氣溶膠的噴淋去除特性實(shí)驗(yàn)研究

魏嚴(yán)凇，田林濤，谷海峰，陳君巖，于匯宇

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413;2.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展，能源緊缺成了社會(huì)上的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。而核能作為一種高效的清潔能源，可以在高效無(wú)污染的條件下解決能源緊缺的問(wèn)題。核電廠通過(guò)使用核能進(jìn)行發(fā)電，可以減少煤炭資源的使用保護(hù)我們生存的環(huán)境，同時(shí)能大大緩解資源緊缺的問(wèn)題。但是核能在使用過(guò)程中必須注意安全問(wèn)題。核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，如一回路破口(即LOCA事件)，會(huì)有大量的裂變產(chǎn)物從一回路泄露到安全殼中[1]。進(jìn)入到安全殼內(nèi)的放射性裂變產(chǎn)物主要以氣體和氣溶膠的形式存在，它們?cè)诎踩珰?nèi)會(huì)有聚集、遷移和沉降等多種行為，這些行為會(huì)受到安全殼輔助安全設(shè)施的影響[2]。核電廠在發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，安全殼內(nèi)的溫度和壓力會(huì)迅速升高，此時(shí)通過(guò)啟動(dòng)安全噴淋系統(tǒng)對(duì)釋放到安全殼內(nèi)的高溫高壓的蒸汽進(jìn)行冷凝，降溫減壓[3]；同時(shí)，由于噴淋液滴與安全殼內(nèi)氣空間中氣溶膠的相互作用，可以去除安全殼內(nèi)大部分的放射性氣溶膠。由于噴淋裝置同時(shí)具有抑制壓力、降低溫度和去除氣溶膠的多重作用，在許多核動(dòng)力裝置中都設(shè)計(jì)了噴淋系統(tǒng)。

噴淋系統(tǒng)對(duì)氣溶膠的去除主要是通過(guò)噴淋液滴與氣溶膠顆粒之間的相互作用完成的。主要包括機(jī)械力和電泳力的影響[4]。機(jī)械力主要包括液滴由于慣性碰撞、攔截和布郎擴(kuò)散附著在液滴表面或內(nèi)部被去除。而電泳力主要是由于噴淋液滴與安全殼內(nèi)部環(huán)境相互作用產(chǎn)生的。主要包括由于液滴和氣空間環(huán)境之間的溫度差導(dǎo)致的熱泳沉積以及液滴和氣空間環(huán)境之間的濃度差造成的擴(kuò)散泳沉積。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于安全殼內(nèi)氣溶膠行為特性實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。Porcheron E[6]使用TOSQAN裝置研究了噴淋液滴對(duì)氣溶膠去除的影響，得到了單液滴對(duì)氣溶膠的去除效率，但是其實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用的液滴相對(duì)較小。Ada del Corno[7-8]進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究了高壓下噴淋液滴對(duì)氣溶膠去除的影響，得到了噴淋壓力與氣溶膠衰減常數(shù)間的關(guān)系，但是其實(shí)驗(yàn)工況比較極限，與實(shí)際情況有較大的差異。

本次實(shí)驗(yàn)主要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)心錐噴霧噴嘴霧化特性進(jìn)行測(cè)量。并研究了噴淋液滴對(duì)不同粒徑的TiO2氣溶膠顆粒去除的影響；得到了不同噴嘴在不同噴淋工況下對(duì)氣溶膠去除的效果。建立了相應(yīng)的噴淋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)并為噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的思路。

1 經(jīng)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)是常溫常壓實(shí)驗(yàn)。源項(xiàng)氣溶膠行為特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(見(jiàn)圖1)主要包括：主實(shí)驗(yàn)容器、源項(xiàng)氣溶膠配送系統(tǒng)、取樣測(cè)量系統(tǒng)，噴淋系統(tǒng)以及污水處理系統(tǒng)。主實(shí)驗(yàn)容器為長(zhǎng)寬高為1 m×1 m×1.5 m的長(zhǎng)方體容器，材料選用透明度較好的有機(jī)玻璃，可以實(shí)時(shí)對(duì)容器內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行可視化觀察；源項(xiàng)氣溶膠配送系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)和氣溶膠發(fā)生器、干燥管以及相應(yīng)的管路閥門組成，用于向容器內(nèi)配送氣溶膠顆粒；取樣測(cè)量系統(tǒng)主要由6 mm的不銹鋼管組成，在容器頂部和正面布置。通過(guò)內(nèi)外伸縮實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置處的氣溶膠進(jìn)行取樣。使用粒徑譜儀對(duì)容器內(nèi)各位置處氣溶膠分布進(jìn)行測(cè)量[5]。噴淋系統(tǒng)主要是通過(guò)水箱進(jìn)行水的供給，使用流量計(jì)和噴嘴升降器來(lái)控制噴淋流量與噴淋覆蓋面積；此外在主實(shí)驗(yàn)容器上還裝有溫度計(jì)和壓力表，對(duì)容器內(nèi)部的壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量；容器頂部安裝鼓風(fēng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將容器內(nèi)部氣體環(huán)境與外界空氣環(huán)境進(jìn)行置換用以對(duì)容器內(nèi)部殘余的氣溶膠進(jìn)行清理。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 氣溶膠的選擇及測(cè)量

本次實(shí)驗(yàn)為非放射性實(shí)驗(yàn)，選擇多分散TiO2顆粒作為實(shí)驗(yàn)用氣溶膠[9]。TiO2為白色粉末狀顆粒，使用較為安全和方便，粉末質(zhì)量、中值粒徑、吸濕性等性質(zhì)與實(shí)際核電廠中的放射性氣溶膠也較為相似。測(cè)量得到TiO2粒徑分布見(jiàn)圖2，計(jì)數(shù)中位數(shù)粒徑(CMD)為0.67 μm。使用TSI公司的TOPAS SAG 410氣溶膠發(fā)生器向容器內(nèi)部進(jìn)行氣溶膠的配送。通過(guò)取樣測(cè)量的方式在不同時(shí)間對(duì)容器內(nèi)部各個(gè)位置處的氣溶膠進(jìn)行取樣測(cè)量，測(cè)量?jī)x器使用基于白光源原理的Welas粒徑譜儀。

圖2 TiO2粒徑分布

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

為了準(zhǔn)確的得到氣溶膠數(shù)量濃度隨噴淋的變化，每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行若干次噴淋。在氣溶膠配送完畢之后，靜置一段時(shí)間使容器內(nèi)部氣溶膠均勻分布。之后打開(kāi)粒徑譜儀對(duì)容器內(nèi)中心位置處氣溶膠進(jìn)行取樣測(cè)量，取樣完成后進(jìn)行第一次噴淋，噴淋時(shí)間為2 min，在噴淋結(jié)束后，再次對(duì)同一位置進(jìn)行取樣測(cè)量。之后進(jìn)行下一次噴淋，直至容器內(nèi)部的氣溶膠含量接近空氣本底時(shí)停止噴淋。此時(shí)噴淋實(shí)驗(yàn)結(jié)束進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝和分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 噴嘴霧化特性的研究

噴淋實(shí)驗(yàn)中，不同類型的噴嘴有著不同的霧化特征。同時(shí)相同噴嘴在不同的噴淋流量/壓力下產(chǎn)生的噴霧液滴也有較大的區(qū)別[10]。液滴的不同會(huì)對(duì)氣溶膠的去除產(chǎn)生一定的影響。在本次實(shí)驗(yàn)中主要選擇了標(biāo)準(zhǔn)實(shí)心錐噴霧噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選擇GG、HH、EMP三種型號(hào)的噴嘴。并在噴淋實(shí)驗(yàn)之前使用基于光學(xué)透射法原理的HELOS-R粒度儀對(duì)所選用的各個(gè)噴嘴噴淋霧化特性進(jìn)行了測(cè)量。

本次實(shí)驗(yàn)所選用的噴嘴的噴淋壓力在0.05～5 MPa之間，產(chǎn)生的噴淋液滴的索特中值粒徑(SMD)在280～600 μm之間。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到了不同噴嘴產(chǎn)生的噴淋液滴SMD與噴淋液壓力之間的關(guān)系，如圖3所示。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)所選用的噴嘴，噴淋產(chǎn)生的噴淋液滴的索特中值粒徑與壓力呈反比的關(guān)系，隨著壓力的增大，其粒徑逐漸減小。同時(shí)可以看到，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)心錐噴霧噴嘴，當(dāng)噴淋壓力一定時(shí)，不同型號(hào)的噴嘴產(chǎn)生的噴淋液滴SMD也基本相同。

圖3 噴淋液滴索特中值粒徑(SMD)與噴淋壓力之間的關(guān)系

同時(shí)得到了標(biāo)準(zhǔn)實(shí)心圓錐型噴霧噴嘴噴淋流量與霧化液滴SMD之間的關(guān)系，見(jiàn)圖4。隨著噴淋流量的增大，霧化液滴SMD線性下降。因此可以通過(guò)差分的方法得到不同型號(hào)的噴嘴在實(shí)驗(yàn)所需流量下噴淋液滴的SMD。

圖4 噴淋液滴索特中值粒徑(SMD)與噴淋流量之間的關(guān)系

2.2 噴淋液滴對(duì)氣溶膠去除的影響

使用GG型號(hào)噴嘴在700 L/h的流量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)噴淋液滴SMD為325 μm，噴嘴距離容器頂部距離為325 cm。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程經(jīng)過(guò)14次噴淋，每次噴淋時(shí)間為2 min，總計(jì)1 680 s。分別在每次噴淋前后進(jìn)行取樣測(cè)量，取樣位置為容器內(nèi)部中心位置。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到每次噴淋結(jié)束后容器中心位置處氣溶膠的數(shù)量濃度及粒徑分布，見(jiàn)圖5。噴淋開(kāi)始前，即容器內(nèi)部初始?xì)馊苣z數(shù)量濃度約為1.5×105/cm3,圖中“0”號(hào)線氣溶膠粒徑分布即為初始?xì)馊苣z粒徑分布。第一次噴淋結(jié)束后，容器內(nèi)大于1 μm的氣溶膠顆粒迅速的減少，大于2 μm的氣溶膠顆粒基本去除；第二次噴淋后，大于1 μm的氣溶膠顆?；疽呀?jīng)完全去除。噴淋液滴對(duì)1 μm以上的氣溶膠的去除速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 μm以下的氣溶膠顆粒。經(jīng)過(guò)約14次噴淋后，容器內(nèi)部的氣溶膠數(shù)量濃度已沉降至約3×103/cm3左右，此時(shí)噴淋液滴對(duì)容器內(nèi)小于1 μm的各粒徑氣溶膠的去除作用已經(jīng)相對(duì)較低，因此結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后所有粒徑氣溶膠的去除率皆在94%以上，大于0.91 μm的氣溶膠顆粒被完全去除。

圖5 噴淋次數(shù)對(duì)氣溶膠粒徑分布的影響

為了研究不同粒徑氣溶膠顆粒的去除速率，選取0.2～1.5 μm之間的數(shù)個(gè)粒徑的氣溶膠(0.25 μm、0.32 μm、…、1.01 μm、1.26 μm)并得到了其數(shù)量濃度隨噴淋時(shí)間的變化，如圖6所示。由于每個(gè)粒徑的氣溶膠顆粒初始數(shù)量濃度并不相同，因而使用歸一化數(shù)量濃度來(lái)表征各粒徑氣溶膠的衰減速率。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后1.01 μm、1.26 μm的氣溶膠顆粒隨噴淋的進(jìn)行迅速下降，小于1 μm粒徑氣溶膠的去除速率相對(duì)較慢。隨著氣溶膠粒徑的增大，去除速率逐漸增大。同時(shí)得到了整個(gè)粒徑譜CMD隨時(shí)間的變化。前兩次噴淋結(jié)束后，氣溶膠CMD從1.1 μm迅速降低到0.9 μm左右，之后隨著噴淋的進(jìn)行下降速度逐漸變慢，這也說(shuō)明大于1 μm的氣溶膠顆粒的去除速率遠(yuǎn)快于1 μm以下的氣溶膠顆粒。

圖6 不同粒徑氣溶膠及其CMD隨噴淋時(shí)間的變化

計(jì)算得到各粒徑氣溶膠的噴淋去除衰減常數(shù)，見(jiàn)圖7。對(duì)于粒徑為0.3～2 μm的氣溶膠顆粒，其衰減常數(shù)分布在0.001～0.012/s之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相同粒徑氣溶膠顆粒的自然沉積衰減常數(shù)。小于1 μm的氣溶膠顆粒衰減常數(shù)基本小于0.003/s，當(dāng)氣溶膠粒徑大于1 μm后，衰減常數(shù)迅速上升。同時(shí)可以看到，隨著氣溶膠粒徑的增大，其衰減常數(shù)呈先下降后上升的趨勢(shì)，氣溶膠最低穿透粒徑為0.42 μm。當(dāng)氣溶膠顆粒小于0.1 μm時(shí)，布郎擴(kuò)散主導(dǎo)氣溶膠的去除。氣溶膠顆粒主要依靠無(wú)規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散至液滴表面被液滴所去除，粒徑越小，顆粒由于布朗擴(kuò)散被液滴所捕捉的概率就越大。而對(duì)于粒徑大于1 μm的氣溶膠顆粒，主要依靠擴(kuò)散和攔截作用附著在液滴上被去除，顆粒越大，顆粒由于攔截和慣性碰撞被液滴所捕捉的幾率就越大。本次實(shí)驗(yàn)所用氣溶膠粒徑主要分布0.3～2 μm之間。因此，隨著粒徑的增大，衰減常數(shù)先減后增。

圖7 氣溶膠衰減常數(shù)隨粒徑的變化

2.3 噴嘴特性對(duì)氣溶膠去除的影響

使用HH型號(hào)噴嘴分別在200 L/h、300 L/h、360 L/h、400 L/h、480 L/h流量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。得到了不同噴淋流量下不同粒徑氣溶膠的衰減常數(shù)，如圖8所示。對(duì)于確定粒徑的氣溶膠顆粒，噴嘴噴淋流量越大其衰減常數(shù)越大。這是由于對(duì)于同一型號(hào)噴嘴，隨著噴淋流量的增大，液滴粒徑逐漸減小，并且液滴數(shù)目以及液滴速度都會(huì)迅速增加，這些因素的存在都有利于加強(qiáng)氣溶膠顆粒與液滴間的相互作用，從而使得氣溶膠顆粒更容易被噴淋液滴所去除。同時(shí)隨著氣溶膠顆粒的增大，其衰減常數(shù)皆呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)流量為200 L/h時(shí)，噴淋液滴SMD為390 μm。對(duì)于0.3～1.5 μm的TiO2顆粒，衰減常數(shù)在0.000 3～0.002/s之間，最低穿透粒徑為0.5 μm。而當(dāng)流量為480 L/h時(shí)，此時(shí)液滴SMD約為180 μm。此時(shí)衰減常數(shù)分布在0.004～0.06/s之間，并且此時(shí)最低穿透粒徑在0.42 μm附近。對(duì)比其它噴淋流量下的氣溶膠最低穿透粒徑，可以發(fā)現(xiàn)隨著噴淋流量的增加、液滴SMD的減小，最低穿透粒徑也逐漸減小。

圖8 HH型噴嘴對(duì)氣溶膠去除的影響

同樣在GG型號(hào)噴嘴下進(jìn)行噴淋實(shí)驗(yàn)。噴淋流量分別選擇為400 L/h、500 L/h、700 L/h、800 L/h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。在低流量下，如流量為400 L/h時(shí)，液滴SMD為467 μm。此時(shí)最低穿透粒徑在0.6～0.7 μm之間，但并不明顯。所有粒徑氣溶膠衰減常數(shù)分布在在0.000 6～0.002/s之間；而在高流量下，如噴淋流量為800 L/h時(shí)，液滴SMD為310 μm。此時(shí)衰減常數(shù)分布在0.001 2～0.018/s之間。而最低穿透粒徑在0.3 μm之前。實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律與HH型號(hào)噴嘴基本一致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用GG型號(hào)噴嘴時(shí)，當(dāng)氣溶膠顆粒粒徑大于1 μm時(shí)，衰減常數(shù)皆呈迅速上升。

圖9 GG型噴嘴對(duì)氣溶膠去除的影響

3 結(jié)論

本文選擇TiO2氣溶膠，使用源項(xiàng)氣溶膠行為特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，研究了噴淋液滴對(duì)安全殼內(nèi)氣溶膠去除的影響，得到了以下結(jié)論：

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)心錐噴霧噴嘴，噴淋壓力一定時(shí)，不同噴嘴霧化產(chǎn)生的噴淋液滴SMD基本相同。隨著噴淋流量的增大，霧化液滴SMD以線性關(guān)系逐漸減小；

使用GG噴嘴在700 L/h的噴流量下進(jìn)行噴淋實(shí)驗(yàn)，噴淋4 min后大于1 μm的氣溶膠基本去除完畢；噴淋約1 680 s后，容器內(nèi)部氣溶膠由1.5×105/cm3衰減至3×103/cm3。氣溶膠衰減常數(shù)隨粒徑的增大而先減小后增大，其變化范圍為0.001～0.013/s，最低衰減常數(shù)對(duì)應(yīng)0.43 μm的氣溶膠顆粒；

對(duì)于確定的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)心錐噴霧噴嘴，隨噴淋流量和噴淋壓力的增大，氣溶膠的去除速率逐漸變快，同時(shí)最低衰減常數(shù)對(duì)應(yīng)氣溶膠粒徑逐漸變小。