水介質(zhì)下的溫度計響應(yīng)時間仿真與試驗(yàn)研究

王 源,郭 偉,熊國華,郭承旺

(中廣核研究院有限公司,廣東 深圳 518124)

0 引言

熱電阻是一種常用的溫度檢測儀器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高、性能穩(wěn)定[1]。其中,鉑熱電阻以其測量精確度較高的優(yōu)點(diǎn),不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫,而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀[2]。熱電阻溫度計的原理是導(dǎo)體電阻隨溫度變化。在壓水堆核電站中,溫度是十分重要的測量參數(shù)。反應(yīng)堆冷卻劑溫度直接在一回路主管道上采用帶套管的電阻溫度計進(jìn)行測量。

響應(yīng)時間是熱電阻溫度計的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[3]。國內(nèi)對熱電阻溫度計響應(yīng)時間測量方法和傳感器結(jié)構(gòu)影響溫度計響應(yīng)時間有一定的研究[4-7],但對于不同測量工況下的研究仍較少。因此,有必要開展熱電阻溫度計水介質(zhì)下響應(yīng)時間仿真與試驗(yàn)研究,以確定水介質(zhì)下熱電阻溫度計響應(yīng)時間的影響因素和變化規(guī)律。這對于反應(yīng)堆冷卻劑溫度的測量十分重要。

為了研究在水介質(zhì)下不同測量工況(溫度、流速、壓力)對熱電阻溫度計響應(yīng)時間的影響,本文基于反應(yīng)堆一回路冷卻劑的溫度變化場景,結(jié)合仿真分析軟件,通過控制變量方法對典型工況條件下的熱電阻溫度計響應(yīng)時間開展理論分析。其中:仿真過程中水介質(zhì)的流速變化區(qū)間為0～10.0 m/s;溫度變化區(qū)間為20～80 ℃;壓強(qiáng)變化區(qū)間為0.101～7.1 MPa。

1 熱電阻結(jié)構(gòu)及動態(tài)響應(yīng)原理

套管式鉑熱電阻溫度計結(jié)構(gòu)一般分為五個主要部分,從外到內(nèi)分別是熱電阻溫度計套管、保護(hù)管、絕緣填充物、骨架和鉑電阻絲。套管的主要作用是在高溫、高壓、易腐蝕沖擊的管道環(huán)境中保護(hù)熱電阻溫度計,以防止其受損。保護(hù)管主要用于固定和確保熱電阻溫度計內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。絕緣填充物主要用于絕緣和導(dǎo)熱。骨架主要用于為鉑電阻絲提供支撐。鉑電阻絲為感溫金屬。

套管式熱電阻溫度計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 套管式熱電阻溫度計結(jié)構(gòu)示意圖

熱電阻溫度計測溫原理為:由于金屬導(dǎo)體的阻值隨溫度變化而變化,通過對熱電阻溫度計阻值進(jìn)行測量,即可由阻值與溫度的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到被測流體的溫度值。

根據(jù)熱電阻溫度計輸出曲線,可以判斷其動態(tài)響應(yīng)。本文假設(shè)熱電阻溫度計的材料是均勻的,從溫度為To的常溫環(huán)境中突然進(jìn)入到溫度為Tf的環(huán)境,經(jīng)過時間為τ,熱電阻溫度計的溫度為T。

熱電阻溫度計溫度變化曲線如圖2所示。

圖2 熱電阻溫度計溫度變化曲線

由熱力學(xué)模型可知,熱電阻溫度計在流體介質(zhì)中的熱力學(xué)定律為[8]：

(1)

式中:ρ為傳感器前端傳感元件部分密度;c為傳感器前端部分比熱容;V為傳感器換熱部分體積;A為傳感器前端傳感元件部分面積;h為對流換熱系數(shù)。

在t= 0、T=T0的初始條件下,積分求解式(1),可得:

(2)

熱電阻溫度計的時間常數(shù)τ定義為:當(dāng)溫度到達(dá)總溫度變化63.2%時所對應(yīng)的時間。

(3)

2 熱電阻溫度計仿真模型和流程

2.1 熱電阻溫度計仿真模型

本文采用Ansys-Fluent軟件,基于計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)方法進(jìn)行仿真分析,通過計算機(jī)數(shù)值求解流動和傳熱方程,對包含流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析。

熱電阻溫度計套管的基本結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)尺寸圖

根據(jù)圖3,本文建立了如圖4所示的熱電阻溫度計簡化模型。

圖4 熱電阻溫度計簡化模型示意圖

實(shí)際傳感器結(jié)構(gòu)鉑電阻是作為絲狀纏繞在螺紋骨架上的。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸相較于整個模型較小,不易建立網(wǎng)格,所以在此處進(jìn)行簡化處理。簡化處理包括:去除作為支撐鉑電阻絲的骨架;按照等體積建立鉑電阻圓柱體,以代替鉑電阻絲。

本文對傳感器所處的流場進(jìn)行流固耦合瞬態(tài)溫度場分析,并作以下假設(shè)。

①忽略與外部環(huán)境之間的輻射換熱。

②傳感器與外表面的水介質(zhì)自然對流換熱,忽略其他環(huán)境影響。

③忽略通過測量引線等零部件的導(dǎo)熱熱損。

④將熱電阻溫度計鉑電阻絲骨架簡化,并省略對這個部分的詳細(xì)建模。

2.2 熱電阻溫度計仿真流程

針對建立的熱電阻溫度計測量管道內(nèi)流體的仿真模型,本文根據(jù)以下步驟進(jìn)行數(shù)值仿真。

①網(wǎng)格劃分。

Fluent軟件中,體網(wǎng)格劃分有四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格兩種方式。本次仿真采用的網(wǎng)格劃分方式為適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體網(wǎng)格。本文對DN100仿真模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,即四面體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格模型

為提高仿真精度、準(zhǔn)確捕捉接觸面的狀態(tài),本文在流體與壁面接觸面進(jìn)行邊界層設(shè)置,且對需要觀察的位置進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格劃分后,必須檢查網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣。

②流動模型選擇。

根據(jù)流體工況參數(shù),可確定流動是層流流動還是湍流流動。其判斷依據(jù)通常為雷諾數(shù)的大小。

③材料設(shè)置。

根據(jù)熱電阻溫度計的各部分實(shí)際材料,本文從Fluent材料數(shù)據(jù)庫中分別進(jìn)行固體材料和液體材料添加。對于材料庫中不存在的材料,可根據(jù)所需材料的物性參數(shù)自定義材料。本文進(jìn)行材料匹配設(shè)置如下:外層為石棉;套管為316L;內(nèi)部護(hù)套為二氧化硅;填充物為氧化鎂;鉑電阻為鉑;流體為水/水蒸氣。

④設(shè)置邊界條件。

邊界條件包括入口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件。仿真中提供的工況參數(shù)為:入口邊界條件設(shè)置為速度入口邊界條件,按照實(shí)際工況進(jìn)行入口流速、流體溫度等參數(shù)設(shè)置;出口邊界條件設(shè)置為壓力出口,采用默認(rèn)壓力出口設(shè)置;壁面邊界條件設(shè)置為無滑移邊界,并對流體壁面與流體之間的對流換熱系數(shù)以及熱電阻溫度計與環(huán)境間的對流換熱系數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

⑤求解方法選擇。

求解方法有四種,分別為壓力耦合方程的半隱式法(semi-implicit-method for pressure linked equations,SIMPLE)、一致性壓力耦合方程的半隱式法(semi-implicit-method for pressure linked equations consistent,SIMPLEC)、壓力-隱式分裂算子(pressure-implicit with splitting of operators,PISO)和Coupled。前三種為分離求解方法。第四種為耦合求解方法。分離求解方法主要用于不可壓縮流動和可壓縮性不強(qiáng)的流動。耦合求解方法主要用于高速可壓縮流動。本文采用分離求解和耦合求解相結(jié)合的方法。

⑥數(shù)據(jù)初始化。

為獲得熱電阻溫度計溫度變化瞬態(tài)曲線,本文仿真類型屬于瞬態(tài)仿真。仿真選擇相應(yīng)方法進(jìn)行初始化,并據(jù)根據(jù)實(shí)際工況中流體的三維方向的速度分量、模型的溫度等參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置。

⑦仿真計算。

仿真計算需要設(shè)置迭代次數(shù)、時間間隔和最大迭代步數(shù)。其中,時間間隔選取依據(jù)為比特征長度除以特征速度所得的時間小一至二個量級,且選取得越小,仿真精度越高,對計算機(jī)性能要求也越高。最大迭代步數(shù)一般取5～10為理想值。迭代次數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取。設(shè)置完成后,即可開始仿真計算得到熱電阻溫度計的溫度變化曲線。

根據(jù)試驗(yàn)測試需求,本文建立了如圖6所示的試驗(yàn)測量工裝。

圖6 試驗(yàn)測量工裝示意圖

試驗(yàn)管道的設(shè)計參數(shù)為內(nèi)徑98 mm。本文以試驗(yàn)工裝為模型對象,根據(jù)試驗(yàn)管道參數(shù)和工程現(xiàn)場管道參數(shù)建立了等效的管道直徑DN100的仿真模型。

3 響應(yīng)時間影響因素仿真結(jié)果分析

本文在管道直徑DN100的情況下對響應(yīng)時間影響因素開展分析。其中,DN100管徑作為試驗(yàn)管徑,其仿真內(nèi)容包括水介質(zhì)仿真,以探究不同介質(zhì)、不同測量工況(流速、溫度、壓強(qiáng))對響應(yīng)時間的影響。以下詳細(xì)分析水介質(zhì)的流體流速、溫度和壓強(qiáng)這三個因素對響應(yīng)時間仿真結(jié)果的影響。

熱電阻溫度計響應(yīng)時間隨流速變化的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 響應(yīng)時間隨流速變化的仿真結(jié)果

圖7中:仿真介質(zhì)為水;壓強(qiáng)為0.101 MPa;流體溫度為20 ℃。

由圖7可知,響應(yīng)時間隨著流體流速增加呈下降趨勢。根據(jù)傳熱角度分析可知,對流換熱系數(shù)與流體流速成正比。因此,流速越大,對流換熱系數(shù)越大,則流體與熱電阻溫度計之間換熱效果越好,熱電阻溫度計響應(yīng)也越快。

熱電阻溫度計響應(yīng)時間隨溫度變化的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 響應(yīng)時間隨溫度變化的仿真結(jié)果

圖8中:管道壓強(qiáng)為0.101 MPa;流速為1 m/s。

由圖8可知,響應(yīng)時間隨著流體溫度增加呈階段性下降趨勢。其原因在于水的物性參數(shù)隨溫度變化不明顯,只有在溫度變化達(dá)到一定程度時才逐漸顯現(xiàn)其溫度影響。由不同溫度下的對流換熱系數(shù)計算結(jié)果可知,對流換熱系數(shù)隨溫度升高而增加,但是增加速度較為緩慢。這體現(xiàn)了響應(yīng)時間隨溫度升高階段性下降的特點(diǎn)。

對流換熱系數(shù)隨溫度變化曲線如圖9所示。

圖9 對流換熱系數(shù)隨溫度變化曲線

熱電阻溫度計響應(yīng)時間隨壓強(qiáng)變化的仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 響應(yīng)時間隨壓強(qiáng)變化的仿真結(jié)果

圖10中:仿真介質(zhì)為水;溫度為20 ℃;流速為1 m/s。

由圖10可知,響應(yīng)時間隨著壓強(qiáng)增加不發(fā)生變化。其原因在于水作為不可壓縮流體,其物性參數(shù)基本不隨壓強(qiáng)增加而產(chǎn)生變化。

4 仿真結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 水介質(zhì)試驗(yàn)工況

為了驗(yàn)證幾何模型和動態(tài)響應(yīng)仿真計算結(jié)果的可靠性,本文采用實(shí)驗(yàn)室方法與仿真結(jié)果進(jìn)行比對驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)室方法在水介質(zhì)中采用插入法在不同流速下進(jìn)行測量。本文依據(jù)《核電廠安全級電阻溫度探測器的質(zhì)量鑒定》(NB/T 25838—2010)中對響應(yīng)時間試驗(yàn)的相關(guān)要求,測量特定水介質(zhì)三個工況條件下的熱電阻溫度計響應(yīng)時間。具體為:在水介質(zhì)中,溫度為75 ℃和常壓時,不同溫度工況、不同流速工況、不同壓力工況的流速分別為0.4 m/s、0.6 m/s、1.0 m/s。

4.2 水流式熱響應(yīng)時間試驗(yàn)裝置

水流式熱響應(yīng)時間試驗(yàn)裝置由初溫恒溫槽、旋轉(zhuǎn)式恒溫槽、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)四個主要部分組成。其工作原理及過程如下。

①初溫恒溫槽設(shè)置為常溫(通常為20 ℃),通過標(biāo)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制旋轉(zhuǎn)式恒溫槽的介質(zhì)溫度和流速,以達(dá)到預(yù)定值并保持穩(wěn)定。

②鉑電阻溫度計信號端子連接至數(shù)據(jù)采集器,以實(shí)時監(jiān)測測量端溫度。

③鉑電阻溫度計的測溫端置于初溫恒溫槽中一段時間,以保持?jǐn)?shù)據(jù)采集器顯示的鉑電阻溫度計溫度穩(wěn)定。

④鉑電阻溫度計從初溫恒溫槽中快速取出,并置于旋轉(zhuǎn)式恒溫槽中。

⑤觀察數(shù)據(jù)采集器顯示的鉑電阻溫度計的溫度階躍變化,記錄鉑電阻溫度計的熱響應(yīng)時間(τ0.632)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文在直徑為DN100的管道對響應(yīng)時間影響因素展開分析。其仿真內(nèi)容為基于水介質(zhì)仿真,研究不同測量工況對響應(yīng)時間的影響。

試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比如表1所示。

表1 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

本文分別對三種工況下的試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。從插入法試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果誤差可知,三種工況下得到的誤差值均在3.5%以內(nèi)。試驗(yàn)與仿真的誤差是由于試驗(yàn)中參數(shù)測量與控制和仿真模型之間不能完全等效造成的,但兩者具有相同的變化趨勢。仿真與試驗(yàn)結(jié)果證明了熱電阻方案和工裝試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇约安捎么朔抡娣椒ǖ倪m用性和可行性,為進(jìn)一步研究在其他具體工況下的響應(yīng)時間奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

本文對應(yīng)用于測量反應(yīng)堆一回路冷卻劑的熱電阻溫度計進(jìn)行了響應(yīng)時間研究。通過熱電阻溫度計水介質(zhì)下響應(yīng)時間數(shù)值仿真與試驗(yàn),研究了不同溫度、不同流速、不同壓力工況下對傳感器響應(yīng)時間的影響和變化規(guī)律。本文采用實(shí)驗(yàn)室方法與仿真結(jié)果進(jìn)行比對驗(yàn)證。研究結(jié)果對探究具體工況下的熱電阻溫度計響應(yīng)時間有重大意義,可以確保反應(yīng)堆在發(fā)生較大溫度瞬態(tài)變化時,反應(yīng)堆熱電阻溫度計能快速、有效響應(yīng)并及時實(shí)現(xiàn)停堆。