強(qiáng)迫循環(huán)沉淀式冷阱試驗(yàn)與數(shù)值模擬

馮 波，龍俞伊，畢可明，柴寶華，衛(wèi)光仁，韓 冶

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413）

液態(tài)金屬鈉鉀合金作為一種高效冷卻劑近年來被廣泛應(yīng)用于反應(yīng)堆領(lǐng)域，相較于傳統(tǒng)冷卻劑水，其具有更優(yōu)良的熱工水力特性。然而在鈉鉀合金的熱傳輸系統(tǒng)中，雜質(zhì)（尤其是氧）對(duì)其性能和可靠性均有較大危害［1］。冷阱作為一種有效的凈化手段［2］成為鈉鉀合金熱傳輸系統(tǒng)中最重要功能部件之一。

目前國(guó)內(nèi)尚無對(duì)鈉鉀合金進(jìn)行雜質(zhì)尤其是氧含量測(cè)量和分析的有效技術(shù)手段，而對(duì)冷阱的溫度分布研究可間接地獲知其凈化效果，這對(duì)于了解和控制系統(tǒng)中鈉鉀合金的純度是具有實(shí)際意義的。本文對(duì)一種最具代表性的強(qiáng)迫循環(huán)沉淀式冷阱進(jìn)行傳熱分析，采用數(shù)值方法進(jìn)行模擬計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1為強(qiáng)迫循環(huán)沉淀式冷阱結(jié)構(gòu)示意圖，其由回?zé)釁^(qū)、冷卻區(qū)和沉淀區(qū)組成。這種型式的冷阱既增加了工質(zhì)橫向流的面積，也提高了冷阱的容量和效率，且冷阱內(nèi)上半部的回?zé)嵩O(shè)計(jì)更加合理地利用了熱量，體現(xiàn)了一體化的設(shè)計(jì)思想［2］。

圖1 強(qiáng)迫循環(huán)沉淀式冷阱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural scheme of precipitation type cold trap in forced circulation

冷阱的設(shè)計(jì)原則主要有兩點(diǎn)：1）工質(zhì)在冷阱中停留的時(shí)間≥5 min。這個(gè)最佳停留時(shí)間是個(gè)經(jīng)驗(yàn)值［1］。過短的停留時(shí)間會(huì)導(dǎo)致高流速，不但會(huì)增加冷阱內(nèi)溫度的不均勻性，還會(huì)對(duì)冷卻功率提出較高要求，這對(duì)于采用空氣冷卻的冷阱非常不利。而過長(zhǎng)的停留時(shí)間則導(dǎo)致低流速，降低凈化效率。2）沉淀區(qū)的溫度要≤70 ℃。一般認(rèn)為這個(gè)溫度下的飽和氧含量是滿足使用要求的［3］。

據(jù)此原則建立冷阱傳熱模型如圖2所示，建立平衡關(guān)系式：

式中：T 為溫度；下標(biāo)n、c、t分別為熱NaK、冷NaK 和空氣；K1、K2、K3為中間變量，具體表達(dá)式為：

式中：U 為總傳熱系數(shù)；W 為質(zhì)量流量；D 為當(dāng)量直徑；cp為比定壓熱容。

圖2 冷阱傳熱模型Fig.2 Heat transfer model of cold trap

回?zé)釁^(qū)的螺旋形回?zé)崞骺梢暈橐粺峤粨Q器，熱平衡關(guān)系式為：

在已有的液態(tài)金屬傳熱計(jì)算中，Lyon 公式［4］應(yīng)用最為廣泛，因此，選其為鈉鉀側(cè)的傳熱關(guān)系式；空氣側(cè)的傳熱則用Dittus-Boelter公式［5］，分別如式（6）、（7）所示：

聯(lián)立以上式（1）～（7）計(jì)算可得冷阱的各項(xiàng)基本參數(shù)，本次研究冷阱的參數(shù)列于表1。

表1 冷阱主要參數(shù)Table 1 Main parameters of cold trap

2 試驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)測(cè)量分析

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置是作為鈉鉀合金傳熱試驗(yàn)回路的一條重要功能支路開展相關(guān)試驗(yàn)的，試驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。

圖3 冷阱試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Scheme of experiment device for cold trap

額定運(yùn)行工況下，主回路運(yùn)行在400 ℃高溫下，冷阱凈化支路從主泵出口取流量約0.35m3／h的工質(zhì)經(jīng)過冷阱凈化，通過風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制沉淀區(qū)溫度在70℃以下，但不宜使進(jìn)出口溫差過大，防止帶入其他熱沖擊問題。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置及誤差

冷阱傳熱性能試驗(yàn)需測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)主要有：冷阱進(jìn)口鈉鉀合金流量Q、冷阱進(jìn)口鈉鉀合金溫度Tin、冷阱出口鈉鉀合金溫度Tout、冷阱冷卻風(fēng)道風(fēng)量Qair、冷阱冷卻風(fēng)道進(jìn)口溫度Tair-in、冷阱冷卻風(fēng)道出口溫度Tair-out、冷阱沉淀區(qū)溫度Tc。

試驗(yàn)結(jié)果涉及到溫度和流量?jī)蓚€(gè)參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)均是通過傳感器測(cè)量直接得到的。溫度采用K 型熱電偶測(cè)量，其精度為Ⅰ級(jí)，為0.4%t（t為測(cè)量溫度），對(duì)于研究冷阱特性，此誤差可接受。流量采用電磁流量計(jì)測(cè)量，此流量計(jì)使用前經(jīng)過試驗(yàn)臺(tái)架的量筒標(biāo)定。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

冷阱試驗(yàn)裝置運(yùn)行時(shí)間大于1 100h，使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，將獲得的數(shù)據(jù)整理成曲線如圖4所示。

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨運(yùn)行時(shí)間的增加，冷阱入口流量逐漸減小，分析原因有兩種：1）調(diào)節(jié)閥開度太小，閥頭處雜質(zhì)堵塞；2）冷阱內(nèi)雜質(zhì)沉淀，局部堵塞。操作調(diào)節(jié)閥后流量恢復(fù)，確認(rèn)是閥頭堵塞的原因。但在主回路高溫運(yùn)行過程中，要盡量減少操作冷阱流量，原因有兩點(diǎn)：1）冷阱流量的變化會(huì)引起主回路流量的變化，影響試驗(yàn)段數(shù)據(jù)的連續(xù)性；2）流量的變化會(huì)引發(fā)主回路的熱負(fù)載響應(yīng)，導(dǎo)致熱應(yīng)力沖擊。

圖4 冷阱試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig.4 Curve of experiment data for cold trap

3 數(shù)值模擬

本文的數(shù)值模擬分析采用CFX12.0程序，建立冷阱1∶1三維模型進(jìn)行計(jì)算，一是可與試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性；二是可觀察冷阱在工作時(shí)沉淀區(qū)溫度分布是否均勻，這也將直接影響冷阱的性能。

3.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

為準(zhǔn)確模擬各區(qū)域的物理場(chǎng)，選取適當(dāng)?shù)膇nterface面將冷阱劃分成3部分，分別生成網(wǎng)格［6］。冷阱冷卻區(qū)和風(fēng)道部分因尺寸較大且形狀規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，大幅減少了網(wǎng)格的數(shù)量，這部分的網(wǎng)格總數(shù)約35萬，如圖5所示。冷阱回?zé)釁^(qū)螺旋回?zé)峁艿某叽缦鄬?duì)整個(gè)回?zé)釁^(qū)較小，且連接處不規(guī)則，使整個(gè)結(jié)構(gòu)顯得較為復(fù)雜，因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，這部分的網(wǎng)格總數(shù)約105萬，如圖6所示。

圖5 冷卻區(qū)及風(fēng)道網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh of cooling area and air duct

為與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，模型入口邊界取工質(zhì)流量0.22m3／h，溫度400 ℃，出口邊界取壓力出口邊界條件，風(fēng)機(jī)風(fēng)量取0.348kg／s，風(fēng)道進(jìn)口溫度取試驗(yàn)值13.4℃，外邊界簡(jiǎn)化為絕熱層，其他分割界面需設(shè)置導(dǎo)熱熱阻δ／λ。

3.2 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證分析

計(jì)算得到的結(jié)果與試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)比較列于表2。

圖6 回?zé)釁^(qū)網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh of recuperator area

表2 計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Table 2 Comparison of simulation and experiment results

結(jié)果顯示，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合得很好，尤其是沉淀區(qū)溫度，并且沉淀區(qū)溫度周向分布在此工況下非常均勻，有利于雜質(zhì)均勻析出，提高冷阱的能力。而計(jì)算出口溫度偏高是由于將邊界設(shè)為絕熱的緣故。

4 冷阱工作特性分析

在數(shù)值計(jì)算得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)所設(shè)計(jì)的冷阱進(jìn)行完整的工況校驗(yàn)，獲取其工作特性曲線。

圖7示出冷卻空氣入口參數(shù)對(duì)沉淀區(qū)溫度的影響。沉淀區(qū)溫度隨空氣入口溫度的升高而升高，但影響較小，它表明環(huán)境溫度的變化對(duì)冷阱沉淀區(qū)的影響可忽略；而在冷卻空氣與壁面溫差小于20℃時(shí)，空氣流量的變化對(duì)沉淀區(qū)影響很小。這對(duì)于風(fēng)機(jī)選型具有實(shí)際指導(dǎo)意義。圖8示出冷阱的工作特性曲線，在風(fēng)機(jī)選型確定時(shí)，冷阱對(duì)入口鈉鉀合金流量要有限制，否則冷阱將不能很好地凈化工質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，繪制出改型冷阱的最佳工作曲線，當(dāng)冷阱入口參數(shù)運(yùn)行在曲線的左下方（最佳工作區(qū)）時(shí)，冷阱沉淀區(qū)的溫度始終小于70℃，此時(shí)冷阱的凈化效果最好。

圖7 空氣入口參數(shù)對(duì)沉淀區(qū)溫度的影響Fig.7 Influence of air inlet parameter on temperature of precipitation area

在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)道入口上方存在流動(dòng)緩滯區(qū)，阻礙冷卻區(qū)傳熱，因此可在風(fēng)道入口擋板上方增加通風(fēng)孔增強(qiáng)換熱。其次，回?zé)釁^(qū)螺旋管內(nèi)外溫差較小。分析原因首先是因?yàn)殁c鉀合金流速較低，此時(shí)浮升力對(duì)冷阱內(nèi)部溫度分布影響較大，促進(jìn)了軸向和徑向溫度的均勻分布。另外鈉鉀合金優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性能也使得傳熱效率大幅提高。因此，設(shè)計(jì)時(shí)為提高回?zé)嵝识捎玫碾p螺旋管結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為單螺旋，這既節(jié)省了成本，也可滿足換熱要求。

圖8 冷阱工作特性曲線Fig.8 Characteristic curves of cold trap

5 結(jié)論

利用CFX 程序?qū)溱暹\(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬，在與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論：

1）所采用的CFX 模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際冷阱運(yùn)行工況相符，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可信，對(duì)冷阱的設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值；

2）該型式冷阱工作區(qū)溫度分布較均勻，有利于雜質(zhì)析出。當(dāng)冷阱入口為額定溫度400℃時(shí)，要使沉淀區(qū)溫度保持在70 ℃之下，則入口流量應(yīng)≤0.38m3／h；

3）冷阱的設(shè)計(jì)可優(yōu)化，通過開孔可提高風(fēng)道入口上方的傳熱系數(shù)，且回?zé)釁^(qū)可采用單螺旋管提高換熱效率。

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