mặt gia nhiệt rất lớn (surface heat flux), do vậy đã đưa ra giả thuyết

cho rằng, CHF hình thành do quá trình mở rộng mảng khô (drypath) theo quá

trình hóa hơi của một lớp chất lỏng nhỏ bên dưới bọt hơi và kết hợp với bọt hơi lân cận, mặc dù điều này vẫn chưa được chứng minh rõ ràng [Tong (1972), Collier (1981)] Như vậy, sự hình thành CHF chỉ phụ thuộc vào thông lượng nhiệt bề mặt cục bộ, trạng thái dòng chảy mà không phụ thuộc vào phân bố thông lượng nhiệt ở đầu dòng chảy Nhiệt độ bề mặt gia nhiệt sẽ tăng

lên rất nhanh (dryout xuất hiện đột ngột - fast dryout) khi vượt quá thông

lượng nhiệt tới hạn và sẽ làm hư hại bề mặt gia nhiệt. [3]

b) CHF hình thành do đám mây bọt tạo ra trong quá trình sôi (bubble clouding)

Trong quá trình sôi nhân bão hòa và dưới bão hòa (chất lượng nhiệt động

khoảng từ -0,05 đến +0,05) số lượng bọt được tạo ra phụ thuộc vào thông

lượng nhiệt và nhiệt độ trung bình (bulk temperature) của dòng chảy Mật độ

cư trú (Population density) bọt gần bề mặt gia nhiệt sẽ tăng lên khi tăng thông

lượng nhiệt, hình thành cách bề mặt gia nhiệt một khoảng ngắn và được gọi là lớp biên bọt (Tong (1965), Weismann (1983)) Nếu lớp biên bóng bóng này

đủ dày thì nó có thể ngăn cản quá trình làm mát do chất làm mát không đến

Trang 28

được bề mặt gia nhiệt Điều này dẫn đến việc gia tăng nhiều hơn nữa số lượng bọt cư trú, cho đến khi bề mặt gia nhiệt trở nên rất nóng và hình thành nên một mảng hơi Hiện tượng này là một dạng của hiện tượng khủng hoảng sôi

(boiling crisis) và được đặc trưng bởi sự gia tăng nhanh chống nhiệt độ bề mặt gia nhiệt (điểm dryout xuất hiện đột ngột – fast dryout) Sự hư hại vật lý

trên bề mặt gia nhiệt thường xảy ra dưới trạng thái dòng chảy dạng này. [3]

2.2.2 Hiện tượng bất định Helmholtz (Helmholtz instability)

Trong kiểu sôi bể (pool boiling) ở trạng thái bão hòa thì tốc độ loại bỏ hơi

cực đại sẽ giới hạn thông lượng nhiệt tới hạn Theo lý thuyết Zuber về thông lượng nhiệt tới hạn đã giả thuyết rằng, bề mặt gia nhiệt bị bao bọc bởi một

dòng hơi tăng trưởng từ dưới lên (vapour column) và nhờ các tia chất lỏng

chảy ngược chiều từ trên xuống để bù đắp cho lượng chất lỏng bị mất do bay hơi trên bề mặt gia nhiệt Cuối cùng ở mức thông lượng nhiệt bề mặt gia nhiệt rất cao (tốc độ loại bỏ hơi – vapour removal rates) vận tốc tương đối giữa chất lỏng và hơi sẽ cao đến mức tạo ra trạng thái dòng chảy đối lưu không ổn định

và kết quả lầ dẫn đến điều kiện hình thành CHF Trạng thái tương tự có thể được xem xét ở tốc độ dòng chảy rất thấp hoặc trạng thái dòng chảy ứ động

“flow stagnation” Kiểu hình thành CHF dạng này kem theo sự gia tăng nhanh

chóng nhiệt độ bề mặt (điểm dryout xuất hiện đột ngột - fast dryout).[3]

2.2.3 Vị trí dryout có màng chất lỏng bề dày mỏng trong chế độ dòng

chảy hình xuyến (annular)

Trong chế độ dòng chảy phân tán hình xuyến (chế độ dòng chảy annular) (thông số void fraction và lưu lượng khối lượng cao), chất lỏng sẽ hình thành

một màng chất lỏng bao phủ bề mặt gia nhiệt và chuyển động giọt chất lỏng li

ti (droplets) bị cuốn theo có vận tốc cao hơn ở trong tâm ống Màng chất lỏng

sẽ tiếp tục bị bào mòn đi theo quá trình chuyển động của dòng chảy do kết

Trang 29

hợp ảnh hưởng của hai quá trình bay hơi và cuốn theo Ở gần vị trí dryout bề

dày hiệu dụng của màng chất lỏng (effective film thickness) không đủ để tạo

nên những gợn sóng bề mặt (thường xảy ra ở tốc độ dòng chảy màng chất lỏng cao hơn) do đó quá trình cuốn theo các giọt chất lỏng bị chặn Nếu tốc

độ lắng đọng (giọt chất lỏng có thể va vào thành bình hoặc màng chất lỏng để tạo ra màng mới hoặc làm dày màng lên) thực tế không cân bằng với tốc độ bay hơi thì màng chất lỏng sẽ bị vỡ ra Quá trình gia tăng nhiệt độ cùng với sự phá hủy màng chất lỏng luôn luôn ở mức ổn định (vị trí dryout ổn định) Mức

độ phá hủy màng chất lỏng có thể tăng lên do một trrong những cơ chế sau:

a) Hiệu ứng Thermocapillary (Thermocapillary effect)

Nếu quá trình dẫn nhiệt qua màng chất lỏng có bề mặt hình sóng (sóng bề mặt) đáng kể thì nhiệt độ bề mặt phân cách giữa hai pha lỏng – hơi đạt giá trị

lớn nhất tại điểm lõm của sóng và làm xuất hiện biến thiên (gradient) sức

căng bề mặt lớn Sự biến thiên sức căng bề mặt màng chất lỏng có xu hướng kéo chất lỏng tới vùng có sức căng bê mặt cao hơn, cuối cùng dưới tác động

của “hiệu ứng thermocapillary” màng chất lỏng sẽ bị vỡ ra tại vị trí lõm của sóng Hiệu ứng thermocapillary sẽ có ý nghĩa quan trọng ở vận tốc dòng chảy thấp (low flow) và chất lượng nhiệt động dòng chảy cao

b) Vỡ màng chất lỏng do quá trình tạo nhân sôi

Quá trình tạo nhân sôi và bay hơi bề mặt có thể xảy ra đồng thời trong chế

độ dòng chảy hình xuyến (annular) (Hewitt, 1963) Nếu bọt được tạo ra có

kích thước gần với bề dày màng chất lỏng thì bọt có thể làm vỡ bề mặt tiếp

xúc giữa hai pha lỏng – hơi và tạo ra một mảng khô (drypatch) tạm thời Ở

mức thông lượng nhiệt cao, màng chất lỏng khó có thể ngăn cản chất lỏng làm mát lại bề mặt gia nhiệt do mảng khô tạo thành Vỡ màng chất lỏng do quá

Trang 30

trình tạo nhân sôi chỉ xảy ra khi thông lượng nhiệt cục bộ thay đổi đột ngột hoặc phân bố thông lượng nhiệt quanh trục ống không đồng đều. [3]

2.2.4 Vị trí Dryout có chu kỳ hoặc không ổn định

Giá trị thông lượng nhiệt tới hạn có thể bị suy giảm đáng kể bởi đặc tính thủy động lực học của dụng cụ thí nghiệm Dao động dòng chảy thường

xuyên xảy ra trong các kênh dẫn song song (parallel channels), các kênh dẫn được thí nghiệm với chế độ dòng chảy slug (slug flow) hoặc hệ thống thí

nghiệm có chưa một thể tích có thể nén được gần lối vào Trong quá trình dao động vận tốc dòng chảy gần bề mặt gia nhiệt giảm dần và có chu kỳ, vì vậy làm cho lớp biên giữa bề mặt gia nhiệt và chất lỏng trở nên quá nhiệt dẫn đến

sự hình thành sớm mảng khô Vị trí dryout không ổn định (unstable dryout)

kéo theo sự dao động nhiệt độ bề mặt gia nhiệt. [3]

2.2.5 Vị trí dryout hình thành chậm (Slow dryout)

Trong quá trình vị trí dryout hình thành chậm, nhiệt độ bề mặt gia nhiệt sẽ gia tăng từ từ, thường bắt gặp trong chế độ dòng chảy có các pha phân bố

đồng nhất, như chế độ dòng bọt (froth flow) hoặc chế độ dòng annular phân tán cao với vận tốc khối (mass velocity) (>2.7 Mg m-2 s–1) và thông số void fractions (>80%) Ở trạng thái này tương tác giữa chất lỏng và bề mặt gia

nhiệt trở nên đáng kể đến mức làm hạn chế quá trình gia tăng nhiệt độ ở vị trí dryout Các tính toán dựa trên cơ sở làm mát bề mặt gia nhiệt bằng dòng hơi chỉ ra rằng, nhiệt độ sau khi CHF xảy ra (post-CHF) thấp hơn nhiệt độ sôi màng nhỏ nhất, do đó các hạt chất lỏng cuốn theo có thể va vào thành ống để làm mát trở lại bề mặt gia nhiệt nên làm tăng hệ số trao đổi nhiệt. [3]

2.3 Vai trò của thông số thông lượng nhiệt tới hạn trong nhà máy điện hạt nhân

Trang 31

Thông lượng nhiệt tới hạn (CHF) là thông số mô tả giới hạn nhiệt lượng

mà tại đó sự thay thay đổi pha chất làm mát lò phản ứng xảy ra trong quá

trình gia nhiệt Trong lò phản ứng nước áp lực (PWR), CHF xảy ra khi mật độ

bọt được tạo ra từ quá trình sôi nhân, hình thành lớp bọt rất lớn và sau đó liên kết lại để hình thành màng hơi bao quanh bề mặt thanh nhiên liệu Nhiệt

lượng trao đổi qua màng hơi đến chất lỏng làm mát thấp và dẫn đến CHF do

nhiệt độ vỏ thanh nhiên liệu cao Điều này nhanh chóng làm vỏ thanh nhiên

liệu bị oxi hóa hoặc tan chảy Tương tự, trong lò phản ứng nước sôi (BWR)

thông lượng nhiệt tại giai đoạn chuyển tiếp sôi cũng không được vượt quá thông lượng nhiệt tới hạn

Trong lò BWR, CHF được phản ánh qua tỷ số công suất tới hạn (Critical power ratio (CPR)), là tỷ số giữa thông lượng nhiệt tới hạn trên thông lượng nhiệt thực tế của thanh nhiên liệu Còn với PWR, thông lượng nhiệt tới hạn được phản ánh thông qua tỷ số DNB (DNBR) là tỷ số CHF (là thông lượng nhiệt cần thiết để gây ra hiện tượng dịch chuyển vùng sôi nhân (DNB)) trên thông lượng nhiệt cục bộ của thanh nhiên liệu Các tỷ số CPR và DNBR hình

thành nên giá trị biên cho các hiện tượng xảy ra trong thanh nhiên liệu

Tương quan CHF (CHF correlations) thu được qua việc phân tích dữ liệu thực nghiệm từ thanh gia nhiệt bằng điện năng (Electrically-heated), bó thanh

nhiên liệu với tỷ lệ thực hoặc theo từng tỷ lệ nhất định tiến hành kiểm tra trong điều kiện phòng thí nghiệm Thông qua phương pháp tương quan có thể xác định thông lượng nhiệt tới hạn trong phạm vi rộng điều kiện thực nghiệm,

cũng như dải áp suất và lưu lượng dòng lớn Giới hạn DNBR luôn là giới hạn

an toàn kể cả khi các thanh nhiên liệu không được tiến hành kiểm tra CHF trong quá trình hoạt động có bình thường hay không Giới hạn DNBR còn

được dùng để chỉ ra những sai hỏng của thanh nhiên liệu trong sự cố giả định

để đánh giá suất liều bức xạ ngoài nhà máy điện hạt nhân Trong sự cố giả

Trang 32

định khác, như sự cố LOCA lớn, hầu hết thanh nhiên liệu trong vùng hoạt vượt quá CHF và liều bức xạ ở khu vực ngoài nhà máy sẽ được xác định bằng

phương pháp khác

Bởi vì phương pháp tương quan liên hệ với CHF qua những thông số thực

nghiệm nhận được nên phương pháp tương quan là phương pháp bổ sung các

dữ liệu thực nghiệm còn thiếu Nhà cung cấp nhiên liệu tiến hành kiểm tra cụ

thể từng thiết kế bó thanh nhiên liệu Tương quan CHF là một trong những

phương pháp để kiểm tra Các thông số tương quan bao gồm áp suất, tốc độ khối lượng, chất lượng dòng chảy và tiến hành kiểm tra khi thay đổi mỗi thông số trên

Phương pháp thống kê để thiết lập giới hạn an toàn đôi khi dựa trên kỹ thuật Monte Carlo, kỹ thuật Monte Carlo sẽ tính toán thông lượng nhiệt tới hạn cho mỗi bó thanh nhiên liệu ở nhiều vị trí khác nhau với điều kiện thực nghiệm thay đổi; trong khi đó việc đưa vào sự biến thiên ngẫu nhiên biến dữ liệu đầu vào dựa trên độ bất định của các thông số đầu vào đã biết

Tương quan CHF có thể xem là phản ánh chính xác thiết kế vùng hoạt

phản ứng và nhiên liệu, phương pháp tương quan là một trong các phương pháp có thể áp dụng hiệu quả phương pháp thống kê, với quá trình xử lý độ

bất định nghiêm ngặt Nhà cung cấp đã phát triển kỹ thuật tương quan CHF

thành công và áp dụng trên toàn thế giởi, ngày nay, không xảy ra sự cố nhiên liệu bị hư hỏng do không có đủ dữ liệu giới hạn an toàn

Vấn đề còn tồn đọng là độ bất định trong quá trình thí nghiệm không nhất thiết phải mô tả độ bất định trong vùng hoạt lò phản ứng (đặc biệt trong trường hợp công suất cục bộ), mặc dù các giả định vẫn được đưa ra trong quá

trình thí nghiệm Tiêu biểu là giới hạn an toàn DNBR khoảng 1,15 Giới hạn

an toàn DNBR 1.15 với độ tin cậy 95% và xác xuất 95%, DNB sẽ không xảy

Trang 33

ra khi thanh nhiên liệu đạt công suất tối đa trong trạng thái dừng và trạng thái

sự cố xảy ra có thể dự đoán từ trước (AOO) Vấn đề ở đây là giá trị “công suất tối đa của thanh nhiên liệu” trong vùng hoạt có được ghi nhận đúng hay không

Giới hạn CPR và DNBR đảm bảo chỉ một lượng rất nhỏ vỏ thanh nhiên liệu (0,1% toàn bộ các thanh nhiên liệu ở nhiều nước, ở Đức DNB sẽ không

xảy ra đối với các thanh nhiên liệu định mức lớn nhất) bị sai trong trạng thái AOO những sự kiện bất thường có thể dự đoán được trong quá trình hoạt

động của nhà máy (Anticipated operational occurences (AOO)), và nhiên liệu

bị lỗi trong sự cố giả định và có thể ước tính được liều lượng bên ngoài nhà máy hạt nhân

Ngoài ra để duy trì biên độ hiệu suất nhiên liệu thích hợp trong trạng thái hoạt động bình thường, biên độ bổ sung được áp dụng tới giới hạn an toàn

CPR/DNBR, tương ứng với việc tăng thông lượng nhiệt trong trạng thái AOO

nặng nhất; điều này tạo thành giới hạn hoạt động trong quá trình vận hành nhà máy

Tuy nhiên, phương pháp thông lượng nhiệt tới hạn liên quan đến giới hạn

an toàn hoặc phương pháp sử dụng để thiết lập giới hạn an toàn sẽ bị thay đổi đáng kể Cần các quá trình kiểm tra bao gồm kiểm tra với tỷ lệ thực để thiết lập mô hình thuỷ nhiệt chính xác của thiết kế bó thanh nhiên liệu mới

Tuy nhiên, tương quan CPR và DNBR phát triển hoàn toàn từ dữ liệu vỏ

thanh nhiên liệu không bị ô xi hóa hoặc bị oxi hóa nhẹ nên không thể chính xác với vỏ thanh nhiên liệu có giá trị burn-up cao Với tốc độ sinh nhiệt tuyến

tính đã biết (Linear heat generation rate (LHGR)), hệ số trao đổi nhiệt đối với

thanh nhiên liệu bị oxi hóa mạnh sẽ cao hơn so với thanh nhiên liệu không bị

oxi hóa Do đó CPR/DNBR dựa trên cơ sở thanh nhiên liệu không bị oxi hóa

vào để đánh giá nhưng không phải trong CPR hoặc DNB.[6]

Trang 35

III PHƯƠNG PHÁP DỰ ĐOÁN THÔNG LƯỢNG NHIỆT TỚI

HẠN

Phương pháp dự đoán giá trị thông lượng nhiệt tới hạn có thể phân loại

thành hai dạng: Mô hình phân tích cơ chế hình thành CHF và Tương quan thực nghiệm CHF Phân tích mô hình cơ chế hình thành CHF đã được phát

triển từ quá trình xem xét các cơ chế vật lý cân bằng lực: bay hơi bọt, quán tính, trọng trường và biến dạng Khi nào vẫn còn thiếu hiểu biết về cơ chế hình thành CHF thì vẫn còn yêu cầu cố gắng phát triển mô hình phân tích cơ chế CHF

Tương quan thực nghiệm chủ yếu được tạo ra từ đường hồi quy đã được chuẩn hóa với các cơ sở dữ liệu thực nghiệm khác nhau Từ việc tồn tại tương quan thực nghiệm, xu hướng giá trị CHF với các tham số hệ thống như áp uất, thông lượng khối, nhiệt độ đầu vào dưới bão hòa đã được trình bày và báo cáo bởi các nghiên cứu trước đây Thêm vào đó, một trong những phương pháp thực nghiệm để dự đoán giá trị CHF với độ chính xác cao bằng cách sử dụng bảng tra cứu Điều này cho phép dự đoán giá trị CHF với trạng thái dòng chảy khác nhau từ cơ sở dữ liệu theo bảng được cung cấp bởi nhiều nhóm nghiên cứu cùng cộng tác vói nhau trên thế giới.[2]

3.1 Phương pháp dự đoán CHF bằng thực nghiệm

Mô hình dự đoán bằng thực nghiệm đã được đề xuất từ dữ liệu CHF mở rộng Mô hình dự đoán thực nghiệm có thể được xác định như (1) tương quan

dự đoán CHF thực nghiệm và (2) bảng tra cứu thông lượng nhiệt tới hạn

Các phép đo xác định giá trị CHF trong các hệ thực nghiệm kênh dẫn tròn được gia nhiệt đồng đều đã được thực hiện tại rất nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới và kết quả là có hơn 30000 cơ sở dữ liệu cho việc xác định giá trị

Trang 36

CHF với rất nhiều trạng thái dòng chảy thực nghiệm thay đổi Xây dựng mô hình dự đoán thực nghiệm đáng tin cậy cho CHF trong kênh dẫn là rất quan trọng, bởi vì các kết quả như vậy sẽ cung cấp xu hướng biến đổi thông số cơ bản, có ảnh hưởng đối với các giá trị dự đoán CHF trong nhiều lĩnh vực ứng dụng năng lượng bao gồm nhà máy điện hạt nhân Nhìn chung các công thức tương quan thực nghiệm đã được xây dựng, bằng cách sử dụng quy trình hồi quy với sự trợ giúp của kết quả kiểm tra CHF, và thiết lập thích hợp các tham

số chính cho các công thức tương quan dự đoán Do giới hạn độ tin cậy cơ sở

dữ liệu CHF, sự chính xác trong dự đoán của công thức tương quan chỉ giới hạn trong phạm vi điều kiện dữ liệu thực nghiệm dùng để xây dựng nó Vì thế, hầu hết các công thức tương quan thực nghiệm cần phải cung cấp dải hoạt động áp dụng được để đạt được tính chính xác cao nhất cho dự đoán CHF. [2]

3.2 Phương pháp bảng tra cứu thông lượng nhiệt tới hạn 1995 (CHF Look-up Table 1995)

3.2.1 Giới thiệu

Để dự đoán giá trị thông lượng nhiệt tới hạn, đã có hơn 500 công thức tương quan thực nghiệm dự đoán CHF được đưa ra bởi các nghiên cứu khác nhau, hầu hết các phương pháp dự đoán được thực hiện với ống kênh dẫn được làm mát bằng nước và có phạm vi tương đối hẹp Với việc tồn tại quá nhiều công thức tương quan thực nghiệm dự đoán CHF, vô hình chung đã bộc

lộ sự thiếu hiểu biết về CHF và làm cho quá trình tính toàn càng trở nên phức tạp hơn trong việc lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp Thông lượng nhiệt tới hạn cho hình học ống dạng tròn chủ yếu phụ thuộc vào áp suất, thông lượng khối, chất lượng nhiệt động và đường kính Với điều kiện chất lượng

khối lượng nhiệt động ở vị trí dryout không thay đổi (constant dryout quality condition), Collier (1980) đã để ý đến ảnh hưởng nhỏ của chiều dài gia nhiệt

Trang 37

tới CHF nếu tỷ số chiều dài gia nhiệt/đường kính nhỏ hơn 80 Mặt khác đường kính ống lại có ảnh hưởng mạnh đến giá trị CHF Do đó chỉ có đường kính được dùng để đặc trưng cho dạng hình học trong phương pháp dự đoán CHF dựa trên trạng thái cục bộ

Trong nghiên cứu của Collier, phương pháp tương quan thực nghiệm chỉ đúng trong phạm vi cơ sở dữ liệu nghiên cứu của tương quan thực nghiệm đấy, và không thể ngoại suy đối với các trạng thái nằm ngoài phạm vi nghiên cứu, bởi vì xu hướng tiệm cận không chính xác với thực tế Để khắc phục vấn

đề này, Doroshchuk năm 1975 đã đề xuất bảng tra cứu đầu tiên và hoàn thiện đáng kể hơn phương pháp tiếp cận tương quan CHF, nhưng vẫn không bao phủ hoàn toàn các trạng thái cần quan tâm Rồi sau đó vào năm 1986 Groeneveld đã phát triển bảng “AECL-UO”, và có phạm vi bao phủ rộng lớn hơn với các trạng thái cần quan tâm Kirillov năm 1989 và 1991 đã hoàn thiện bảng thông lượng nhiệt tới hạn của Doroschuk bằng việc đưa ra một cơ sở dữ liệu lớn hơn, nhưng phạm vi dữ liệu vẫn nhỏ hơn nhiều so với bảng AECL –

UO

Groeneveld (1986) và Kirillov (1989,1991) đã làm việc với những cơ sở

dữ liệu khác nhau (mỗi cơ sở dữ liệu khoảng 15000 dữ liệu) và với những phương pháp luận khác nhau để nhận được bảng CHF tương ứng với dữ liệu của họ Sau đó hai nhà khoa học đã hợp tác với nhau để thu được ngân hàng

dữ liệu CHF với hơn 30000 dữ liệu CHF cho kênh dẫn dạng ống Cơ sở dữ liệu này đã được sử dụng để xây dựng bảng thông lượng nhiệt tới hạn năm

1995 Bảng CHF 1995 có phạm vi hoạt động rộng hơn và cải tiến độ chính xác cho việc dự đoán thông lượng nhiệt tới hạn.[1]

Trang 38

3.2.2 Cơ sở dữ liệu giá trị CHF

Cơ sở dữ liệu AECL – IPPE đã tổng hợp được hơn 30000 dữ liệu thông lượng nhiệt tới hạn (bao gồm một số dữ liệu được bổ sung trong cơ sở dữ liệu AECL) Sau khi loại trừ những dữ liệu trùng lặp và các dữ liệu không khớp với tính toán cân bằng nhiệt động, cơ sở dữ liệu đã giảm xuống 29005 từ 48 nghiên cứu khác nhau Phạm vi trạng thái cơ sở dữ liệu như sau: đường kính ống 0,62 - 92,4mm, chiều dài nhiệt 0,011-20m; tỉ số chiều dài/đường kính tứ 4,6 – 2485; áp suất từ 100 - 21 200kPa, thông lượng khối 6-24270 kg.m-2.s-1; chất lượng nhiệt động dryout -1,652 đến 1; enthalpy chất lỏng dưới bão hòa đầu vào -1221 đến 2711 kJ/Kg

Hầu hết phạm vi dữ liệu thu được tương đối hẹp và mật độ giá trị dữ liệu

ở một số trạng thái dòng chảy vẫn còn tương đối thấp (Hình 3.1) Dữ liệu đã được sử dụng để tao ra bảng thông lượng tới hạn năm 1995 đã được chọn là theo dải trạng thái dòng chảy sau: Áp suất 100-20 000kPa; thông lượng khối 6-8000 kg.m-2.s-1; chất lượng vùng khô -0,5 đến 1; đường kính ống 0.003-0,04m; tỷ sộ chiều dài/đường kính 80-2485kJ/Kg

Chỉ duy nhất dữ liệu có tỷ lệ chiều dài gia nhiệt/đường kính lớn hơn 80 (loại trừ ảnh hưởng của chiều dài nhiệt đến CHF với các giả thuyết trạng thái cục bộ) và trạng thái đầu vào là đơn pha (để tránh các ảnh hưởng sự phân bố khác pha ở đầu vào) được lựa chọn, thêm vào đó, ba bộ dữ liệu đã được loại

bỏ, do có sự phân tán dữ liệu lớn và các xu hướng tham số không tương thích nhau (với cả mô hình vật lý và phần lớn dữ liệu) Kết quả là tổng 22 946 dữ liệu CHF đã được sử dụng để thu được bảng tra cứu CHF năm 1995. [1]

Trang 39

Hình 3 1: Phạm vi điều kiện trong ngân hàng dữ liệu tổng hợp

AECL-IPPE [1]

Trang 40

3.2.3 Ảnh hưởng của đường kính ống đến giá trị CHF

Toàn bộ bảng tra cứu CHF trình bày các giá trị CHF ở các dải riêng biệt

về áp suất, thông lượng khối lượng và chất lượng khối lượng dòng chảy cho ống có đường kính 8mm Do đó, hệ số hiệu chỉnh CHF được sử dụng để tính toán ảnh hưởng của đường kính và mở rộng áp dụng cho các đường kính khác Có nhiều công thức thực nghiệm khác nhau được đề xuất cho hệ số hiệu chỉnh đường kính Becker năm 1965 đã trình bày bằng đồ thị hệ số hiệu chỉnh CHF được chuẩn hóa với các ống 10mm, đối với các ống có đường kính từ 4 đến 25mm Những hệ số này đã được trình bày thành một bảng và được mở rộng với các ống có bán kính 37mm Doroschuk vào năm 1975 đã hiệu chỉnh giá trị CHF với dữ liệu của mình với tỷ lệ đường kính theo công thức là:

=

8 (3)

Ở đây CHFD là giá trị thông lượng nhiệt cần quan tâm, CHFD=8mm là giá trị thông lượng nhiệt tới hạn với đường kính 8mm được lấy từ bảng và D (mm)

là đường kính ống cần tính giá trị CHF Doroshchuk đã đề xuất giá trị -1/2

cho hệ số mũ “n” trong phương trình (3) đối với đường kính từ 4 đến 16mm Còn Groeneveld đã đề xuất giá trị hệ số mũ “n” là -1/3 đối với ống từ 4 đến

20mm Trong bản đánh giá độc lập Smith (1986), đã áp dụng mở rộng với đường kính lên đên 32mm với hệ số mũ là -1/3

Với các hệ số hiệu chỉnh nhận được thì Becker và Doroshchuk và Groeneveld đã phải giả thiết những ảnh hưởng của các thông số khác (áp suất, thông lượng khối, chất lượng nhiệt động) đến hiệu ứng đường kính nhỏ và có thể bỏ qua Tuy nhiên, các nghiên cứu khác đã chỉ ra ảnh hưởng của đường kính đến CHF phức tạp hơn nhiều Groeneveld (1986) đã chú ý đến ảnh hưởng của chất lượng khối lượng nhiệt động đến hệ số hiệu chỉnh đường