轉(zhuǎn)運(yùn)通道中燃料組件沸騰傳熱的試驗(yàn)研究

毛喜道，夏 虹

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

壓水堆核電站采用的燃料組件通常為棒束結(jié)構(gòu)。在反應(yīng)堆換料過(guò)程中，水平放置的乏燃料組件要通過(guò)1條水下通道完成從反應(yīng)堆廠房到乏燃料水池的運(yùn)輸。這條水下通道稱(chēng)為轉(zhuǎn)運(yùn)通道，采用水平布置，貫穿安全殼。在轉(zhuǎn)運(yùn)通道中，乏燃料組件由帶孔的承載器和運(yùn)輸小車(chē)承載和保護(hù)[1-2]。在運(yùn)送過(guò)程中，存在多種可能的原因，如機(jī)械故障、失電等，使乏燃料組件較長(zhǎng)時(shí)間滯留于僅存在自然循環(huán)冷卻的轉(zhuǎn)運(yùn)通道中。為確保水平放置的燃料組件在通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)通道時(shí)的熱工安全，防止燃料包殼過(guò)熱[3]，需研究乏燃料組件在轉(zhuǎn)運(yùn)通道中的傳熱問(wèn)題。課題前期已針對(duì)正常卸料工況和事故卸料工況開(kāi)展了試驗(yàn)研究，獲得了單相自然對(duì)流條件下轉(zhuǎn)運(yùn)通道中燃料組件頂角傳熱條件惡劣區(qū)域的局部傳熱特性[4]。本文考慮更加極端的熱流密度參數(shù)和水溫參數(shù)，以研究沸騰條件下燃料組件的傳熱特性。

1 乏燃料組件在轉(zhuǎn)運(yùn)通道中的換熱

轉(zhuǎn)運(yùn)通道中燃料組件棒束呈水平狀態(tài)，其沸騰過(guò)程與水平管束池沸騰有一定的相似性。工業(yè)領(lǐng)域中，管束池沸騰傳熱問(wèn)題主要集中于化工及動(dòng)力換熱設(shè)備，如再沸器、蒸發(fā)器等。在目前的工程設(shè)計(jì)中，管束池沸騰傳熱計(jì)算以單管換熱系數(shù)疊加修正項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為主。

在池沸騰研究方面，針對(duì)壁面材料、表面特性、工質(zhì)物性等影響沸騰的不同因素，各國(guó)學(xué)者開(kāi)展了許多研究。其中Rohsenow池沸騰關(guān)聯(lián)式獲得了較廣泛的應(yīng)用[5]，計(jì)算平板、單管等工況時(shí)具有一定的準(zhǔn)確性。但由于影響沸騰的因素比較復(fù)雜，在部分工況下Rohsenow關(guān)聯(lián)式的計(jì)算誤差會(huì)在±50 %以上[6-7]。因此，為提高計(jì)算準(zhǔn)確性，針對(duì)不同的條件和工況，往往需開(kāi)展不同的專(zhuān)門(mén)試驗(yàn)來(lái)得到針對(duì)性強(qiáng)的計(jì)算式。

水平管束池沸騰過(guò)程較單管情況更為復(fù)雜，管束中下部加熱管產(chǎn)生的氣泡對(duì)上部管的沖刷會(huì)減薄液膜，同時(shí)引起氣泡的聚合和提前脫離，強(qiáng)化上部管的傳熱。Kang[8-9]針對(duì)雙管管束開(kāi)展了管束效應(yīng)機(jī)理研究，朱長(zhǎng)新等[10]、賈岫莊等[11]、施明恒等[12]、龍恩深[13]和田文喜等[14]針對(duì)多管管束開(kāi)展的核態(tài)池沸騰研究結(jié)果均證實(shí)了上述現(xiàn)象。也有研究發(fā)現(xiàn)，在較高熱負(fù)荷情況下，管束下部產(chǎn)生的氣泡會(huì)形成包覆效應(yīng)，使上部管的傳熱系數(shù)增長(zhǎng)減弱[15]，甚至減弱上部管的傳熱[10]。由于水平管束池沸騰過(guò)程的復(fù)雜性，大部分研究者都認(rèn)為水平管束池沸騰傳熱沒(méi)有普遍適用的關(guān)系式[16]。

在轉(zhuǎn)運(yùn)通道承載器中水平放置的燃料組件池沸騰過(guò)程，與再沸器、蒸發(fā)器等水平管束有一定的區(qū)別，因?yàn)榻M件的冷卻水入口和頂部蒸汽出口均受到承載器開(kāi)孔的阻礙，如圖1所示，燃料組件頂部的部分燃料元件處于一種半封閉狀態(tài)，蒸汽易在此位置發(fā)生聚集而影響換熱，目前尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道該幾何條件下的水平管束池沸騰特性。本文對(duì)易發(fā)生蒸汽聚集的水平燃料組件頂角區(qū)域開(kāi)展沸騰試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)，擬合傳熱的關(guān)聯(lián)式。

圖1 燃料轉(zhuǎn)運(yùn)通道、承載器和燃料組件示意圖Fig.1 Schematic of fuel transfer tube, carrier and fuel assembly

2 試驗(yàn)裝置和參數(shù)范圍

圖2 試驗(yàn)段三維模型Fig.2 3D model of test facility

本試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和布置見(jiàn)文獻(xiàn)[2,4]。試驗(yàn)段的內(nèi)徑與轉(zhuǎn)運(yùn)通道原型相同，軌道、承載器的橫截面方向的幾何尺寸也與轉(zhuǎn)運(yùn)裝置原型相同，試驗(yàn)中用電加熱組件模擬燃料組件的中間部分。圖2為試驗(yàn)段的三維示意圖，圖中：1為位于轉(zhuǎn)運(yùn)通道中心對(duì)稱(chēng)面的燃料組件，試驗(yàn)中由750 mm長(zhǎng)的電加熱組件模擬；2為模擬承載器；3為模擬轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)；4為冷凝器，將試驗(yàn)段產(chǎn)生的飽和蒸汽冷凝為飽和水，用于模擬轉(zhuǎn)運(yùn)通道兩側(cè)水池進(jìn)口處蒸汽和水的交換。在1和4中間增加了網(wǎng)狀阻力元件，用于補(bǔ)償本試驗(yàn)段之外轉(zhuǎn)運(yùn)通道中流體的壓力損失。為保持試驗(yàn)段中壓力穩(wěn)定，試驗(yàn)段外設(shè)置了容積補(bǔ)償器。在試驗(yàn)段底部設(shè)置了用于補(bǔ)償散熱的輔助加熱器。

整個(gè)沸騰試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)段壓力維持在0.1 MPa，燃料組件兩側(cè)入口的過(guò)冷度精確控制在0.5 ℃以?xún)?nèi)。模擬燃料加熱組件表面熱流密度的范圍為2 400～20 000 W/m2，加熱棒材質(zhì)為經(jīng)過(guò)拋光的316L不銹鋼，表面粗糙度Ra≈0.8 μm。根據(jù)前期研究成果[1,4]，燃料組件頂角部分受到承載器壁面的影響，傳熱條件較差。同時(shí)，由于承載器上壁面不利于氣泡排出，蒸汽易在此位置發(fā)生聚集，如圖3所示。

圖3 承載器頂角處加熱棒壁溫測(cè)量示意圖Fig.3 Schematic of wall temperature measurement in upper corner of fuel carrier

由于受到試驗(yàn)本體的空間限制，試驗(yàn)中僅分別測(cè)量了1#、3#和5#加熱棒的頂部壁溫，如圖3所示。為保證試驗(yàn)精度，溫度測(cè)量采用一級(jí)精度T型熱電偶，壓力測(cè)量采用羅斯蒙特3051壓力變送器。儀表在使用前均進(jìn)行了校準(zhǔn)。由于沸騰換熱系數(shù)計(jì)算中需要壁面溫度和入口水溫的差值，為減小測(cè)量誤差，試驗(yàn)中壁溫和水溫采用了相同模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道和冷端補(bǔ)償溫度，其差值可消去模/數(shù)轉(zhuǎn)換和冷端補(bǔ)償?shù)日`差。綜合考慮校準(zhǔn)不確定度和補(bǔ)償導(dǎo)線引入的不確定度，試驗(yàn)測(cè)量范圍內(nèi)，溫差測(cè)量95%置信水平下不確定度為±0.6 ℃；壓力測(cè)量誤差為±0.14%。

為排除加熱管壁面不穩(wěn)定的汽化核心對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在正式試驗(yàn)前，開(kāi)展了加熱管表面老化工作。試驗(yàn)從低熱流密度向高熱流密度進(jìn)行，在每個(gè)工況穩(wěn)定0.5 h后，再記錄加熱棒的功率和各熱電偶溫度，同時(shí)觀察管束沸騰現(xiàn)象。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 沸騰換熱曲線

圖4為沸騰換熱系數(shù)與熱流密度的關(guān)系。圖4中黑色實(shí)線為采用Rohsenow[17]關(guān)聯(lián)式計(jì)算的單棒池沸騰換熱系數(shù)曲線，用于與燃料組件試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從圖中可看出，燃料組件1#、3#和5#加熱棒頂部沸騰傳熱系數(shù)均高于單棒的情況。燃料組件試驗(yàn)段各頂部測(cè)量棒的換熱系數(shù)隨熱流密度的增加而增大，但隨熱流密度的增大，換熱系數(shù)增大的幅度變緩。

圖4 沸騰換熱系數(shù)與熱流密度的關(guān)系Fig.4 Relationship of boiling heat transfer coefficient and heat flux

1#棒位于承載器的頂角部位，水和氣泡的運(yùn)動(dòng)受到承載器的影響最大，這在圖4中也有所體現(xiàn)：1#棒的沸騰換熱系數(shù)是3根棒中最低的。隨著加熱棒遠(yuǎn)離承載器的頂角，沸騰換熱系數(shù)逐步增大。

圖5為1#、3#和5#加熱棒頂部沸騰傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與Rohsenow關(guān)聯(lián)式計(jì)算值之比htop/h1(htop為頂角處加熱棒頂部局部沸騰換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；h1為Rohsenow關(guān)聯(lián)式計(jì)算值)與熱流密度的關(guān)系。從圖5可看出，隨加熱棒壁面熱流密度的增大，1#、3#和5#棒與單管的沸騰換熱系數(shù)的比值逐步減小。其中，在壁面熱流密度約為20 000 W/m2時(shí)，1#棒的換熱系數(shù)已接近單棒值，說(shuō)明此時(shí)承載器頂角處氣泡聚集的包覆效應(yīng)已基本抵消了管束效應(yīng)。

圖5 htop/h1與熱流密度的關(guān)系Fig.5 Relationship of htop/h1 and heat flux

3.2 換熱關(guān)聯(lián)式

從圖4可知，燃料組件頂角處，加熱棒頂部沸騰換熱系數(shù)隨位置和熱流密度的變化而變化。試驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)壓力為0.1 MPa，定性溫度為試驗(yàn)系統(tǒng)壓力下對(duì)應(yīng)的飽和溫度，池式沸騰特征長(zhǎng)度l*=σ/[g(ρl-ρg)]。將沸騰換熱系數(shù)參照Pior關(guān)聯(lián)式[6]形式進(jìn)行最小二乘擬合，如式(1)所示，則可獲得1#、3#和5#棒位置處的局部沸騰傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

(1)

式中：q為加熱棒表面熱流密度，W·m-2；k為液體導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；hfg為汽化潛熱，J·kg-1；ρg為氣相密度，ρl為液相密度，kg·m-3；σ為表面張力，N·m-1；g為重力加速度，m·s-2；Pr為普朗特?cái)?shù)；l*為池沸騰特征長(zhǎng)度；C、n和m為待定系數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別求出htop、q、Pr和各物性參數(shù)后，通過(guò)多元回歸分析，求出待定系數(shù)。式(2)～(4)分別為1#、3#和5#棒頂部沸騰換熱系數(shù)擬合關(guān)聯(lián)式，該組關(guān)聯(lián)式適用于系統(tǒng)壓力0.1 MPa、燃料組件進(jìn)口冷卻水水溫接近飽和溫度、熱流密度在2 400～20 000 W/m2條件下的承載器頂角部位加熱棒頂部飽和沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算。加熱棒材質(zhì)為經(jīng)過(guò)拋光的316L不銹鋼，表面粗糙度Ra≈0.8 μm。

h1,top=

(2)

h3,top=

(3)

h5,top=

(4)

圖6示出了試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果的偏差。從圖6可看出，除個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)外，3個(gè)擬合關(guān)聯(lián)式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差均在±10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明擬合關(guān)聯(lián)式具有較好的準(zhǔn)確性。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果與擬合關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果的偏差Fig.6 Deviation between experimental data and correlation results

4 結(jié)論

本文針對(duì)反應(yīng)堆換料燃料轉(zhuǎn)運(yùn)通道中乏燃料組件池沸騰工況，研究了承載器頂角區(qū)域燃料棒的傳熱特性，結(jié)論如下。

1) 在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，承載器頂角區(qū)域中燃料組件最上排加熱棒頂部的沸騰傳熱系數(shù)均高于Rohsenow關(guān)聯(lián)式單管池沸騰傳熱系數(shù)計(jì)算值，但越靠近頂角的加熱管的沸騰換熱系數(shù)越接近單棒的沸騰傳熱系數(shù)。

2) 隨熱流密度的增大，燃料組件最上排頂角區(qū)域加熱管飽和沸騰傳熱系數(shù)逐步增大，但與單管池沸騰傳熱系數(shù)的差異逐步減小。

3) 通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了承載器中頂角區(qū)域1#、3#和5#棒頂部的飽和沸騰換熱關(guān)聯(lián)式，可為后續(xù)工程應(yīng)用中評(píng)估燃料組件在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的熱工安全狀態(tài)和表面最高溫度提供參考。