圓管通道內(nèi)過熱蒸汽流動(dòng)換熱特性實(shí)驗(yàn)研究

李 瑩，陳 鑫，王金宇，黃彥平，袁德文，畢景良，徐建軍

圓管通道內(nèi)過熱蒸汽流動(dòng)換熱特性實(shí)驗(yàn)研究

李 瑩，陳 鑫，王金宇，黃彥平，袁德文，畢景良，徐建軍

（中國(guó)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)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213）

單相蒸汽流動(dòng)換熱模型是失水事故分析程序中的關(guān)鍵模型之一。本文開展了失水事故再淹沒階段圓管通道過熱蒸汽流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)研究，雷諾數(shù)范圍為2.78×103～1.84×105。實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得壁面溫度、蒸汽質(zhì)量流量、進(jìn)出口溫度等參數(shù)，分析了雷諾數(shù)對(duì)過熱蒸汽換熱的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在同一軸向位置處，流體局部傳熱系數(shù)和Nusselt數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而增大，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了相應(yīng)的傳熱特性實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

圓管通道；再淹沒階段；過熱蒸汽；換熱特性

失水事故是反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故之一，也是反應(yīng)堆安全的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，一般經(jīng)歷噴放、再注水、再淹沒和長(zhǎng)期冷卻四個(gè)階段。其中，再淹沒階段是導(dǎo)出堆芯余熱、保證堆芯安全的重要階段。再淹沒冷卻區(qū)域包括單相蒸汽對(duì)流區(qū)域、膜態(tài)沸騰區(qū)域和過渡沸騰區(qū)域，主要換熱形式是壁面與蒸汽之間的對(duì)流換熱。因此，有必要對(duì)再淹沒過程壁面與蒸汽之間的對(duì)流換熱過程進(jìn)行研究，以得到更準(zhǔn)確的包殼峰值溫度計(jì)算模型。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于蒸汽流動(dòng)換熱過程的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在臨界熱流密度、蒸汽冷凝或沸騰傳熱、干涸點(diǎn)后的傳熱等方面[1-3]。Kutukcuoglu.A等[4]對(duì)過熱蒸汽在圓管和環(huán)形通道內(nèi)的流動(dòng)傳熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，雷諾數(shù)范圍為9×104～3×105。周璇等[5]采用CFD對(duì)3×3棒束通道內(nèi)蒸汽對(duì)流換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)于典型壓水堆的再淹沒過程，蒸汽雷諾數(shù)大多處于2 000～10 000范圍內(nèi)，涵蓋了層流區(qū)、層流向湍流轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)以及湍流區(qū)。因此，本文開展再淹沒過程中圓管通道內(nèi)單相蒸汽對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)研究，雷諾數(shù)范圍為2.78×103～1.84×105，實(shí)驗(yàn)獲得不同實(shí)驗(yàn)壓力、入口雷諾數(shù)、表面熱流密度等條件下的進(jìn)、出口蒸汽溫度和不同軸向位置的壁面溫度，為單相蒸汽對(duì)流換熱模型的驗(yàn)證和優(yōu)化，以及失水事故分析軟件的開發(fā)和驗(yàn)證工作提供一定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1　實(shí)驗(yàn)裝置和參數(shù)

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置

蒸汽流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)回路由蒸汽鍋爐、過熱器、實(shí)驗(yàn)本體、緩沖器等主要設(shè)備及相應(yīng)的閥門、管路附件組成。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過程中，蒸汽鍋爐產(chǎn)生蒸汽，通過過熱器加熱到指定的過熱度，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)本體進(jìn)行流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)后，通過緩沖器并最終排放進(jìn)蒸汽收集器。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圓管實(shí)驗(yàn)本體由加熱管、電極和法蘭等組成。加熱管采用Inconel 690，水力當(dāng)量直徑為12 mm，加熱長(zhǎng)度為1 500 mm。實(shí)驗(yàn)本體上一共有13個(gè)測(cè)量圓管外壁溫的溫度測(cè)點(diǎn)，布置在13個(gè)不同高度上，距離加熱段入口軸向高度分別為35 mm、60 mm、110 mm、210 mm、410 mm、610 mm、760 mm、910 mm、1 110 mm、1 310 mm、1 410 mm、1 460 mm、1 485 mm。

本體壁面溫度采用Φ0.5 mm的絕緣N型鎧裝熱電偶進(jìn)行測(cè)量，熱電偶點(diǎn)焊在圓管實(shí)驗(yàn)本體的外表面，測(cè)量范圍為0～900 ℃，測(cè)量精度為Ⅰ級(jí)。本體入口流量采用量程為1～15 kg/h，精度為5級(jí)的文丘里流量計(jì)測(cè)量；進(jìn)出口壓力采用0.1級(jí)的壓力變送器測(cè)量，量程為 0～2 MPa；實(shí)驗(yàn)段壓降采用0.1級(jí)壓差變送器測(cè)量，量程為0～100 kPa；實(shí)驗(yàn)過程中，采用20 kW的模塊化直流電源對(duì)實(shí)驗(yàn)本體進(jìn)行加熱。所有測(cè)點(diǎn)信號(hào)均接入NI采集模塊，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及顯示。

1.2　實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍列于表1中。

式中，——進(jìn)入實(shí)驗(yàn)本體的蒸汽流量，kg/s；

表1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)

續(xù)表

2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得本體沿軸向的外壁溫值o，求解穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程可獲得內(nèi)壁溫w，則單相蒸汽的局部換熱系數(shù)z和局部Nusselt數(shù)z可由以下公式算得：

Omp的缺失加上ESBL和（或）AmpC產(chǎn)生，在耐碳青霉烯類肺炎克雷伯菌的研究中起重要作用，非產(chǎn)酶類耐碳青霉烯類腸桿菌越來(lái)越引起人們的重視，孔蛋白與不同藥物耐藥性之間的關(guān)系是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，在以后的臨床工作中也可根據(jù)研究結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性的用藥。

式中：z——局部對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

2.3.6 回收率試驗(yàn) 取“2.1”項(xiàng)下米索硝唑pH敏感脂質(zhì)體適量，共9份，按“2.2.4”項(xiàng)下方法制成低、中、高質(zhì)量濃度的米索硝唑pH敏感脂質(zhì)體溶液。以甲醇為空白，于322 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度并計(jì)算回收率，結(jié)果見表1。

——表面熱流密度，W/m2；

w——圓管內(nèi)壁面溫度，℃；

fz——局部蒸汽溫度，℃；

in——入口蒸汽的動(dòng)力黏度系數(shù)，N·s/m2。

式中：——進(jìn)入實(shí)驗(yàn)本體的蒸汽流量，kg/s；

當(dāng)前，人工智能正處于高速發(fā)展階段，其發(fā)展方向、發(fā)展邊界尚不清晰，導(dǎo)致規(guī)范什么和怎么規(guī)范并無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。盡管爭(zhēng)論不斷，但人工智能在很多方面開始受到監(jiān)管，相關(guān)法律法規(guī)正在孕育。這些努力不一定是制定規(guī)范人工智能發(fā)展的普遍原則，更多的是對(duì)涉及人工智能技術(shù)應(yīng)用的具體領(lǐng)域的規(guī)范，如隱私保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)安全、反商業(yè)和金融欺詐行為，以及交通、健康、就業(yè)等領(lǐng)域的安全保障等。大多數(shù)規(guī)范并不特別適合人工智能，隨著人工智能的發(fā)展還在不斷引發(fā)新的問題。可以認(rèn)為，人工智能應(yīng)用到哪里，人工智能引發(fā)的問題出現(xiàn)到哪里，人工智能的立法領(lǐng)域就應(yīng)延伸到哪里。目前討論來(lái)看，人工智能涉及的法律問題主要有以下幾個(gè)。

e——水力直徑，m；

fz——局部蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

電與磁之間是相互產(chǎn)生、相互作用的關(guān)系，即電生磁，磁生電，磁場(chǎng)對(duì)其中運(yùn)動(dòng)的帶電物體產(chǎn)生作用。電與磁的關(guān)系被認(rèn)識(shí)后，逐漸應(yīng)用到人們的生活與工作中。

綜上所述，在關(guān)于防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車檢測(cè)檢驗(yàn)中重點(diǎn)選擇了8個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，分別是車輛啟動(dòng)性能、制動(dòng)距離、最大靜制動(dòng)距離、噪聲、尾氣排放、防暴車轉(zhuǎn)向性能、照明和信號(hào)燈、車輛側(cè)滑。

在不考慮圓管通道內(nèi)壁面與蒸汽、壁面與壁面之間的輻射換熱時(shí)，蒸汽的對(duì)流換熱熱流密度可以近似為圓管表面熱流密度，即：

在一個(gè)道德意識(shí)淺薄、公共意識(shí)低下的社會(huì)環(huán)境下，不可能營(yíng)造出高品位的會(huì)計(jì)人員職業(yè)道德。營(yíng)造良好的會(huì)計(jì)從業(yè)環(huán)境，不是僅靠會(huì)計(jì)業(yè)界的努力就能做到的，而是依托社會(huì)各方面的變革與協(xié)調(diào)，尤其是應(yīng)與法律、各行各業(yè)的職業(yè)道德同步，只有這樣才能做好會(huì)計(jì)人員職業(yè)道德建設(shè)。

out——實(shí)驗(yàn)本體出口流體焓值，J/kg；

in——實(shí)驗(yàn)本體入口流體焓值，J/kg；

通道蒸汽平均Nusselt系數(shù)和雷諾數(shù)計(jì)算如下：

目前，含風(fēng)電機(jī)組的配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化已引起廣大學(xué)者的重視。文獻(xiàn)[5]建立了以有功能耗為目標(biāo)的單目標(biāo)優(yōu)化模型，在不同風(fēng)機(jī)出力下應(yīng)用遺傳算法確定各狀態(tài)下SVC補(bǔ)償容量。文獻(xiàn)[6]考慮了有功網(wǎng)損和電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)，提出了一種基于場(chǎng)景發(fā)生概率的無(wú)功優(yōu)化指標(biāo)。文獻(xiàn)[7]建立了成本效益比、靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)模型，采用多場(chǎng)景分析風(fēng)機(jī)出力，并應(yīng)用粒子群算法求解。文獻(xiàn)[8]采用多目標(biāo)的遺傳算法求解在電力系統(tǒng)最大負(fù)荷運(yùn)行方式下多目標(biāo)無(wú)功優(yōu)化問題。

局部蒸汽溫度f(wàn)z通過進(jìn)出口流體焓線性插值計(jì)算得到。

對(duì)于圓管，通過求解一維圓柱體穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程，可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)量的外壁溫度推導(dǎo)出圓管內(nèi)壁面的溫度。假設(shè)圓管導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度呈一次線性關(guān)系，即：

對(duì)于Inconel 690，根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的壁溫范圍，擬合得到熱導(dǎo)率和溫度的函數(shù)，即0=11.7，1=0.018 6，其中2=0.999 4。

實(shí)驗(yàn)過程中入口雷諾數(shù)表示為：

DRGs付費(fèi)方式在國(guó)際上運(yùn)用已有30余年，實(shí)踐證明這種支付方式確實(shí)能有效控制醫(yī)療保險(xiǎn)費(fèi)用增長(zhǎng)，經(jīng)過多年來(lái)的不斷修正和完善，如今成為很多發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)行醫(yī)療保險(xiǎn)預(yù)付款制度的基礎(chǔ)。當(dāng)然，DRGs付費(fèi)方式也有它的不足之處，包括：疾病分類、診斷標(biāo)準(zhǔn)難以準(zhǔn)確確定，醫(yī)療結(jié)構(gòu)在診斷過程中有意對(duì)病人的診斷向賠償高的病種靠，減少必要的貴重檢查和治療導(dǎo)致醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量的下降等。

——有效換熱面積，m2；

e——水力直徑，m；

COPD急性加重期患者因感染造成氣道粘膜充血水腫,導(dǎo)致氣道分泌物增多,咳嗽和憋喘癥狀加重,痰液黏稠不易排出,易造成呼吸道堵塞,最終誘發(fā)呼吸衰竭和心力衰竭等并發(fā)癥[1]。目前,臨床關(guān)于鹽酸氨溴索治療COPD急性加重期療效的研究較多,而對(duì)于鹽酸氨溴索不同持續(xù)用藥時(shí)間治療COPD急性加重期療效的研究較少,為此,本研究通過隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)對(duì)我院接診的70例患者進(jìn)行研究,現(xiàn)報(bào)道如下:

z——局部Nusselt數(shù)；

（二）結(jié)合學(xué)生差異展開教學(xué)。正如前面提到的那樣，新課改下的初中數(shù)學(xué)教學(xué)手段已經(jīng)得到了前所未有的進(jìn)步。無(wú)論是微課教學(xué)還是多媒體互動(dòng)課堂都為學(xué)生們帶來(lái)了數(shù)學(xué)認(rèn)知過程中的更多可能。在這種情況下教師更是要充分結(jié)合學(xué)生的個(gè)體差異以及基礎(chǔ)狀況來(lái)制定出具有針對(duì)性的分層教學(xué)，讓每一名學(xué)生都能夠在有的放矢的調(diào)整課堂教學(xué)計(jì)劃的同時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)既定教學(xué)任務(wù)與教學(xué)目標(biāo)的落實(shí)。

當(dāng)采用通道平均換熱系數(shù)f來(lái)表征實(shí)驗(yàn)段的換熱性能時(shí)，取充分發(fā)展段的平均溫差來(lái)計(jì)算f，相關(guān)計(jì)算公式如下：

——有效換熱面積，m2。

采用蒸汽進(jìn)出口平均溫度作為定性溫度：

由fm計(jì)算獲得平均蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)fz［W/（m·K）］以及平均蒸汽動(dòng)力黏度系數(shù)fm［W/（m·K）］。

3　結(jié)果與分析

圖2表示入口過熱度100 ℃，入口雷諾數(shù)約12 000時(shí)，不同工況下實(shí)驗(yàn)本體壁溫沿軸向位置的分布情況。從圖中可以看出：在實(shí)驗(yàn)過程中，入口段（0≤/＜34.2）壁溫沿本體軸向以較大速率升高；在圓管中間段（34.2≤/≤109.2），壁溫勻速緩慢升高；壁溫在圓管出口段（109.2＜/＜125）呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，分析是由實(shí)驗(yàn)本體的實(shí)驗(yàn)段向兩端法蘭等非發(fā)熱部件的軸向?qū)嵋餥6]，為了排除進(jìn)出口段對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本研究選擇圓管中間段部分（34.2≤/≤109.2）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳熱特性分析。

圖2　壁面溫度沿軸向位置變化

圖3和圖4分別表示入口過熱度200 ℃，出口過熱度500 ℃，壓力0.2 MPa時(shí)局部對(duì)流換熱系數(shù)z和Nusselt數(shù)z沿軸向位置的變化規(guī)律。從圖中可以看出：在同一軸向位置處，局部z和z隨流體雷諾數(shù)的增大而增大。

圖5是通道平均Nusselt數(shù)f隨雷諾數(shù)f的變化規(guī)律。從圖中可以看出，通道平均Nusselt數(shù)與流體雷諾數(shù)呈正相關(guān)；將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)典-公式相比，偏差較大，主要是由于-公式僅適用于流體與壁面溫度具有中等溫差的場(chǎng)合（氣體不超過50 ℃），而本文實(shí)驗(yàn)中流體與壁面最大溫差達(dá)346 ℃；此外，-公式的流體雷諾數(shù)適用范圍為1×104～1.2×105，僅適用于旺盛湍流的范圍，而本文實(shí)驗(yàn)的流體雷諾數(shù)范圍為2.78×103～1.84×105，包括了過渡區(qū)，所以-公式預(yù)測(cè)值較本文實(shí)驗(yàn)值明顯偏高。

圖3　不同通道平均雷諾數(shù)Ref下局部換熱系數(shù)hz沿軸向位置變化

圖4　不同通道平均雷諾數(shù)Ref下局部Nusselt數(shù)Nuz沿軸向位置變化

圖5　通道平均Nuf隨雷諾數(shù)Ref的變化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了適用于本文工況范圍的圓管內(nèi)充分發(fā)展段的強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式。由于本文實(shí)驗(yàn)中流體與壁面溫度的差值較大，僅靠數(shù)指數(shù)的區(qū)別不能充分反映物性變化的影響，所以在-公式的基礎(chǔ)上，引入w/f項(xiàng)作為溫差修正系數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如下：

在過渡區(qū)（2 780.2≤f≤9 826.8）：

語(yǔ)氣詞作為漢語(yǔ)中一種重要詞類，作用是表達(dá)句子的各種語(yǔ)氣，如：判斷、肯定、已然、限止、提示、感嘆、疑問等。上博楚簡(jiǎn)中語(yǔ)氣詞不僅用在句末，而且在句首、句中均有使用。但句首和句中語(yǔ)氣詞在現(xiàn)代漢語(yǔ)中已不存在，句尾語(yǔ)氣詞從古至今也發(fā)生了很大的變化。此外，漢語(yǔ)語(yǔ)氣詞發(fā)展有一個(gè)重要特點(diǎn)，即上古的語(yǔ)氣詞沒有流傳下來(lái)，“也”、“矣”、“乎”、“焉”、“與(歟)”、“哉”、“唯(維、惟)”之類，連痕跡也沒有了。代替它們的是出現(xiàn)的新的語(yǔ)氣詞，如“的”、“了”、“呢”、“啊”、“哇”、“吧”等。[3]529

公式范圍：壓力在0.20～0.41 MPa，進(jìn)口蒸汽過熱度：96.3～209.5 ℃；出口蒸汽過熱度：200.7～500.0 ℃；通道平均雷諾數(shù)：2 780.2～9 826.8；34.2≤z/D≤109.2。從圖6可以看出：92%的管道平均Nusselt數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在±20%以內(nèi)，最大偏差為-26%，符合較好。

在湍流區(qū)（10 680.6≤f≤18 386.3）：

公式范圍：壓力在0.20～0.41 MPa，進(jìn)口蒸汽過熱度：99.5～199.3 ℃；出口蒸汽過熱度：292.2～503.1 ℃；通道平均雷諾數(shù)：10 680.6～18 386.3；34.2≤z/D≤109.2。從圖7中可以看出，管道平均Nusselt數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差均在±5%以內(nèi)，符合較好。

圖8所示為：入口過熱度200 ℃，出口過熱度500 ℃，壓力0.2 MPa時(shí)本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合公式與文獻(xiàn)中關(guān)系式的對(duì)比結(jié)果，從圖中可以看出：Bishop公式[7]預(yù)測(cè)值在低雷諾數(shù)段較實(shí)驗(yàn)值偏高；Sutherland公式[8]預(yù)測(cè)值在低雷諾數(shù)段高于本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在高雷諾數(shù)階段較低于本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；本文公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

圖8　擬合公式計(jì)算值與文獻(xiàn)關(guān)系式比較結(jié)果[7,8]

4　結(jié)論

本文開展了失水事故再淹沒階段圓管通道過熱蒸汽流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)研究，得到的結(jié)論如下：

（1）獲得了圓管通道平均雷諾數(shù)為2.78× 103～1.84×105范圍內(nèi)的過熱蒸汽流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在同一軸向位置處，流體局部傳熱系數(shù)和Nusselt數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而增大。

（3）基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了相應(yīng)的傳熱特性實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示所有數(shù)據(jù)偏差都在±26%以內(nèi)，符合較好。

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Experimental Investigation on the Heat Transfer Characteristics of Superheated Steam in the Tube Channel

LI Ying，CHEN Xin，WANG Jinyu，HUANG Yanping，YUAN Dewen，BI Jingliang，XU Jianjun

（CNNC Key Laboratory on Nuclear Reactor ThermoHydraulics Technology，Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610213，China）

The heat transfer characteristics of superheated steam are critical for the development of the LOCA analysis code. In this work, experimental investigation on heat transfer characteristics of superheated steam in the tube channel during reflooding phase was conducted with Reynolds number ranging from 2.78×103to 1.84×105. The parameters including wall temperature, mass flow rate, inlet and outlet temperatures of steam were measured experimentally. Based on experimental data, the effects of Reynolds number on heat transfer characteristics of superheated steam were analyzed. The results show that the local heat transfer coefficient and Nusselt number increased with Reynolds number. Besides, the corresponding heat transfer correlations were also obtained in this study.

Tube channel；Reflooding phase；Superheated steam；Heat transfer characteristics

TK124

A

0258-0918（2022）06-1331-06

2021-09-25

先進(jìn)核能系統(tǒng)熱工安全四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)（2019JDT0018）項(xiàng)目

李 瑩（1991—），女，陜西寶雞人，助理研究員，博士，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆熱工水力方面研究