一種緊急釋熱裝置的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計研究與實(shí)踐（二）

摘 要：針對Tokamak（托卡馬克）裝置緊急向冷卻水釋放的熱量，提出采用水箱存水蓄熱降溫的設(shè)計方案，并以水箱連接試驗(yàn)裝置冷卻水回路和制冷側(cè)冷凍水回路，依據(jù)試驗(yàn)裝置工作進(jìn)水水溫和制冷裝置工作進(jìn)水水溫允許變化范圍，計算出水箱蓄水量。利用冷卻水、冷凍水回路流體的壓能和動能混合冷卻水和冷凍水，并對混合的流動過程施加湍流擾動、撞擊，將管內(nèi)流動轉(zhuǎn)化為明渠流動，利用水力現(xiàn)象水躍、管束繞流和水壅促使其擾動達(dá)到混水效果，為降低制冷裝置制冷量提供條件，保證Tokamak（托卡馬克）裝置冷卻水系統(tǒng)正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：冷卻水；冷凍水；雷諾數(shù)；水箱

中圖分類號：TL33" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0050-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.011

0" " 引言

文獻(xiàn)[1]提出Tokamak（托卡馬克）裝置的冷卻水系統(tǒng)采用制冷裝置冷卻降溫的方案，文獻(xiàn)[2]對其水冷系統(tǒng)采用單、雙回路即工藝側(cè)冷卻水和冷源側(cè)冷凍水回路做出對比分析，指出雙回路優(yōu)于單回路。本文對雙回路水冷系統(tǒng)的水箱及混水設(shè)計方案進(jìn)行介紹。

試驗(yàn)室由單層廠房改造，現(xiàn)場安裝條件有限，冷卻水系統(tǒng)的設(shè)備除制冷裝置外，冷卻水箱、循環(huán)水泵4臺及純水機(jī)組放置在長11.8 m、寬1.85 m、高9.45 m的區(qū)域內(nèi)，冷卻水箱與循環(huán)水泵、制冷裝置、純水機(jī)組通過管道連接，設(shè)計時考慮冷卻水箱、循環(huán)水泵、制冷裝置、純水機(jī)組及其連接的管道布置，給管道及設(shè)備檢修留出一定的空間。

1" " 冷卻水水箱與冷卻水管路形式

1.1" " 冷卻水箱的作用

冷卻水箱具備以下功能：1）存儲足夠量的水，以供試驗(yàn)時裝置使用，緩解水源供水不足問題；2）降低試驗(yàn)裝置試驗(yàn)時釋放熱量引起的溫升，保證水溫上升小于2 ℃，減小制冷裝置的容量，為制冷裝置和試驗(yàn)裝置提供相對穩(wěn)定的進(jìn)水溫度，維持制冷裝置正常運(yùn)行；3）純化水的儲水箱，純水機(jī)組通過水箱向冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水；4）避免制冷裝置側(cè)與試驗(yàn)裝置側(cè)冷卻水壓力相互干擾從而引起流量變化。冷卻水箱實(shí)際是集儲水、蓄熱緩沖溫升、分解壓力干擾功能于一體的裝置。

1.2" " 冷卻水箱容量的確定

文獻(xiàn)[1]指出，水箱容積足夠大，供水箱儲存足夠容量的水，水就可以蓄存足夠的熱量。放熱量一定、容量足夠的水還可以吸收熱量從而降低水溫，避免冷卻水溫過高和水溫波動，為制冷裝置和試驗(yàn)裝置提供相對恒定的進(jìn)水溫度，有效解決制冷裝置工作狀態(tài)不穩(wěn)定和試驗(yàn)裝置冷卻問題。

式中：Q1為試驗(yàn)裝置向冷卻水的總放熱量；Qi為試驗(yàn)裝置向冷卻水的瞬時放熱量；Q2為冷卻水的總吸熱量；c為水的比熱容，c=4 186.8 J/（kg·℃）[3]；q為冷卻裝置的冷卻水質(zhì)量流量；Δti為試驗(yàn)裝置的冷卻水進(jìn)、出水溫差；touti為試驗(yàn)裝置的冷卻水出水瞬時溫度；tini為試驗(yàn)裝置的冷卻水進(jìn)水瞬時溫度；ρ為水的密度；V為冷卻水系統(tǒng)的水容量；Δt為冷卻水系統(tǒng)水的溫升。

試驗(yàn)裝置釋放熱量51.84 MJ，選用的制冷裝置進(jìn)水允許變化溫度±2 ℃，為保證制冷裝置和試驗(yàn)裝置的進(jìn)水溫度，以2 ℃溫升計算51.84 MJ熱量冷卻水容量為6 190.89 L。由于冷凍水、冷卻水管路充滿水，經(jīng)計算管道內(nèi)水容量為2 254.38 L，水箱容量至少3 936.51 L。依據(jù)文獻(xiàn)[4-5]，水箱容積為4.0 m3最接近該值。

2" " 冷卻水箱設(shè)計

2.1" " 水箱的冷卻水接管

依據(jù)冷熱分層原理，冷卻水混合時僅允許其發(fā)生在水箱頂部和上部，冷卻水回水管、冷凍水回水管設(shè)置在水箱頂部，冷卻水供水管與冷凍水供水接管位于水箱底部，如圖1所示。

2.2" " 冷卻水混水設(shè)計

試驗(yàn)裝置側(cè)冷卻水與制冷裝置側(cè)冷凍水混合均勻才能實(shí)現(xiàn)：溫升2 ℃時6 190.89 L的水蓄熱51.84 MJ。因此，混合均勻是冷卻水混水設(shè)計的關(guān)鍵。

2.2.1" " 通過外部攪拌裝置實(shí)現(xiàn)流體混合均勻

通過在水箱頂部設(shè)置攪拌裝置，使得流體內(nèi)部劇烈擾動實(shí)現(xiàn)均勻混合。此方法比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)，存在問題：1）水箱依據(jù)文獻(xiàn)[4-5]設(shè)計選用時是一種靜置裝置，設(shè)置攪拌裝置會引起額外的荷載和振動，需對文獻(xiàn)[4-5]水箱進(jìn)行加固設(shè)計；2）消耗額外電能；3）流體流動時水泵提供的壓能和動能沒有利用；4）需要額外的投資。

2.2.2" " 利用流體能量實(shí)現(xiàn)混合均勻

試驗(yàn)裝置側(cè)冷卻水與制冷裝置側(cè)冷凍水均配置循環(huán)水泵，循環(huán)水具有一定的壓能和動能，利用水自身壓能和動能實(shí)現(xiàn)混合。通過施加外界條件，增加水流在水箱、管道內(nèi)的流程，在流動的路徑上施加各種擾動措施。工程中的流動多為湍流，利用湍流自身擾動、施加外部條件使水流發(fā)生飛濺、撞擊、水躍、繞流等，均可實(shí)現(xiàn)混合。

2.2.2.1" " 兩股流體撞擊飛濺混合

制冷裝置側(cè)冷凍水流量56 m3/h；主管選用D133×4無縫鋼管，流速為1.27 m/s，相應(yīng)的雷諾數(shù)為85 219（20 ℃，水的運(yùn)動粘度1.011×10-6 m2/s[6]）。試驗(yàn)裝置側(cè)冷卻水流量16.8 m3/h；主管變徑至D76×6.5時，流速為1.25 m/s，雷諾數(shù)為156 803。經(jīng)過計算兩管口中心正對，間距為0.4 m時，距兩管出口中點(diǎn)下約0.126 m發(fā)生水流交匯引起水流撞擊。在水流交匯處的下方約0.03 m設(shè)置一直徑D300厚度5 mm水平圓盤，水流撞擊后由圓盤向四周均勻布水，后跌入圓筒底部水池。圓筒選用D500×9無縫鋼管，兩水管中心位于同一高度。

2.2.2.2" " 流體水躍混合

混合后的冷卻水流量72.8 m3/h；經(jīng)過突縮進(jìn)入D109×4.5的管道，流速為2.58 m/s，相應(yīng)的雷諾數(shù)為254 805。水流跌落在水槽平板上，形成水躍，同時發(fā)生混合。為使流動能持續(xù)發(fā)生，不出現(xiàn)斷流或空化現(xiàn)象，圖2中1-1斷面與2-2斷面之間流動應(yīng)滿足流體力學(xué)連續(xù)性方程和能量方程。

連續(xù)方程：

A1U1=A2U2" " " " " " " " " " " " " " （3）

能量方程：

式中：A1、A2為斷面1-1、2-2的橫截面積；U1、U2為斷面1-1、2-2的水流速度；Z1、Z2為斷面1-1、2-2的高程；P1、P2為斷面1-1、2-2的水的靜壓強(qiáng)；Pl為斷面1-1、2-2之間水流的阻力；ρ為水的密度；g為重力加速度，g=9.807 m/s2；ζ為局部阻力系數(shù)。

使用管道連接水箱內(nèi)部與混水罐使其壓力相等，則有P1=P2，斷面1-1處流速0.11 m/s，ζ按照文獻(xiàn)[6]的公式計算值為0.466 4，經(jīng)計算Z1-Z2即高差為0.501 m即可滿足連續(xù)流動。斷面1-1管道D500×9流速0.11 m/s時，流動比摩阻0.28 Pa/m，流動的沿程阻力可以忽略。斷面2-2處管道D109×4.5內(nèi)的流動比摩阻796.41 Pa/m，按最大長度0.5 m計算水阻力為796.41 Pa（0.08 mH2O），將計算Z1-Z2值修正0.08 m，即高差0.581 m。進(jìn)入突縮后的直段設(shè)計為0.4 m，混水罐內(nèi)設(shè)計水位0.2 m。

2.2.2.3" " 圓管管束擾流混合

冷卻水跌落水盤后連接矩型水槽，水槽采用不銹鋼板制作，形成明渠流動，采用水力最優(yōu)矩形斷面即底寬為水深的2倍，依據(jù)文獻(xiàn)[6]明渠均勻流基本公式，經(jīng)過試算，水力坡度即坡度為37‰時，矩形斷面底寬150 mm，水深75 mm，相應(yīng)的流速為1.80 m/s。水槽斷面尺寸選用150 mm×150 mm。

流體掠過管束換熱時，擾動越強(qiáng)換熱系數(shù)越大，同樣外界擾動越強(qiáng)流體混合效果越顯著。流速1.80 m/s時，依據(jù)文獻(xiàn)[7]，雷諾數(shù)大于200 000時才能形成紊流邊界層，此時管道直徑112.49 mm，在水槽內(nèi)無法形成管束。退而求其次，將雷諾數(shù)在500～200 000湍流狀態(tài)[7]視為混合工況，結(jié)合文獻(xiàn)[8-9]布置成等間距的三角叉排管束且管間距大于圓管直徑的1.25倍，經(jīng)過試算，選用圓管外徑為10 mm，管間距S為圓管直徑2倍，相應(yīng)的雷諾數(shù)177 780，三角叉排管束擾動，水槽內(nèi)水流實(shí)現(xiàn)混合。水槽內(nèi)三角叉排管束布置如圖3所示。

2.2.2.4" " 水槽明渠壅水

通過水壅也可以實(shí)現(xiàn)流動擾動混合，明渠流動水壅及水壅高度無法準(zhǔn)確計算，可在方形水槽末端設(shè)置擋水板，通過調(diào)節(jié)擋水板的高度，觀察水位上升的高度是否穩(wěn)定及水流不溢出水槽來確定。

2.3" " 水箱設(shè)計

上已述及，水箱容積初選4.0 m3左右，標(biāo)準(zhǔn)水箱的規(guī)格為2 m×2 m×1 m（內(nèi)部尺寸），現(xiàn)場無法放置，選用文獻(xiàn)[4]中的非標(biāo)準(zhǔn)組合式不銹鋼板矩形水箱作為蓄熱混水水箱，初選水箱內(nèi)部寬1.0 m、長1.5 m、高3.0 m。為增加水在水箱內(nèi)的流程在水箱內(nèi)設(shè)置2道隔板，將水箱分為3個體積相等的隔倉，加強(qiáng)擾動的同時，阻隔冷卻水因?qū)α髁鲃右鸬乃疁貍鞑ィ乐垢邷厮晃胨眠M(jìn)入制冷裝置或試驗(yàn)裝置。跌水盤及矩形水槽設(shè)置在水箱上部，設(shè)置的隔板可以支撐上部的跌水盤及矩形水槽。上部經(jīng)過跌水盤和水槽混合過的冷卻水先進(jìn)入混合倉1，通過設(shè)置在底部的孔板進(jìn)入混合倉2，由混合倉2通過設(shè)置在頂部的孔板進(jìn)入均流倉，流動過程如圖4所示。左側(cè)隔板頂部孔板設(shè)置D12圓孔407個，流速為0.439 3 m/s，11行37列布置；底部孔板設(shè)置D10圓孔333個，流速為0.773 2 m/s，孔縱向間距25 mm，橫向50 mm，9行33列布置。

水箱內(nèi)水深2.624 m達(dá)到最小容量的需求，不滿足安裝要求，水箱的壁板模數(shù)最小0.5 m，將水箱的高度增至3.5 m。

3" " 其他

3.1" " 跌水盤的受力及其厚度

依據(jù)文獻(xiàn)[7]恒定總流動量方程，取圖2中2-2至3-3之間流體作為控制體，計算跌水盤的承受力為120.96 N，按其作用的最小作用面積直徑100 mm的圓計算壓力為15 401.54 Pa，相當(dāng)于1.54 mH2O，跌水盤尺寸與水箱最小壁板尺寸接近，選用與水箱側(cè)壁板同厚不銹鋼板滿足強(qiáng)度要求。

3.2" " 水箱內(nèi)的水質(zhì)問題

上述以消耗流體的動能和壓能為代價，通過施加不同外部條件使冷熱流體擾動以增強(qiáng)混合，由于水箱為開式，流體擾動混合時與大氣接觸，劇烈擾動也使得空氣中的氣體容易進(jìn)入水中，從而影響水質(zhì)。由于水箱的密閉性差，無法通過充入稀有氣體隔絕空氣，采取由純水機(jī)組的原水泵抽取水箱中的水再次進(jìn)入純水機(jī)組純化的方式保持水質(zhì)。

3.3" " 水箱隔板受力平衡問題

水箱隔板的厚度與水箱側(cè)壁板厚度相同，滿水時隔板不受力，注水時為解決混合倉2與均流倉一側(cè)充水一側(cè)未充水引起水箱隔板受力不均衡的問題，在水箱底部設(shè)置帶球門連通管，注水時打開，不注水時關(guān)閉。

3.4" " 水箱隔板、跌水盤及水槽與水箱主體連接

水箱隔板豎向兩邊折邊20 mm，采用焊接的方式與水箱連接；跌水盤及水槽用水箱隔板支撐，用5#角鋼與水箱主體焊接。水箱底板、側(cè)板、頂板厚度分別為3.0、2.5、1.5 mm，材質(zhì)為S30408。在水箱底部按照文獻(xiàn)[4]技術(shù)要求預(yù)留D89×4.5、D133×4.5帶法蘭的管道接口，頂部預(yù)留DN108×4帶法蘭的管道接口，接口中心正對跌水盤中心。頂部檢修口盡量靠近跌水盤以方便檢修。水箱內(nèi)頂部橫斷面如圖5所示。其他附件及基礎(chǔ)按照文獻(xiàn)[4]執(zhí)行，這里不再贅述。

4" " 調(diào)試與運(yùn)行

上述施加外部條件對流體擾動的技術(shù)措施中，除混水罐至水箱段的管路能相對準(zhǔn)確地計算外，混水罐內(nèi)圓盤位置、水躍、管束擾流時水面躍升高度及管束擾流時水阻力、水壅穩(wěn)定高度均不能準(zhǔn)確計算，需由設(shè)計者和施工者共同配合通過試驗(yàn)確定。試驗(yàn)在管路和水箱清洗時進(jìn)行，調(diào)試時，水箱頂蓋暫不安裝，經(jīng)過調(diào)試得到結(jié)論如下：

1）圓盤保持水平，混水罐內(nèi)圓盤位置均在兩管軸心線下約178 mm時混合劇烈，向四周穩(wěn)定均勻補(bǔ)水。

2）管束擾流時水面躍升高度在6～9 mm，圓管管束高度100 m時能保證水流未淹沒管束。

3）水流由跌水盤進(jìn)入水槽時，存在液面高度，導(dǎo)致實(shí)際水力坡變大，當(dāng)水槽坡度為約31‰時，水流較為穩(wěn)定。

4）水流流經(jīng)管束時，形成的水阻消耗了動力，須調(diào)整管束后水槽的坡度。

5）在水槽的最后端設(shè)置豎向擋板，當(dāng)管束后的水槽坡度調(diào)整至約50‰時，水槽末端能夠形成穩(wěn)定的水壅現(xiàn)象，水壅高度約為70 mm，之后形成較為穩(wěn)定的閘下出流，相應(yīng)的閘寬約130 mm，高度約98 mm。

5" " 結(jié)論

1）在水箱內(nèi)外，通過施加外部條件以消耗流體動能和壓能促使流體擾動實(shí)現(xiàn)均勻混水，可以蓄熱降低水溫和水溫波動從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)裝置的正常冷卻和制冷裝置的正常運(yùn)行，冷卻效果詳見文獻(xiàn)[1]。

2）采用消耗流體動能和壓能促使流體擾動實(shí)現(xiàn)均勻混水的同時，冷凍水和冷卻水的管路壓力未受到干擾。

本文所述Tokamak（托卡馬克）裝置雙回路冷卻水系統(tǒng)冷卻水箱設(shè)計已建成并投入順利使用，該技術(shù)已獲得專利授權(quán)，專利號：CN202322353372.X[10]。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2024-04-01

作者簡介：王爭利（1982—），男，陜西西安人，工程師，注冊設(shè)備公用設(shè)備工程師（暖通空調(diào)），研究方向：工業(yè)設(shè)備工藝?yán)鋮s。

通信作者：李星（1980—），男，陜西西安人，工程師，研究方向：工業(yè)設(shè)備工藝?yán)鋮s。