棒束內(nèi)超臨界水傳熱實(shí)驗(yàn)研究

李虹波1，趙萌2，顧漢洋2，盧冬華1

(1.中科華核電技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳518026；

2.上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240)

摘要：在中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司和上海交通大學(xué)共建的超臨界水多功能實(shí)驗(yàn)裝置上，針對(duì)兩種不同節(jié)徑比(P/D)的棒束通道開(kāi)展了超臨界水流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)，獲得了傳熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，觀測(cè)到了通道內(nèi)棒束間明顯的周向溫度不均勻現(xiàn)象和定位格架導(dǎo)致的傳熱強(qiáng)化現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)各種熱工水力參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，得出超臨界水流動(dòng)傳熱結(jié)論：隨熱流密度的增加，傳熱系數(shù)逐漸減小，棒束壁溫周向不均勻程度逐漸增加；隨質(zhì)量流速的增加，傳熱系數(shù)逐漸增大，棒束壁溫周向不均勻程度逐漸減??；隨壓力的逐漸升高，傳熱系數(shù)少許降低；隨P/D的減小，棒束通道內(nèi)的傳熱明顯增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：超臨界水；流動(dòng)傳熱；棒束；傳熱系數(shù)

中圖分類號(hào)：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-07-08;修回日期：2014-09-24

作者簡(jiǎn)介：李虹波(1980—)，男，重慶人，高級(jí)工程師，博士，從事反應(yīng)堆熱工水力及兩相流動(dòng)與傳熱研究

doi：10.7538/yzk.2015.49.10.2017

Experiment Study of Supercritical Water Heat Transfer in Bundle

LI Hong-bo1, ZHAO Meng2, GU Han-yang2, LU Dong-hua1

(1.ChinaNuclearPowerTechnologyResearchInstitute,Shenzhen518026,China;

2.SchoolofNuclearScienceandEngineering,

ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

Abstract:The heat transfer experiment of supercritical water in two bundles with differentP/D has been performed on the supercritical water multipurpose test loop coconstructed by China General Nuclear Power Corporation and Shanghai Jiao Tong University. The experiment data were obtained. The temperature non-uniformity in circumference of the bundles and heat transfer enhancement caused by the grids were observed obviously. The experiment research results of thermal-hydraulic parameters on heat transfer of supercritical water show that the heat transfer coefficient decreases and the temperature non-uniformity in circumference is enhanced with the increase of heat flux. The heat transfer coefficient increases and the temperature non-uniformity in circumference decreases with the increase of mass flux. The heat transfer coefficient decreases with the increase of system pressure. The heat transfer in bundles is enhanced with the decrease of P/D.

Key words：supercritical water; flow and heat transfer; bundle; heat transfer coefficient

超臨界壓力下水物性對(duì)溫度的強(qiáng)烈依賴性，使得超臨界流體的流動(dòng)傳熱過(guò)程較普通流體的要復(fù)雜得多[1-2]。大量文獻(xiàn)指出，物性劇烈變化和浮力效應(yīng)可能會(huì)引起傳熱強(qiáng)化，而加速效應(yīng)和浮力效應(yīng)則可能會(huì)引起傳熱惡化。已有實(shí)驗(yàn)研究多采用圓管和環(huán)形通道完成。Mori[3]和Kim等[4]在環(huán)形通道內(nèi)以R22和CO2為工質(zhì)進(jìn)行了超臨界水流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)。Licht[5]在環(huán)形通道內(nèi)亦開(kāi)展了超臨界水流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到在低質(zhì)量流速和高熱流密度情況下的傳熱惡化現(xiàn)象。

由于受實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，針對(duì)超臨界流體棒束結(jié)構(gòu)的研究非常少，目前文獻(xiàn)能見(jiàn)的棒束超臨界流體傳熱實(shí)驗(yàn)大部分是由俄羅斯學(xué)者完成的，包括Dyadyakin等[6]針對(duì)7棒束超臨界水的流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)，Silin等[7]針對(duì)大型棒束內(nèi)超臨界水的流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)以及近年Kirillov等[8]針對(duì)7棒束超臨界氟利昂的傳熱實(shí)驗(yàn)。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超臨界流體的流動(dòng)和傳熱特性在棒束內(nèi)與簡(jiǎn)單圓管道內(nèi)之間存在顯著的差異，同時(shí)不同研究者所得到的研究結(jié)論存在明顯的矛盾。Silin等[7]的研究結(jié)果表明，在對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)單圓管道內(nèi)發(fā)生傳熱惡化的流動(dòng)參數(shù)區(qū)域內(nèi)，棒束內(nèi)的超臨界流體并未出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象；但Kirillov等[8]的實(shí)驗(yàn)研究中清晰地觀察到了傳熱惡化現(xiàn)象。因此，棒束內(nèi)超臨界流體的流動(dòng)傳熱特性十分復(fù)雜，需開(kāi)展進(jìn)一步研究。

楊玨等[9]提出一種新型壓力容器式超臨界水堆(SCWR)堆芯設(shè)計(jì)，該堆芯采用一種新型雙排棒正方形閉式燃料組件。目前未見(jiàn)針對(duì)此種棒束結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究文獻(xiàn)，因此有必要開(kāi)展基于該堆芯設(shè)計(jì)的2×2棒束內(nèi)超臨界水實(shí)驗(yàn)研究。本文開(kāi)展該2×2棒束內(nèi)超臨界水的傳熱實(shí)驗(yàn)，研究超臨界水在該棒束通道內(nèi)的傳熱特性。

1實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)在超臨界水多功能實(shí)驗(yàn)裝置(SWAMUP)上完成，該實(shí)驗(yàn)裝置為閉式回路，可開(kāi)展不同形狀流道內(nèi)的超臨界水熱工水力實(shí)驗(yàn)。

1.1實(shí)驗(yàn)回路

實(shí)驗(yàn)回路示于圖1。實(shí)驗(yàn)回路主要包括主循環(huán)系統(tǒng)、造水系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等。為使實(shí)驗(yàn)段的進(jìn)口質(zhì)量流速盡可能保持穩(wěn)定和保證實(shí)驗(yàn)水質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口處加裝了一個(gè)帶有節(jié)流功能的濾網(wǎng)。

圖1　3D實(shí)驗(yàn)回路 Fig.1　3D experiment loop

實(shí)驗(yàn)回路流程為：從屏蔽泵出來(lái)的去離子水分兩路，一路為主回路流程，另一路為實(shí)驗(yàn)支路流程。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)支路的工質(zhì)由質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量流量，然后通過(guò)預(yù)熱器加熱后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)本體，實(shí)驗(yàn)本體出來(lái)的高溫流體與主回路流程的低溫流體在混合器內(nèi)混合，經(jīng)換熱器冷卻后回到屏蔽泵入口，形成閉合的強(qiáng)迫循環(huán)流動(dòng)。

圖2　實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu) Fig.2　Structure of experiment section

1.2實(shí)驗(yàn)段

實(shí)驗(yàn)段主要包括2×2棒束元件、矩形通道及承壓筒體3部分，實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)如圖2所示。2×2棒束采用Inconel 718不銹鋼，參考楊玨等[9]的SCWR堆芯尺寸設(shè)計(jì)研究，分別采用兩種不同P/D截面尺寸，如圖3所示。棒束采用新設(shè)計(jì)定位格架進(jìn)行固定，與傳統(tǒng)定位格架相比，與加熱棒的接觸由面接觸改為線接觸，在具有同樣定位功能及增強(qiáng)擾動(dòng)的同時(shí)，大幅減小了對(duì)棒表面?zhèn)鳠岬挠绊?。矩形通道、承壓筒體及其他配件主要采用0Cr17Ni12Mo2不銹鋼。實(shí)驗(yàn)段有效加熱長(zhǎng)度為1 328 mm。本高溫高壓傳熱實(shí)驗(yàn)對(duì)熱平衡有較高要求，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)段及實(shí)驗(yàn)管路均采用保溫棉進(jìn)行絕熱保溫。

圖3　兩種P/D的2×2棒束 Fig.3　2×2 bundles with different P/D

圖4　壁溫測(cè)點(diǎn)分布 Fig.4　Metrical point distribution for wall temperature

2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用大電流變壓器和調(diào)壓器對(duì)預(yù)熱段加熱，采用900 kW晶閘管整流電源直接對(duì)實(shí)驗(yàn)段加熱。流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段的質(zhì)量流速用RHONIK質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口和預(yù)熱段進(jìn)口均裝有取壓嘴，采用EJA型150A(130A)智能壓力(壓差)變送器測(cè)量壓力和壓降。實(shí)驗(yàn)段和預(yù)熱段進(jìn)出口流體溫度采用Ⅰ級(jí)精度的φ1 mm鎧裝K型熱電偶測(cè)量。為得到2×2棒束內(nèi)同一軸向位置處的周向溫度分布，其中心子通道、邊子通道、角子通道和窄縫子通道的壁面溫度將同時(shí)在4根棒內(nèi)不同角度處進(jìn)行測(cè)量(圖3)。實(shí)驗(yàn)采用滑移熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)，共測(cè)量了23個(gè)不同軸向位置壁面溫度，軸向壁溫測(cè)點(diǎn)分布示于圖4。該測(cè)溫系統(tǒng)包含4根同樣精度、尺寸的熱電偶和1個(gè)多向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，多向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)4根熱電偶可在棒束內(nèi)壁沿軸向和周向滑動(dòng)測(cè)量不同位置處壁面溫度。實(shí)驗(yàn)段電壓采用電壓變送器測(cè)量，電流采用大電流儀測(cè)量。所有測(cè)量信號(hào)均通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接到計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)視和采集，采集速度為100 ms/(次·通道)，測(cè)量精度為0.1級(jí)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先對(duì)實(shí)驗(yàn)段熱平衡進(jìn)行檢驗(yàn)，確保達(dá)到95%以上方可進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)回路后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力、質(zhì)量流速及進(jìn)口溫度至設(shè)定值并保持穩(wěn)定，逐步提升實(shí)驗(yàn)段加熱功率至一定值，待各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定后采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。繼續(xù)提升加熱功率并采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直至出口處流體溫度達(dá)到擬臨界點(diǎn)或壁面溫度達(dá)到750 ℃。本實(shí)驗(yàn)的熱工水力參數(shù)范圍列于表1。

表1　熱工水力參數(shù)范圍

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，對(duì)超臨界條件下水在2×2棒束中的流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了分析研究，并系統(tǒng)研究了熱流密度、質(zhì)量流速、系統(tǒng)壓力等熱工水力參數(shù)以及不同P/D對(duì)傳熱的影響規(guī)律。

3.1傳熱特性

圖5示出了25 MPa壓力下，不同節(jié)徑比棒束流道內(nèi)的傳熱情況。圖中，雙豎線為定位格架的位置，下同。在P/D=1.3的2×2棒束內(nèi)流動(dòng)傳熱呈現(xiàn)正常狀態(tài)，如圖5a所示。當(dāng)壁溫超過(guò)擬臨界溫度時(shí)，P/D=1.3棒束通道內(nèi)并未出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象，不同于單管實(shí)驗(yàn)在相同熱工水力參數(shù)情況下出現(xiàn)兩種明顯的傳熱惡化現(xiàn)象[10]。在P/D=1.18的2×2棒束內(nèi)，小質(zhì)量流速、高熱流密度條件下，通道進(jìn)口附近的壁面溫度明顯高于其下游壁溫，而此處流體溫度遠(yuǎn)低于擬臨界溫度。同時(shí)，該處的傳熱系數(shù)和Nu相對(duì)于通道下游區(qū)域普遍偏小。這一現(xiàn)象類似于單管實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的第1類傳熱惡化[10]。這說(shuō)明隨P/D的減小，棒束內(nèi)的超臨界水流動(dòng)傳熱較易出現(xiàn)第1類傳熱惡化現(xiàn)象。

從圖5可看出，在定位格架附近及其下游區(qū)域，流體與棒束間傳熱強(qiáng)化，壁溫陡降。這說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)中使用的定位格架對(duì)超臨界水棒束傳熱有一定強(qiáng)化作用。

在超臨界壓力下，棒束中溫度分布周向不均勻性十分明顯。中心子通道壁面溫度TW1最低，說(shuō)明整個(gè)棒束通道中該子通道的傳熱最強(qiáng)；邊子通道、角子通道的壁面溫度高于其他子通道的，其傳熱系數(shù)較低。

3.2影響因素分析

1) 熱流密度

熱流密度對(duì)傳熱的影響示于圖6。圖6中，HTC為傳熱系數(shù)。從圖6可看出，分別在相同幾何尺寸、壓力和質(zhì)量流速下，隨熱流密度的增加，傳熱系數(shù)逐漸減小，棒束壁溫周向不均勻程度逐漸增加。在P/D=1.3棒束中，最高壁溫出現(xiàn)在高熱流密度(q=1 007.6 kW/m2)工況的邊子通道TW2出口處；在更緊密的P/D=1.18棒束中，最高壁溫出現(xiàn)在最高熱流密度(q=1 147.7 kW/m2)工況的角子通道TW3出口處。這說(shuō)明棒束通道中最高溫度出現(xiàn)的位置受P/D影響。

2) 質(zhì)量流速

在相同幾何尺寸、壓力和熱流密度下，隨質(zhì)量流速的增加，傳熱系數(shù)逐漸增大，棒束壁溫周向不均勻程度逐漸減小，如圖7所示。質(zhì)量流速非常強(qiáng)烈地影響著傳熱的好壞以及傳熱系數(shù)的高低。傳熱系數(shù)在定位格架下游發(fā)生明顯強(qiáng)化，隨質(zhì)量流速的增大，定位格架對(duì)傳熱的強(qiáng)化作用越明顯。在P/D=1.3棒束中，進(jìn)口附近定位格架對(duì)傳熱的強(qiáng)化作用最大；然而在更緊密的P/D=1.18棒束中，出口附近定位格架對(duì)傳熱的強(qiáng)化作用最大。

3) 系統(tǒng)壓力

系統(tǒng)壓力對(duì)傳熱的影響示于圖8。從圖8可看出，在其他參數(shù)基本一致的情況下，傳熱系數(shù)隨系統(tǒng)壓力的升高稍微降低，主要由流體熱物性變化所致，但壓力對(duì)傳熱的影響并不明顯。在23 MPa壓力時(shí)，傳熱系數(shù)最大，隨壓力的進(jìn)一步升高，傳熱系數(shù)變化越不明顯。這說(shuō)明，在臨界壓力附近，壓力對(duì)傳熱的影響較明顯，壓力越高于臨界壓力，傳熱系數(shù)對(duì)壓力變化越不敏感。

a——P/D=1.3；b——P/D=1.18 圖5　2×2棒束通道溫度分布 Fig.5　Temperature distribution in 2×2 bundles

圖6　熱流密度對(duì)傳熱的影響 Fig.6　Effect of heat flux density on heat transfer

圖7　質(zhì)量流速對(duì)傳熱的影響 Fig.7　Effect of mass flux on heat transfer

圖8　系統(tǒng)壓力對(duì)傳熱的影響 Fig.8　Effect of system pressure on heat transfer

4)P/D

P/D=1.3棒束中的壁面溫度明顯高于P/D=1.18棒束中的壁面溫度，如圖9所示，且P/D=1.3棒束中的傳熱系數(shù)明顯更低。這說(shuō)明在其他參數(shù)基本一致的情況下，P/D對(duì)傳熱也有很強(qiáng)的影響，P/D=1.18的緊密柵結(jié)構(gòu)的傳熱能力明顯強(qiáng)于P/D=1.3的非緊密柵結(jié)構(gòu)的。分析認(rèn)為，隨P/D的減小，緊密柵元棒束通道內(nèi)參數(shù)的不均勻性會(huì)增加，棒與棒之間區(qū)域存在大尺寸、周期性的速度和溫度波動(dòng)，這種波動(dòng)對(duì)子通道間熱量和動(dòng)量的交混起較強(qiáng)作用，使得緊密柵元棒束通道內(nèi)傳熱更強(qiáng)。

圖9　P/D對(duì)傳熱的影響 Fig.9　Effect of P/D on heat transfer

4結(jié)論

1) 在P/D=1.3棒束通道內(nèi)未出現(xiàn)在相同熱工參數(shù)下單管中出現(xiàn)的傳熱惡化現(xiàn)象，因此傳熱效果較單管的好，且傳熱更穩(wěn)定；在P/D=1.18棒束通道中，低質(zhì)量流速、高熱流密度條件下出現(xiàn)第1類傳熱惡化，說(shuō)明隨P/D的減小，棒束內(nèi)較易出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象。

2) 超臨界壓力下棒束通道中存在明顯的溫度分布周向不均勻現(xiàn)象，四棒束結(jié)構(gòu)中，同一周向位置處不同子通道的壁面溫度有顯著的差異，這種差異隨熱流密度/質(zhì)量流速比的增加而增大。

3) 本實(shí)驗(yàn)中使用的定位格架對(duì)棒束內(nèi)超臨界水傳熱有一定的強(qiáng)化作用，在定位格架附近及其下游區(qū)域，流體與棒束間的傳熱受到明顯強(qiáng)化，壁溫陡降。

4) 熱工水力參數(shù)和幾何尺寸對(duì)棒束通道內(nèi)超臨界水傳熱特性的影響規(guī)律主要為：傳熱系數(shù)隨熱流密度或系統(tǒng)壓力的升高而減小，隨質(zhì)量流速的增大而增大；溫度分布周向不均勻性隨熱流密度的增大而增強(qiáng)，隨質(zhì)量流速的增大而減弱；隨P/D的減小，棒束內(nèi)傳熱增強(qiáng)。

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