棒束內超臨界水傳熱實驗研究

李虹波1，趙萌2，顧漢洋2，盧冬華1

(1.中科華核電技術研究院有限公司，廣東 深圳518026；

2.上海交通大學 核科學與工程學院，上海200240)

摘要：在中國廣核集團有限公司和上海交通大學共建的超臨界水多功能實驗裝置上，針對兩種不同節(jié)徑比(P/D)的棒束通道開展了超臨界水流動傳熱實驗，獲得了傳熱實驗數據，觀測到了通道內棒束間明顯的周向溫度不均勻現象和定位格架導致的傳熱強化現象。通過對各種熱工水力參數的實驗研究，得出超臨界水流動傳熱結論：隨熱流密度的增加，傳熱系數逐漸減小，棒束壁溫周向不均勻程度逐漸增加；隨質量流速的增加，傳熱系數逐漸增大，棒束壁溫周向不均勻程度逐漸減??；隨壓力的逐漸升高，傳熱系數少許降低；隨P/D的減小，棒束通道內的傳熱明顯增強。

關鍵詞：超臨界水；流動傳熱；棒束；傳熱系數

中圖分類號：TK124 文獻標志碼：A

收稿日期：2014-07-08;修回日期：2014-09-24

作者簡介：李虹波(1980—)，男，重慶人，高級工程師，博士，從事反應堆熱工水力及兩相流動與傳熱研究

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溫度的強烈依賴性，使得超臨界流體的流動傳熱過程較普通流體的要復雜得多[1-2]。大量文獻指出，物性劇烈變化和浮力效應可能會引起傳熱強化，而加速效應和浮力效應則可能會引起傳熱惡化。已有實驗研究多采用圓管和環(huán)形通道完成。Mori[3]和Kim等[4]在環(huán)形通道內以R22和CO2為工質進行了超臨界水流動傳熱實驗。Licht[5]在環(huán)形通道內亦開展了超臨界水流動傳熱實驗，他們通過實驗觀察到在低質量流速和高熱流密度情況下的傳熱惡化現象。

由于受實驗技術的限制，針對超臨界流體棒束結構的研究非常少，目前文獻能見的棒束超臨界流體傳熱實驗大部分是由俄羅斯學者完成的，包括Dyadyakin等[6]針對7棒束超臨界水的流動傳熱實驗，Silin等[7]針對大型棒束內超臨界水的流動傳熱實驗以及近年Kirillov等[8]針對7棒束超臨界氟利昂的傳熱實驗。他們的實驗結果表明，超臨界流體的流動和傳熱特性在棒束內與簡單圓管道內之間存在顯著的差異，同時不同研究者所得到的研究結論存在明顯的矛盾。Silin等[7]的研究結果表明，在對應簡單圓管道內發(fā)生傳熱惡化的流動參數區(qū)域內，棒束內的超臨界流體并未出現傳熱惡化現象；但Kirillov等[8]的實驗研究中清晰地觀察到了傳熱惡化現象。因此，棒束內超臨界流體的流動傳熱特性十分復雜，需開展進一步研究。

楊玨等[9]提出一種新型壓力容器式超臨界水堆(SCWR)堆芯設計，該堆芯采用一種新型雙排棒正方形閉式燃料組件。目前未見針對此種棒束結構的實驗研究文獻，因此有必要開展基于該堆芯設計的2×2棒束內超臨界水實驗研究。本文開展該2×2棒束內超臨界水的傳熱實驗，研究超臨界水在該棒束通道內的傳熱特性。

1實驗裝置

本實驗在超臨界水多功能實驗裝置(SWAMUP)上完成，該實驗裝置為閉式回路，可開展不同形狀流道內的超臨界水熱工水力實驗。

1.1實驗回路

實驗回路示于圖1。實驗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)、測控系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等。為使實驗段的進口質量流速盡可能保持穩(wěn)定和保證實驗水質，在實驗段進口處加裝了一個帶有節(jié)流功能的濾網。

圖1　3D實驗回路 Fig.1　3D experiment loop

實驗回路流程為：從屏蔽泵出來的去離子水分兩路，一路為主回路流程，另一路為實驗支路流程。進入實驗支路的工質由質量流量計測量流量，然后通過預熱器加熱后進入實驗本體，實驗本體出來的高溫流體與主回路流程的低溫流體在混合器內混合，經換熱器冷卻后回到屏蔽泵入口，形成閉合的強迫循環(huán)流動。

圖2　實驗段結構 Fig.2　Structure of experiment section

1.2實驗段

實驗段主要包括2×2棒束元件、矩形通道及承壓筒體3部分，實驗段結構如圖2所示。2×2棒束采用Inconel 718不銹鋼，參考楊玨等[9]的SCWR堆芯尺寸設計研究，分別采用兩種不同P/D截面尺寸，如圖3所示。棒束采用新設計定位格架進行固定，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擾動的同時，大幅減小了對棒表面?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。實驗段有效加熱長度為1 328 mm。本高溫高壓傳熱實驗對熱平衡有較高要求，因此整個實驗段及實驗管路均采用保溫棉進行絕熱保溫。

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

圖4　壁溫測點分布 Fig.4　Metrical point distribution for wall temperature

2實驗方法

實驗采用大電流變壓器和調壓器對預熱段加熱，采用900 kW晶閘管整流電源直接對實驗段加熱。流經實驗段的質量流速用RHONIK質量流量計測量。實驗段進出口和預熱段進口均裝有取壓嘴，采用EJA型150A(130A)智能壓力(壓差)變送器測量壓力和壓降。實驗段和預熱段進出口流體溫度采用Ⅰ級精度的φ1 mm鎧裝K型熱電偶測量。為得到2×2棒束內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在4根棒內不同角度處進行測量(圖3)。實驗采用滑移熱電偶測溫系統(tǒng)，共測量了23個不同軸向位置壁面溫度，軸向壁溫測點分布示于圖4。該測溫系統(tǒng)包含4根同樣精度、尺寸的熱電偶和1個多向驅動機構，多向驅動機構帶動4根熱電偶可在棒束內壁沿軸向和周向滑動測量不同位置處壁面溫度。實驗段電壓采用電壓變送器測量，電流采用大電流儀測量。所有測量信號均通過NI數據采集系統(tǒng)連接到計算機進行監(jiān)視和采集，采集速度為100 ms/(次·通道)，測量精度為0.1級。

實驗時，先對實驗段熱平衡進行檢驗，確保達到95%以上方可進行正式實驗。啟動實驗回路后，調節(jié)系統(tǒng)壓力、質量流速及進口溫度至設定值并保持穩(wěn)定，逐步提升實驗段加熱功率至一定值，待各項參數穩(wěn)定后采集實驗數據。繼續(xù)提升加熱功率并采集實驗數據，直至出口處流體溫度達到擬臨界點或壁面溫度達到750 ℃。本實驗的熱工水力參數范圍列于表1。

表1　熱工水力參數范圍

3實驗結果及分析

根據實驗測量結果，對超臨界條件下水在2×2棒束中的流動傳熱特性進行了分析研究，并系統(tǒng)研究了熱流密度、質量流速、系統(tǒng)壓力等熱工水力參數以及不同P/D對傳熱的影響規(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棒束內流動傳熱呈現正常狀態(tài)，如圖5a所示。當壁溫超過擬臨界溫度時，P/D=1.3棒束通道內并未出現傳熱惡化現象，不同于單管實驗在相同熱工水力參數情況下出現兩種明顯的傳熱惡化現象[10]。在P/D=1.18的2×2棒束內，小質量流速、高熱流密度條件下，通道進口附近的壁面溫度明顯高于其下游壁溫，而此處流體溫度遠低于擬臨界溫度。同時，該處的傳熱系數和Nu相對于通道下游區(qū)域普遍偏小。這一現象類似于單管實驗中出現的第1類傳熱惡化[10]。這說明隨P/D的減小，棒束內的超臨界水流動傳熱較易出現第1類傳熱惡化現象。

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化，壁溫陡降。這說明本實驗中使用的定位格架對超臨界水棒束傳熱有一定強化作用。

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，說明整個棒束通道中該子通道的傳熱最強；邊子通道、角子通道的壁面溫度高于其他子通道的，其傳熱系數較低。

3.2影響因素分析

1) 熱流密度

熱流密度對傳熱的影響示于圖6。圖6中，HTC為傳熱系數。從圖6可看出，分別在相同幾何尺寸、壓力和質量流速下，隨熱流密度的增加，傳熱系數逐漸減小，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。這說明棒束通道中最高溫度出現的位置受P/D影響。

2) 質量流速

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

3) 系統(tǒng)壓力

系統(tǒng)壓力對傳熱的影響示于圖8。從圖8可看出，在其他參數基本一致的情況下，傳熱系數隨系統(tǒng)壓力的升高稍微降低，主要由流體熱物性變化所致，但壓力對傳熱的影響并不明顯。在23 MPa壓力時，傳熱系數最大，隨壓力的進一步升高，傳熱系數變化越不明顯。這說明，在臨界壓力附近，壓力對傳熱的影響較明顯，壓力越高于臨界壓力，傳熱系數對壓力變化越不敏感。

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　熱流密度對傳熱的影響 Fig.6　Effect of heat flux density on heat transfer

圖7　質量流速對傳熱的影響 Fig.7　Effect of mass flux on heat transfer

圖8　系統(tǒng)壓力對傳熱的影響 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棒束中的傳熱系數明顯更低。這說明在其他參數基本一致的情況下，P/D對傳熱也有很強的影響，P/D=1.18的緊密柵結構的傳熱能力明顯強于P/D=1.3的非緊密柵結構的。分析認為，隨P/D的減小，緊密柵元棒束通道內參數的不均勻性會增加，棒與棒之間區(qū)域存在大尺寸、周期性的速度和溫度波動，這種波動對子通道間熱量和動量的交混起較強作用，使得緊密柵元棒束通道內傳熱更強。

圖9　P/D對傳熱的影響 Fig.9　Effect of P/D on heat transfer

4結論

1) 在P/D=1.3棒束通道內未出現在相同熱工參數下單管中出現的傳熱惡化現象，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，低質量流速、高熱流密度條件下出現第1類傳熱惡化，說明隨P/D的減小，棒束內較易出現傳熱惡化現象。

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象，四棒束結構中，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/質量流速比的增加而增大。

3) 本實驗中使用的定位格架對棒束內超臨界水傳熱有一定的強化作用，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化，壁溫陡降。

4) 熱工水力參數和幾何尺寸對棒束通道內超臨界水傳熱特性的影響規(guī)律主要為：傳熱系數隨熱流密度或系統(tǒng)壓力的升高而減小，隨質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，隨質量流速的增大而減弱；隨P/D的減小，棒束內傳熱增強。

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