高溫氣冷堆環(huán)境模擬裝置動(dòng)態(tài)傳熱特性建模分析

李聰新，任 成，楊星團(tuán)，姜?jiǎng)僖?，孫艷飛

(清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

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高溫氣冷堆環(huán)境模擬裝置動(dòng)態(tài)傳熱特性建模分析

李聰新，任 成，楊星團(tuán)*，姜?jiǎng)僖?，孫艷飛

(清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研制了模擬高溫氣冷堆溫度、環(huán)境氛圍的材料測試裝置，可進(jìn)行1 600 ℃及以下高溫碳還原環(huán)境下的各類實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，建立了模擬其高溫、真空條件下輻射、導(dǎo)熱動(dòng)態(tài)傳熱特性的二維數(shù)學(xué)模型。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)裝置各測點(diǎn)的實(shí)測溫度變化趨勢一致，可解釋實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到的多種動(dòng)態(tài)傳熱現(xiàn)象。此外，該模型可對(duì)材料測試區(qū)徑向溫度分布、不同加熱功率條件下發(fā)熱體最高溫度等難以直接測量的重要參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，給出進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)性建議。

高溫氣冷堆；環(huán)境模擬裝置；高溫；真空；輻射傳熱

大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站項(xiàng)目被列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》16個(gè)重大專項(xiàng)之一，發(fā)展高溫氣冷堆技術(shù)是一項(xiàng)重大的國家戰(zhàn)略[1]，不但關(guān)系到國家能源安全，而且對(duì)于帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義，尤其是相關(guān)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有十分廣闊的前景。

目前，與高溫氣冷堆技術(shù)配套的工業(yè)體系尚未完全建立。雖然我國在重大設(shè)備制造方面已有突破，但在材料相關(guān)配套工業(yè)方面還有待進(jìn)一步發(fā)展。國內(nèi)針對(duì)高溫氣冷堆環(huán)境下的材料測試與考驗(yàn)方面的研究不多，設(shè)計(jì)計(jì)算主要參考國外的材料數(shù)據(jù)[2]，因此很多材料依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴。事實(shí)上，目前國內(nèi)工業(yè)界在高溫材料研發(fā)、制造方面發(fā)展迅速，新材料、新工藝層出不窮，但是否能在高溫氣冷堆環(huán)境氛圍下應(yīng)用卻尚不清楚。

為此，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研制了模擬高溫氣冷堆溫度、環(huán)境氛圍的材料實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可進(jìn)行1 600 ℃及以下高溫、真空、碳還原環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，開展相關(guān)材料的研究工作[3]。目前，該實(shí)驗(yàn)裝置已取得一系列1 600 ℃左右的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4-5]。由于目前測量方法和工程因素的限制，實(shí)驗(yàn)裝置的部分關(guān)鍵參數(shù)(如發(fā)熱體動(dòng)態(tài)溫度)難以直接測量，高溫動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)過程缺乏定性指導(dǎo)，因此，有必要建立該實(shí)驗(yàn)裝置在高溫、真空條件下的動(dòng)態(tài)輻射導(dǎo)熱模型，進(jìn)一步深入理解實(shí)驗(yàn)過程中的傳熱現(xiàn)象，指導(dǎo)后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 高溫氣冷堆環(huán)境模擬裝置

該裝置設(shè)計(jì)為石墨電阻爐形式，中心采用電極石墨做發(fā)熱體，該發(fā)熱體是圓柱形電極石墨通過切削而成。石墨發(fā)熱體外側(cè)為石墨均溫套筒，在真空條件下，兩者之間的熱傳遞方式僅有表面對(duì)表面輻射。均溫套筒外側(cè)為環(huán)形材料測試區(qū)，在本次實(shí)驗(yàn)過程中其為直徑60 mm石墨球(約700個(gè))組成的隨機(jī)堆積球床。材料測試區(qū)外是硬質(zhì)碳?xì)直貙印Ｖ行膮^(qū)域高度為1 m，上面是500 mm厚軟質(zhì)碳?xì)直貙雍?00 mm厚真空腔，下面是500 mm厚硬質(zhì)碳?xì)直貙?。銅電極和石墨電極穿過下保溫層連接到發(fā)熱體。保溫層外側(cè)為雙層水冷壁，在真空實(shí)驗(yàn)條件下可保持爐內(nèi)壓力小于30 Pa。材料測試區(qū)和上、下、側(cè)保溫層均布置有測溫?zé)犭娕?。測試裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料、測點(diǎn)位置示于圖1。

圖1 環(huán)境模擬裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料和測點(diǎn)布置Fig.1 Inner structure, materials and arrangement of test points of environment simulating facility

在動(dòng)態(tài)仿真過程中所需材料物性參數(shù)參考值列于表1。

表1 材料熱物性參數(shù)參考值Table 1 Reference value of material thermal property

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

本次模擬的對(duì)象是一次已完成的鎢錸熱電偶在1 600 ℃高溫、真空條件下與石墨球直接接觸的穩(wěn)定性考驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)過程持續(xù)時(shí)間較長，選取其中調(diào)節(jié)功率升溫、1 100 ℃左右保溫、再升溫到1 600 ℃左右保溫的一個(gè)過程作為模擬仿真的對(duì)比數(shù)據(jù)。該過程約60 h，動(dòng)態(tài)過程中功率調(diào)節(jié)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)過程中的加熱功率Fig.2 Heating power during experiment process

實(shí)驗(yàn)過程中球床及保溫層中實(shí)測溫度變化如圖3所示。其中T1～T12為測量裝置對(duì)應(yīng)位置測點(diǎn)的溫度。

圖3 球床及保溫層溫度歷史Fig.3 Temperature history of pebble bed and insulation layer

2 數(shù)學(xué)模型

實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置的三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以建立完全反映其具體結(jié)構(gòu)和物理過程的仿真模型。除均溫套筒、保溫層等簡單結(jié)構(gòu)、單一材料區(qū)域可直接應(yīng)用柱坐標(biāo)系下的二維導(dǎo)熱方程外，其他結(jié)構(gòu)須經(jīng)適當(dāng)簡化，才能進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真。

2.1 發(fā)熱體

石墨發(fā)熱體的三維結(jié)構(gòu)如圖4所示，發(fā)熱體主體為環(huán)狀，側(cè)面挖有凹槽，下面與石墨電極相連。將其簡化為一具有內(nèi)熱源的圓環(huán)，圓環(huán)表面為真空條件下的表面對(duì)表面輻射。

圖4 石墨發(fā)熱體三維模型Fig.4 3D model of graphite heater

對(duì)于發(fā)熱體內(nèi)部，有：

(1)

(2)

其中：P為總加熱功率，根據(jù)加熱回路各部分的電阻計(jì)算結(jié)果，發(fā)熱體發(fā)熱量約為總加熱功率的95%；V為發(fā)熱體實(shí)際體積。等效圓環(huán)的內(nèi)半徑、高度和體積分別與原發(fā)熱體相同，從而保證質(zhì)量守恒。

假設(shè)圓環(huán)內(nèi)外表面為灰體表面，根據(jù)所用石墨材料表面發(fā)射率，圓環(huán)表面發(fā)射率ε取為0.9，則：

(3)

其中：?T/?n為表面外法線方向溫度梯度；Eb為當(dāng)前溫度下的黑體輻射，Eb=n2σT4，σ為斯特潘-波爾茲曼常量；n為透明介質(zhì)的折射率，在真空中為1；J為圓環(huán)表面的有效輻射；(1-ε)/ε為單位表面積的表面輻射熱阻。

2.2 球床

球床區(qū)由約700個(gè)直徑60 mm的石墨球隨機(jī)堆積而成，其三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。球床區(qū)域?qū)?00 mm，約為2倍球徑。球床導(dǎo)熱機(jī)理復(fù)雜，在真空條件下有3種傳遞方式[6]：1) 均溫套筒、石墨球、側(cè)保溫層內(nèi)側(cè)三者的表面間相互輻射；2) 均溫套筒、石墨球、側(cè)保溫層的接觸導(dǎo)熱；3) 石墨球內(nèi)部的導(dǎo)熱。3種熱傳導(dǎo)方式存在耦合關(guān)系，不能忽略某種傳熱方式，必須進(jìn)行適當(dāng)簡化才能進(jìn)行計(jì)算。

圖5 球床和等效結(jié)構(gòu)Fig.5 Pebble bed and equivalent structure

球床傳熱通常采用等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算，將球床視為一擬均勻介質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)是輻射、導(dǎo)熱、對(duì)流等作用的總體效果。目前有多種等效導(dǎo)熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[7]，但都不適用距壁面4倍球徑以內(nèi)的近壁面區(qū)域[8]，因此本實(shí)驗(yàn)裝置的球床區(qū)不能采用等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算。

隨著計(jì)算機(jī)能力的增強(qiáng)和CFD軟件的發(fā)展，目前已可對(duì)規(guī)則堆積的球床流動(dòng)、傳熱進(jìn)行直接數(shù)值模擬[9-12]，但以目前的計(jì)算能力，直接數(shù)值計(jì)算僅限于球床中的局部結(jié)構(gòu)，球的個(gè)數(shù)一般為一到幾十個(gè)，當(dāng)計(jì)算中涉及球表面間輻射傳熱時(shí)，可直接進(jìn)行三維數(shù)值模擬的球的個(gè)數(shù)更少，即使采用多面體網(wǎng)格等高效率的CFD方法[13]，也難以對(duì)由700多個(gè)球隨機(jī)堆積的結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接計(jì)算。

在高溫、真空條件下，球床動(dòng)態(tài)傳熱特性主要由球內(nèi)部的導(dǎo)熱和球表面對(duì)空間輻射的遮擋決定，為此，將球床區(qū)簡化為柱坐標(biāo)下一排豎直排列的圓，這些圓和側(cè)壁以及圓和圓之間等間距排列、并不直接接觸。

由于球是一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，若這些圓繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)所形成的圓環(huán)體積等于真實(shí)球床的球總體積，則總的遮擋面積將減少，因此在模擬時(shí)圓面積適當(dāng)增大，旋轉(zhuǎn)圓環(huán)體積大于真實(shí)球床體積。為保證質(zhì)量守恒，密度做相應(yīng)減小，從而保證球床總熱容不變，導(dǎo)熱系數(shù)保持不變，從而保證穩(wěn)態(tài)傳熱量不變。

因?yàn)榻佑|面積非常小，欲模擬直接接觸會(huì)導(dǎo)致計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目極大增加，多數(shù)文獻(xiàn)[12-13]在進(jìn)行球床局部結(jié)構(gòu)直接計(jì)算時(shí)也采用不接觸的結(jié)構(gòu)。接觸導(dǎo)熱通過在圓的間隙中填充一熱容很小的不參與輻射的導(dǎo)熱介質(zhì)計(jì)算，作為不考慮球接觸導(dǎo)熱的一種修正。適當(dāng)調(diào)整填充介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)以使模擬結(jié)果和真實(shí)測量結(jié)果更接近。

無論是對(duì)于圓還是填充介質(zhì)內(nèi)部，均可用相同的導(dǎo)熱方程形式描述：

(4)

其中，ρi、ci和λi分別為石墨或虛擬填充介質(zhì)的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。

對(duì)于交界面，由交界面兩側(cè)熱流量守恒得：

(5)

其中：λ1為石墨球的導(dǎo)熱系數(shù)；λ2為填充介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3 電極

電極由石墨電極和銅電極兩部分通過螺紋連接而成，如圖6所示。石墨電極上部通過石墨螺栓和發(fā)熱體相連。電極外面是絕緣套筒，用于和下保溫層碳?xì)纸^緣。電極和絕緣套筒以及絕緣套筒和下保溫層之間均存在間隙。

將電極和絕緣套筒等效為柱坐標(biāo)下同體積矩形區(qū)域?qū)?，由于銅的電阻率遠(yuǎn)小于石墨，可認(rèn)為銅電極不含內(nèi)熱源，石墨電極內(nèi)熱源為總加熱功率的5%。絕緣套筒及間隙結(jié)構(gòu)用薄熱阻層近似，石墨電極與銅電極、石墨電極與發(fā)熱體連接處的熱阻也通過薄熱阻層近似。假設(shè)薄熱阻層會(huì)使兩種介質(zhì)交界面處溫度不連續(xù)，且兩界面溫度分別為T1和T2，則：

(6)

其中：λ1、λ2為兩種介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；λs為假設(shè)薄熱阻材料的導(dǎo)熱系數(shù)，通常是一個(gè)小值；ds為假設(shè)薄熱阻層的厚度。

圖6 電極及等效結(jié)構(gòu)Fig.6 Electrode and equivalent structure

2.4 水冷壁

爐體外壁和上下端蓋均為中間通有冷卻水的雙層鋼結(jié)構(gòu)。將其簡化為等厚度鋼板，外部處于水強(qiáng)制對(duì)流的第3類邊界條件：

(7)

其中，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h取值為1 000～1 500 W/(m·K)。

2.5 簡化結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置簡化后的結(jié)果與圖1類似，為柱坐標(biāo)系下二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。用于求解的網(wǎng)格和主要傳熱方式如圖7所示。發(fā)熱體、碳?xì)帧㈦姌O等矩形區(qū)域采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；球床簡化成的圓及其間隙采用三角形網(wǎng)格(為了清晰，間隙網(wǎng)格作了隱藏處理)；真空區(qū)域?yàn)楸砻鎸?duì)表面?zhèn)鳠?，不需離散網(wǎng)格。

3 計(jì)算結(jié)果分析

上述仿真模型采用COMSOL Multiphysics軟件求解，所有計(jì)算結(jié)果均為網(wǎng)格無關(guān)解，因此不再進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性討論。

圖7 傳熱方式與離散網(wǎng)格Fig.7 Heat transfer mechanism and discrete mesh

首先采用實(shí)驗(yàn)過程中真實(shí)加熱功率做發(fā)熱體和石墨電極內(nèi)熱源計(jì)算模型動(dòng)態(tài)過程，驗(yàn)證模型可行性；然后通過該模型計(jì)算特定實(shí)驗(yàn)條件下的動(dòng)態(tài)過程，獲得難以直接測量的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，指導(dǎo)后繼實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

用實(shí)際實(shí)驗(yàn)功率作為仿真過程中發(fā)熱體和石墨電極內(nèi)熱源強(qiáng)度計(jì)算得到的各測點(diǎn)的溫度趨勢如圖8所示。與圖3相比，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在整體變化趨勢上基本一致，但在部分具體數(shù)值上不完全吻合。

圖8 計(jì)算得到的溫度歷史曲線Fig.8 Curve of calculated temperature history

1) 球床區(qū)

實(shí)驗(yàn)過程中以球床區(qū)測點(diǎn)溫度作為調(diào)節(jié)加熱功率的參考，保證溫度以恒定速率上升，并進(jìn)行一段時(shí)間的保溫，圖8的仿真結(jié)果可清晰地反映這一動(dòng)態(tài)過程，溫度均經(jīng)歷了兩次線性上升和保持過程，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況一致，可見計(jì)算模型符合實(shí)驗(yàn)裝置的主要導(dǎo)熱機(jī)理。在高溫保溫階段，計(jì)算和模擬結(jié)果較為一致，均為1 600 ℃左右，但在中段1 100 ℃保溫階段，計(jì)算得到的結(jié)果約為900 ℃，約有20%的誤差?？紤]到碳?xì)植牧衔镄詤?shù)參考值的誤差和各部分真實(shí)結(jié)構(gòu)的簡化，計(jì)算結(jié)果絕對(duì)值的誤差可接受。

球床區(qū)中心布置的3只測溫?zé)犭娕迹m然軸向?yàn)閷?duì)稱布置，但由于下保溫層導(dǎo)熱系數(shù)較上保溫層導(dǎo)熱系數(shù)大，加之電極結(jié)構(gòu)引起的熱量散失，導(dǎo)致球床區(qū)溫度分布并非沿軸向中心對(duì)稱，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3)可見，上、中兩個(gè)測點(diǎn)(T8、T9)溫度接近，與下面測點(diǎn)(T7)有一定溫差，從圖8也可看出這一現(xiàn)象。

2) 保溫層

由于保溫層材料、厚度不同，熱量從中心發(fā)熱體傳遞到保溫層測點(diǎn)的傳熱機(jī)理也不同，在加熱的動(dòng)態(tài)過程中，各測點(diǎn)對(duì)于加熱功率變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不同，會(huì)觀察到保溫層溫度歷史曲線存在復(fù)雜的交叉現(xiàn)象。數(shù)值模擬的結(jié)果也充分顯示了這種現(xiàn)象，以側(cè)保溫層內(nèi)側(cè)溫度T1和上保溫層下側(cè)溫度T10為例，測量和計(jì)算溫度都表現(xiàn)出多次交叉現(xiàn)象。這是由于熱量主要以導(dǎo)熱方式傳遞到上保溫層測點(diǎn)，溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響不大；而熱量傳遞到側(cè)保溫層則要通過1個(gè)純輻射層和1個(gè)輻射導(dǎo)熱都存在的球床層，之后才通過導(dǎo)熱方式在側(cè)保溫層傳輸。輻射傳熱與絕對(duì)溫度的4次方成正比，因此在不同溫度下，徑向?qū)嵝阅懿煌?，在功率變化時(shí)，動(dòng)態(tài)特性更加復(fù)雜。

3.2 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果可知，盡管由于裝置本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，材料物性參數(shù)、邊界條件的不確定性及對(duì)隨機(jī)球床等部分的簡化，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果在部分絕對(duì)數(shù)值上有一定的偏差，但構(gòu)建的二維模型基本上包含了材料測試裝置在真空條件下輻射、導(dǎo)熱的主要物理規(guī)律，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在整體變化趨勢上基本一致，可給出特定實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的合理解釋。

除了對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，該模型的另一個(gè)重要作用是對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測和指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)中只能測量該裝置少數(shù)代表性測點(diǎn)位置的溫度，仿真模型可計(jì)算出實(shí)驗(yàn)裝置的整體溫度場分布，如1 600 ℃保溫階段，裝置內(nèi)部溫度分布如圖9所示，可見，材料測試區(qū)和發(fā)熱體溫度較為均勻，主要溫降在保溫層區(qū)域；球床區(qū)域?qū)?yīng)的側(cè)保溫層軸向溫度變化很小，可近似為徑向一維導(dǎo)熱。

圖9 1 600 ℃時(shí)穩(wěn)態(tài)溫度場分布Fig.9 Static temperature distribution at 1 600 ℃

1) 徑向溫降

材料測試裝置設(shè)計(jì)的基本要求之一是環(huán)形球床測試區(qū)域溫度均勻，但由于從中心區(qū)域到球床徑向只有一個(gè)測點(diǎn)，難以檢驗(yàn)徑向溫度分布。從仿真結(jié)果(圖10)可看出，在1 600 ℃時(shí)，徑向溫降主要在側(cè)保溫層，球床區(qū)域可近似認(rèn)為溫度均勻。

圖10 徑向溫度分布Fig.10 Radial temperature distribution

2) 發(fā)熱體過熱溫度

發(fā)熱體內(nèi)部由于通電等原因，無直接溫度測點(diǎn)。在升溫過程中，以球床區(qū)測點(diǎn)溫度作為升溫參考，必須保證發(fā)熱體不因溫度過高而損壞。由于在動(dòng)態(tài)過程中發(fā)熱體溫度與球床溫度的差值不確定，加熱方案采用保守設(shè)定，開始采用小功率加熱，并隨溫度升高逐步增加功率。從實(shí)際加熱功率的仿真結(jié)果看，發(fā)熱體溫度始終未超過2 000 ℃，不會(huì)因超溫而損壞。但在加熱開始的階段，發(fā)熱體溫度較球床溫度高，最高時(shí)超過球床溫度300 ℃，其差值隨溫度整體升高而減小，如圖11所示。

圖11 實(shí)際加熱功率時(shí)發(fā)熱體和球床溫度Fig.11 Temperature of heater and pebble bed with real heating power

實(shí)驗(yàn)中擬采取的另一種加熱方式是采用1 600 ℃時(shí)的保溫功率加熱，在整個(gè)加熱過程中，功率維持不變，但由于之前擔(dān)心加熱開始即采用大功率加熱有可能使發(fā)熱體超溫?fù)p壞而未采用。圖12為模擬計(jì)算得到的采用9.1 kW恒功率加熱時(shí)發(fā)熱體、均溫套筒和球床中心的溫度歷史曲線?？梢?，發(fā)熱體并未超溫，但在加熱開始的10 h內(nèi)，發(fā)熱體溫度比球床溫度高，最高時(shí)超過球床溫度500 ℃，但溫差會(huì)隨著溫度的升高而迅速減小，在1 600 ℃時(shí)，兩者溫差可忽略，可認(rèn)為球床區(qū)溫度即可代表發(fā)熱體溫度。

圖12 恒功率9.1 kW加熱時(shí)發(fā)熱體和球床溫度Fig.12 Temperature of heater and pebble bed with static heating power of 9.1 kW

功率逐漸增加方案和直接采用穩(wěn)態(tài)功率加熱方案相比，在升溫的初始階段，發(fā)熱體與球床區(qū)溫差更大，但溫度升高后溫差迅速縮小，兩種加熱方案都不會(huì)引起發(fā)熱體超溫。

發(fā)熱體在加熱開始階段較球床溫度高，并隨溫度升高溫差消失，這一現(xiàn)象是由于發(fā)熱體到球床的傳熱包含輻射環(huán)節(jié)，在低溫時(shí)，輻射熱阻很大，導(dǎo)致熱量不能及時(shí)向外傳導(dǎo)。溫度升高，輻射傳熱能量增強(qiáng)，溫差減小。

4 結(jié)論

模擬高溫氣冷堆溫度、環(huán)境氛圍的材料測試裝置對(duì)于高溫氣冷堆相關(guān)材料研究具有基礎(chǔ)性的作用。本文通過合理簡化手段，建立了該實(shí)驗(yàn)裝置在真空、輻射條件下的二維數(shù)學(xué)物理仿真模型，可用于研究表面輻射和固體導(dǎo)熱共同作用下的傳熱機(jī)理，解釋實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)熱體在加熱過程中短時(shí)間超溫等多種動(dòng)態(tài)傳熱現(xiàn)象，預(yù)測發(fā)熱體最高溫度、軸向溫度分布等難以直接測量的物理量，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中加熱功率選擇等方面具有很好的指導(dǎo)作用。

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Modeling and Analysis of Dynamic Heat Transfer Characterization of Environment Simulating Facility for High Temperature Gas-cooled Reactor

LI Cong-xin, REN Cheng, YANG Xing-tuan*, JIANG Sheng-yao, SUN Yan-fei

(KeyLaboratoryofAdvancedReactorEngineeringandSafetyofMinistryofEducation,InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

A material performance test facility simulating the temperature and environment was built by Institute of Nuclear and New Energy Technology (INET) of Tsinghua University, by which kinds of tests at high temperatures of 1 600 ℃ and below in carbon reducing environment could be conducted. Through rational simplification of the facility, the 2D mathematical model of the facility was introduced, which could simulate the dynamic heat transfer characterization including radiation and conduction at high temperature and under vacuum conduction. The simulating result is coincident with the measured temperature tendency and lots of dynamic heat transfer phenomenon observed in experiments could be explained. Furthermore, some key parameters which are difficult to be measured directly can be evaluated by the model, such as the radial temperature distribution of material test zone, the maximum temperature of the heater with different heating powers, which could give some instructive suggestions to further experiments.

high temperature gas-cooled reactor; environment simulating facility; high temperature; vacuum; radiation heat transfer

2014-02-04;

2014-03-23

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20130002120015)；清華大學(xué)自主科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014z21023)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11072131)

李聰新(1984—)，男，河北衡水人，博士研究生，核能科學(xué)與工程專業(yè)

*通信作者：楊星團(tuán)，E-mail: yangxingtuan107@163.com

TL332

A

1000-6931(2015)06-1080-08

10.7538/yzk.2014.youxian.0009