矩形窄縫通道受熱表面污垢沉積實(shí)驗(yàn)研究

程 成段鐘弟許 巍劉曉晶唐文勇

1（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院上海200240）2（上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院上海200240）

板狀燃料元件傳熱性能好，可以大幅提高堆芯功率體積比［1］，在各類新型反應(yīng)堆中具有廣闊應(yīng)用前景。板狀燃料元件間隙一般為1～3 mm［2］，是一種典型的矩形窄縫通道。相比于棒束燃料，板狀燃料組件相鄰的子通道之間沒有冷卻劑的交混，異物滯留于通道中引起流動(dòng)阻力的增大，甚至可能引發(fā)堵流事故。因此保障矩形窄縫通道流動(dòng)換熱的安全性，對反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)與安全評(píng)估至關(guān)重要。

當(dāng)冷卻劑工質(zhì)中引入雜質(zhì)并沉積在燃料元件表面時(shí)，燃料元件之間的流道面臨傳熱惡化和堵塞等風(fēng)險(xiǎn)，一旦堆內(nèi)熱量無法導(dǎo)出，堆芯熔毀引發(fā)核安全事故。在大破口失水事故（Loss of Coolant Accident，LOCA）工況下，安全殼內(nèi)的保溫材料、結(jié)構(gòu)材料和涂漆在噴淋液和冷卻劑的沖刷浸泡下破碎或被腐蝕溶解，長期冷卻階段下其中大部分不可溶纖維碎片和顆粒物通過冷卻劑回流被運(yùn)輸?shù)降乜訛V網(wǎng)處形成堆積，堵塞濾網(wǎng)造成壓損，被稱為“上游效應(yīng)”；另一部分可溶雜質(zhì)隨冷卻劑工質(zhì)進(jìn)入一回路，由于溫度、壓力和化學(xué)條件的變化，導(dǎo)致一些化學(xué)產(chǎn)物析出，在燃料元件表面形成污垢沉積，造成傳熱惡化甚至流道堵塞，被稱為“下游效應(yīng)”［3］，如圖1所示。這兩類效應(yīng)的評(píng)估直接關(guān)系到核反應(yīng)堆的安全設(shè)計(jì)，20世紀(jì)90年代，核電界先后發(fā)生了三次較嚴(yán)重的碎片堵塞應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)（Emergency Core Cooling System，ECCS）地坑濾網(wǎng)的嚴(yán)重事件，2004年后，美國核管理委員會(huì)（Nuclear Regulatory Commission，NRC）發(fā)布GL-2004-02，要求申請者對妨礙或阻止冷卻劑再循環(huán)功能的不利影響進(jìn)行機(jī)理性的評(píng)估。目前國內(nèi)各核電廠均已按國家核安全局的通知改造了安全殼地坑濾網(wǎng)，完成了“上游效應(yīng)”的安全評(píng)估，但涉及堆芯內(nèi)部燃料元件堵塞和傳熱安全的“下游效應(yīng)”安全評(píng)估仍然尚在進(jìn)行。因此，很有必要對“下游效應(yīng)”的污垢沉積的形成機(jī)理進(jìn)行研究，作為反應(yīng)堆安全設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

圖1 失水事故下的上游效應(yīng)和下游效應(yīng)Fig.1 Upstream and downstream effect under LOCA

根據(jù)破口影響區(qū)踏勘資料顯示，潛在的可溶性雜質(zhì)來源為墻面涂漆及一些結(jié)構(gòu)材料［4］，材料中碳酸鈣、硫酸鈣等負(fù)溶解度鹽溶入冷卻劑工質(zhì)參與循環(huán)后，在燃料元件的高溫度表面上極易發(fā)生析晶沉積。析晶沉積的形成機(jī)理十分復(fù)雜，受水動(dòng)力、熱力學(xué)和析晶表面性能等多方面影響［5］。一系列污垢析晶傳熱傳質(zhì)的研究表明，壁面溫度［6］、流速［7］、溶液濃度［8］、pH［9］、表面微結(jié)構(gòu)［10］和表面能［11］等因素影響溶質(zhì)的傳質(zhì)過程和表面反應(yīng)過程，這兩個(gè)過程的相互作用控制了壁面上析晶沉積。目前對于核反應(yīng)堆內(nèi)污垢沉積的研究僅限于傳統(tǒng)的燃料棒結(jié)構(gòu)，張小英等［12］和齊宇博等［13］對燃料棒處于最極端的結(jié)垢狀態(tài)進(jìn)行了模擬研究，計(jì)算了污垢沉積的最大熱阻。Suh［14］針對APR1400在失水事故的長期冷卻階段，利用西屋公司的LOCADM模擬計(jì)算了結(jié)垢層的厚度及熱導(dǎo)率。對于大破口失水事故，國內(nèi)只進(jìn)行了板狀燃料元件間矩形窄縫通道的再淹沒現(xiàn)象［15］和變形堵塞［16］研究，目前尚未有對其矩形窄縫通道內(nèi)污垢沉積的形成機(jī)理、影響因素等相關(guān)的研究。

本文針對處于長期冷卻工況下的板狀燃料元件，開展矩形窄縫通道受熱表面的污垢沉積實(shí)驗(yàn)研究。通過對沉積污垢的微觀生長和分布特性研究，探究不同通道位置和時(shí)間下的污垢沉積特性，并進(jìn)一步定量考察矩形窄縫通道內(nèi)污垢沉積過程中的換熱特性，明確污垢沉積對矩形窄縫通道換熱的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)回路

矩形窄縫通道污垢沉積測試裝置的實(shí)驗(yàn)回路和實(shí)物圖如圖2所示。主要設(shè)備包含主水箱、預(yù)熱器、循環(huán)泵、渦輪流量計(jì)、實(shí)驗(yàn)測試段、冷水機(jī)組、換熱器、蠕動(dòng)滴加泵、熱電偶數(shù)據(jù)采集模塊、調(diào)壓器和功率計(jì)。

圖2 污垢沉積實(shí)驗(yàn)回路示意圖(a)與裝置(b)Fig.2 Diagram of fouling deposition experimental loop(a)and set-up(b)

工質(zhì)從主水箱由循環(huán)泵抽出，被預(yù)熱到一定初始溫度后通入測試段，在測試段被加熱的工質(zhì)經(jīng)過冷水機(jī)組冷卻后回到水箱，回路中設(shè)置旁通回路用于調(diào)節(jié)通入測試段的流量。調(diào)壓器和功率計(jì)用于提供測試段加熱板定額的加熱功率，熱電偶采集模塊采集測試段的熱數(shù)據(jù)。負(fù)溶解性鹽碳酸鈣通過蠕動(dòng)滴加泵加入至主水箱，通過濾網(wǎng)后的飽和碳酸鈣工質(zhì)在測試段表面受熱發(fā)生污垢沉積。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters

1.2 實(shí)驗(yàn)測試段

測試段樣件設(shè)計(jì)如圖3（a）所示。矩形窄縫通道截面寬60 mm、高2 mm，通道全長600 mm。在316不銹鋼板兩端設(shè)置緩沖水槽與入口和出口連通，中段表面配合墊片和PC板壓緊形成矩形窄縫通道。背部緊貼不銹鋼板設(shè)置云母加熱板和保溫材料。

為了對沉積在受熱表面的污垢進(jìn)行微觀形貌分析，設(shè)計(jì)一套不破壞樣本的取樣方案是實(shí)驗(yàn)測試段設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在方案中，對受熱不銹鋼表面上的10個(gè)特征位置進(jìn)行穿孔裝配設(shè)計(jì)，特征位置的穿孔裝配剖面圖見圖3，設(shè)計(jì)加工了一套采樣組件，包含凸臺(tái)基座、密封墊片和采樣螺釘。不銹鋼板、云母加熱板和保溫材料留出裝配孔，定制加工的云母加熱板如圖4所示，通過夾層中發(fā)熱金屬箔的均勻布置、導(dǎo)熱硅脂在接觸面上的均勻涂抹來保證矩形窄縫通道受熱表面的溫度分布的均勻性。凸臺(tái)基座與不銹鋼板背面的支承結(jié)構(gòu)通過墊片密封連接，處于凸臺(tái)頂部的采樣螺釘被送至矩形窄縫通道的受熱表面。在這樣的設(shè)計(jì)方案下特征位置處的污垢沉積在采樣螺釘表面，一方面保證了通道內(nèi)的密封性，另一方面保證了實(shí)驗(yàn)工況結(jié)束后取出的污垢樣品的完整性。

圖3 測試段組件及設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Diagram of test section components and design

圖4 云母加熱板的設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Design diagram of mica heating plate

對10個(gè)矩形窄縫通道受熱表面的特征位置進(jìn)行編號(hào)，采樣螺釘之間縱向間距100 mm，在通道中軸線處一列由入口至出口依次為2～10的偶數(shù)編號(hào)，采樣螺釘之間橫向間距20 mm，通道側(cè)邊處一列由入口至出口依次為1～9的奇數(shù)編號(hào)。

為探究矩形窄縫通道沉積污垢對傳熱的影響規(guī)律，在測試段布置熱電偶采集數(shù)據(jù)。兩端的水槽內(nèi)布置TC1和TC2用于獲取測試段入口和出口的流體溫度，加熱板與不銹鋼板背面壓緊布置TC3和TC4用于獲取測試段入口和出口的壁面溫度，同時(shí)在2～10偶數(shù)號(hào)對應(yīng)的通道高度處也同樣布置熱電偶獲取采樣處的壁面溫度。所用到的T型熱電偶為OMEGA 5TC-TT-T-30-36，配合阿爾泰DAM-3138數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的讀取存儲(chǔ)，響應(yīng)時(shí)間為0.005 s。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中云母加熱板固定在不銹鋼板背面對通道加熱，根據(jù)獲取的進(jìn)出口流體溫度和流量，每一時(shí)刻的換熱量可通過式（1）計(jì)算：

式中：Q為總的換熱量；m˙為流體質(zhì)量流量；cp為定壓比熱容；Tf，out為出口流體溫度；Tf，in為入口流體溫度。

結(jié)合入口和出口處的壁面溫度，則可以通過式（2）得到矩形窄縫通道的平均傳熱溫差：

式中：ΔTave為平均傳熱溫差；Tw，in為通道入口壁面溫度；Tw，out為通道出口壁面溫度。

由式（1）、（2）可以得到該時(shí)刻的傳熱系數(shù)，由式（3）計(jì)算：

式中：K為換熱系數(shù)；F為換熱面面積。

根據(jù)不確定度傳遞原理，通過Kline和McClintock的方法［17］間接分析獲得傳熱系數(shù)的最大不確定度，由式（4）計(jì)算：

式中：qv為體積流量；Tw為某一點(diǎn)通道壁面溫度；Tf為某一點(diǎn)通道流體溫度；a為換熱面長度；b為換熱面寬度。

試驗(yàn)中各參數(shù)的測量誤差如表2所示，計(jì)算得到傳熱系數(shù)的相對誤差為3.34%。

表2 測量誤差Table 2 Measuring error

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 矩形窄縫通道表面污垢微觀形貌特征

不同沉積時(shí)間下通道上部的污垢沉積照片如圖5所示，隨著沉積時(shí)間的增加，污垢在受熱表面上逐漸析出，由局部慢慢擴(kuò)散到整體表面。在長時(shí)間的沉積工況下，污垢逐漸老化，顏色變黃?？紤]到老化效應(yīng)的影響，分析8 h和335 h沉積時(shí)間下的表面污垢微觀形貌特征。

圖5 隨沉積時(shí)間變化的污垢沉積和老化照片F(xiàn)ig.5 Photographs of fouling deposition and aging with time

取出中軸線處編號(hào)為2～10號(hào)的5個(gè)樣品通過掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）檢測，沉積污垢的微觀形貌特征如圖6所示。觀察到沉積時(shí)間為8 h下的微觀形貌，2～10號(hào)樣品，污垢對受熱表面的覆蓋率依次增大，從表面析出的粒狀菱面體方解石的尺寸也依次增大直至趨近穩(wěn)定。在沉積時(shí)間為335 h下的污垢覆蓋率和晶粒大小也滿足該結(jié)論，然而，較長沉積時(shí)間下的污垢形態(tài)表現(xiàn)為晶簇狀方解石的集合體，對比8 h沉積時(shí)間下的粒狀菱面體方解石形態(tài)，晶粒的形態(tài)和尺寸都發(fā)生了改變，并出現(xiàn)“垢上生長”現(xiàn)象。

在定加熱功率條件下，沉積工況開始時(shí)熱電偶測得2～10號(hào)樣品所在位置處的壁面溫度如圖6右側(cè)所示。可以看出，壁面溫度由2～10號(hào)依次遞增，與通道高度近似呈線性相關(guān)，與文獻(xiàn)［18］的結(jié)論相符。樣品的壁面溫度對應(yīng)于微觀形貌圖像表明，污垢析晶沉積的覆蓋率隨受熱表面溫度的增大而增大，并且較高表面溫度可以相較于較低表面溫度更易形成完整的污垢晶粒。

圖6 2～10樣品SEM圖及壁溫分布Fig.6 SEM images of samples 2 to 10 and wall temperature distribution

通過對觀測結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)不同晶面上的生長速度不一致時(shí)，生長速度最快的晶面構(gòu)成的晶體表面逐漸減小直至消失，而生長速度最慢的晶面將構(gòu)成最大的晶體表面［19］。這說明隨著沉積時(shí)間的增加，污垢晶粒通過“重結(jié)晶”方式在生長過程中逐漸改變其幾何形態(tài)，并隨著幾何形態(tài)的改變進(jìn)一步增大晶粒度。

沿通道長度方向的不同沉積特性由壁面溫度導(dǎo)致，而同一高度處樣品的壁面溫度是一致的。沉積時(shí)間為335 h下3、4、7、8號(hào)樣品在放大倍數(shù)下的SEM檢測圖如圖7所示。對比發(fā)現(xiàn)，通道中軸線處的4號(hào)和8號(hào)樣品相比側(cè)邊處的3號(hào)和7號(hào)樣品表現(xiàn)為更多垂直于沉積表面方向上的樹狀晶簇。造成這一現(xiàn)象的可能原因是：相比于中軸線處，側(cè)邊處樣品位置處于流動(dòng)邊界層附近，工質(zhì)流速低于中軸線處的主流速度。一方面低流速減緩了傳質(zhì)速率，導(dǎo)致表面析晶沉積率的降低，另一方面低流速對污垢晶體產(chǎn)生較小的流動(dòng)剪切力也導(dǎo)致了較低的剝蝕率，二者的共同作用使得污垢晶體的重結(jié)晶活動(dòng)減緩，使得中軸線處的污垢沉積形態(tài)相比于側(cè)邊處更易于形成樹狀的晶簇集合。

圖7 沉積時(shí)間335 h下3、4、7、8號(hào)樣品SEM圖對比Fig.7 SEM image comparison of samples No.3,4,7 and 8 under 335 h fouling time

3.2 矩形窄縫通道表面垢層厚度分布

在335 h沉積時(shí)間下通道頂部10號(hào)、中間6號(hào)以及底部2號(hào)采樣螺釘表面的污垢層厚度測量云圖如圖8所示。在測量的有效區(qū)域內(nèi)測量出10號(hào)、6號(hào)和2號(hào) 樣 品 的 平 均 厚 度 為68.8 μm、49.9 μm和35.3 μm，最大厚度為85.1 μm、62.7 μm和39.5 μm，最大沉積厚度占通道高度比例不到5%。目前核電廠長期再循環(huán)堆芯冷卻水源的論證中提出的驗(yàn)收準(zhǔn)則是相應(yīng)的燃料元件之間不出現(xiàn)碎片橋接［20］，因此由污垢沉積造成流道縮窄未達(dá)到通道堵塞的程度。

圖8 10、6、2號(hào)樣品污垢層厚度Fig.8 Fouling layer thickness of samples No.10,6 and 2

3.3 污垢沉積對通道傳熱的影響

實(shí)驗(yàn)采集的通道進(jìn)出口流體及壁面溫度如圖9所示。在入口流體溫度保持不變的條件下，隨著沉積時(shí)間增加，出口的流體及壁面溫度不斷上升，入口壁面溫度則在上升后趨于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。矩形窄縫通道的傳熱系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖10所示。隨著壁面沉積污垢的生長，傳熱系數(shù)從初始時(shí)刻不斷下降，在約100 h后趨于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，最終傳熱系數(shù)下降26.49%。剝離試驗(yàn)工況后段時(shí)間污垢老化效應(yīng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，傳熱系數(shù)趨于穩(wěn)定可以說明，通道受熱表面的總體污垢熱阻在經(jīng)過一定沉積時(shí)間后達(dá)到最大，沉積率與剝蝕率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，污垢的凈沉積率趨近于零。

圖9 溫度隨沉積時(shí)間的變化Fig.9 Variation of temperature with deposition time

圖10 傳熱系數(shù)隨沉積時(shí)間的變化Fig.10 Variation of heat transfer coefficient with deposition time

4 結(jié)語

通過對矩形窄縫通道進(jìn)行受熱表面污垢沉積實(shí)驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

1）由于壁面溫度和邊界層等因素的影響，矩形窄縫通道受熱表面不同特征位置處的污垢沉積特性不同。具有較高壁溫的通道頂部處污垢晶粒的完整度和表面覆蓋率較高，中軸線的主流區(qū)相比于側(cè)邊的邊界層區(qū)更易形成樹狀的污垢晶簇集合。

2）矩形窄縫通道受熱表面的污垢在長時(shí)間的沉積工況下由粒狀的菱面體方解石生長為晶簇狀方解石，晶簇狀相較于粒狀更為疏松，生長厚度更高。

3）實(shí)驗(yàn)工況下最大污垢沉積樣品位于通道中軸線最上端處，最大沉積厚度占通道的窄縫高度比例不到5%。

4）在恒定流速0.02 m·s-1、熱流密度1.08 W·cm-2的長時(shí)間沉積工況下矩形窄縫通道的傳熱系數(shù)隨時(shí)間逐漸減小，在100 h附近迎來拐點(diǎn)后趨于穩(wěn)定，通道的傳熱系數(shù)總體下降26.49%。

作者貢獻(xiàn)聲明程成負(fù)責(zé)醞釀和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)、起草文章；段鐘弟負(fù)責(zé)實(shí)施研究、分析/解釋數(shù)據(jù)；許巍負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)分析、獲取研究經(jīng)費(fèi)；劉曉晶負(fù)責(zé)對文章的知識(shí)性內(nèi)容作批評(píng)性審閱和指導(dǎo)；唐文勇負(fù)責(zé)行政、技術(shù)支持、支持性貢獻(xiàn)。