矩形窄縫加熱通道低流速工況下臨界熱流密度試驗(yàn)

賈小權(quán)，胡桁聚，謝 峰，李 碩

（1. 海軍裝備部，成都 610213；2. 中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，成都 610213）

0 引言

臨界熱流密度（Critical Heat Flux，CHF）是反應(yīng)堆熱工安全的重要研究內(nèi)容，是評(píng)價(jià)堆芯燃料組件熱工性能的重要指標(biāo)，其大小直接關(guān)系到反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性。矩形加熱通道目前廣泛用于各類板型元件研究堆和板式高效換熱設(shè)備中，即加熱設(shè)備采用板型結(jié)構(gòu)，各板片之間的冷卻劑通道是矩形窄縫通道結(jié)構(gòu)，具有換熱效率高和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。采用矩形加熱通道的結(jié)構(gòu)，其流動(dòng)傳熱特性以及CHF與常規(guī)圓形加熱元件存在較大差異，國外已有研究主要集中在理論模型等方面[1-4]，試驗(yàn)研究并不多見。本文針對矩形窄縫加熱通道開展低流速工況下CHF試驗(yàn)研究，為矩形窄縫加熱通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全分析提供必要的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)支撐。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)研究在中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院高溫高壓熱工水力試驗(yàn)回路上展開，試驗(yàn)工質(zhì)采用去離子水，并通過強(qiáng)迫循環(huán)方式開展試驗(yàn)。試驗(yàn)回路流程見圖1，回路流程為：去離子水經(jīng)循環(huán)泵流出，通過預(yù)熱器預(yù)熱至預(yù)定的溫度并由流量計(jì)測量后進(jìn)入試驗(yàn)本體，加熱后進(jìn)入冷凝器，冷卻后的水由下降段流回屏蔽泵入口，形成閉合的循環(huán)回路。

圖1 試驗(yàn)回路流程圖

試驗(yàn)裝置設(shè)置有穩(wěn)壓器，可緩沖回路因熱膨脹或收縮引起系統(tǒng)壓力過大的改變。加熱段入口設(shè)置有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，可改變系統(tǒng)的阻力特性進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對自然循環(huán)流量的調(diào)節(jié)。

2 試驗(yàn)本體及試驗(yàn)參數(shù)

矩形窄縫加熱通道試驗(yàn)本體結(jié)構(gòu)見圖2(a)，試驗(yàn)本體主要由流道組件、承壓結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)等構(gòu)成。采用直流電加熱的方式模擬矩形窄縫發(fā)熱通道。試驗(yàn)工質(zhì)自下方進(jìn)入試驗(yàn)本體，在矩形通道內(nèi)經(jīng)矩形加熱板加熱后流出試驗(yàn)本體。在矩形加熱板上方距流道出口位置布置溫度監(jiān)測熱電偶用于試驗(yàn)臨界監(jiān)測，通過壁溫變化判斷臨界是否發(fā)生。

試驗(yàn)本體矩形窄縫加熱通道加熱結(jié)構(gòu)見圖2(b)，窄縫矩形流道單側(cè)布置加熱板進(jìn)行加熱，矩形流道水隙寬度62.5 mm、厚度3.2 mm，矩形加熱板和矩形流道外側(cè)均設(shè)有絕緣隔離材料以保證加熱部件的絕緣性能。

圖2 試驗(yàn)本體結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

試驗(yàn)參數(shù)范圍：壓力7 MPa～13 MPa；質(zhì)量流速200 kg/(m2·s) ～600 kg/(m2·s)；進(jìn)口溫度60 ℃～180 ℃。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 臨界過程參數(shù)變化

CHF是在一定條件下元件表面發(fā)生傳熱惡化，燃料元件產(chǎn)生的熱能因無法有效地傳遞給冷卻工質(zhì)而導(dǎo)致元件壁面溫度快速升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使元件被燒毀。

試驗(yàn)中，將系統(tǒng)壓力、本體入口流量調(diào)節(jié)為預(yù)定值，此后緩慢提升功率，直到臨界發(fā)生，此過程中通過調(diào)節(jié)換熱器與預(yù)熱器，使本體入口溫度保持預(yù)定值；臨界發(fā)生后，迅速切掉部分試驗(yàn)本體加熱功率，采集并儲(chǔ)存臨界發(fā)生時(shí)的包括溫度、流量、壓力及加熱電功率等各項(xiàng)熱工參數(shù)。圖3為典型矩形窄縫加熱通道低流速條件下沸騰臨界工況中試驗(yàn)本體發(fā)生臨界前后的壁溫變化情況。功率過高使得加熱壁面液膜干涸，蒸汽對流換熱系數(shù)遠(yuǎn)小于液膜的對流換熱系數(shù)，導(dǎo)致加熱壁面?zhèn)鳠釔夯?，壁溫出現(xiàn)快速上升。此后，由測控系統(tǒng)迅速降低加熱功率，元件壁溫隨之下降。

圖3 臨界發(fā)生前后熱工參數(shù)變化

3.2 熱工參數(shù)影響

3.2.1 入口溫度對CHF 影響

圖4為試驗(yàn)本體壓力P和質(zhì)量流速G接近的試驗(yàn)工況下入口溫度對矩形窄縫通道CHF的影響。從圖4中可看出，在不同壓力工況下，入口溫度對CHF的影響有類似規(guī)律，CHF值隨著入口溫度的升高而降低。進(jìn)口溫度的升高使得試驗(yàn)本體矩形通道內(nèi)含汽量升高，加熱表面產(chǎn)生的汽泡增多，在低流速工況下，汽泡容易發(fā)生聚集，使得加熱元件表面容易發(fā)生傳熱惡化，從而導(dǎo)致臨界提前發(fā)生，進(jìn)而降低元件臨界熱流密度。

圖4 入口溫度對CHF 影響

3.2.2 系統(tǒng)壓力對CHF 影響

圖5為試驗(yàn)本體質(zhì)量流速G、入口溫度Tin接近的試驗(yàn)工況下系統(tǒng)壓力對矩形窄縫通道CHF的影響，由圖4中可看出，隨著壓力的升高，通道內(nèi)汽液密度差減小，汽泡不易脫離加熱面，壁面得不到很好的冷卻，容易發(fā)生傳熱惡化，因此元件CHF值會(huì)隨之降低。

圖5 系統(tǒng)壓力對CHF 影響

3.2.3 質(zhì)量流速對CHF 的影響

圖6為試驗(yàn)本體壓力和溫度接近的試驗(yàn)工況下，質(zhì)量流速對CHF的影響，由圖6可以看出，在試驗(yàn)本體入口壓力和溫度相同的情況下，CHF隨質(zhì)量流速的增大而增大。矩形窄縫通道內(nèi)質(zhì)量流速的增大增強(qiáng)了對試驗(yàn)本體加熱元件表面的沖刷，避免加熱元件表面氣泡的集聚，加熱元件表面不易發(fā)生傳熱惡化，從而使得元件CHF提高。

圖6 質(zhì)量流速對CHF 影響

3.2.4 質(zhì)量含汽量對CHF 影響

圖7(a)為試驗(yàn)通道質(zhì)量含汽量對加熱元件CHF的影響，由圖7可以看出，在不同壓力工況下，CHF均隨出口含汽量的增加而降低。

圖7 質(zhì)量含汽率對CHF 影響

圖7 質(zhì)量含汽率對CHF 影響（續(xù)）

入口溫度升高或通道加熱功率增大都會(huì)導(dǎo)致通道汽泡增多，在矩形窄縫通道內(nèi)容易發(fā)生汽泡集聚，更容易發(fā)生傳熱惡化，導(dǎo)致元件CHF降低。

圖7(b)為試驗(yàn)本體在不同質(zhì)量流速下CHF隨含汽率變化的分布情況。由圖7(b)可看出，在相同質(zhì)量流速條件下，隨著通道含汽量的增大，CHF值降低，且質(zhì)量流速越大，降低幅度越明顯。

4 臨界熱流密度關(guān)系式

本文針對矩形窄縫加熱通道低流速范圍工況開展CHF試驗(yàn)研究，采用壓力、入口溫度、質(zhì)量流速、質(zhì)量含汽量等參數(shù)擬合矩形窄縫通道的CHF經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，確定關(guān)系式為

式中：xe為出口質(zhì)量含汽量。

出口壓力為7 MPa～13 MPa，入口溫度為60 ℃～180 ℃，質(zhì)量流速為200 kg/(m2·s)～600 kg/(m2·s)，矩形通道間隙3.2 mm。通過CHF預(yù)測關(guān)系式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，95%的計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差在±20%以內(nèi)，并且數(shù)據(jù)較均勻地分布在對稱線兩旁，見圖8。

圖8 CHF 預(yù)測關(guān)系式與試驗(yàn)值對比

將試驗(yàn)工況參數(shù)帶入bettis關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，bettis計(jì)算結(jié)果與本研究關(guān)系式計(jì)算比較如圖9所示。由圖9可看出，在試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，bettis關(guān)系式預(yù)測值與本文中的研究關(guān)系式預(yù)測值相比，普遍偏高。

圖9 bettis 預(yù)測關(guān)系式與試驗(yàn)值對比

一方面，bettis公式是綜合了多種矩形通道的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，其本身公式偏差較大，DEV95%＝±42.5%；另一方面，本項(xiàng)目試驗(yàn)參數(shù)如壓力和水隙等，均超出bettis公式參數(shù)范圍，因此預(yù)測精度偏差較大。

5 結(jié)論

本文介紹了矩形窄縫加熱通道低流速范圍臨界熱流密度試驗(yàn)研究的試驗(yàn)回路、試驗(yàn)本體及試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)試驗(yàn)研究和結(jié)果分析，得到以下主要結(jié)論：

1）在相同質(zhì)量流速和系統(tǒng)壓力條件下，矩形窄縫加熱通道低流速區(qū)域CHF值隨著入口溫度升高而減??；在相同入口溫度和系統(tǒng)壓力條件下，CHF值隨著質(zhì)量流速的升高而增大。

2）在相同質(zhì)量流速、入口溫度條件下，CHF值隨著壓力的升高而下降；CHF值隨著含汽率的升高而降低，且質(zhì)量流速越大降低幅度越明顯。

3）獲得矩形窄縫加熱通道低流速區(qū)域CHF預(yù)測關(guān)系式，CHF關(guān)系式的適用范圍為：試驗(yàn)段出口壓力7 MPa～13 MPa，入口溫度60 ℃～180 ℃，質(zhì)量流速200 kg/(m2·s)～600 kg/(m2·s)，矩形通道間隙3.2 mm；

4）在本文試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，bettis關(guān)系式預(yù)測值高于本文中的關(guān)系式預(yù)測值。