單矩形通道內自然循環流動特性實驗研究

陳 沖

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

為大幅度提高船舶的續航能力或浮動平臺的發電量，核動力裝置逐漸被引入船舶設計領域[1-2]。由于船舶的空間有限，為進一步提高堆芯壽期和堆芯的功率密度，堆芯的布置形式逐步由陸用核電廠的棒式結構發展為船用的板式結構，而板式結構堆芯的流動換熱特性與矩形換熱器的流動換熱特性類似[3-6]。同時由于矩形換熱器的結構的特點，其單位體積的極限熱流密度和換熱效率明顯高于其他換熱器，矩形換熱器也越來越多的應用在船舶領域，同時在核安全領域的應用也較多[7-8]。核動力系統相比于常規動力系統其安全性受到越來越多的重視，隨著AP1000、華龍一號等第三代核電站的建設，非能動安全的思想被引入核動力一回路、二回路的設計中，堆芯余熱排出安全設計主要采用一回路非能動換熱或二回路非能動換熱兩種形式，且均采用自然循環形式。自然循環非能動換熱主要采用冷源和熱源的密度差進行驅動，實現熱量的傳遞。在全廠斷電或全船斷電的情況下自然循環非能動安全系統可實現堆芯衰變熱的導出，防止堆芯融化。因此板式堆芯或矩形換熱器的自然循環流動特性的研究對核安全的影響較大。田文喜[9]、孫中寧[10]、楊瑞昌[11]等對矩形換熱器的自然循環的換熱特性、自適應特性進行了實驗和理論分析。

綜上所述，自然循環非能動安全設計對船用核動力裝置的安全運行起著重要的作用，而目前針對自然循環特性的研究主要集中在陸用核電廠自然循環換熱特的性研究，針對船用的板式堆芯或矩形換熱器的自然循環流動特性研究較少。本文根據船用堆芯或矩形換熱器的結構特點開展單矩形通道內單相-兩相自然循環流動特性的實驗研究和理論分析。

1 實驗裝置

為了研究船用板式堆芯或矩形換熱器單矩形通道內的單相-兩相自然循環流動特性，建立單矩形通道自然循環流動特性實驗裝置，如圖1所示。整個實驗裝置包括自然（強迫）循環回路和輔助冷卻回路，其中自然（強迫）循環回路包含2個熱源，輔助冷卻回路包含一個冷源，且冷源與熱源之間有一定的高度差以保證自然循環的建立和持續運行，預熱器和直流加熱電源2個熱源的最大加熱功率分別為45 kW和100 kW，冷源為室外冷卻塔。通過控制主泵的旁通閥，自然（強迫）循環回路可實現強迫循環和自然循環之間的切換。單矩形通道實驗裝置自然循環的建立主要有兩種方式，一種方式是直接開啟熱源和冷源，并打開主泵的旁通閥，緩慢增加熱源的功率，利用冷源和熱源的密度差逐漸驅動流體運動，最終實現流體的穩定運行；另一種方式是關閉旁通閥，開啟主泵使流體在回路中持續運行，而后開啟預熱器和直流電源2個熱源持續給流體加熱，當流體溫度差達到一定值時，打開旁通閥并逐漸降低主泵轉速直至關閉主泵，此時系統內的流體依靠密度差將實現自然循環流動。以上2種方法均可以實現閉環系統內的自然循環流動，但是第一種直接開啟冷源和熱源的方法如果系統管路阻力較大，則需要持續增加熱源的溫度，可能會導致預熱器或單矩形通道超溫，而導致損壞。同時在核動力船舶全船斷電的情況下自然循環也是由強迫循環向自然循環的轉換，因此本實驗研究中主要采用第2種方式建立單矩形實驗系統的自然循環。為實時監測自然循環系統中的流量和單矩形通道的壁面溫度，在實驗回路中安裝了電磁流量計并在單矩形通道外側安裝了N型熱電偶，電磁流量劑的測量誤差在±0.5%以內，熱電偶的測量誤差在±0.2 ℃以內。

圖1 單矩形通道自然循環流動特性實驗裝置Fig.1 Single rectangular channel experimental device of the natural circulation flow characteristics

船用板式堆芯或矩形換熱器單矩形通道的示意圖如圖2所示，單矩形通道的內尺寸為2 mm×40 mm，為監測單矩形通道的壁面溫度，在其外表面焊接了N型熱電偶。云母板、不銹鋼殼是為了保證單矩形通道的電絕緣和強度，保溫棉和鋁箔用于對實驗通道的保溫。

圖2 單矩形通道示意圖Fig.2 Schematic diagram of single rectangular channel

2 單矩形通道自然循環變化規律分析

船用板式堆芯或矩形換熱器單矩形通道內自然循環流動特性的變化規律如圖3所示。圖中給出了單矩形換熱器壁面溫度和自然循環質量流速的變化規律，隨著熱流密度的逐漸增加單矩形通道壁面溫度有2個明顯的拐點，即過冷沸騰起始點（ONB）和壁面溫度突升點。同時隨著熱流密度的增加，單矩形通道內的自然循環質量流速存在3個明顯的拐點，即通道出現過冷沸騰起始點、飽和沸騰點及自然循環流量突降點，且單矩形通道壁面溫度的變化與自然循環質量流速的變化存在對應關系。在過冷沸騰起始點之前，即單矩形通道內的流體為單相流動，隨著熱流密度的增加單矩形通道的壁面溫度和自然循環質量流速呈線性增加，主要因為隨熱流密度的增加流體吸收更多的熱量，流體溫度逐漸升高密度逐漸減小，從而導致冷、熱源流體的密度差增加，系統自然循環驅動力增加，質量流速逐漸增加。

圖3 單矩形通道內自然循環流動特性變化規律Fig.3 Variation of natural circulation flow characteristics in single rectangular channel

從圖3還可以看出，在過冷沸騰區域，即單矩形通道內流體剛出現過冷沸騰但還沒有達到飽和沸騰的區域，此區域自然循環流量隨著熱流密度的增加基本保持不變，而壁面溫度出現較大幅度的增加，主要因為隨著熱流密度的增加過冷沸騰區域有頻繁的氣泡產生和湮滅，會造成單矩形通道內的流動阻力增加，通道阻力的增加正好抵消冷熱源密度差導致的驅動力的增加，因此在過冷沸騰區域自然循環流量隨熱流密度的增加，基本保持不變。同時由于熱流密度增加，而流體帶走的能力基本保持不變，從而使壁面溫度較大幅度的增加。在飽和沸騰區域，隨著單矩形通道加熱熱流密度的增加自然循環質量流速呈線性增加，且增加的梯隊比較大。但在流量突降點處自然循環質量流速大幅度減小，同時壁面溫度會大幅度增加。主要是因為在矩形通道飽和沸騰區域氣泡脫離壁面并隨著流體流動的方向移動，從而產生了較大的浮升力，自然循環驅動力明顯增加，從而促使自然循環流量明顯增加，此時的加熱熱流密度一部分被流體帶走，一部分轉化為飽和氣泡的汽化潛熱，從而使壁面溫度隨著熱流密度的增加其增加的梯度較小。在自然循環流量突降點處，此時由于飽和氣泡產生的浮升力與阻力達到了一個最優的平衡，隨著熱流密度的增加，單矩形通道內的沸騰程度持續增加，此時飽和氣泡產生的阻力明顯大于自然循環的驅動力，自然循環流量將會降低，流量的降低又促進流體的沸騰程度，在正循環的促使下，自然循環流量將會有一個大幅度降低，直至達到自然循環驅動力和阻力新的平衡。

3 單矩形通道自然循環影響因素分析

單矩形通道內出口平衡態含汽率對自然循環質量流速的影響如圖4所示。從圖中可以看出，在飽和沸騰區域隨著出口含汽率的增加，單矩形通道內自然循環的質量流速增加的梯度很大，也就意味著單矩形通道內自然循環的質量流速對出口含汽率比較敏感，通道內飽和氣泡產生帶來的浮升力和密度差較大的增加了自然循環的驅動力。從圖4還可以看出，單矩形通道自然循環質量流速在出口含汽率為0.01～0.02區間時到達峰值。

圖4 出口含氣率對自然循環質量流速的影響Fig.4 The effect of equilibrium vapor fraction at the outlet on natural circulation flow rate

不同系統壓力工況下單矩形通道內自然循環質量流速隨入口溫度的變化規律如圖5所示。從實驗結果可以看出，在相同系統壓力和加熱熱流密度工況下，隨著流體入口溫度的增加，單矩形通道內單相-兩相自然循環質量流速逐漸增加，主要因為在定加熱熱流密度工況下，隨著流體入口溫度的提升，流體的平均溫度逐漸提高，冷熱源的密度差逐漸增加，同時在飽和沸騰區域隨著入口溫度的增加，飽和氣泡產生的速率和數量增加，由氣泡產生的浮升力逐漸增加，在兩者的共同作用下自然循環的驅動力逐漸增加，自然循環的質量流速逐漸增加。

從圖5還可以看出，隨著單矩形通道入口流體溫度的增加，自然循環最大質量流速逐漸增加，同時自然循環流量突降點對應的熱流密度逐漸減小。這主要是因為在系統壓力不變的情況下流體的飽和溫度不變，隨著入口溫度的增加，熱源的平均溫度增加，冷熱源的密度差增加，自然循環驅動力增加，導致自然循環的最大質量流速增加。由于在相同系統壓力下自然循流量突降點對應的出口平衡態含汽率基本保持不變，所以隨著入口流體溫度的提升，流量突降點對應的熱流量密度逐漸降低。

圖5 自然循環質量流速隨入口溫度的變化規律Fig.5 Natural circulation mass flow rate changes with inlet temperature

單矩形通道內自然循環質量流速隨系統壓強的變化規律如圖6所示。從圖中可以看出，隨著系統壓強Ps的增加，自然循環質量流速突降點對應的熱流密度逐漸增加，而最大質量流速逐漸減小，同時隨著系統壓力的增加，飽和沸騰區域自然循環質量流速隨熱流密度增加的梯度逐漸減小。主要是因為隨著系統壓強的增加，流體的飽和溫度逐漸增加，流體需要吸收更多的熱量才能達到自然循環質量流速突降點對應的出口含汽率；同時在飽和沸騰區域隨著系統壓強的增加飽和氣泡的直徑逐漸減小，從而由氣泡引起的浮升力和冷熱源密度差效應逐漸減小，從而導致在高系統壓力工況下飽和沸騰區域自然循環質量流速隨熱流密度增加的梯度較小，以及對應的自然循環最大質量流速逐漸降低。

圖6 自然循質量流速隨系統壓強的變化規律Fig.6 Natural circulation mass flow rate changes with system pressure

4 結 語

通過對船用板式堆芯或矩形換熱器的單矩形通道內的單相-兩相自然循環流動特性進行了一系列的實驗研究和理論分析，得出如下結論：

隨著加熱熱流密度的增加，單矩形通道內自然循環質量流速和壁面溫度的變化規律呈對應關系。隨著熱流密度的增加，在單相區域和飽和沸騰區域自然循環質量流速呈線性增加，且飽和沸騰區域自然循環質量流速增加的梯度較大，在過冷沸騰區域隨著熱流密度的增加自然循環質量流速基本保持不變，而在流量突降區域隨著熱流密度的增加，自然循環質量流速急劇降低。單矩形通道內自然循環質量流速對出口平衡態含汽率比較敏感，且在出口含汽率為0.01-0.02區間時到達峰值。隨著入口溫度的增加，通道內的最大自然循環質量流速逐漸增加，而最大質量流速對應的熱流密度逐漸減小。同時隨著系統壓強的增加，單矩形通道內最大自然循環質量流速逐漸減小，而最大質量流速對應的加熱熱流密度逐漸升高。