圓管通道底部再淹沒過程實驗研究

李 瑩，王金宇，陳 鑫，黃彥平，袁德文，畢景良，徐建軍

(中國核動力研究設(shè)計院 中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610213)

失水事故是反應(yīng)堆的設(shè)計基準(zhǔn)事故之一。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。由于再淹沒階段冷卻劑換熱模式多變、傳熱現(xiàn)象極其復(fù)雜，因此，從20世紀(jì)60年代至今，國內(nèi)外關(guān)于再淹沒過程的實驗和模型研究一直在不斷探索、發(fā)展和完善，研究對象包括圓管、環(huán)管、棒束等通道[1-7]。

再淹沒過程中的驟冷溫度在一定程度上反映了堆芯冷卻效果，是元件設(shè)計和堆安全分析的重要參數(shù)。國內(nèi)外學(xué)者針對再淹沒過程的物理機制開展了大量實驗研究。然而，再淹沒過程關(guān)鍵參數(shù)對驟冷溫度的影響規(guī)律尚不清楚。如Kim等[8]通過開展圓管通道再淹沒實驗研究，分析發(fā)現(xiàn)驟冷溫度與冷卻劑溫度、壁溫、質(zhì)量流量等參數(shù)相關(guān)，但加熱功率對驟冷溫度的影響可忽略。Lee等[6]通過實驗研究得出，豎直圓管內(nèi)底部再淹沒過程驟冷溫度與制冷劑質(zhì)量流速無關(guān)，但受初始壁溫影響。顏迪民等[9]研究發(fā)現(xiàn)，圓管再淹沒過程中驟冷溫度與初始壁溫呈線性關(guān)系，但不受冷卻劑溫度、驟冷點位置以及冷卻劑流速影響。因此，本文將開展圓管通道內(nèi)低壓(0.2～0.4 MPa)、低流速(3～15 cm/s)工況下的再淹沒階段流動換熱特性實驗研究，進一步分析初始壁溫、入口流速、入口溫度、加熱功率等關(guān)鍵參數(shù)對驟冷溫度的影響規(guī)律，完善驟冷機理，為驗證和優(yōu)化驟冷模型提供一定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 方法

1.1 圓管再淹沒

圓管通道內(nèi)再淹沒階段流動換熱特性實驗在中國核動力研究設(shè)計院中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點實驗室的實驗裝置上完成，實驗工質(zhì)為去離子水，實驗裝置如圖1所示。該裝置主要由水箱、主泵、預(yù)熱器、換熱器、蒸汽鍋爐、過熱器、實驗本體、汽水分離器、緩沖器、閥門和測控設(shè)備組成。

圖1 實驗裝置示意圖

圓管實驗本體由加熱管、電極和法蘭等組成。加熱管材料為Inconel 690，水力當(dāng)量直徑為12 mm，加熱長度為1 500 mm。實驗本體不同高度處布置6個溫度測點，用于測量圓管外壁面溫度，6個溫度測點距離加熱段入口軸向高度分別為185、335、485、635、785、935 mm。

圓管通道再淹沒實驗過程[10]如下：水箱中的去離子水經(jīng)主泵加壓后，通過流量計、預(yù)熱器進入換熱器回到水箱；蒸汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽由過熱器、文丘里流量計進入試驗本體，然后從汽水分離器、緩沖器排出。投入本體電源，當(dāng)壁溫上升至預(yù)定值時，關(guān)閉蒸汽支路，切換閥門，一定溫度和壓力的去離子水自下而上垂直進入實驗段內(nèi)的圓管通道，直到加熱段被完全淹沒。

實驗中，本體外壁面溫度采用φ0.5 mm的絕緣N型鎧裝熱電偶進行測量，熱電偶點焊在圓管實驗本體的外表面，測量范圍為0～900 ℃，測量精度為Ⅰ級。本體入口流量采用量程為10～100 kg/h、精度為Ⅰ級的質(zhì)量流量計測量；進出口壓力采用0.1級壓力變送器測量，量程為0～2 MPa；實驗段壓降采用0.1級壓差變送器測量，量程為0～100 kPa；實驗過程中，采用模塊化電源對實驗本體進行加熱。所有測點信號均接入NI采集模塊，完成實驗數(shù)據(jù)的采集、存儲及顯示。

實驗參數(shù)列于表1，實驗過程中加熱功率保持恒定。本實驗工況參數(shù)列于表2。

表1 實驗參數(shù)

表2 工況參數(shù)

1.2 起止時刻及過渡沸騰判定

1)再淹沒過程起止時刻判定

典型工況1對應(yīng)的再淹沒過程流體進出口溫度以及氣液分離器夾帶水箱的液位變化如圖2所示。根據(jù)流體進出口溫度以及夾帶水箱液位的變化對再淹沒過程的開始和結(jié)束時刻進行判定。

再淹沒實驗開始前(t<0 s)，流道內(nèi)主要為熱蒸汽，圓管壁通過熱輻射、熱傳導(dǎo)等過程加熱蒸汽，此時流道內(nèi)蒸汽溫度較高。打開試驗支路閥門后管內(nèi)蒸汽向下流動，使得入口溫度突升，隨著冷卻水的流入，入口溫度下降至65 ℃左右，如圖2a所示。同時，液位到達(dá)加熱段底部，冷卻水在熱壁表面發(fā)生強烈汽化，在高速蒸汽的推動下，管道內(nèi)高溫氣體快速向上流動，很快排出試驗段，所以圖2b中出口處蒸汽溫度出現(xiàn)突升突降的現(xiàn)象。再淹沒過程中，夾帶液滴的蒸汽在試驗段出口的汽液分離器中進行氣液分離，蒸汽通過文丘里流量計和緩沖器后排出，用于收集夾帶水的夾帶水箱液位則呈線性上升。在約500 s時，此工況下的再淹沒過程結(jié)束，驟冷前沿達(dá)到試驗段頂部，所有蒸汽被排出，管壁溫度均被冷卻到低于飽和溫度，流道內(nèi)變?yōu)閱蜗嗨畬α鲹Q熱，試驗段出口溫度下降。此時，進入氣液分離器的流體從蒸汽變?yōu)閱蜗嗨?，夾帶水箱液位的上升斜率明顯增大，如圖2c所示。

圖2 典型工況1下冷卻劑入口溫度、出口溫度及夾帶水箱液位的變化

2)過渡沸騰判定

本研究采用雙切線法定義驟冷溫度和驟冷時刻[11-13]，取壁溫-時間曲線斜率絕對值最大處切線與陡降前特征冷卻曲線切線的交點對應(yīng)壁溫為驟冷溫度Tq，交點對應(yīng)的時刻為驟冷時刻tq，工況1對應(yīng)再淹沒過程中壁面z=635 mm處溫度隨時間的變化如圖3所示。從圖3可看出，在再淹沒開始階段，由于傳熱能力較弱，壁面溫度下降較慢；當(dāng)壁面溫度下降到驟冷溫度時，壁面發(fā)生驟冷，溫度迅速下降；最后壁溫趨于飽和溫度，進入長期冷卻階段。

圖3 驟冷前沿判定方法示意圖

1.3 溫度場計算

再淹沒過程中，圓管管壁溫度場計算可作為一個含內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。本文進行以下假設(shè)：1)忽略壁面軸向?qū)幔?)外壁面絕熱；3)物性參數(shù)隨局部溫度變化作實時響應(yīng)處理。初始時刻，各節(jié)點溫度分布由測量的外壁溫及穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方法確定。采用一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱隱式格式數(shù)值化方法離散分析區(qū)域，得到離散方程，并采用交叉隱式迭代法求解方程組[14-16]。

2 結(jié)果與分析

不同工況下再淹沒過程中不同軸向高度處壁溫的變化示于圖4。從圖4可看出，再淹沒開始后，驟冷前沿由下向上推進，不同軸向高度的壁溫依次發(fā)生驟冷。在特定高度上，當(dāng)壁溫下降至驟冷溫度時，開始迅速下降，直至與流體溫度相同。受端部軸向?qū)岬挠绊懀瑘A管初始壁溫分布略有差異[17]。

圖4 不同典型工況下再淹沒過程圓管通道不同軸向高度處壁溫變化曲線

本文基于z=635 mm處圓管通道再淹沒過程壁溫的變化規(guī)律，分別分析初始壁溫、流體入口溫度、流體入口流速以及加熱功率對驟冷時刻和驟冷溫度的影響。

2.1 初始壁溫對驟冷時刻和驟冷溫度的影響

在入口壓力0.4 MPa、加熱功率2.3 kW/m條件下，分別比較工況12與13、工況14與15以及工況1與11中初始壁溫對驟冷時刻和驟冷溫度的影響，結(jié)果示于圖5。由圖5可看出，入口溫度、入口流速及加熱功率相同工況下，驟冷時刻與驟冷溫度均隨初始壁溫的增加而增加。這是由于初始壁溫越高，圓管管壁內(nèi)熱量越多，再淹沒過程中需要的先驅(qū)冷卻時間越長。此外，對比工況11與15的驟冷時刻和驟冷溫度可看出，在入口流速為15 cm/s、初始壁溫(Tw,ini=340 ℃)較低的工況下，流體入口溫度對驟冷時刻和驟冷溫度的影響不明顯。

圖5 初始壁溫對驟冷時刻和驟冷溫度的影響

2.2 入口溫度對驟冷時刻和驟冷溫度的影響

在入口流速15 cm/s、入口壓力0.2 MPa、初始壁面峰值溫度600 ℃、加熱功率2.3 kW/m條件下，比較工況8、9、10中流體入口溫度對驟冷時刻和驟冷溫度的影響，如圖6所示。由圖6可知，初始壁溫、入口流速及加熱功率相同的工況下，驟冷時刻與驟冷溫度均隨入口溫度的增加而增加。較大的入口溫度對應(yīng)的驟冷前沿附近的局部過冷度較小，氣膜不易破碎而發(fā)生驟冷，所以越高的入口溫度工況對應(yīng)的驟冷時刻越長。在入口流速15 cm/s、入口壓力0.2 MPa、初始壁面峰值溫度600 ℃、加熱功率2.3 kW/m條件下，不同入口溫度下z=635 mm處壁溫的變化示于圖7。由圖7可見，高入口溫度工況(工況10，Tin=100 ℃)對應(yīng)的驟冷時刻更長，發(fā)生驟冷前，壁面在持續(xù)穩(wěn)定功率加熱下，溫度持續(xù)上升，因此，高入口溫度工況對應(yīng)的驟冷溫度較高。

圖6 入口溫度對驟冷時刻和驟冷溫度的影響

圖7 不同入口溫度下再淹沒過程中z=635 mm處壁溫的變化

2.3 入口流速對驟冷時刻和驟冷溫度的影響

在入口溫度45 ℃、入口壓力0.2 MPa、初始壁面峰值溫度600 ℃、加熱功率1.3 kW/m條件下，比較工況4、5、6中入口流速對驟冷時刻和驟冷溫度的影響，結(jié)果示于圖8，可看出，初始壁溫、入口溫度及加熱功率相同的工況下，驟冷時刻與驟冷溫度均隨入口流速的增加而減小。入口流速對再淹沒過程的影響主要體現(xiàn)在液膜對氣膜沖刷力的影響。入口流速越大，驟冷前沿附近的冷卻水汽化越劇烈，液膜更容易沖破氣膜與管壁表面碰觸。

圖8 入口流速對驟冷時刻和驟冷溫度的影響

2.4 加熱功率對驟冷時刻和驟冷溫度的影響

在入口流速15 cm/s、初始壁面峰值溫度600 ℃條件下，分別比較工況17與14、工況5與8以及工況1與16中加熱功率對驟冷時刻和驟冷溫度的影響，結(jié)果示于圖9?？梢?，初始壁溫、入口溫度及入口流速相同工況下，驟冷時刻與驟冷溫度均隨加熱功率的增加而增加。相似的冷卻條件下，加熱功率大的工況，管壁熱量越大，壁溫下降越緩，先驅(qū)冷卻時間越長。在持續(xù)穩(wěn)定功率加熱的作用下，沒有發(fā)生驟冷的壁面溫度會繼續(xù)上升，所以高功率對應(yīng)的驟冷溫度也增大。

圖9 加熱功率對驟冷時刻和驟冷溫度的影響

3 結(jié)論

本文開展了低壓(0.2～0.4 MPa)、低流速(3～15 cm/s)條件下圓管通道底部再淹沒流動換熱特性實驗研究，獲得了不同工況下壁面溫度的變化規(guī)律：再淹沒開始后，驟冷前沿試驗段由下向上推進，不同軸向高度的壁溫依次發(fā)生驟冷。在特定高度上，當(dāng)壁溫下降至驟冷溫度時，開始迅速下降，直至與流體溫度相同。通過分析初始壁溫、冷卻劑入口溫度、入口流速以及加熱功率對驟冷時刻與驟冷溫度的影響可知，驟冷時刻與驟冷溫度均隨初始壁溫、冷卻劑入口溫度以及加熱功率的增加而增加，隨入口冷卻劑流速的增加而減小。