鐘達(dá)文，孟繼安，李志信

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朝下溝槽結(jié)構(gòu)表面池沸騰換熱

鐘達(dá)文，孟繼安，李志信

（清華大學(xué)航天航空學(xué)院，工程熱物理研究所，北京 100084）

核電站熔融物堆內(nèi)滯留技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵的嚴(yán)重事故應(yīng)對(duì)策略，該策略已被核電站廣泛采用。為增強(qiáng)核電站壓力容器下封頭外表面的沸騰換熱能力，實(shí)驗(yàn)研究了常壓下朝下溝槽結(jié)構(gòu)表面的池沸騰換熱，測(cè)量了傾角5°、30°、45°、60°和90°下熱通量隨壁面過(guò)熱度的變化，獲得了相應(yīng)傾角下的臨界熱通量（CHF）。與光表面相比，朝下溝槽結(jié)構(gòu)表面的CHF可提高65%～90%。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在高熱通量下朝下溝槽結(jié)構(gòu)表面氣泡運(yùn)動(dòng)形態(tài)存在蒸汽膜和波浪蒸汽層兩種結(jié)構(gòu)。分析表明，沸騰換熱顯著增強(qiáng)、臨界熱通量大幅提高的原因是溝槽結(jié)構(gòu)大幅增加了換熱面積同時(shí)還明顯改善了表面的潤(rùn)濕性。

傳熱；表面；相變；氣泡；臨界熱通量；傾角

引 言

自美國(guó)三哩島核事故發(fā)生后，研究人員發(fā)現(xiàn)，將嚴(yán)重事故條件下的壓力容器浸沒(méi)在冷卻水中能夠?qū)崿F(xiàn)堆內(nèi)熔融物滯留壓力容器的目的，由此提出了堆內(nèi)熔融物保持策略（in-vessel retention，IVR）。目前在壓水堆核電站中，IVR已經(jīng)成為緩解嚴(yán)重事故的一項(xiàng)關(guān)鍵措施。在核電站發(fā)生嚴(yán)重事故情況下，通過(guò)非能動(dòng)方式向反應(yīng)堆腔室充水，使壓力容器底部下封頭淹沒(méi)，在壓力容器外部發(fā)生池沸騰換熱冷卻壓力容器內(nèi)部熔融物，是實(shí)現(xiàn)IVR的一項(xiàng)重要策略[1-4]。保證熱量完全由池沸騰換熱帶走的關(guān)鍵在于使朝下?lián)Q熱表面的熱通量不超過(guò)臨界熱通量。因此，提高朝下表面沸騰換熱的臨界熱通量、增強(qiáng)壓力容器外表面的沸騰換熱就顯得格外重要。

近年來(lái)，朝下表面池沸騰換熱引起了廣大研究人員的關(guān)注。Vishnev[5]、El-Genk等[6]、Brusstar 等[7]、Kim等[8]、Rouge[9]實(shí)驗(yàn)研究了一維朝下平板表面沸騰換熱狀況；Theofanous等[10-11]研究了一維朝下曲面的沸騰換熱狀況；Chu等[12-13]、Haddad[14]、Yang等[15]和Noh等[16-17]則實(shí)驗(yàn)研究了三維朝下半球下封頭外表面的沸騰換熱狀況。研究表明，臨界熱通量隨傾角的增大而增加（換熱表面豎直布置時(shí)的傾角定義為90°，水平朝下布置時(shí)的傾角為0°）。Yang等[15]研究了多孔涂層對(duì)朝下曲面的沸騰強(qiáng)化，表明涂層能較好地強(qiáng)化沸騰換熱，提高臨界熱通量。然而多孔涂層技術(shù)目前還存在性能不穩(wěn)定、壽命短、可靠性不足等缺陷，對(duì)于核電站設(shè)計(jì)壽命60年的情況，采用涂層強(qiáng)化朝下表面沸騰換熱存在較大的不確定性。因此，為了增強(qiáng)IVR的安全裕度，迫切需要開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良、可靠性高、壽命長(zhǎng)的強(qiáng)化沸騰換熱的朝下結(jié)構(gòu)表面。本文實(shí)驗(yàn)研究了朝下溝槽結(jié)構(gòu)表面的沸騰換熱性能，測(cè)量了不同傾角下沸騰換熱的臨界熱流。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)件系統(tǒng)、操作條件控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，圖1為實(shí)驗(yàn)裝置照片。實(shí)驗(yàn)采用電加熱的方法提供實(shí)驗(yàn)件沸騰換熱所需熱量，通過(guò)調(diào)節(jié)電加熱器功率控制換熱表面的熱通量，實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察換熱表面沸騰時(shí)的氣泡運(yùn)動(dòng)形態(tài)和測(cè)量實(shí)驗(yàn)件表面的溫度變化來(lái)判斷沸騰危機(jī)是否發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)件系統(tǒng)包括可旋轉(zhuǎn)水箱和實(shí)驗(yàn)組件，其中可旋轉(zhuǎn)水箱設(shè)置有5個(gè)觀察窗，可以方便地在任意傾角觀察實(shí)驗(yàn)件表面的沸騰狀況。實(shí)驗(yàn)組件密閉安裝在旋轉(zhuǎn)水箱中并可360°自由旋轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)組件包含實(shí)驗(yàn)件和實(shí)驗(yàn)件隔熱固定組件，實(shí)驗(yàn)件為帶電加熱棒的方形紫銅塊（100 mm×100 mm×75 mm），如圖2所示，內(nèi)插24根長(zhǎng)136 mm、直徑9.22 mm、總功率為24 kW的電加熱器，24根電加熱器分4 組均勻布置以保證熱通量均勻。通過(guò)晶閘管整流器整流電源，調(diào)節(jié)電加熱器的電壓，從而控制實(shí)驗(yàn)件換熱表面的熱通量。實(shí)驗(yàn)件的一個(gè)平面即實(shí)驗(yàn)表面浸沒(méi)在水中，而其他表面密封在密閉空間并與水隔熱，為確保實(shí)驗(yàn)中沸騰傳熱僅發(fā)生在實(shí)驗(yàn)表面，在實(shí)驗(yàn)件周邊用隔熱密封件包裹。同時(shí)將實(shí)驗(yàn)銅塊、隔熱密封件和其他密封件一起固定，通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就能自由控制平板的傾角。在離換熱表面垂直距離6.5 mm處，銅塊兩側(cè)面各布置5個(gè)直徑0.5 mm的K型鎧裝熱電偶，如圖3所示。通過(guò)傅里葉導(dǎo)熱定律計(jì)算獲得換熱表面的平均壁溫；2個(gè)直徑1 mm的熱電偶布置在換熱表面附近的去離子水中，用于測(cè)量水溫；2個(gè)直徑1 mm的熱電偶布置在銅塊頂部，用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)件頂部的溫度，以免實(shí)驗(yàn)件和電加熱器超溫?zé)龤А?/p>

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)操作控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)熱水箱內(nèi)的水溫和壓力，使水箱內(nèi)去離子水處于飽和態(tài)；通過(guò)控制水冷機(jī)組將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中多余的熱量排入環(huán)境。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括熱電偶、壓力變送器以及高速攝影儀、功率變送器等數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控設(shè)備。所有測(cè)點(diǎn)的溫度、壓力、電壓和電流信號(hào)都經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)。在給定傾角下，逐步提升加熱功率，使實(shí)驗(yàn)件在設(shè)定功率下的換熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)工況，從而獲得熱通量和壁面過(guò)熱度隨時(shí)間的變化曲線。當(dāng)發(fā)生沸騰危機(jī)時(shí)，壁面溫度飛升，為保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)件的安全，切斷加熱器的電源，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

電加熱器尺寸、熱電偶插孔孔徑以及插孔距換熱表面的距離使用游標(biāo)卡尺測(cè)量，不確定度為±0.02 mm，熱電偶測(cè)溫不確定度為±0.5℃，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的誤差主要來(lái)自于晶閘管整流器調(diào)節(jié)功率所造成的波動(dòng)和熱電偶測(cè)溫誤差。在接近臨界熱通量時(shí)，熱通量的增加幅度控制在3%以內(nèi)，沸騰危機(jī)發(fā)生的判據(jù)為溫度出現(xiàn)5～15℃·s?1的急劇躍升，臨界熱通量為溫度急劇躍升時(shí)的熱通量與前一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的熱通量的算術(shù)平均值。換熱表面的熱通量由式(1)計(jì)算

表面溫度由式(2)計(jì)算

熱通量的不確定度為4.0%。表面溫度w的不確定度為5.0%。

2 實(shí)驗(yàn)表面

實(shí)驗(yàn)表面-溝槽結(jié)構(gòu)表面如圖4所示，其中，溝槽結(jié)構(gòu)表面的溝槽寬度為1 mm，深度為1 mm，間距為2 mm，溝槽結(jié)構(gòu)表面相對(duì)于光表面的面積增加率為98%。在實(shí)驗(yàn)之前，提前使用丙酮擦拭換熱表面，去除換熱表面的污漬。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5顯示了溝槽結(jié)構(gòu)表面在5個(gè)傾角下的熱通量隨壁面過(guò)熱度的變化。從圖中可以看出，熱通量隨壁面過(guò)熱度增加而增加，CHF隨著傾角的增大而增大。圖6為溝槽結(jié)構(gòu)表面的沸騰傳熱系數(shù)隨壁面過(guò)熱度的變化，表明傳熱系數(shù)隨壁面過(guò)熱度的增加而增大。圖7(a)為傾角90°、熱通量約130 kW·m-2時(shí)換熱表面的沸騰狀況，溝槽結(jié)構(gòu)表面的溝槽使得在較小的過(guò)熱度下汽化核心就能被激活。由圖7可以看到氣泡大部分從溝槽內(nèi)產(chǎn)生，并形成穩(wěn)定的汽化核心。隨著熱通量的增加，換熱表面的氣泡逐漸增多，同時(shí)氣泡相互聚合形成較大的氣泡，如圖7(b)、(c)所示，大氣泡逐漸覆蓋整個(gè)換熱表面，從圖中可以觀察到溝槽結(jié)構(gòu)能夠更好地減少氣泡聚合，有利于打破氣液兩相流的邊界層，利于提高換熱壁面的潤(rùn)濕性。在熱通量較高時(shí)，溝槽結(jié)構(gòu)能改善換熱表面的潤(rùn)濕性能，從而使沸騰換熱顯著增強(qiáng)，延遲沸騰危機(jī)的到來(lái)，CHF大幅提高。圖7(d)為傾角90°、換熱表面發(fā)生臨界危機(jī)時(shí)的沸騰狀況，圖中顯示氣泡在換熱表面形成一層很薄的氣膜覆蓋整個(gè)換熱表面，換熱表面和水之間的換熱主要依靠輻射換熱進(jìn)行，氣膜表面脫離的氣泡數(shù)量很少，同時(shí)相比于核態(tài)沸騰，膜態(tài)沸騰的氣泡變小，并且伴隨巨大噪聲。

前期實(shí)驗(yàn)測(cè)量了朝下光表面的CHF隨傾角的變化規(guī)律[18]，其中，光表面和溝槽結(jié)構(gòu)表面在不同傾角下的CHF及對(duì)應(yīng)的壁溫見(jiàn)表1。從表可以看出，相比于光表面，溝槽結(jié)構(gòu)表面CHF的增幅可達(dá)65%～90%，而且，傾角越大，沸騰換熱強(qiáng)化效果越明顯。在傾角0°時(shí)測(cè)得的CHF為956 kW·m-2，增加65%；在傾角90°時(shí)，CHF最高達(dá)到2075 kW·m-2，增加90%。圖8顯示了實(shí)驗(yàn)中的溝槽結(jié)構(gòu)表面、光表面的CHF和Yang等[15]CHF性能的對(duì)比結(jié)果，從圖中可以看出溝槽結(jié)構(gòu)表面和涂層表面的CHF性能明顯好于光表面，同時(shí)溝槽結(jié)構(gòu)表面的CHF隨著傾角的增大而增大，但涂層表面的CHF隨著傾角的增大，先減小后增大，在小傾角下，溝槽結(jié)構(gòu)表面明顯高于涂層表面，但隨著傾角的增大，兩者的CHF性能逐漸相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)表明溝槽結(jié)構(gòu)表面相比于涂層表面CHF性能更為優(yōu)良，同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)可靠性和壽命，溝槽結(jié)構(gòu)表面能更為有效可靠地增強(qiáng)IVR安全裕度。

表1 不同傾角下光表面和溝槽結(jié)構(gòu)表面的CHF及對(duì)應(yīng)的壁溫（飽和溫度100℃） Table 1 Local CHF limits at various orientation for plain surface and structured surface (Tsat=100℃)

4 沸騰換熱機(jī)理分析

實(shí)驗(yàn)觀察記錄的朝下溝槽結(jié)構(gòu)表面高熱通量時(shí)在不同傾角下的氣泡運(yùn)動(dòng)形態(tài)，如圖9所示，此時(shí)的氣泡結(jié)構(gòu)可以分為蒸汽膜結(jié)構(gòu)和波浪蒸汽層結(jié)構(gòu)。如圖9(a)所示，在傾角為5°時(shí)，氣泡持續(xù)長(zhǎng)大，和相鄰氣泡聚集成蘑菇狀氣泡群并覆蓋換熱表面，由于換熱表面朝下布置造成氣泡難于逃逸并不斷聚集成大氣泡群直到氣泡群到達(dá)換熱表面的邊界，氣泡開(kāi)始以大氣泡的形態(tài)逃逸換熱表面，冷卻液體迅速潤(rùn)濕換熱表面，開(kāi)啟新的一輪氣泡生長(zhǎng)周期。圖9(b)為蒸汽膜結(jié)構(gòu)示意圖，換熱表面的邊界總是被冷卻液體反復(fù)潤(rùn)濕，但冷卻液體難以進(jìn)入到換熱表面的中心區(qū)域，以致中心區(qū)域容易產(chǎn)生干涸點(diǎn)，隨著熱通量的增加，干涸區(qū)域擴(kuò)大并相互連成片，直至覆蓋整個(gè)換熱表面，從而引發(fā)沸騰危機(jī)。

如圖9(a)所示，當(dāng)傾角大于30°時(shí)，氣泡在浮力作用下容易沿著換熱表面朝上逃逸，由于氣液界面不穩(wěn)定從而導(dǎo)致氣液界面呈波浪形，波動(dòng)的氣液界面有利于液體潤(rùn)濕換熱表面，增強(qiáng)沸騰換熱。Mudawar等[19]和Kim等[20]曾報(bào)道過(guò)類似的氣液界面不穩(wěn)定周期現(xiàn)象，同時(shí)他們提出了轉(zhuǎn)折角的概念，認(rèn)為這個(gè)傾角在15°附近，本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)折角在30°附近，造成這種差異的原因可能在于實(shí)驗(yàn)件尺寸、實(shí)驗(yàn)條件等因素的影響。圖9(c)顯示了一個(gè)傾斜表面上的波浪蒸汽層結(jié)構(gòu)，氣泡的動(dòng)態(tài)行為顯示潤(rùn)濕界面形成在氣液界面接近換熱表面時(shí)，換熱表面的邊界也同樣被潤(rùn)濕。冷卻液體在壓力和表面張力的作用下流向干涸表面，溝槽結(jié)構(gòu)的存在大大增強(qiáng)了換熱表面的潤(rùn)濕性，從而能夠大幅提高沸騰傳熱系數(shù)，延緩沸騰危機(jī)的到來(lái)。當(dāng)熱通量增加到足夠大后，潤(rùn)濕界面的潤(rùn)濕速率低于冷卻液體的蒸干速率，沸騰危機(jī)被觸發(fā)。

5 結(jié) 論

相比于光表面，朝下溝槽結(jié)構(gòu)表面能大幅增強(qiáng)沸騰換熱強(qiáng)度，CHF可提高65%～90%，而且，傾角越大，沸騰換熱強(qiáng)化效果越明顯。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)了朝下表面高熱通量下氣泡運(yùn)動(dòng)形態(tài)存在蒸汽膜結(jié)構(gòu)和波浪蒸汽層兩種結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)折角在30°附近。朝下溝槽結(jié)構(gòu)表面CHF大幅增加的原因在于，溝槽結(jié)構(gòu)在大幅增加換熱面積的同時(shí)顯著改善了換熱表面的潤(rùn)濕性。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A——換熱面積，m2 B——溝槽寬度，m g——重力加速度，m·s?2 I——電流，A K——溝槽深度，m L——正方形換熱表面的長(zhǎng)度，m Q——電加熱器功率，W q——熱通量，kW·m?2 S——溝槽間距，m T——溫度，℃ V——電壓，V x——熱電偶測(cè)點(diǎn)和換熱表面的距離 λ——熱導(dǎo)率，W·m-1·K?1 η——考慮實(shí)驗(yàn)件散熱損失的保溫系數(shù) 下角標(biāo) m——平均 w——壁面 sat——飽和

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Saturated pool boiling from downward facing structured surfaces with grooves

ZHONG Dawen, MENG Ji’an, LI Zhixin

(Institutes of Engineering Thermal Physics, School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In-vessel retention is a key severe accident management strategy now widely adopted by some nuclear power plants. The saturated pool boiling heat transfer coefficients and critical heat flux (CHF) were measured from downward facing structured surface with grooves in deionized water to enhance the CHF. The orientations were 5°, 30°, 45°, 60° and 90° (vertical). The results showed that the nucleate boiling heat transfer coefficients and the local CHF for structured surface with grooves were consistently higher than those for plain surface. Compared with plain surface, the CHF increase could reach 65%—90% for structured surface. The vapor blanket and wavy vapor layer bubble structures with different CHF trigger mechanisms on the downward facing surface at high heat fluxes were observed on structured surface. The enhancement of the local CHF and the nucleate boiling heat transfer coefficients was mainly due to the significantly increase of heat transfer area and the grooves that effectively improve surface wettability.

heat transfer; surface; phase change; bubble; critical heat flux; orientation

supported by the National Science and Technology Major Project of China (2011ZX06004-008) and the National Basic Research Program of China (2013CB228301).

date: 2016-01-06.

MENG Ji’an, mja@tsinghua.edu.cn

TQ 026.4

A

0438—1157（2016）09—3559—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160015

大型先進(jìn)壓水堆核電站重大專項(xiàng)子課題項(xiàng)目（2011ZX06004-008）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013CB228301）。

2016-01-06收到初稿，2016-05-31收到修改稿。

聯(lián)系人：孟繼安。第一作者：鐘達(dá)文（1989—），男，博士研究生。