非能動余熱排出換熱器池沸騰換熱性能研究

王開元，曹夏昕，李 亞，孫中寧

(哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

非能動安全技術(shù)是第三代核電站設(shè)計的重要理念之一。在下一代核電站非能動安全系統(tǒng)的設(shè)計中大都采用浸沒式管束換熱器導(dǎo)出事故后堆芯內(nèi)余熱[1-3]。在長期運行階段，管束外主要呈現(xiàn)大容積沸騰現(xiàn)象。目前，針對大容積沸騰換熱已展開了大量研究。

Sateesh等[4]通過池沸騰實驗證實了汽泡滑移行為對加熱表面沸騰換熱量的重要貢獻。在低熱流密度條件下，汽泡滑移距離較長，對換熱具有較大影響；在高熱流密度條件下，汽泡滑移距離變短，對換熱貢獻減弱。Gupta等[5]進行了一系列管束核態(tài)沸騰實驗研究。結(jié)果顯示，沿汽泡流動方向沸騰換熱系數(shù)有增大的趨勢；在相同條件下，上部管道的沸騰換熱性能較底部管道的好。國內(nèi)也有不少學(xué)者[6-8]對管束核態(tài)沸騰進行了詳細(xì)研究。

然而在應(yīng)用中，尤其是針對大功率核反應(yīng)堆余熱排出換熱器，一般都是由大量光管組成。以AP1000非能動余熱排出換熱器為例，其換熱管束由689根光管組成，在這種換熱管排布密集的狀態(tài)下，當(dāng)換熱器在高功率下投入運行時，中心管區(qū)域管束外產(chǎn)生的大量氣泡能否順利脫離，周圍液體能否有效補給將嚴(yán)重影響著換熱器的換熱性能。然而，有關(guān)這方面的研究尚未見文獻報道。為此，本文從實驗研究入手，通過分析豎直管束中心管與旁管沸騰換熱性能的差異，嘗試給出豎直管束換熱特性變化規(guī)律，為進一步研究密集管束下?lián)Q熱器沸騰換熱性能提供參考。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

實驗裝置(圖1)主要由電加熱鍋爐、高位水箱、換熱管束、凝液測量罐、儲液罐以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。本實驗中，通過電加熱鍋爐產(chǎn)生0.035～0.57 MPa(表壓)的飽和蒸汽作為加熱工質(zhì)。

換熱管束由7根管材為B30銅鎳合金的光滑管按正三角形排列組成(圖2)。為了降低管束內(nèi)側(cè)蒸汽冷凝時的入口效應(yīng)，以及管束外側(cè)水箱內(nèi)液位波動對換熱的影響，在每根換熱管的上端均包覆有長度為100 mm的絕熱硅膠套管，使各換熱管有效換熱長度均為500 mm。管束頂部的封頭內(nèi)裝有流量分配孔板，以保證蒸汽盡可能均勻地流入管束。

圖1 實驗系統(tǒng)

1、2、3、4表示熱電偶位置；1#、2#、3#、4#、5#表示不同測溫截面

高位水箱內(nèi)為常壓下的飽和水，水箱內(nèi)沸騰產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)上方冷凝器冷凝后凝液重新返回水箱，從而維持水箱內(nèi)液位的恒定。為盡量減少散熱對實驗結(jié)果的影響，實驗中對換熱管束之外的水箱、管路以及閥門等均采取了保溫措施。

1.2 實驗參數(shù)測量

實驗中，沿?fù)Q熱管束的軸向設(shè)置了5個測溫截面(圖2)，與下管板的距離分別為7、17、27、37和47 cm，每個截面均對稱點焊1對NiCr-NiSi熱電偶，用來測量中心管和旁管的外壁面溫度。高位水箱內(nèi)的水溫由固定在管束拉桿上的5個與換熱管束等高度的NiCr-NiSi熱電偶測量。

熱電偶測得的數(shù)據(jù)由NI數(shù)據(jù)采集板輸入到計算機中保存。另外，采用兩個銅-康銅鎧裝熱電偶分別測量管束入口處的蒸汽溫度和凝液測量罐內(nèi)的凝液溫度。為考察管束效應(yīng)以及中心管和旁管換熱能力的差異，實驗設(shè)置了兩個凝液測量罐分別收集中心換熱管和旁管的凝液量，在完全冷凝狀態(tài)下即可基于熱平衡方程計算得出換熱量，進而確定平均熱流密度。因此，熱流密度的變化僅與飽和蒸汽流量相關(guān)，可通過調(diào)節(jié)設(shè)定蒸汽入口壓力來分析不同熱流密度條件下中心管與旁管換熱特性的變化。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 豎直管束與單管的比較

圖3 管束與單管的沸騰換熱系數(shù)比較

為分析豎直管束與單管的沸騰換熱差異，圖3示出了豎直管束和單管的沸騰換熱系數(shù)隨熱流密度的變化。圖3中管束沸騰換熱系數(shù)實驗數(shù)據(jù)包括中心管與旁管各自的平均換熱系數(shù)。

由圖3可知，在整個實驗參數(shù)變化范圍內(nèi)，中心管和旁管的沸騰換熱系數(shù)均明顯高于單管。在相同熱流密度條件下，管束沸騰換熱系數(shù)可達到單管的1.2～1.5倍。相對于單管，豎直管束內(nèi)會形成汽泡上升通道，在管束內(nèi)形成的汽泡流以及汽液密度差引起的浮升力作用下，誘發(fā)飽和液體從管束下部進入管束通道向上流動，形成整體對流運動，管束中這種由上升汽泡誘發(fā)的汽液兩相流動，可達到較高的流速，這不僅促進了管束外壁面汽泡脫離，同時造成通道內(nèi)流體劇烈擾動，從而使得壁面換熱過程得到進一步的強化[9]。

2.2 豎直管束中心管與旁管的比較

為考察中心管和周圍旁管在整個實驗參數(shù)變化范圍內(nèi)換熱特性的差異，本文結(jié)合實驗現(xiàn)象觀察，從壁面過熱度、換熱量以及沸騰換熱系數(shù)3方面進行了對比。

1) 實驗現(xiàn)象

實驗中，旁管均勻分布于中心管周圍，即中心管完全處于旁管構(gòu)成的管束通道內(nèi)，管壁沸騰產(chǎn)生的氣泡趨向通道中心區(qū)域流動，氣泡導(dǎo)致的流體擾動以及流體速度影響均不同于旁管邊緣區(qū)域。據(jù)此，將豎直管束在徑向上的換熱區(qū)域劃分為中心區(qū)域和邊緣區(qū)域(圖4)。

圖4 換熱區(qū)域分區(qū)示意圖

從實驗現(xiàn)象的觀察來看，在低熱流密度下，管束外產(chǎn)氣量較低，旁管外壁面脫離的汽泡在浮力的作用下，趨向管道中心區(qū)域流動，促進了中心管外壁面汽泡的脫離；在高熱流密度下，中心管外含氣量明顯增加，一部分汽泡聚合后包覆在換熱管周圍，導(dǎo)致中心管外壁面局部區(qū)域形成了汽膜層(圖5)。

圖5 管束通道內(nèi)汽泡行為示意圖

2) 壁面過熱度對比

圖6 中心管和旁管各截面壁面溫度分布

從中心管與旁管外壁面溫度沿?fù)Q熱管軸向的變化(圖6)也可看出，在熱流密度較低(45 kW/m2)時，旁管各截面處壁面溫度均高于中心管對應(yīng)截面處的溫度。隨熱流密度的增加(109 kW/m2)，出現(xiàn)了中心管和旁管不同截面位置處壁面溫度變化的交叉，在熱流密度達到182 kW/m2時，中心管外3#截面溫度較旁管高出近2 ℃，且隨熱流密度的增加，溫度交叉點具有逐漸向換熱管下方移動的趨勢。

在本實驗的熱流密度變化范圍內(nèi)，中心管與旁管外壁面過熱度的對比示于圖7。從圖7可看出，熱流密度低于109 kW/m2時，中心管外壁面過熱度均低于旁管，而當(dāng)熱流密度高于109 kW/m2時，中心管外壁面過熱度則高于旁管。

圖7 壁面過熱度隨熱流密度的變化

3) 換熱量對比

為進一步說明管束效應(yīng)對豎直管束不同區(qū)域換熱能力的差異，圖8示出了中心管與旁管凝液量變化曲線。由圖8可知，在低熱負(fù)荷條件下，中心管凝液量是旁管凝液量的1.3倍左右。隨熱負(fù)荷的增加，中心管與旁管凝液量的差別越來越小(圖8、9)，即中心管與旁管的換熱量趨于相同。

圖8 蒸汽壓力對凝液量的影響

4) 沸騰換熱系數(shù)對比

(1)

式中：h中和h旁分別為中心管和周圍旁管的沸騰換熱系數(shù)；Q中和Q旁分別為中心管和周圍旁管的單位面積換熱量；tw為外壁面溫度；tsat為飽和水溫度。

圖9 中心管與旁管凝液量比值變化

由式(1)可知，中心管與旁管的沸騰換熱系數(shù)取決于單位面積換熱量和壁面過熱度的變化。在高熱負(fù)荷條件下，當(dāng)單位面積換熱量不變時，中心管的壁面過熱度高于旁管的壁面過熱度，必然導(dǎo)致中心管的沸騰換熱系數(shù)低于旁管的(圖10)。即中心管的換熱特性在整個熱負(fù)荷變化范圍內(nèi)，并不總是優(yōu)于旁管的。由圖10可知，在高熱流密度區(qū)(大于200 kW/m2)，旁管的沸騰換熱系數(shù)相對于中心管提高了近7%。同時，從圖中實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律來看，中心管與旁管的沸騰換熱系數(shù)差異有隨熱流密度增加而逐漸增大的趨勢。

圖10 中心管與旁管的沸騰換熱系數(shù)對比

這是因為在熱負(fù)荷較低時，中心管與旁管核化點密度均較低，加熱壁面上產(chǎn)生的汽泡相互影響較小。在長大、脫離過程中，受浮力影響，汽泡群區(qū)域向管束中心區(qū)域流動，增強了管束中心區(qū)域流體的擾動，同時也進一步加速了中心管外壁面汽泡的脫離頻率，帶走更多的熱量，因此中心管外壁面的溫度低于旁管，此時管束效應(yīng)對中心管的強化效果優(yōu)于旁管。

隨熱負(fù)荷的增加，傳熱管壁面核化點密度提高，汽泡產(chǎn)生速率加快，汽泡間相互作用加強，導(dǎo)致新生汽泡滑移距離變短，提前脫離壁面，沸騰現(xiàn)象變得劇烈。尤其是管束上方中心區(qū)域，汽泡的大量聚合導(dǎo)致管束內(nèi)局部流動阻力增大，大汽泡的脫離受阻，使大量上升汽泡匯聚在中心管壁面，造成局部干涸，即上升汽泡的包覆效應(yīng)[10]。這在一定程度上削弱了中心管的換熱能力，使得旁管的換熱能力優(yōu)于中心管。

通過上述分析可知，管束中心管與旁管的換熱性能存在差異，尤其在高熱負(fù)荷條件下，管束中心管的換熱性能低于旁管，且隨熱負(fù)荷的增加，旁管對中心管的換熱優(yōu)勢將有可能進一步擴大。

3 結(jié)論

1) 在相同條件下，由于管束效應(yīng)的影響，豎直管束的池沸騰換熱能力明顯強于豎直單管。管束的換熱系數(shù)是單管的1.2～1.5倍。

2) 在本實驗中，中心管凝液量大于旁管凝液量。隨熱負(fù)荷的增加，這一差異逐漸減小。

3) 在相同熱負(fù)荷實驗條件下，豎直管束中心管和旁管各區(qū)域的換熱能力并不相同。低熱流密度區(qū)，中心管的換熱系數(shù)高于旁管；高熱流密度區(qū)，旁管的換熱能力相對于中心管提高了近7%，且隨熱負(fù)荷的增加有繼續(xù)增大的趨勢。

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