（核能科学与工程专业论文）非能动余热排出换热器沸腾传热强化特性实验研究.pdf

哈尔净7 4 口 i x l 大学硕十学位论文 摘要 非能动余热排出系统是非能动安全设计思想的一个成功应用，担负着 反应堆停堆后安全可靠地排出堆芯余热，防止出现堆芯熔化事故的重任。 非能动余热排出换热器是非能动余热排出系统的能量输出设备，其传热性 能的优劣直接关系到核电站的安全性。本文以非能动余热排出换热器大容 积沸腾传热工况为应用背景，研究了光管和针翅管等四种强化管型的单管 沸腾传热特性。在单管实验的基础上挑选出强化能力好的管型设计沸腾管 束，对管束沸腾传热特性进行实验研究。本文的主要研究内容如下： 对光管、针翅管、绕丝针翅管、多孔管和微肋管单管沸腾时的传热特 性进行实验研究，比较不同管型的沸腾传热强化能力并对其强化机理进行 分析。通过单管实验，筛选出沸腾传热强化能力好的多孔管和在自然对流 与沸腾传热时均具有较好强化能力的针翅管设计沸腾管束。 对光管管束和针翅管管束的沸腾传热特性进行实验研究。研究发现： 对于光管管束，热流密度低于9 0 k w m 2 时管束沸腾传热能力约是单管的 1 1 0 倍。热流密度高于9 0 k w m 2 后管束与单管沸腾传热能力的差别逐渐 减小。对于针翅管管束，在整个实验范围内管束的沸腾传热能力均比单管 差，下降至光管单管沸腾时的水平。 对光管管束和针翅管管束的沸腾传热机理进行分析。分析发现，壁面 结构的差异导致了管束效应对光管管束和针翅管管束产生的影响不同。光 管管束沸腾时，管束内部高速运动的汽泡流对管壁的冲刷使壁面附近流体 扰动加剧并加快了汽泡的脱离，使沸腾传热得到强化。针翅管管束沸腾时， 汽泡只有横向滑移穿过针翅区后才能沿主流上升，使汽泡脱离频率降低； 此外，主流的汽泡流因受针翅阻碍也不能对壁面形成有效冲刷，壁面附近 流体受到的扰动, i l i l d 、。因此，管束效应导致针翅管管束沸腾传热的恶化。 关键词：大容积沸腾；强化传热；单管；管束 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 a b s t r a c t t h ep a s s i v er e s i d u a lh e a tr e m o v a ls y s t e m ( p r h r ) i sas u c c e s s f u l a p p l i c a t i o no ft h ep a s s i v es a f e t yd e s i g nt h e o r y i t sf u n c t i o ni st or e m o v ec o r e d e c a yh e a tf o ra n yp o s t u l a t e dn o n l o c ae v e n t ，p r e v e n tt h e o c c u r r e n c eo f r e a c t o rm e l t d o w na c c i d e n t t h ep a s s i v er e s i d u a lh e a tr e m o v a lh e a te x c h a n g e r ( p r h rh x ) i st h ee n e r g yo u t p u te q u i p m e n to fp r h r ，w h o s ep e r f o r m a n c e d i r e c t l yr e l a t e st ot h es e c u r i t yo ft h er e a c t o r i nt h i sp a p e r ，t h ep o o lb o i l i n gh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fs m o o t ht u b ea n df o u rk i n d so fe n h a n c e dt u b e sh a v e b e e ns t u d i e de x p e r i m e n t a l l yw i t ht h e b a c k g r o u n do fp r h rh xb o i l i n g c o n d i t i o n o nt h eb a s i co fs i n g l et u b ee x p e r i m e n t s ，t h et u b e sw i t he x c e l l e n t b o i l i n ge n h a n c e dc a p a b i l i t ya r es e l e c t e dt od e s i g nt u b eb u n d l ea n dt h et u b e b u n d l e s b o i l i n g h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sa r er e s e a r c h e d t h em a i n e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： t h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ff i v et y p e so ft u b e s ( s m o o t h t u b e ，p i n - f i nt u b e ，w r a p p e dp i n - f i nt u b e ，p o r o u ss u r f a c et u b ea n dm i c r o f i nt u b e ) a r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y m o r e o v e r ，t h eb o i l i n ge n h a n c e dc a p a b i l i t ya n d e n h a n c e dm e c h a n i s mo fv a r i a n te n h a n c e dt u b e sa r ea n a l y z e d t h r o u g hs i n g l e t u b ee x p e r i m e n t s ，t h ei n t e g r a lp i n f i nt u b ea n dp o r o u ss u r f a c et u b ea r es e l e c t e d t od e s i g nb o i l i n gt u b eb u n d l ef o rt h e i re x c e l l e n tc a p a b i l i t y t h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fs m o o t ht u b eb u n d l ea n dp i n - f i n t u b eb u n d l ea r er e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es m o o t ht u b e b u n d l e sb o i l i n gc u r v ec a nb ed i v i d e di n t ot w or e g i o n s ：a tt h er e g i o no ft h e h e a tf l u xl o w e rt h a n9 0 k w m 2 ，t h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fb u n d l ei s a b o u t1 10t i m e so fs i n g l et u b e s ；w h e nt h eh e a tf l u xe x c e e d i n g9 0 k w m 2 ，t h e b o i l i n gh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t yo fb u n d l ew i l lg r a d u a l l yd e c r e a s e w i t ht h e 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i n c r e a s i n go fh e a tf l u x h o w e v e r ，i nt h eo m n i e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h e b o i l i n gh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t yo fp i n - f i nt u b eb u n d l ei sa l w a y sl o w e rt h a n p i n - f i ns i n g l et u b eb u tc l o s e st ot h el e v e lo fs m o o t hs i n g l et u b e i nt h el a s tp a r to ft h ep a p e r ，t h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m so ft h e b u n d l ea r ea n a l y z e d t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt u b eb u n d l ee f f e c th a sd i f f e r e n t i n f l u e n c et os m o o t ht u b eb u n d l ea n dp i n f i nt u b eb u n d l ea n dt h i sp h e n o m e n o n s h o u l db ea t t r i b u t e dt ot h ed if f e r e n c eo fs u r f a c es t r u c t u r e f o rs m o o t ht u b e b u n d l eb o i l i n g ，t h et u b eb u n d l ee f f e c tc a ne n h a n c eb o i l i n gb e c a u s et h eh i g h s p e e db u b b l ef l o wi n s i d et h eb u n d l ea c c e l e r a t e sf l o wd i s t u r b a n c ea n db u b b l e d e p a r t u r e i na d d i t i o n ，t h eh i g hs p e e db u b b l ef l o ws c o u r st h et u b e w a l lw i l l a l s oe n h a n c ef l o wd i s t u r b a n c ea n d b u b b l ed e p a r t u r e c o n t r a r i l y ，i nt h e c o n d i t i o no fp i n - f i nt u b eb u n d l eb o i l i n g ，t h eb u b b l ei n s i d et h eb u n d l ec a n tr i s e b e f o r et h e ys l i pt h r o u g ht h ef i na r e a sh o r i z o n t a l l ya n dt h i sp r o c e s sw i l l d e c e l e r a t et h eb u b b l ed e p a r t u r ef r e q u e n c y b e s i d e s ，t h ef i nw i l lp r e v e n tt h e b u b b l ef l o ws c o u r i n gt h et u b ew a l l f o rt h e s er e a s o n s ，t h et u b eb u n d l ee f f e c t w i l lc a u s e sb o i l i n gh e a tt r a n s f e rd e t e r i o r a t i o no ft h ep i n f i nt u b eb u n d l e k e yw o r d s ：p o o lb o i l i n g ；e n h a n c e dh e a tt r a n s f e r ；s i n g l et u b e ；t u b eb u n d l e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：趣 日期：知订年月s 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囤在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：桶导师( 签字) ：阳笛琵 日期：a y 年；月g - 日c ) 甜年；月r 日 哈尔滨l ：稗大学硕十学仲论文 1 1 引言 第1 章绪论 1 9 4 2 年1 2 月2 日，由著名物理学家费米领导，在美国启动了世界上第 一座实验核反应堆并成功实现临界链式核裂变，尽管其功率仅有0 5 瓦，却 标志着一种新能源的诞生，人类从此进入了原子能时代。1 9 5 1 年1 2 月2 0 日， 美国利用“增殖一号”快堆产生的高温蒸汽带动发电机发出2 0 0 千瓦的电能， 使核能发电由理论变成现实。3 年后前苏联在库尔恰托夫主持下建成了世界 上第一座核电站奥布灵斯克核电站，其电功率为5 0 0 0 千瓦。此后，在实 验性和原型核电机组的基础上欧美一些科技先进的国家纷纷着手建造核电 站，它们在进一步证明核能发电技术可行性的同时，使核电的经济性也得以 证明：核电可与火电、水电相竞争，是能源工业发展的新方向【。2 0 世纪6 0 年代初到7 0 年代初这1 0 年是核电在全世界发展的黄金时期。5 0 年代只有苏、 美、英三国建成了核电站，到6 0 年代有核电站的国家增加到8 个；6 0 年代 初世界核电装机容量仅为8 5 万千瓦，到7 0 年代初这一数字便上升到1 8 9 2 7 万千瓦，到1 9 7 6 年世界核电装机容量更是突破l 亿千瓦大关1 2 j 。正当人们对 核能的和平利用抱以热切期望、认为人类从此可以一劳永逸地解决能源问题 时，1 9 7 9 年和1 9 8 6 年先后发生了三哩岛核事故和切尔诺贝利核事故。两次 严重事故，特别是放射性物质大量泄露的切尔诺贝利核事故给蓬勃发展的核 电事业带来沉重打击。核电的安全性受到公众的强烈质疑，核电的发展举步 维艰，很多在建的核电站停工、运行中的核电站被迫关闭。三哩岛核事故和 切尔诺贝利核事故把世界核电带入冬天，公众谈核色变，然而这两次严重事 故也使核科学家增大了对核电安全性的考虑，加速了先进反应堆的研发。 2 0 世纪末，由于世界能源短缺形势的同益严重、环境保护方面的压力以 及核电站本身安全性的提高，核能发电重新受到越来越多国家的重视。截止 哈尔滨t 稃大学硕十学待论文 到2 0 0 7 年底，全世界有超过4 3 9 座核电站在运行，生产电力3 7 1 7 g w h ，占 各国总发电量的1 6 ，其中有9 个国家核能发电量占总发电量的比重超过 4 0 1 3 j 。与此同时，为了应对能源危机和环境压力，我国也调整了核能发电 计划，核电发展战略由“适度发展”调整为“积极加快发展”1 4 】。 目前，核电的发展已经进入到第三代，同时第四代核电的研究和开发工 作也正在进行之中。第三代核电站广泛采用非能动安全设计思想，通过独特 的非能动安全系统设计，使反应堆设计更加简单，抗事故能力大大提高，堆 芯损毁概率可忽略不计。同时，非能动安全设计思想很好地统一了安全性和 经济性这一对矛盾，无需再以牺牲经济性为代价来提升电站的安全，是核电 发展的一个新方向。 1 。2 非能动安全思想的提出及非能动安全系统的优点 由于核电的特殊性，一旦发生放射性泄露将对当地造成长期污染，若放 射性物质进入地下水系统或随大气迁移还将威胁其他地区居民的生存，因此 在核电的发展过程中始终将安全性置于重要地位。早期第一、二代核电站采 用工程安全设计思想，即通过牺牲部分经济性、设置冗余的工程安全设施来 确保核电站的安全。工程安全设计思想的安全性过分依赖设备的可靠性和运 行人员对事故的判断，而设备的误动作和运行人员的误判断( 或误操作) 正 是导致三哩岛核事故和切尔诺贝利核事故向严重事故转化的一个重要原因。 因此，工程安全设计思想不能从根本上杜绝严重事故的发生。 经过对经验教训的总结，核科学家们提出了下一代核电站的关键设计思 想非能动安全设计思想。非能动安全设计思想是指利用自然循环、蓄热、 蒸发、热传导、重力驱动等一系列简单但又从不失效的简单物理规律的作用， 使反应堆发生事故后不必过分依赖运行人员及时准确的判断和外部能源的供 给就能完成相应的安全功能。采用非能动安全设计思想设计的核电站取消了 需专设动力源驱动的专设安全设施，这样既简化了系统，减少了设备，又提 高了电站的安全性和经济性。与工程安全设计思想相比，非能动安全设计思 哈尔滨i ：科人学硕十学何论文 想是一次质的改进，其运行仅依赖事物内在机制和自然的物理规律，是一种 内在的安全性，代表了核安全的发展方向【5 1 。 在非能动安全设计思想的指导下，2 0 世纪8 0 年代起，美国西屋公司最 早开始研究非能动安全技术。至今，非能动安全技术得到了长足发展，非能 动安全系统在国内外大量核电站上获得了大量应用。典型的非能动安全系统 有：非能动余热排出系统、非能动安全注入系统、非能动安全壳冷却系统、 非能动主控制室居留系统、严重事故非能动缓解系统等。非能动安全系统的 采用简化了专设安全设施，降低了对运行人员的依赖，改善了人机关系，提 高了核电站的固有安全性，是核能应用的一个新里程。 1 3 典型非能动余热排出系统介绍 余热排出系统是核电站安全二级辅助系统，该系统在停堆后投入使用， 担负着停堆后安全可靠地排出堆芯余热、确保整个核电站安全的重任。第一 代和第二代核电站的余热排出系统采用能动设计思想，系统结构复杂，安全 可靠性完全是通过增加冗余性、多样性、独立性等获得的。能动余热排出系 统的工作完全依赖外部能源和动力，一旦发生全厂断电等严重事故，系统即 有可能不能正常工作从而导致重大安全事故和经济损失，例如美国在1 9 7 3 年到1 9 8 9 年间由于余热排出系统功能丧失所造成的停堆事故共发生了5 2 次， 其中3 次导致了冷却剂沸腾1 6 j 。 由于能动余热排出系统具有上述重大缺陷，已经不符合第三代核电站的 技术发展要求，采用非能动安全技术的非能动余热排出系统必将是新一代核 电站的最佳选择。非能动余热排出系统中没有能动设备，降低了对外部能源 的依赖；系统设计做了极大简化，减少了工质流动阻力，冷却剂仅依靠自然 循环就可以将堆芯热量带出；反应堆停堆后，无需运行人员的干预，系统可 自动投入运行，大大提高了系统运行的可靠性。非能动余热排出系统最早应 用于西屋公司的a p 6 0 0 核电站。目前，作为非能动安全设计思想的一个成功 范例，非能动余热排出系统在第三代核电站上获得了广泛应用。 哈尔滨t 程大学硕十学佗论文 1 3 1a p l0 0 0 非能动余热排出系统 a p l 0 0 0 非能动余热排出系统( p r h r ) 是a p l 0 0 0 非能动堆芯冷却系统的 一个重要组成部分。a p l 0 0 0 非能动余热排出系统完全依赖自然循环工作，当 发生蒸汽发生器冷却能力丧失的非l o c a 事故时，非能动余热排出系统能完 成如下功能：1 导出堆芯余热，防止高压蒸汽通过稳压器安全阀泄放；2 无论 主泵是否运行，确保主冷却剂系统温度在3 6 小时内降至2 1 5 6 以下：3 与 主冷却剂系统一起组成一个闭合回路，在很长时间内均可通过自然循环方式 导出堆芯衰变热；4 当发生蒸汽发生器破管事故时能有效降低主冷却剂系统 的温度和压力1 7 j 。 a p l 0 0 0 非能动余热排出系统布置在反应堆一回路侧，系统主要设备均安 装在安全壳内( 如图1 1 所示) 。非能动余热排出换热器是非能动余热排出 系统的关键设备，由6 8 9 根直径为1 9 c m 的c 形不锈钢传热管组成，设计换 热功率为5 8 6 m w ，能为堆芯提供1 0 0 容量的余热排出能力。非能动余热排 出换热器布置在换料水箱内，通过入口管道和出口管道分别与反应堆冷却剂 系统的热管段和冷管段相连。反应堆停堆后无需运行人员采取任何措施，非 能动余热排出系统即可自动投入运行，与非能动安全壳冷却系统一起为堆芯 提供无限长时间的余热排出能力。 图1 1a p l 0 0 0 非能动余热排出系统示意图 4 哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 非能动余热排出是通过打开两个并列的应急开启式气动阀中的一个来完 成的。一旦打开这两个阀门中的任何一个，自然循环( 即由温差产生的水密 度差异) 将为冷却剂的流动提供原动力。这样一回路冷却剂所携带的热量通 过非能动余热排出换热器交换至换料水箱。换料水箱中的水在沸腾之前可吸 收超过1 个小时的衰变热，一旦开始沸腾，蒸汽将在钢制安全壳上凝结，经 收集后借助重力返回换料水箱【8 】。 1 3 2s w r l0 0 0 非能动应急排热系统 s w r l 0 0 0 ( s i e m e n sw a t e rr e a c t o r ) 是一种电功率为1 2 5 4 m w e 的沸水堆核 电站，由法马通先进核动力公司( f a n p ) 与德国电力公司和其他欧洲伙伴联合 开发。s w r l 0 0 0 的设计除保留常规沸水堆核电站那些己被验证的特征外还采 用了全新的非能动安全特性，使其安全性大为增强。s w r l 0 0 0 设计满足欧洲 用户要求，包括德国核法规标准以及德国和法国反应堆安全委员会对欧洲压 水堆( e p r ) 提出的其他建议中的有关要求。s w r l 0 0 0 的4 年设计阶段已经完 成，其中包括与厂址无关的安全分析报告、概率安全分析报告和建造成本预 算报告。 应急冷凝 反应堆 压力客器 图1 2s w r l 0 0 0 非能动应急排热系统示意图 5 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 s w r l 0 0 0 采用了非能动的应急排热系统，系统运行压力为7 m p a ，最大 余热排出功率为6 0 w m 。s w r l 0 0 0 非能动应急排热系统包含四台应急凝汽 器，它们分别安装在两个体积均为3 6 0 0 m 3 的堆芯淹没水池之中。每台应急凝 汽器由1 0 4 根长1 0 m 的奥氏体不锈钢换热管组成，换热管的内外径分别为 3 8 7 m m 和4 4 5 m m 。管束采用水平布置，换热管两端分别与处于不同高度位 置的上下两块管板相连，上管板和下管板再通过给水管道和回水管道连接在 反应堆压力容器上( 如图1 2 所示) 。为了防止正常运行时冷却剂逆向流动 进入应急凝汽器，每条回水管上均设有一条逆向循环管道。 正常运行时，堆芯水位高于应急凝汽器，凝汽器管束内为单相水，不存 在从堆芯向堆芯淹没水池的热量传递( 图1 2 左侧) 。事故工况下，堆芯水 位降至应急凝汽器之下，凝汽器管束内被高温蒸汽充满，堆芯热量可通过应 急凝汽器排至堆芯淹没水池之中( 图1 2 右侧) 。因此，事故工况下s w r l 0 0 0 非能动应急排热系统可通过非能动手段将堆芯热量排出，它仅依靠反应堆水 位降低驱动，其运行无需提供外部能源或通过仪控设备启动桫j 。 1 4 强化沸腾传热对提高非能动余热排出系统性能的意义 强化沸腾传热的目的与强化其它形式的传热一样，是为了进一步提高换 热设备的效率，减少能量传递过程的不可逆损失；减少换热面积，降低金属 消耗，减少制造和运行成本。对于非能动余热排出换热器而言，强化沸腾传 热还可以提高设备运行的可靠性，提升整个系统的安全裕量。 以a p l 0 0 0 非能动余热排出系统为例，非能动余热排出换热器安装在一 个大的高位水箱内。系统运行时，堆芯余热通过自然循环带至非能动余热排 出换热器并被高位水箱内的水吸收，水箱内的水逐渐从室温上升至饱和温度， 同时换热方式也由自然对流变为大容积沸腾。反应堆停堆后，由于裂变产物 和中子俘获产物的衰变，在相当长时间内堆芯仍有很大释热率，这部分热量 最终都必须通过非能动余热排出换热器及时排出。当水箱内的水加热到饱和 温度后，非能动余热排出换热器将长期工作在大容积沸腾工况之下，因此强 6 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 化大容积沸腾传热对提高非能动余热排出换热器的性能具有重要意义。 第三代核电站非能动余热排出换热器采用光管作为换热元件，其沸腾传 热性能并不优越，成为制约整个非能动余热排出系统性能提高的重要因素。 因此，探索合适的强化方法，提高非能动余热排出换热器大容积沸腾时的传 热能力具有实际意义，国外一些研究者已经开展了相关研究工作：文献 1 0 】 搭建了一个综合实验系统对非能动余热排出换热器的运行进行了实验研究， 主要实验设备包括反应堆模拟体、非能动余热排出换热管束、高位水箱和安 全壳模拟体。实验采用电加热方式产生的高温蒸汽模拟停堆后堆芯功率的变 化，高温蒸汽通过自然循环进入传热管束并加热高位水箱内的水，实验研究 了从冷态直至沸腾时高位水箱内水温变化及安全壳的压力响应。文献 1l 】研 究了置于乏燃料存储水箱内的换热管的几何结构及布置方向对大容积沸腾传 热特性的影响。研究发现无论换热管水平布置还是竖直布置，增大表面粗糙 度均可强化换热，但是表面粗糙度对竖直管的影响要比对水平管的影响大得 多，其原因是由汽泡产生所导致的流体扰动效应对竖直管的影响更大。另外， 无论是水平布置还是竖直布置，提高壁面粗糙度均可以强化沸腾传热，且竖 直布置时壁面粗糙度的影响要比水平布置时大得多。 目前，有关非能动余热排出换热器大容积沸腾工况时的强化传热的研究 还处于起步阶段。国外已经开展的一些先期研究工作都试图揭示影响非能动 余热排出换热器工作性能的因素、寻找其在大容积沸腾工况下的强化措施。 尽管这些工作仍是探索性的，不具备实用价值，但其发展前景很可观。 1 5 沸腾传热的强化措施 有关沸腾传热的研究已经开展了近百年，但是由于沸腾机理复杂、影响 沸腾传热因素众多、相关参数测量困难，在相当长的时间内并没有取得突破 性的成果。尽管人们很早就发现通过对沸腾表面进行喷砂处理或在壁面上刻 划凹槽等简单的机械方法均可使沸腾传热得到强化，然而不幸的是这两种强 化效果都会随时间的推移而逐渐失效，使它们不具备工程应用价值。从2 0 哈尔滨一门掣人学硕十学位论文 世纪5 0 年代中期丌始，由于沸腾传热在大型火力发电、原子能反应堆、火箭 等高新技术中的应用日益广泛，早期的研究成果远不能满足工业发展的需求。 在这样的背景下，各国学者对沸腾传热的研究兴趣重新燃起，同时由于测量 手段的提高和计算机技术的应用，使从微观和数值计算的角度分析沸腾时汽 泡的行为成为可能。这些工作大大加深了人们对沸腾机理的认识，汽泡热力 学和汽泡动力学理论得到极大的发展和完善，在此基础上不同研究人员先后 提出了汽泡搅动模型、汽液交换模型、微层蒸发模型以及组合模型等不同的 沸腾机理模型i l2 1 。尽管这些模型都只是从某个角度对沸腾传热作了极大的简 化和假设，并不能完全描述沸腾过程各阶段的能量和质量迁移，在某些方面 不同模型所得出的结论甚至是相悖的，但是这些工作仍具有理论指导意义。 现在，人们对沸腾过程汽泡的形成和脱离已经有一个比较全面的了解。 影响沸腾传热的因素主要有沸腾工质自身的性质、沸腾温差、操作压力、沸 腾壁面的表面结构等。一般认为，沸腾时汽泡最易产生于壁面上那些能够产 生汽泡胚核的、被称为“汽化核心 的凹穴点，沸腾传热强化的基本途径有 两条：1 增强沸腾表面上汽泡的形成和脱离能力、缩短汽泡在加热面上的滞 留时间，2 增强沸腾表面上微层液膜的蒸发能力引。常用的强化措施有：改 善沸腾传热面表面结构、扩展表面、在沸腾工质中加添加剂等【l 引。 1 改善沸腾传热面表面结构 粗糙表面可使汽化核心数目大大增加，因此和光滑表面相比其沸腾传热 强度可以提高许多倍。最简单的粗糙表面方法是用砂纸打磨表面或对表面进 行喷砂处理。在使壁面粗糙度增加以强化沸腾传热时应注意存在一极限的粗 糙度，粗糙度超过此值后，传热系数就不再随粗糙度的增加而增加。 工程上为增强沸腾传热应用得最多的是对表面进行特殊处理，特殊处理 的目的是使表面形成许多理想的内凹穴，这些理想的内凹穴在低过热度时便 能形成稳定的汽化核心；因此这些特殊处理过的表面能在低过热度时形成大 量的汽泡，从而大大地强化沸腾传热。采用这种特殊处理的表面多孔管的沸 腾传热系数可提高2 1 0 倍。此外临界热负荷也相应得到提高，在相同热负荷 8 哈尔滨丁稃人学硕十学何论文 下经特殊处理过的表面的传热温差也比普通表面低的多。表面多孔管的制造 方法有多种，其中一种方法是在加热表面上覆盖一层多孔覆盖层，另一种是 对换热面进行机械加工以形成表面多孔管。下面分别对其进行简要介绍：1 带金属覆盖层的表面多孔管：上世纪六十年代末在美国首先出现用烧结法制 成的带金属覆盖层的表面多孔管。除了烧结法外还可采用火焰喷涂法、电镀 法等。一般讲烧结法的效果最好，作为覆盖层的材料有铜、铝、钢、不锈钢 等。用烧结法制成的多孔管已在工业部门获得广泛的应用，这种多孔管一般 可使沸腾传热系数提高4 1 0 倍，并可推迟向膜态沸腾转化。2 多孔管：用机 械加工方法可使换热表面形成整齐的内凹沟槽，可大大强化沸腾传热过程和 提高临界热负荷值。对形状和尺寸不同的凹沟槽，沸腾传热系数可提高2 1 0 倍。用机械加工的方法还可克服烧结法中表面孔层分布不均的缺点，且多孔 层也不易阻塞。 2 采用扩展表面 采用扩展表面可增加沸腾传热系数，这一方面是扩展表面可增大换热面 积，增加汽化核心；另一方面扩展表面和基管的连接处受到液体润湿作用较 差，是良好的吸附气体的场所；加之两个扩展表面之间的空间罩的液体三面 受热，易于过热。以上这些因素都促进了汽泡的生长，使沸腾过程得到强化。 3 应用添加剂 在液体中通入气体或另一种适当的液体可强化沸腾传热。例如在水中加 入合适的添加剂( 如各类聚合物) ，有时可使沸腾传热系数提高4 0 。值得 注意的是，若液体和添加剂配合不当，反而会使传热系数降低。往液体中加 入固体颗粒，当颗粒层的高度恰当时亦可强化沸腾传热，有时沸腾传热系数 甚至可以比无颗粒层时高2 3 倍。 4 其它强化沸腾传热的方法 某些强化单相对流换热的流体旋转法对于强化管内沸腾也非常有效，通 过在管内插入扭带，螺旋片或螺旋线圈，或采用螺旋槽管或内螺纹管可使沸 腾传热系数和临界热负荷均得到提高。 9 哈尔滨f ：稃大学硕十学位论文 1 6 本课题的研究意义和研究内容 第三代核电站采用非能动安全设计思想，应用非能动安全设施，使电站 的安全性和经济性得到显著提高。非能动余热排出系统是非能动安全系统的 一个典范，在a p l 0 0 0 等核电站上获得了成功应用。在非能动余热排出系统 运行时，大容积沸腾传热工况占重要地位。目前在非能动余热排出换热器的 设计中仍采用光管作为沸腾传热元件，其传热性能并不突出。因此，探索合 适的沸腾传热强化方法，使非能动余热排出换热器能在小温差下维持高效沸 腾，对提高整个核电站的安全性、经济性和紧凑性都具有重要意义。 本文以a p l 0 0 0 非能动余热排出换热器为应用背景，研究了铜镍合金材 料的光管、针翅管、绕丝针翅管、多孔管和微肋管等五种管型单管沸腾时的 大容积沸腾传热特性并对其进行了分析和比较。在单管沸腾实验的基础上针 对非能动余热排出换热器的工作环境，挑选出强化沸腾能力较好的多孔管和 在自然对流与沸腾时都具有较好强化能力的针翅管设计小型换热管束和实验 台架，对光管管束和针翅管管束的沸腾传热特性进行了实验研究和理论分析。 由于受时间限制，本文未对多孔管管束的沸腾传热特性进行研究。 1 0 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 第2 章大容积沸腾传热机理 沸腾是指在液体内部和表面同时进行的剧烈的汽化现象，根据沸腾时工 质的运动状态可将沸腾分为大容积沸腾和流动沸腾。大容积沸腾又称池内沸 腾，是指将加热面浸没在饱和液体自由表面之下，并使其温度保持高于液体 的饱和温度，从而造成的沸腾。在大容积沸腾之中，流体的流动仅仅依靠自 然对流和蒸汽泡的生成、长大和脱离。根据沸腾传热系数随沸腾壁面过热度 的变化关系可将大容积沸腾划分为四个区域：自然对流沸腾区、核态沸腾区、 过度沸腾区和膜态沸腾斟1 5 】。由于本论文主要通过实验方法对非能动余热排 出换热器大容积饱和( 核态) 沸腾工况的换热特性和强化措施进行研究，因 此有必要在实验研究之前介绍一下有关大容积沸腾传热机理方面的知识，本 章即主要对大容积沸腾过程的一些理论知识和计算方法进行讨论。 2 1 沸腾传热的特征 沸腾伴随相变的过程，沸腾时，壁面上产生大量小汽泡，正是由于这些 小汽泡的生成与脱离使沸腾能在小温差下传递大量热量。从上世纪2 0 年代末 开始，由传热学的先驱j a k o b 开始的长期实验研究表明，沸腾过程中，并不 是全部加热壁面上都能产生汽泡，沸腾时汽泡只是产生于过热壁面上被称为 “汽化核心点的那些特殊位置。因此，沸腾的发生必须满足两个条件：液 体必须过热和加热面上存在汽化核心。壁面附近液体过热度越大，“有效汽化 核心点”越多，沸腾越剧烈酬。 当液体被加热到一定过热度后，壁面上一些点便会活化，成为汽化核心 点。在活化了的汽化核心点，汽泡周期性地产生、生长、脱落；在未活化的 汽化核心及非汽化核心区域，热量主要以对流形式传递【1 7 】。因此，根据传热 机理的不同可把沸腾壁面分成三个区域：汽泡生长区、汽泡影响区、自然对 流区。 汽泡生长区：汽泡生长区是指以汽化中心为圆心，半径约为汽泡半径的 区域。在生长的汽泡底部存在一个厚度极薄的过热微层，该微层与汽泡的形 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 汽泡生长区：汽泡生长区是指以汽化中心为圆心，半径约为汽泡半径的 区域。在生长的汽泡底部存在一个厚度极薄的过热微层，该微层与汽泡的形 成同时产生，随着汽泡的长大而长大。在汽泡的生长过程中，过热微层会不 断地向汽泡内部蒸发，同时在汽泡顶部，由于液体温度较低，会有部分蒸汽 在界面上冷凝。生长汽泡的底部存在液体微层已经被实验所证实。j u d d 和 h u a n g 利用激光干涉和高速摄影的方法研究了二氯甲烷在光滑玻璃板上的沸 腾，认为当热流密度为2 5 - 4 0 k w m 2 时，微层蒸发占沸腾换热总热流密度的 8 0 旷1 5 ，当热流密度上升至6 0 k w m 2 时，微层蒸发的贡献可达到3 0 t 18 1 。 然而，v a l l e 和k e n n i n g 研究了常压下水在不锈钢表面的沸腾，他们认为微层 蒸发对总换热量的贡献仅为2 3 。 汽泡影响区：汽泡影响区指从1 倍汽泡直径至2 倍汽泡直径的区域。由 于汽泡周期性地成长和脱离，会导致这个区域液体的快速更新：汽泡长大时， 使部分过热液体挤压至流体主流区，汽泡脱离后，主流的冷液体又将迅速占 领原来的汽泡区域并对壁面形成有效冲刷，这将导致汽化核心点附近过热边 界层的非稳态强制对流换热【l9 1 ，使壁面与液体间的换热得以强化。 自然对流区：在沸腾壁面远离汽化核心的区域，热量传递不受生长汽泡 的影响，其主要换热形式为自然对流。 以上分析是针对孤立汽泡的生长过程而言的，实际沸腾过程中汽泡在离 开壁面后通常会和液体一起形成复杂的两相流动。沸腾汽泡的运动会加强壁 面附近流体的湍流程度，这既使沸腾传热的对流项增强了，又影响了沸腾汽 泡的成长与脱离。 沸腾传热包括相变传热和部分对流传热。相变传热是靠产生的汽泡强化 边界层的对流传热，称为微对流。汽泡离开液面时会同时携带潜热离开受热 面，因此沸腾时汽泡的运动对传热起着重要作用【2 0 1 。沸腾所传递的热量包括 以下三部分： 1 汽泡生长和脱离时微液层所传递的潜热，它与汽化核心点数目和汽泡 生成速度( 频率) 有关，称为汽液置换传热； 哈尔滨t 秤人学硕+ 学位论文 2 汽泡脱离时引起的冷热液体置换传热，称为液液置换传热； 3 汽泡生长和脱离时对边界层流体产生扰动引起的单相对流传热，称为 微对流传热。 2 2 汽液平衡的热力学平衡分析 沸腾传热的一个最重要特征是沸腾过程中大量汽泡不断从加热面上形成 和脱离，这也是沸腾传热与单相对流传热最重要的区别。沸腾传热机理研究 的核心问题就是探索在一个汽泡周期的各阶段沸腾汽泡的热力学行为以及相 邻汽泡之间的相互作用。 由经典成核理论可知，壁面上一个稳定汽泡的存在必须满足相平衡、力 平衡和温度平衡三个条件。下面以图2 1 所示静止球形汽泡为例进行讨论2 1 1 。 一男一一一一一一一一一一一一一一一一一 力平衡： 热平衡： 图2 1 饱和液体中蒸汽泡平衡图 0 一异= 了2 0 瓦= i ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 相平衡：i 乙( b ) ( 2 - 3 ) 上式中：p g ，r g 汽泡内蒸汽压强及温度，m p a ， 尸f ，乃汽泡周围液体压强及温度，m p a ， 盯表面张力，n m 哈尔滨- v 稃大学硕十学伊论文 ，汽泡半径，m m 瓦。t ( 脚p g 压力下对应的饱和温度， 由方程( 2 1 ) 可知要在壁面上维持一个半径为，的球形汽泡而不消失，必 须克服表面张力的影响，此时汽泡内蒸汽压强必大于汽泡周围液体压强，其 值为丝。由于汽泡内蒸汽处于饱和状态，其蒸汽参数只能是饱和压力最所 对应的饱和蒸汽温度。由方程( 2 2 ) 可知，汽泡内蒸汽温度瓦和汽泡周围液 体温度砰相等，即乃= 疋。由以上分析可以看出，要维持一个稳态汽泡的存 在，周围的液体必须过热。下面对汽泡稳态存在时所需的液体过热度进行简 单分析。 由球形汽泡内外压力与温度之间的对应关系根据热力学原理即可计算出 稳定存在的汽泡内外的温度差。由于实际应用中大多数流体采用平界面饱和 压力制成的状态参数表格，平界面曲率半径为无穷大，对应的饱和蒸汽压力 用m 表示。对于半径为r 的球形汽泡，温度相同时曲界面蒸汽压p g 与平界面 蒸汽压力阢对应关系为： 以= 儿e x p ( 一_ 2 c r 丽v r m - ) 儿( 1 一_ 2 c r 面v f m _ ) ( 2 - 4 ) 式中m 为分子量，r 为气体常数。 将m p 。v g = 尺丁带x ( 2 4 ) 式有： ， p g 儿( 1 一竺翌) ( 2 5 ) p 0v g 为了计算与仇- p f 相对应的液体过热度t 一乙，引入c l a u s i u s - c l a p e y r o n 方 程( 等) 。砒= 瓦西，并从对应丁= 乇的层到对应丁= 乙的只进行积分： 劬二寰与旧 ( 2 6 求解得： 1 4 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 越= 等掣 陆7 ， 从( 2 7 ) 式中可以看出，液体过热度与汽泡半径之间是一一对应的关系。 汽泡半径，越小，需要的液体过热度越大。实际沸腾时只有汽泡周围流体温 度乃大于或等于汽泡内蒸汽温度时汽泡才能长大。将r e _ r g 代入( 2 - 7 ) 式有： 霉一l 丝掣( 2 - 8 ) 厂 4 戥： 庀要刿( 2 - 8 a ) 一l 一乙h e , 一7 当昂毛时，方程( 2 - 8 ) 取等号，液体过热度刚刚达到维持汽泡存在所需 的极限过热度，用( 即死砒) 。表示。相应的汽泡半径称为汽泡临界半径，用心 表示。对应于一定大小的( 矸疋a 1 ) 。，只有半径大于民的汽泡才能继续生存长 大，而半径小于，。的汽泡将会消失【2 2 】。 由方程( 2 8 ) 可以看出，汽泡半径越小，维持其存在所需的液体过热度越 大。对于浸没在纯净工质中的光滑加热面，汽泡必须由零半径开始长大，由 以上结论所得到的形成汽泡所需的初始过热度为无穷大，实际上这是不可能 的，因为汽泡直径很小时经典宏观力学已不再适用，应采用动力学核化理论 对其进行分析。动力学核化理论认为，液体内分子团的能量分布是不均匀的， 这种不均匀导致液体密度的波动，使部分分子具有较高能量，称之为活化能。 工质内具有活化能的区域称为活化点。由于分子团的不断碰撞，能量可能积 累使某个活化点获得足够的活化能成而促使汽泡的生成。实际沸腾过程中， 沸腾壁面并不是绝对光滑的，其上总有各种凸起和凹坑，沸腾工质内也或多 或少地溶有不凝性气体等杂质。汽泡脱离后粗糙壁面上残留的气体或不凝性 气体附着在壁面都可以作为新汽泡生长的泡核，使汽泡形成所需的壁面过热 度大大减小。 哈尔滨i ：科人学硕十学位论文 2 3 汽泡的生长和脱离 大容积沸腾时沸腾壁面温度高于流体主流温度，与壁面直接接触的