超蒸發(fā)表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于ERVC 增強(qiáng)的初步實(shí)驗(yàn)研究

徐輝，匡波，劉鵬飛，唐琪，王凡

上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240

為緩解堆芯熔化的嚴(yán)重事故后果，有關(guān)設(shè)計(jì)提出通過(guò)非能動(dòng)地實(shí)施堆腔注水，以自然循環(huán)的冷卻水沸騰換熱來(lái)冷卻壓力容器下封頭(RPV)外壁，通過(guò)此壓力容器外部冷卻(ERVC)方案，實(shí)現(xiàn)熔融物堆內(nèi)滯留(IVR)，防止下封頭蠕變失效[1]。大型先進(jìn)壓水堆實(shí)施IVR?ERVC的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一就是如何設(shè)法增強(qiáng)RPV下封頭外壁沸騰換熱，并提高其傳熱限值臨界熱通量(CHF)。對(duì)RPV進(jìn)行表面開(kāi)槽加工處理就是其中一個(gè)可能的選項(xiàng)。事實(shí)上，受熱面開(kāi)槽的超蒸發(fā)方案，已用于聚變堆包層面向等離子體高熱負(fù)荷的第一壁或偏濾器外壁的概念設(shè)計(jì)。若以此作為ERVC條件下受熱面沸騰換熱及CHF的增強(qiáng)措施，也是值得關(guān)注與研究的方案之一[2?7]。

1 超蒸發(fā)效應(yīng)

超蒸發(fā)技術(shù)是指在較高熱流的沸騰受熱面上垂直于流動(dòng)方向開(kāi)出一些槽道，形成肋槽相間的表面結(jié)構(gòu)；在過(guò)冷的流動(dòng)沸騰時(shí)，允許肋底部壁溫度超過(guò)CHF溫度，而其余部分則仍維持在穩(wěn)定核態(tài)沸騰起始溫度左右。這樣，從整個(gè)受熱面看，在較高熱負(fù)荷下，即便受熱面局部溫度已較高，且短時(shí)局部發(fā)生CHF，但受熱面溫度平均起來(lái)仍不高，在一段時(shí)間內(nèi)，超蒸發(fā)表面并不出現(xiàn)整體上的傳熱惡化，也不會(huì)出現(xiàn)壁溫飛升或換熱急劇降低現(xiàn)象。由此可望提高臨界熱通量CHF[8?10]。

超蒸發(fā)效應(yīng)是一種提高過(guò)冷沸騰傳熱及CHF的機(jī)制，其過(guò)程機(jī)理主要與這樣一系列連續(xù)物理過(guò)程有關(guān)：由于熱負(fù)荷高，受熱面壁溫較高，表面相鄰兩肋間槽道內(nèi)壁上可率先沸騰，而肋外主流則處于過(guò)冷；產(chǎn)生的蒸汽泡(或汽塊)幾乎充滿槽道后，進(jìn)入主流迅速凝結(jié)，過(guò)冷的主流流體則補(bǔ)充“沖”入肋間槽道，只要槽內(nèi)壁面在充滿蒸汽期間還未達(dá)到Lindenfrost溫度，則完全能被沖入的過(guò)冷液體再潤(rùn)濕，然后重新沸騰。于是，這種相鄰肋間持續(xù)的沸騰—凝結(jié)即可提高換熱及CHF。此過(guò)程機(jī)理在本質(zhì)上就是當(dāng)肋間沸騰時(shí)，加熱壁熱量由肋間槽內(nèi)沸騰相變“吸走”，再通過(guò)肋外蒸汽傳輸與凝結(jié)過(guò)程傳遞給主流。顯然，表面超蒸發(fā)的有效性跟表面幾何結(jié)構(gòu)及流道系統(tǒng)內(nèi)熱工水力參數(shù)密切相關(guān)。

一般來(lái)說(shuō)，超蒸發(fā)表面的換熱及CHF增強(qiáng)效應(yīng)較適用于冷卻水過(guò)冷與低流速工況[11]。在非能動(dòng)IVR?ERVC應(yīng)用中，冷卻水通過(guò)自然循環(huán)流過(guò)熱負(fù)荷較高的朝下受熱曲面時(shí)，能否采用超蒸發(fā)表面技術(shù)有效提高沸騰換熱及臨界熱通量，從而提高ERVC的裕量，仍需進(jìn)行針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)探究。

本文對(duì)自然循環(huán)ERVC流道中加熱曲面朝下的沸騰工況，通過(guò)對(duì)比光滑與開(kāi)槽的超蒸發(fā)壁面換熱特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合可視化觀察，初步研討開(kāi)槽表面超蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用于增強(qiáng)ERVC的可行性。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)回路與測(cè)試系統(tǒng)

為探究非能動(dòng)ERVC中應(yīng)用超蒸發(fā)表面增強(qiáng)沸騰換熱及臨界熱通量的可行性，本文模擬非能動(dòng)ERVC條件，在如圖1所示的自然循環(huán)回路上，設(shè)置模擬原型的加熱試驗(yàn)段及相應(yīng)的流道；此外，整個(gè)實(shí)驗(yàn)回路還包括上升段、冷凝段、下降段等。加熱段進(jìn)口前還配有一循環(huán)泵旁路，供拓展進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)實(shí)驗(yàn)用，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為去離子水。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路

針對(duì)實(shí)際RPV下封頭外壁與保溫層間ERVC流道，實(shí)驗(yàn)回路在加熱段區(qū)域采用一段弧形流道，其中裝設(shè)一段外徑與原型RPV相當(dāng)、張角為7°的弧形厚加熱銅塊(本體由加熱棒間接加熱，模擬RPV壁的大熱容換熱邊界)；本體徑向中心線與鉛錘方向夾角為θ，實(shí)驗(yàn)中改變本體在弧形流道中位置，將其固定于θ處(模擬RPV不同位置)，可進(jìn)行弧形流道上相應(yīng)各方位角θ處沸騰換熱特性實(shí)驗(yàn)；從本體側(cè)面進(jìn)行深鉆孔，直至加熱塊對(duì)稱(chēng)面，在各溫度測(cè)孔插入?1mm鎧裝熱電偶。本文加熱本體有2種加熱塊，其一加熱面未開(kāi)槽，表面粗糙度為Ra6.3量級(jí)，簡(jiǎn)稱(chēng)“光滑面”；另一本體則在弧形加熱面上開(kāi)槽，簡(jiǎn)稱(chēng)“開(kāi)槽面”，肋寬、肋深、肋間距均為5mm，其他均與前一本體相同，參見(jiàn)圖2、3。此外，在與加熱塊對(duì)應(yīng)的弧形流道側(cè)壁還設(shè)有可視化觀測(cè)窗，配Y3-S1高速攝像系統(tǒng)。

圖2 開(kāi)槽面試驗(yàn)本體幾何結(jié)構(gòu)(單位：mm)

圖3 光滑面試驗(yàn)本體幾何結(jié)構(gòu)

另外，沿整個(gè)實(shí)驗(yàn)回路還設(shè)置了相應(yīng)的流道流體溫度測(cè)點(diǎn)、各段沿程壓力壓差測(cè)點(diǎn)、加熱(棒)功率測(cè)點(diǎn)以及回路循環(huán)流量等測(cè)點(diǎn)等。經(jīng)評(píng)定，加熱塊上測(cè)溫采用K型鎧裝熱電偶，最大擴(kuò)展不確定度(傳感器+信道)為1.94℃；各段流道中流體溫度測(cè)量采用T型鎧裝熱電偶，最大擴(kuò)展不確定度(傳感器+信道)1.04℃；以固態(tài)壓阻式壓力、壓差變送器測(cè)量回路上各壓力、壓差，最大擴(kuò)展不確定度(儀表+信道)分別是0.93kPa、0.47kPa；回路循環(huán)流量測(cè)量采用電磁流量計(jì)，最大擴(kuò)展不確定度(傳感器+信道)為0.15m3/h；總加熱功率測(cè)量不確定度(傳感器+信道)為0.34kW(相對(duì)值0.73%)。上述均以NI高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，并予存儲(chǔ)。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)處理

2.2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)在上述自然循環(huán)回路上進(jìn)行，工況控制與保持通過(guò)聯(lián)合調(diào)節(jié)加熱功率與冷凝功率實(shí)現(xiàn)。選定實(shí)驗(yàn)本體(開(kāi)槽面或光滑面本體)，按預(yù)設(shè)方位角θ安裝就位并檢查調(diào)試完畢；根據(jù)預(yù)定計(jì)劃逐步由低至高提升本體加熱功率，每提升一步加熱功率(以圖4所示為例)，相應(yīng)增加冷凝器冷卻流量；同時(shí)監(jiān)測(cè)回路中各熱力參數(shù)，先粗調(diào)后微調(diào)冷凝冷卻功率，最終保證加熱段入口溫度與回路壓力水平恢復(fù)到該步功率提升前的量值不變，并維持一段時(shí)間(圖中為9~40min不等)；確認(rèn)自然循環(huán)達(dá)到穩(wěn)態(tài)(各參數(shù)穩(wěn)定)后，適時(shí)采集本體上各測(cè)點(diǎn)溫度、流道各處水溫、流道各處壓力壓差、循環(huán)流量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。提升功率過(guò)程中，當(dāng)加熱功率接近預(yù)估量值時(shí)，改用小的提升步長(zhǎng)(實(shí)驗(yàn)中取最小功率調(diào)節(jié)步長(zhǎng))，本體近加熱面的測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)大幅溫度飛升時(shí)，迅速切除部分功率(如圖5)，即認(rèn)為在此功率水平下發(fā)生CHF，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)弧形流道側(cè)壁可視化窗對(duì)各加熱功率水平下本體表面沸騰過(guò)程進(jìn)行高速攝影圖像采集。

圖4 一次實(shí)驗(yàn)中加熱功率時(shí)序

圖5 發(fā)生CHF時(shí)試驗(yàn)本體測(cè)點(diǎn)溫度

2.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)每一加熱功率水平調(diào)節(jié)自然循環(huán)工況至各參數(shù)穩(wěn)定后，實(shí)時(shí)采集各溫度、壓力壓差以及流量時(shí)序信號(hào)，進(jìn)行時(shí)間平均處理。根據(jù)實(shí)際控制調(diào)節(jié)、采集并時(shí)均處理得到的加熱功率Pw與本體加熱面面積Sw，可有曲面平均視在熱流w：

同時(shí)，利用本體上各測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)量值，采用導(dǎo)熱逆問(wèn)題程序計(jì)算得到加熱本體上的溫度分布，以及換熱曲面上實(shí)際的當(dāng)?shù)販囟萒w與當(dāng)?shù)責(zé)崃鱭w(以加熱曲面中心線處為準(zhǔn))；定義熱流修正因子為：

另外，主流平均溫度Tb是基于入口溫度Tin由流道內(nèi)熱平衡估計(jì)得到，這樣，定義本體加熱面的當(dāng)?shù)胤序v換熱系數(shù)α如下：

上述臨界熱流密度與換熱系數(shù)的不確定度均可由傳感器不確定度與間接測(cè)量方法綜合估計(jì)。經(jīng)評(píng)定，本文試驗(yàn)中最大不確定度分別為315.8、162.8kW/(m2·K)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 ERVC條件下開(kāi)槽面的沸騰換熱特征及可視化

在自然循環(huán)回路中，逐步提高本體加熱功率展開(kāi)實(shí)驗(yàn)。在各功率水平下，對(duì)模擬下封頭外壁的朝下弧形實(shí)驗(yàn)本體開(kāi)槽表面上ERVC沸騰換熱過(guò)程與特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量與可視化觀測(cè)。圖6給出了弧形流道本體分別在θ=7.5°、37.5°、67.5°以及82.5°處的各次實(shí)驗(yàn)中，在不同加熱功率水平下得到的臨界前沸騰過(guò)程中開(kāi)槽面熱流qw隨壁面過(guò)熱度ΔT=Tw?Tsat的變化(圖中各次最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為非常接近CHF的上一個(gè)最小加熱步長(zhǎng)時(shí)值)。

圖6 開(kāi)槽面不同方位角θ處的沸騰換熱曲線

可以看到，在ERVC條件下，臨界前沸騰換熱熱流與壁面過(guò)熱度呈正相關(guān)性，即熱流越大，壁面過(guò)熱度越大；隨著方位角θ增加，汽泡排出條件與換熱條件顯著改善，相同熱流下壁溫可更低?？紤]到熔融物重定位形成下封頭內(nèi)熔池時(shí)其外壁熱流隨方位角θ的分布趨勢(shì)，上述沸騰換熱能力隨方位角θ增加而增加的趨勢(shì)是適宜的。

圖7給出了在本體分別位于弧形流道中θ=7.5°、37.5°、67.5°以及82.5°處時(shí)，所測(cè)得的開(kāi)槽面的臨界熱通量CHF值?？梢钥吹?，隨著方位角θ的增加，加熱表面及槽道內(nèi)汽泡的排出越來(lái)越容易，蒸汽越難存積，因此CHF也逐漸增大，且CHF隨方位角的增加先快速增加，而后增加趨緩。

圖7 開(kāi)槽面不同方位角 θ 處的CHF值

圖8、9給出了本體安裝方位角q分別為7.5°、82.5°時(shí)，其開(kāi)槽面上典型沸騰換熱過(guò)程的可視化圖像。由圖8(a)、(c)、(e)可以看到，方位角 θ=7.5°時(shí)，在較低熱負(fù)荷(0.137MW/m2)下，開(kāi)槽面上先在槽內(nèi)產(chǎn)生孤立蒸汽泡，后合并積累成條狀汽團(tuán)，直至充滿整個(gè)槽道，此為“聚汽”階段；同時(shí)，因方位角θ=7.5°較低，本體表面幾乎朝下，汽泡受肋的阻礙不易脫出；最后，被槽外過(guò)冷液體攜帶沿主流(圖中從右至左)沖出槽道并凝結(jié)，此為“排汽”與“凝結(jié)”階段，槽中汽團(tuán)依次被“清除”，沸騰過(guò)程呈典型的超蒸發(fā)效應(yīng)。整個(gè)周期計(jì)約2s，為間歇性擾動(dòng)過(guò)程。

圖8 開(kāi)槽面方位角7.5°處不同熱負(fù)荷下的可視化圖像

圖9 開(kāi)槽表面方位角82.5°處不同熱負(fù)荷下的可視化圖像

在圖8(b)、(d)、(f)中，本體加熱面的方位角q仍為7.5°，但熱負(fù)荷較高(0.70MW/m2)，接近該角度處CHF。因熱負(fù)荷高，汽泡生成速率大，槽內(nèi)很快“聚汽”成條狀汽團(tuán)，隨后大塊“排汽”沖出槽道，推動(dòng)主流“凝結(jié)”清除槽道，冷液重新充填。整個(gè)周期典型計(jì)約0.33s，遠(yuǎn)快于低熱負(fù)荷時(shí)的情況，間歇擾動(dòng)十分劇烈，換熱更有效。

再增加一點(diǎn)熱負(fù)荷，槽內(nèi)“聚汽”更快，“排汽—凝結(jié)”過(guò)程提前，當(dāng)“聚汽”連續(xù)不斷，而“排汽”“凝結(jié)”過(guò)程無(wú)法與之相匹配時(shí)，即出現(xiàn)溫度飛升，發(fā)生CHF。

圖9給出了方位角q=82.5°時(shí)，不同熱負(fù)荷下開(kāi)槽面上的沸騰傳輸過(guò)程觀測(cè)圖像?？梢钥吹剑涸诘蜔嶝?fù)荷下(0.114MW/m2)，“聚汽”中因汽泡產(chǎn)生率低，且因方位角較高而“排汽”及“凝結(jié)”較容易，汽泡多在產(chǎn)生后逐個(gè)脫離排出，因此基本上無(wú)法看到條狀汽團(tuán)充滿槽內(nèi)，“排汽—凝結(jié)”過(guò)程比較連續(xù)，幾乎沒(méi)有典型的周期。顯然由于排汽的改善，此高角度處的沸騰換熱能力及其限值CHF要高于低θ處。在高熱負(fù)荷工況(1.431MW/m2)，“聚汽”過(guò)程隨著蒸汽產(chǎn)生率的增加，也出現(xiàn)了充滿槽道的大塊汽團(tuán)。在隨后的“排汽”與“凝結(jié)”階段中，此汽團(tuán)得以清除。由于熱負(fù)荷更高及槽肋阻力更小，典型的沸騰周期短至0.25s，換熱能力更強(qiáng)，直至更高熱負(fù)荷下達(dá)到CHF。

3.2 ERVC條件下開(kāi)槽面相對(duì)于光滑面的沸騰增強(qiáng)

圖10給出了在本體分別位于弧形流道中θ=7.5°、37.5°、67.5°以及82.5°處的各次實(shí)驗(yàn)中，于不同加熱功率水平下得到的臨界前沸騰過(guò)程中開(kāi)槽及光滑面熱流qw隨壁面過(guò)熱度ΔT=Tw?Tsat的變化(圖中各次最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為非常接近CHF的上一個(gè)加熱步長(zhǎng)的值)。由圖10可知，開(kāi)槽面與光滑面相比，其沸騰曲線的泡核沸騰區(qū)段是顯著左移了，說(shuō)明在相同的ERVC熔池?zé)嶝?fù)荷條件下，比起光滑面來(lái)，開(kāi)槽面壁溫(壁面過(guò)熱度)要顯著地低一些；而且，對(duì)各方位角處的開(kāi)槽面來(lái)說(shuō)，各泡核沸騰區(qū)段沸騰曲線也不重合，隨方位角從小到大增加依次左移；而光滑面各方位角處的沸騰曲線則沒(méi)有明顯的左移。顯然，開(kāi)槽面不論在其承載的熱負(fù)荷，還是在承受熱負(fù)荷時(shí)其壁面溫度等方面均較光滑面有一定優(yōu)越性。

圖10 開(kāi)槽面與光滑面不同方位角θ處的沸騰換熱曲線

圖11給出了在本體分別位于弧形流道中θ=7.5°、37.5°、67.5°以及82.5°處的各次實(shí)驗(yàn)中(入口水溫為93~98℃)，通過(guò)逐步提升加熱功率水平所測(cè)得的開(kāi)槽面與光滑面各處臨界熱通量CHF值的對(duì)比。可以看到，除極低方位角(如θ=7.5°)外，在其他中等或較高方位角處，開(kāi)槽面在對(duì)應(yīng)角度下的臨界熱負(fù)荷CHF也比光滑面有顯著提升，自θ=37.5°始直至82.5°，CHF提升幅度在30%~75%。這些都有助于提高ERVC熱負(fù)荷有效性，進(jìn)一步地提高IVR?ERVC的熱負(fù)荷裕量。

圖11 開(kāi)槽面和光滑面各方位角θ處實(shí)際臨界熱通量分布

上述關(guān)于開(kāi)槽面相對(duì)于光滑面的沸騰增強(qiáng)機(jī)理，可結(jié)合圖12的可視化結(jié)果得到印證。圖12給出了在加熱功率約為最終達(dá)到CHF時(shí)功率95%的情況下，處于相同方位角(θ=67.5°)的開(kāi)槽及光滑本體表面上的兩相沸騰傳輸過(guò)程的可視化圖像?？梢杂^察到開(kāi)槽和光滑面上兩相流動(dòng)均有一定周期性，但由于開(kāi)槽面上槽內(nèi)“聚汽”與“排汽”、“凝結(jié)”過(guò)程相匹配，仍能觀察到顯著的超蒸發(fā)效應(yīng)。加之換熱面實(shí)際面積也因開(kāi)槽而有所擴(kuò)展，而光滑面上則沒(méi)有此現(xiàn)象。因此，開(kāi)槽面上換熱得以強(qiáng)化，壁面過(guò)熱度明顯降低，CHF也比光滑面有明顯提高，從而增強(qiáng)了ERVC的能力。

圖12 開(kāi)槽面光滑面方位角67.5°處可視化圖像

3.3 采用超蒸發(fā)結(jié)構(gòu)換熱面對(duì)ERVC能力的增強(qiáng)影響

ERVC中自然循環(huán)流量與熱負(fù)荷，是跟ERVC加熱面沸騰傳輸與換熱行為密切聯(lián)系又相互耦合的2個(gè)重要因素。

圖13、14分別給出了本文實(shí)驗(yàn)中，本體開(kāi)槽面與光滑面在各方位角處的換熱系數(shù)與加熱熱負(fù)荷、循環(huán)流量之間的關(guān)系?？梢钥吹?，2種本體加熱面上的換熱系數(shù)跟熱負(fù)荷、循環(huán)流量均為正相關(guān)。特別地，開(kāi)槽面上換熱系數(shù)要高于光滑面；同時(shí)，如前所述，在ERVC的低速循環(huán)流動(dòng)及過(guò)冷沸騰條件下，開(kāi)槽面上的超蒸發(fā)效應(yīng)有一定的CHF增強(qiáng)作用，開(kāi)槽面上可達(dá)到更大CHF，臨界前傳熱區(qū)域范圍更廣，因此，特別是對(duì)于較高θ角的情況，當(dāng)光滑面已發(fā)生CHF，開(kāi)槽面上仍可處于pre-CHF狀態(tài)，可有更多換熱裕量，這一點(diǎn)對(duì)于提高ERVC能力，對(duì)于高角度區(qū)熱聚焦效應(yīng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，更為有利。

圖13 換熱系數(shù)與熱流密度關(guān)系

圖14 換熱系數(shù)與循環(huán)流量關(guān)系

同時(shí)，由圖15、16還可以看到，在所有ERVC工況下，尤其對(duì)于中高θ角區(qū)域，開(kāi)槽面除了CHF得到提高，壁溫也顯著低于相應(yīng)的光滑面，而且熱負(fù)荷越大，相應(yīng)的自然循環(huán)流量越大，開(kāi)槽面控制壁溫的優(yōu)越性更明顯。

圖15 壁溫與熱流密度關(guān)系

圖16 壁溫與循環(huán)流量關(guān)系

上述表明，在進(jìn)一步優(yōu)化超蒸發(fā)開(kāi)槽表面結(jié)構(gòu)且滿足工程可實(shí)施性的前提下，壓力容器下封頭(特別是在高角度區(qū))采用開(kāi)槽面有助于強(qiáng)化ERVC沸騰換熱，增強(qiáng)ERVC的能力。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)開(kāi)槽與光滑面2種本體在模擬非能動(dòng)ERVC條件下的沸騰換熱及臨界熱通量特性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)合對(duì)開(kāi)槽面上沸騰換熱過(guò)程中超蒸發(fā)效應(yīng)的可視化觀測(cè)與機(jī)理，研究了ERVC朝下加熱面作開(kāi)槽處理后，得出以下結(jié)論：

1)可使其相較于不做處理的光滑面?zhèn)鬏敻叩臒嶝?fù)荷，顯著提高換熱面CHF；

2)增大沸騰換熱系數(shù)，降低壁溫，這些特征在中高角度更為明顯；

3)初步驗(yàn)證了超蒸發(fā)技術(shù)用于增強(qiáng)IVR?ERVC熱負(fù)荷有效性的可行性。