注氣對低壓自然循環(huán)回路中流動閃蒸的影響

李娜，曹夏昕，程俊

哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

自然循環(huán)是利用冷熱源之間高度差及上升段和下降段之間密度差形成的驅(qū)動力驅(qū)動系統(tǒng)循環(huán)，帶走加熱段熱量的一種流動方式。自然循環(huán)作為非能動安全系統(tǒng)的基本原理之一[1]，在沸水堆[2]、低溫供熱堆[3]、反應(yīng)堆非能動安全系統(tǒng)[4?5]及其他工業(yè)領(lǐng)域[6?7]研究設(shè)計中得到高度重視。在低壓自然循環(huán)回路較長上升段條件下，熱流體從加熱段中流出并向上流動的過程中，壓力逐漸降低，當(dāng)流體溫度超過當(dāng)?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟葧r，會發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，這種現(xiàn)象極易造成系統(tǒng)的流動不穩(wěn)定。而流動不穩(wěn)定是影響自然循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計與安全運行的重要因素[8?9]。

目前關(guān)于流動閃蒸的研究主要集中于流動閃蒸不穩(wěn)定研究及如何避免自然循環(huán)不穩(wěn)定的發(fā)生[10?12]。為了能夠抑制流動不穩(wěn)定，本文在對純閃蒸研究的基礎(chǔ)上，采用注入空氣的實驗手段以提升自然循環(huán)驅(qū)動力。為了弄清楚注氣對誘發(fā)閃蒸的影響，本文擬結(jié)合實驗現(xiàn)象，分析不同注氣量及注氣方式對流動閃蒸過程中循環(huán)流量變化的影響。

1 實驗裝置

圖1所示為實驗回路。實驗回路主要由加熱器、下水平段、注氣段、可視化上升段、水箱（含補(bǔ)水系統(tǒng)）、上水平段、下降段組成。電加熱器最大加熱功率為80 kW。為研究注氣對流動閃蒸的影響，上升段下部設(shè)置注氣裝置，由空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、減壓閥、氣體質(zhì)量流量計及相關(guān)實驗管道組成。上升段可視化部分為內(nèi)徑50 mm的透明 PC 管，長 4.235 m。水箱（1 500 mm×600 mm×1 000 mm）與大氣相通，通過磁翻板液位計時刻監(jiān)測水箱液位變化。下降段為內(nèi)徑50 mm不銹鋼管道。采用電磁流量計測量自然循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)流量，上下水平段均為內(nèi)徑50 mm不銹鋼管道，水箱及不銹鋼管道均做保溫處理。采用T型鎧裝熱電偶測量上升段內(nèi)流體的溫度，其中T1位于上升段入口，T9位于距離上升段出口50 mm處，T1~T9布置位置如圖2所示。

圖1 自然循環(huán)流動閃蒸實驗回路

在水箱中不同高度處布置了3個T型熱電偶監(jiān)測水箱溫度分層現(xiàn)象，加熱器進(jìn)出口各布置一個溫度測點，水箱進(jìn)出口中心距為1.05 m。實驗回路中布置了多個壓差測點，以測量上升段、下降段及水平段流動阻力變化。采用NI高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測并記錄全部溫度、流量及壓力/壓差信號。注氣分為直接注氣和多孔介質(zhì)注氣2種方式，2種結(jié)構(gòu)如圖3所示。直接注氣條件下，注入的冷空氣直接和熱水接觸進(jìn)入上升段中；多孔介質(zhì)注氣條件下，冷空氣首先充滿多孔介質(zhì)管與外部不銹鋼套筒之間的環(huán)形氣腔，空氣通過多孔介質(zhì)管溢出到熱水中。

圖2 溫度測點布置

圖3 注氣結(jié)構(gòu)

實驗時，回路初始水溫為常溫。由于加熱器設(shè)置在水平段，當(dāng)加熱器內(nèi)水溫達(dá)到50 ℃時，通過注氣系統(tǒng)向上升段內(nèi)注入空氣，使系統(tǒng)形成正向的自然循環(huán)，持續(xù)1 min之后關(guān)閉注氣，系統(tǒng)維持單相自然循環(huán)。單相自然循環(huán)期間，系統(tǒng)各部分水溫逐漸上升，當(dāng)水溫上升至上升段內(nèi)發(fā)生閃蒸后，形成兩相自然循環(huán)，系統(tǒng)各部分水溫繼續(xù)上升，直到水箱內(nèi)水溫、下降段水溫以及加熱器入口水溫恒定保持在當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ο嘛柡蜏囟龋_始進(jìn)行正式實驗。

2 注氣促進(jìn)閃蒸自然循環(huán)實驗結(jié)果

直接注氣結(jié)構(gòu)將空氣直接注入到熱水中，由于注氣孔較大，形成較大氣泡。多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙較密，空氣經(jīng)過多孔介質(zhì)的彌散作用之后進(jìn)入到熱水中，形成相對較小氣泡。

由于結(jié)構(gòu)的不同，直接注氣與多孔介質(zhì)注氣可能對自然循環(huán)造成不同的影響。因此有必要研究2種不同注氣方式對流動閃蒸的影響，從而有利于指導(dǎo)實際應(yīng)用。實驗中保持加熱器加熱功率為 40 kW，水箱水位 350 mm。

2.1 注氣條件下流動閃蒸實驗現(xiàn)象

如圖4所示為注氣量為0.5 kg/h時2種注氣方式下實驗現(xiàn)象對比。觀察到直接注氣與多孔介質(zhì)注氣在宏觀現(xiàn)象上差別不大，故以下僅分析多孔介質(zhì)注氣實驗現(xiàn)象。多孔介質(zhì)注氣條件下流動閃蒸實驗現(xiàn)象如圖5所示，注氣量分別為0、0.05、0.1、0.55、1.5 kg/h，每個工況下從左到右依次為上升段下部、中部、上部實驗現(xiàn)象。注氣條件下流動閃蒸兩相段中氣相由空氣和蒸汽組成，在閃蒸起始點上游，僅為空氣?水兩相流動，閃蒸起始點下游為空氣?蒸汽?水氣液兩相流動，兩段中含氣量及流型有明顯的不同。

圖4 注氣現(xiàn)象

圖 5 不同注氣量下上升段實驗現(xiàn)象

如圖 5（a）所示，注氣量=0 kg/h 時，由于多孔介質(zhì)內(nèi)部存有少量空氣，隨機(jī)進(jìn)入到上升段中，空氣含量極少，管道中僅出現(xiàn)少量極小氣泡。在T3和T4熱電偶位置均出現(xiàn)局部閃蒸現(xiàn)象，但是T3處的局部閃蒸量很少，汽泡體積形狀相對穩(wěn)定，幾乎沒有出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。并且在T3到T4熱電偶之間氣泡體積沒有增大，說明在該段中沒有達(dá)到閃蒸發(fā)生的條件。T4熱電偶處發(fā)生局部閃蒸現(xiàn)象并且有明顯的氣泡撕裂過程。T4下游含氣量明顯增大，一方面由于空氣氣泡作為汽化核心點促進(jìn)閃蒸的發(fā)生；另一方面熱電偶作為插入物誘發(fā)局部閃蒸也會導(dǎo)致下游含氣量的增加，整體流型為泡狀流。

注氣量為0.05 kg/h時，在上升段中，上游呈現(xiàn)出大氣泡與密集小氣泡間隔出現(xiàn)的現(xiàn)象。大氣泡形狀不規(guī)則，整體呈現(xiàn)泡狀流。氣泡隨液體向上流動，過熱液體在氣液界面發(fā)生相變，氣泡體積明顯變大，同時觀察到氣泡尾部攜帶大量細(xì)小氣泡，繼續(xù)向上流動流型發(fā)展為近似彈狀流，如圖5（b）所示。此時的彈狀流并未形成顯著Taylor氣泡，氣液界面極不規(guī)則，液相中彌散密集小氣泡，液相為連續(xù)相，氣相為非連續(xù)相，但已經(jīng)具備了彈狀流的明顯特征，氣彈直徑接近管徑，大氣彈與液彈交替式間歇出現(xiàn)。

注氣量為0.1 kg/h時，氣彈長度明顯增加，大氣彈和液彈間隔出現(xiàn)，形成典型的彈狀流流型，如圖 5（c）所示。

注氣量為0.55 kg/h時，閃蒸起始點上游已經(jīng)出現(xiàn)彈狀流流型，每個氣彈尾部攜帶有大量小氣泡。這些小的空氣氣泡又作為汽化核心源，促進(jìn)了汽體的產(chǎn)生，使得閃蒸起始點下游混合氣體含量迅速增加，所呈現(xiàn)出來的氣彈長度顯著增大，如圖 5（d）所示。

當(dāng)注氣量增加到1.5 kg/h時，由于注氣量的增加，發(fā)生閃蒸后，含氣量繼續(xù)增大，氣彈區(qū)域長度變得更長，逐漸向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變，如圖5（e）所示。

2.2 注氣對自然循環(huán)流動閃蒸的影響

自然循環(huán)驅(qū)動力小，阻力與驅(qū)動力的量級相當(dāng)。在系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)不變的條件下，密度差為影響驅(qū)動力的主要因素。當(dāng)上升段內(nèi)出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象時，上升段內(nèi)混合流體密度降低，下降段和上升段內(nèi)流體之間的密度差增大，系統(tǒng)內(nèi)驅(qū)動力增強(qiáng)，系統(tǒng)循環(huán)流量增大。在定功率加熱條件下，下降段溫度不變，導(dǎo)致加熱器出口溫度降低，上升段流體溫度下降，閃蒸段縮短或消失；相應(yīng)地，冷熱段流體密度差減小，系統(tǒng)驅(qū)動力降低，循環(huán)流量下降，形成流動不穩(wěn)定現(xiàn)象。而在上升段下部注入空氣有助于提高系統(tǒng)驅(qū)動力，抑制流動不穩(wěn)定性，同時提升循環(huán)流量。

在臨床實踐過程中，和帶教老師探討個案及開題設(shè)計，觀察特殊病情，為個案書寫及開題報告積累素材。部分學(xué)員通過個案及課題設(shè)計的倫理教學(xué)，加上臨床實際操作，結(jié)合以往的臨床經(jīng)驗，已經(jīng)形成初步的科研構(gòu)思，可按照開題報告模板撰寫初稿，并將初稿交給帶教老師進(jìn)行批改、修正、指導(dǎo)，評價課題可行性及創(chuàng)新性。

圖6所示為直接注氣條件下注氣量為0時系統(tǒng)循環(huán)流量（M）圖，呈現(xiàn)流動不穩(wěn)定狀態(tài)，流量振蕩周期約為 9.747 s，振幅約為 0.27 m3/h，有明顯的規(guī)律性。

圖6 直接注氣條件注氣量為0時循環(huán)流量

注入空氣后，循環(huán)流量及系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。在注氣的瞬間，流量急劇上升，后緩慢下降至相對穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)流量上沖現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 直接注氣前后流量變化趨勢

圖8為注氣前后注氣量（M′）變化趨勢圖。注氣量急劇上升之后并沒有緩慢下降的過程，可知流量的上沖不是由上升段空氣含量變化所造成的。

圖8 直接注氣前后注氣量變化趨勢

圖9顯示在流量發(fā)生上沖的同時，上升段壓差（ΔP）發(fā)生下沖現(xiàn)象，注氣的瞬間，注氣段下游壓力隨之降低，由于此時上升段溫度仍然較高，閃蒸起始點迅速向下發(fā)展，閃蒸段變長，流量極速上升，導(dǎo)致加熱器出口溫度降低，相同注氣量下閃蒸起始點向上移動，閃蒸段變短，流量隨之降低，因此出現(xiàn)流量上沖現(xiàn)象的原因是上升段蒸汽含量出現(xiàn)峰值。

圖9 直接注氣前后壓差信號變化趨勢

2.3 不同注氣方式對流動閃蒸影響的對比

多孔介質(zhì)注氣條件下，其流量變化趨勢與直接注氣相同，但是對循環(huán)流量的增加幅度不同。如圖10所示，在相同注氣流量范圍內(nèi)，注氣方式不同使得循環(huán)流量的變化趨勢基本是一致的。在相同功率下，注入空氣使回路循環(huán)流量明顯增加，上升段入口溫度（T1）明顯下降。不同注氣量會導(dǎo)致不同的流型，由2.1節(jié)實驗現(xiàn)象及其分析可知，隨注氣量的增加，彈狀流中氣彈長度逐漸變長，液彈長度逐漸變短，在注氣量為1.5 kg/h時，T5上部幾乎為環(huán)狀流，阻力增加較快，所以流量上升趨勢逐漸變緩。

圖10 2種注氣方式下循環(huán)流量和上升段入口溫度T1變化趨勢

圖11為2種注氣方式下循環(huán)流量的對比，可以看出，相同注氣量下，直接注氣比多孔介質(zhì)注氣對循環(huán)流量的增加更明顯，二者相差5%~10%。由于2種方式下注氣孔均在注氣段的下部，直接注氣情況下，兩相段為從注氣孔開始一直到水箱底部；而在多孔介質(zhì)情況下，理想的注氣狀態(tài)是整段多孔介質(zhì)區(qū)域均為兩相段。但是由于注氣段下部壓力高于注氣段上部壓力，空氣會優(yōu)先從注氣段上部溢出，下部注氣段就是無效注氣段，因此上升段中兩相段比直接注氣情況下要短，導(dǎo)致直接注氣方式對自然循環(huán)流量的提升效果更明顯。

圖11 2種注氣方式下循環(huán)流量及相對增幅對比

圖12為2種注氣情況下上升段溫度變化趨勢。2種注氣方式下溫度變化趨勢一樣，當(dāng)注氣量為0時，流體在向上運動的過程中，壓力降低。當(dāng)流體溫度達(dá)到并超過當(dāng)?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟葧r，流體處于過熱狀態(tài)，在外界擾動等其他誘因的作用下過熱液體會釋放潛熱，發(fā)生汽化，流體溫度降低，并接近當(dāng)?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟取Ｒ虼溯S向溫度突然下降的地點即為閃蒸起始點。閃蒸起始點上游溫度保持恒定，閃蒸起始點處流體溫度驟降；閃蒸起始點下游，溫度近似呈現(xiàn)線性下降趨勢。注氣情況下，隨著注氣量的增加，循環(huán)流量增加，導(dǎo)致上升段入口溫度隨之降低，同時整個上升段溫度下降；并且注氣量越大，流量越大，溫度下降越明顯。定功率條件下，溫度下降導(dǎo)致閃蒸起始點向上移動，閃蒸段長度變短。

圖12 2 種注氣方式下上升段溫度變化趨勢

從上述實驗結(jié)果來看，注氣可以有效提升自然循環(huán)驅(qū)動力，提升自然循環(huán)流量，抑制閃蒸誘發(fā)的流動不穩(wěn)定現(xiàn)象。但不利的因素是注氣量過大會抑制閃蒸的發(fā)生。因此，在后續(xù)的研究中將進(jìn)一步研究最佳注氣范圍與加熱功率之間的關(guān)系，優(yōu)化注氣區(qū)間，為工程應(yīng)用提供參考。

3 結(jié)論

本文以空氣和水為介質(zhì)實驗研究注氣對低壓自然循環(huán)流動閃蒸過程的影響，得出以下結(jié)論：

1）不同注氣量條件下，上升段流型演變差別比較明顯。注氣量較低時，流型為泡狀流；隨注氣量增加，流型從泡狀流發(fā)展至彈狀流進(jìn)而發(fā)展到近似環(huán)狀流。注氣量越大，氣彈長度越長，液彈長度越短，液彈中彌散密集小氣泡。

2）注氣有助于提高系統(tǒng)循環(huán)流量，減小系統(tǒng)不穩(wěn)定性。注氣瞬間由于上升段中蒸汽含量突然增加導(dǎo)致出現(xiàn)流量上沖現(xiàn)象，即出現(xiàn)流量達(dá)到峰值之后緩慢下降的過程。

3）在直接注氣和多孔介質(zhì)注氣2種不同注氣方式下，隨注氣量的增加，循環(huán)流量均明顯增加，而上升段入口溫度明顯下降。在低注氣量下，注氣量的增加會導(dǎo)致流量急劇上升；但是在較高注氣量下，氣彈長度很長，液彈長度減小，近似環(huán)狀流，阻力增加，流量上升變緩。

4）相同功率及注氣量下，直接注氣方式對系統(tǒng)流量的增加更明顯，二者相差5%~10%。

5）注氣量為0時，閃蒸起始點上游溫度恒定，閃蒸起始點處溫度驟降，閃蒸起始點下游溫度近似線性下降；注氣情況下，循環(huán)流量增加，導(dǎo)致上升段入口溫度隨之降低，同時整個上升段溫度一直下降，并且注氣量越大，溫度下降越明顯。