自然循環(huán)流量對(duì)傾斜向下弧形加熱表面CHF值影響的實(shí)驗(yàn)研究

陸道綱,靳 愚,王 漢,高 尚,張澤皓,劉少華

(華北電力大學(xué) 北京市非能動(dòng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102206)

核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故后,利用壓力容器外部冷卻(External Reactor Vessel Cooling,ERVC)將堆芯熔融物滯留在壓力容器內(nèi)(In-Vessel Retention,IVR)是三代先進(jìn)核電廠采用的一項(xiàng)重要的嚴(yán)重事故緩解措施。該技術(shù)可以有效防止壓力容器壁面發(fā)生損傷,減小大規(guī)模放射性物質(zhì)泄漏事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

保證IVR-ERVC技術(shù)實(shí)施成功的一項(xiàng)最關(guān)鍵的要求是:熔池通過下封頭壁面向外傳出的熱流密度不能超過外部冷卻的臨界熱流密度(Critical Heat Flux,CHF),為此許多學(xué)者展開了對(duì)傾斜向下弧形加熱表面的CHF值的實(shí)驗(yàn)研究。Theofanous[1,2]等人在美國(guó)加州大學(xué)圣·芭芭拉分校開展了ULPU系列實(shí)驗(yàn),得出AP600壓力容器下封頭外表面CHF值隨角度分布的曲線。Chu[3-5]等人通過CYBL實(shí)驗(yàn)證明,對(duì)重水堆而言,通過淹沒堆腔來冷卻壓力容器的方法是有效的。Yang[6]和Cheung[7]針對(duì)韓國(guó)先進(jìn)壓水堆APR1400開展了SBLB實(shí)驗(yàn),針對(duì)朝下表面CHF特性展開研究。SULTAN[8]實(shí)驗(yàn)采用強(qiáng)制循環(huán)方式研究固定長(zhǎng)度平板上的CHF現(xiàn)象,并得出相應(yīng)的CHF特性公式。韓國(guó)HERMES系韓國(guó)HERMES系列實(shí)驗(yàn)[9,10],上海交通大學(xué)REPEC裝置[11,12]等也對(duì)IVR-ERVC展開一系列研究。

自然循環(huán)是IVR-ERVC措施的一項(xiàng)重要特征,針對(duì)循環(huán)方式和循環(huán)流量,有學(xué)者進(jìn)行過初步的研究。韓國(guó)的Park[13]等人利用二維切片試驗(yàn)段,研究在入口過冷度分別為2 K和10 K時(shí)強(qiáng)迫循環(huán)流量對(duì)傾斜向下弧形加熱表面CHF值的影響,最終發(fā)現(xiàn)相同入口過冷度下,流量在50～400 kg/(m2·s)時(shí),CHF值表現(xiàn)出了相同的趨勢(shì),均隨強(qiáng)迫循環(huán)流量的增大而升高。上海交通大學(xué)的倪亮[14]利用二維切片試驗(yàn)段,通過改變冷凝器高度、加熱銅塊中心傾角和入口過冷度進(jìn)行CHF機(jī)理研究,最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)其他條件不變、自然循環(huán)高度增加時(shí),該點(diǎn)CHF值隨之增加。

眾多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)方式探究了實(shí)驗(yàn)比例尺度、入口過冷度、循環(huán)方式等因素對(duì)傾斜向下弧形加熱表面CHF值的影響,也有學(xué)者利用強(qiáng)迫循環(huán)代替自然循環(huán)研究循環(huán)流量對(duì)CHF值的影響,但鮮有在自然循環(huán)條件下直接研究流量對(duì)CHF值影響的實(shí)驗(yàn)。本文通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)傾斜向下弧形加熱表面CHF值受自然循環(huán)流量的影響進(jìn)行研究,獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和初步的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)自然循環(huán)流量對(duì)壓力容器下封頭外表面CHF值的影響作用,同時(shí)與其他相似條件下的研究進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)其不同之處。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)回路

圖1 示出了傾斜向下弧形加熱表面CHF特性研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其主要由四部分組成:(1)實(shí)驗(yàn)主系統(tǒng)(包括與實(shí)驗(yàn)運(yùn)行直接相關(guān)的各部件,如試驗(yàn)段,上升管,下降管,水箱等);(2)凈水系統(tǒng);(3)電源控制系統(tǒng);(4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic of experimental system

凈水系統(tǒng)為整個(gè)實(shí)驗(yàn)回路提供去離子水,電源控制系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)過程提供支持,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可幫助保障實(shí)驗(yàn)過程中的安全性以及為后期的數(shù)據(jù)處理提供支持。實(shí)驗(yàn)主系統(tǒng)整體為一自然循環(huán)系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由上部水箱,下降管段,下部過渡區(qū)水箱,上升管段和試驗(yàn)段組成。

圖2 為循環(huán)高度為2.5 m時(shí)實(shí)驗(yàn)主系統(tǒng)各部分的管道長(zhǎng)度。為了直觀觀察回路的流體參數(shù)特性,下降管段安裝了一組渦輪流量計(jì)用來監(jiān)控自然循環(huán)流量,該渦輪流量計(jì)測(cè)量范圍是0.02～40 m3/h,裝置精度為0.2級(jí)。下降段裝有渦輪流量計(jì)部分管道尺寸為DN25,下部管道尺寸為DN40,該設(shè)計(jì)目的是保持流體狀態(tài)平穩(wěn),盡可能提高渦輪流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況,為了便于改變循環(huán)高度,上升段和下降段均設(shè)置了多個(gè)快裝接口,可對(duì)上升管段和下降管段進(jìn)行快速拆卸,拆卸過程僅改變下降段DN25部分的長(zhǎng)度。

1.2 試驗(yàn)段

圖2 實(shí)驗(yàn)主系統(tǒng)尺寸及裝置布置圖,mmFig.2 Schematic of the main experimental system and the device layout

試驗(yàn)段是整個(gè)臺(tái)架的核心部分,它模擬的是原型反應(yīng)堆中壓力容器外壁面與保溫層之間的空隙中冷卻劑的流動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)段采用一體化的加熱板,用直接加熱方式進(jìn)行加熱,通過設(shè)計(jì)成不同的厚度來得到階梯狀分布的熱流密度。該設(shè)計(jì)的思路是通過ULPU實(shí)驗(yàn)得出的臨界熱流密度曲線,計(jì)算其各角度對(duì)應(yīng)的臨界熱流密度平均值作為本實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)段各部分的預(yù)期熱流密度,再利用電阻與發(fā)熱量關(guān)系計(jì)算得出試驗(yàn)段各部分加熱塊厚度。圖3為ULPU臨界熱流密度曲線。表1為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)熱流密度。圖4為試驗(yàn)段平面示意圖。

圖3 ULPU實(shí)驗(yàn)得出的臨界熱流密度隨下封頭傾角變化關(guān)系Fig.3 The ULPU correlation of the heat flux and the angle of RPV

表1 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)熱流密度Table 1 The designed heat flux distribution in the test section

實(shí)驗(yàn)過程中,判斷是否出現(xiàn)CHF現(xiàn)象的重要依據(jù)是該點(diǎn)溫度是否發(fā)生飛升。因此在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定了若干溫度測(cè)點(diǎn)來檢測(cè)不同位置和角度壁面溫度以及流體溫度的變化情況。根據(jù)反應(yīng)堆堆內(nèi)熔池模型[15],壓力容器下封頭外壁面的熱流密度隨角度增大而增大,且在下封頭的赤道線位置(90°)達(dá)到最大值,因此著重考慮了這些位置。將試驗(yàn)段以每10°為間隔分為9段,并按從入口到出口的順序標(biāo)記為1～9段,如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)段平面示意圖Fig.4 Schematic of the test section

實(shí)驗(yàn)中采用熱電偶測(cè)量流體溫度及壁面溫度,其中測(cè)量壁面溫度熱電偶較多,需要一定的標(biāo)記方法。圖6展示了各塊板壁溫?zé)犭娕嫉姆植记闆r,其中黑色實(shí)心點(diǎn)代表熱電偶的布置點(diǎn)。由于第8塊、9塊加熱板最易出現(xiàn)CHF,在這兩塊板上分別布置了6個(gè)熱電偶,分別記為8-1到8-6,9-1到9-6,第7塊加熱板布置了兩個(gè)熱電偶,記為7-1、7-2,剩下的六組加熱塊在中心位置布置了一組熱電偶。本實(shí)驗(yàn)中,壁溫?zé)犭娕季捎妹绹?guó)OMEGA公司出產(chǎn)的N型熱電偶,以點(diǎn)焊方式固定在加熱塊表面。水溫?zé)犭娕疾捎?組鎧裝K型熱電偶,由流道下部插入流道內(nèi)測(cè)量水溫,1組出口水溫?zé)犭娕贾糜诔隹诹鞯捞?。N型熱電偶測(cè)溫范圍為-200～1 000℃,K型熱電偶測(cè)溫范圍為-200～200℃,精度均為一級(jí)。

圖5 各加熱塊表示方法Fig.5 The representation method of heat blocks

圖6 測(cè)量壁溫?zé)犭娕嫉谋硎痉椒‵ig.6 The method for naming wall temperature thermocouple

2 實(shí)驗(yàn)工況及實(shí)驗(yàn)流程

2.1 實(shí)驗(yàn)工況

本實(shí)驗(yàn)的主要關(guān)注點(diǎn)為傾斜向下弧形加熱表面的臨界熱流密度隨自然循環(huán)流量的變化,包括臨界熱流密度的大小和產(chǎn)生位置的變化情況。自然循環(huán)流量在自然循環(huán)條件下的主要表現(xiàn)為自然循環(huán)高度的大小,因此在整體實(shí)驗(yàn)過程中,通過改變實(shí)驗(yàn)回路的自然循環(huán)高度來達(dá)到改變循環(huán)流量的目的。所做實(shí)驗(yàn)的全部工況如表2所示,其中在每個(gè)循環(huán)高度下分別進(jìn)行3組不同過冷度的實(shí)驗(yàn)。

表2 實(shí)驗(yàn)工況表Table 2 Experimental conditions

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

為了確保實(shí)驗(yàn)過程的安全,每次實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)先檢查回路內(nèi)是否有足夠的去離子水,若水量不足,應(yīng)先打開去離子水制取設(shè)備補(bǔ)充去離子水?？傮w實(shí)驗(yàn)過程如下:

(1)實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)實(shí)驗(yàn)回路的所有系統(tǒng)安全性進(jìn)行檢查,確定各系統(tǒng)正常運(yùn)行;

(2)開啟實(shí)驗(yàn)回路的加熱系統(tǒng),預(yù)設(shè)一定電壓值,啟動(dòng)加熱系統(tǒng)電源后緩慢增大電流以得到不同的加熱功率,將循環(huán)回路中的去離子水加熱至實(shí)驗(yàn)溫度附近;

(3)在去離子水達(dá)到預(yù)定溫度后,開啟空冷機(jī)組,對(duì)上部水箱進(jìn)行循環(huán)冷卻。通過調(diào)節(jié)空冷機(jī)組以使實(shí)驗(yàn)回路入口溫度穩(wěn)定在要求溫度附近;

(4)開始正式實(shí)驗(yàn),不斷調(diào)節(jié)試驗(yàn)段加熱功率和空冷機(jī)組功率,在使水溫保持基本穩(wěn)定的同時(shí)不斷提高功率水平,升高步長(zhǎng)為0.2 k W。在上一次操作后壁面溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí),記錄當(dāng)前功率、時(shí)間以及流量傳感器數(shù)據(jù),并進(jìn)行下一次調(diào)節(jié)功率操作;

(5)當(dāng)提高到某一功率后,若觀察到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上顯示加熱壁面某一點(diǎn)處出現(xiàn)溫度飛升,迅速記錄此時(shí)的加熱功率及CHF出現(xiàn)的壁面位置,以得到臨界熱流密度預(yù)測(cè)值,并迅速將加熱功率降低或直接切斷電源,同時(shí)用高速攝像機(jī)從視窗對(duì)兩相流流型進(jìn)行拍攝;

(6)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后切斷電源,對(duì)實(shí)驗(yàn)回路中的水進(jìn)行自然冷卻,冷卻至室溫后打開排水閥將回路中的水排出,等待下次實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果如表3所示,其中Qm為實(shí)驗(yàn)所測(cè)自然循環(huán)流量,q為CHF值。

表3 本實(shí)驗(yàn)所得自然循環(huán)流量和CHF值Table 3 The natural circulation flow rate and the critical heat flux obtained by the experiment

3.1 臨界熱流密度值

本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究?jī)A斜向下弧形加熱表面CHF值隨自然循環(huán)流量的變化情況,初步設(shè)置了三組不同高度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在同一高度下,又分別設(shè)置了不同過冷度實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)采用的是整體直接加熱方式,在改變加熱功率時(shí),各位置熱流密度始終保持相同比例進(jìn)行加熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出各位置熱流密度,并根據(jù)發(fā)生CHF的位置求出CHF值。實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results

兩圖中分別以入口水溫和自然循環(huán)高度作為自變量,以CHF值作為因變量,從中可以看出CHF值隨不同變量的變化趨勢(shì)。圖7(a)中可以看出,高度為2.5 m時(shí),入口水溫增加時(shí)CHF值隨之下降,且下降趨勢(shì)十分明顯;但當(dāng)循環(huán)高度為3.0 m時(shí),入口水溫從75℃增加到85℃時(shí)CHF值幾乎沒有下降,而當(dāng)循環(huán)高度為3.5 m時(shí),入口水溫為85℃時(shí)的CHF值甚至高于75℃時(shí)的CHF值。由圖7(b)可得,入口水溫為75℃時(shí),隨循環(huán)高度的增加CHF值逐漸減小,且2.5～3.0 m的減小幅度明顯小于3.0～3.5 m時(shí)的減小幅度;入口水溫為85℃和95℃時(shí),隨循環(huán)高度增加CHF值均表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。比較循環(huán)高度為2.5 m和3.5 m時(shí)不同入口水溫下獲得的CHF值差值可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)循環(huán)高度為3.5 m時(shí),各入口水溫下CHF值十分接近,而2.5 m循環(huán)高度工況下相差十分明顯。由以上分析可以得出,傾斜向下弧形加熱表面CHF值的變化并不是由自然循環(huán)高度單一決定的,而是受入口過冷度和循環(huán)高度的共同影響。

3.2 自然循環(huán)流量

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得到圖8。從圖8中可以看出,同一自然循環(huán)高度下的CHF值隨自然循環(huán)流量變化趨勢(shì)幾乎相同。當(dāng)自然循環(huán)高度為2.5 m和3 m時(shí),隨自然循環(huán)流量的增加,傾斜向下加熱表面的CHF值也隨之增大,且2.5 m時(shí)增加幅度遠(yuǎn)大于3.0 m;當(dāng)自然循環(huán)高度為3.5 m時(shí),CHF值不隨自然循環(huán)流量單調(diào)變化,呈先增后降趨勢(shì)。該現(xiàn)象說明,在實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)材料不發(fā)生變化的情況下,傾斜向下加熱表面的CHF值受入口水溫與自然循環(huán)高度的共同影響,自然循環(huán)流量是影響CHF值的中間因素。因?yàn)樵谧匀谎h(huán)系統(tǒng)中,自然循環(huán)流量的增加不止受自然循環(huán)高度的影響,也與發(fā)生CHF現(xiàn)象時(shí)的功率有關(guān),在本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)入口水溫較低時(shí),為使CHF現(xiàn)象發(fā)生,需要更高的功率,從而導(dǎo)致自然循環(huán)流量也隨之增加。

圖8 CHF值隨自然循環(huán)流量變化趨勢(shì)Fig.8 The trend of the CHF value changing with the natural circulation mass flow

3.3 與同類研究的對(duì)比和分析

3.3.1 與上海交通大學(xué)自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

上海交通大學(xué)的倪亮進(jìn)行了二維切片的自然循環(huán)實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)中通過設(shè)置不同的加熱銅塊中心傾角(7.5°、37.5°、67.5°、82.5°)和不同的冷凝器高度(5.5 m、6.5 m)來研究不同位置CHF值受入口過冷度和自然循環(huán)高度的影響。將本實(shí)驗(yàn)最低循環(huán)高度(2.5 m)與上海交大最低循環(huán)高度(5.5 m)所得的CHF值進(jìn)行對(duì)比,如圖9所示?？梢娫趦蓪?shí)驗(yàn)的最低循環(huán)高度下,CHF值隨入口水溫的變化呈現(xiàn)了幾乎相同的趨勢(shì):CHF值隨著入口水溫的增加而減小。入口水溫每提高10℃,傾斜向下弧形加熱段最高位置的CHF值降低大約100 k W/m2。同時(shí)也發(fā)現(xiàn),上海交通大學(xué)在5.5 m自然循環(huán)高度下所得CHF值全面低于本實(shí)驗(yàn)在2.5 m循環(huán)高度下獲得的CHF值。

圖9 本實(shí)驗(yàn)與上交實(shí)驗(yàn)最低循環(huán)高度下CHF變化趨勢(shì)對(duì)比Fig.9 Comparison of CHF trends between the experiments of NCEPU and Shanghai Jiao Tong University at the lowest cycle height

上海交通大學(xué)的實(shí)驗(yàn)只設(shè)定了兩組高度,不能全面反映臨界熱流密度值與自然循環(huán)高度和入口水溫之間的變化關(guān)系,但從圖10中可以看出,冷凝器高度從5.5 m增加到6.5 m時(shí),80℃入口水溫和90℃入口水溫下的CHF值相差很小,與4.1節(jié)中本實(shí)驗(yàn)的變化趨勢(shì)也十分接近。

圖10 上交實(shí)驗(yàn)不同自然循環(huán)高度下的CHF變化趨勢(shì)Fig.10 The trend of CHF under different natural circulation heights in the experiment of Shanghai Jiao Tong University

3.3.2 與強(qiáng)迫循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)比

韓國(guó)的Park等人針對(duì)APR1400反應(yīng)堆的IVR-ERVC措施進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Park的實(shí)驗(yàn)采用二維實(shí)驗(yàn)切片、強(qiáng)迫循環(huán)的方式,通過調(diào)節(jié)泵的功率改變回路中的流量,使其在50～400 kg/m2·s的范圍內(nèi)變化,獲得入口過冷度分別為2 K和10 K時(shí)不同循環(huán)流量下的CHF值。選取Park實(shí)驗(yàn)中試驗(yàn)段半徑為0.5 m(與本實(shí)驗(yàn)0.47 m十分接近)、入口水溫為98℃條件下的CHF值隨質(zhì)量流量變化的數(shù)據(jù)點(diǎn),與本實(shí)驗(yàn)中入口水溫為95℃下的CHF值隨自然循環(huán)流量變化的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪于圖中,如圖11所示。

圖11 自然循環(huán)與強(qiáng)迫循環(huán)實(shí)驗(yàn)中流量對(duì)CHF值的影響Fig.11 The effect of the flow on CHF value in natural and forced cycle experiments

從圖中可以看出,在Park實(shí)驗(yàn)循環(huán)流量范圍[50～400 kg/(m2·s)]內(nèi),CHF值隨質(zhì)量流量的增加而增加,與本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)展現(xiàn)出了完全不同的趨勢(shì)。同時(shí)本實(shí)驗(yàn)所獲得的CHF值普遍低于Park實(shí)驗(yàn)所獲得的CHF值,取流量最接近兩點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,本實(shí)驗(yàn)流量值比Park實(shí)驗(yàn)低15%左右。由于CHF值與加熱表面氣泡脫離速度關(guān)系很大,強(qiáng)迫循環(huán)下氣泡受到一定的外力作用加快脫離,改善了加熱表面?zhèn)鳠釛l件,故Park實(shí)驗(yàn)的CHF值相對(duì)較高。

4 總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)采用半徑為476 mm的傾斜向下弧形加熱表面、二維模擬切片、自然循環(huán)和直接加熱的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),主要對(duì)模擬壓力容器下封頭外壁面CHF值進(jìn)行了記錄和研究。本文主要闡述了實(shí)驗(yàn)中CHF特性實(shí)驗(yàn)部分的結(jié)果,主要對(duì)自然循環(huán)高度和入口水溫對(duì)CHF值的影響進(jìn)行分析,并與國(guó)內(nèi)外主要的同類實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,得出以下結(jié)論。

(1)傾斜向下弧形加熱表面的CHF值受自然循環(huán)流量的影響,而本實(shí)驗(yàn)中,自然循環(huán)流量通過入口過冷度和自然循環(huán)高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在自然循環(huán)高度為2.5 m和3.0 m時(shí),CHF值隨自然循環(huán)流量增加而增加,當(dāng)循環(huán)高度為3.5 m時(shí),CHF值隨循環(huán)流量呈先增后減的變化趨勢(shì),值得深入研究。

(2)自然循環(huán)流量對(duì)CHF值的作用明顯不同于強(qiáng)迫循環(huán)流量對(duì)CHF值的作用。強(qiáng)迫循環(huán)實(shí)驗(yàn)中CHF值隨循環(huán)流量增大而增大,但在本實(shí)驗(yàn)中,CHF值與自然循環(huán)流量的關(guān)系呈現(xiàn)完全不同的變化趨勢(shì),該現(xiàn)象可能與自然循環(huán)高度的影響有關(guān)。

(3)在其他實(shí)驗(yàn)條件相似時(shí),相近流量下自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)獲得的CHF值比強(qiáng)迫循環(huán)實(shí)驗(yàn)獲得的CHF值低15%左右。