（核能科学与工程专业论文）非能动安全系统换热器的强化传热方法.pdf

c a n d i d a t e ：l i uj i a s u p e r v i s o r ：p r o f y a hc h a n g q i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：n u c l e a rs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 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已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中 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) ： 砂毛 日期：幻d 年；月佣 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( 口在授予学位后即可曰在授予学位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) ：训, r - t导师( 签字) ：狙昌掳 日期：2 , o l o 年事月，f 日锄，d 年弓月与- 1 3 哈尔滨t 稗人学硕十学位论文 摘要 非能动余热排出换热器是非能动安全系统中的一个重要设备，担负着事 故工况下导出堆芯余热，保证反应堆安全的重任。研究该换热器的传热特性 有助于提高整个系统的安全可靠性。本文通过实验研究了b 3 0 光管、针翅管 和多孔管三种管束的池沸腾传热特性以及紫铜光管和内肋管的管内冷凝传热 特性，并进行了对比分析。主要研究内容及结果如下： 设计搭建了管束池沸腾换热实验台，并对整个系统进行调试，完成了对 实验装置的多项改进。 先后完成了光管管束、针翅管管束和多孔管管束池沸腾换热的实验研究， 拍摄了大量管束沸腾的照片。就总传热功率和沸腾传热系数这两个参数，对 管束与单管以及不同的管束进行了对比，最后得出，三种管束的总传热功率 与单管的十倍大致相当。除针翅管管束外，光管和多孔管管束的沸腾传热系 数明显高于各自的单管。针翅管管束的总传热功率比光管管束高，但沸腾传 热系数小于光管管束，而多孔管管束的总传热功率和沸腾传热系数皆高于光 管管束。 完成了多孔管管束的不完全浸没传热实验，发现沸腾水箱的液位下降时， 管束的总传热功率并没有立即减小，而是当液位降到一定高度后，总传热功 率才开始迅速减小。 最后进行了紫铜光管和内肋管的冷凝传热实验，得出紫铜内肋管的冷凝 传热系数远大于紫铜光管。内肋管的冷凝传热系数呈现出先迅速降低之后缓 慢减小的特点，相比之下，光管的冷凝传热系数的变化要小得多。 关键词：池沸腾；竖直管束；强化传热 p h e n o m e n o nw e r et a k e n w ec o m p a r e dt h et o t a lh e a tt r a n s f e rp o w e ra n dt h e b o i l i n g h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to ft u b eb u n d l e sw i t ht h e i r s i n g l e t u b e s r e s p e c t i v e l y , t h es a m ew o r k w a sd o n ea m o n gt h e d i f f e r e n tt u b eb u n d l e s a tl a s t ， w ef o u n dt h a tt h et o t a lh e a tt r a n s f e rp o w e r so ft h r e ek i n d so f t u b eb u n d l e s 棚_ ea s m u c ha st e nt i m e so ft h e i r s i n g l et u b e sr o u g h l y t h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to ft h es m o o t ht u b eb u n d l ea n d p o r o u st u b eb u n d l ea r eh i g h e rt h a nt h e i r s i n g l et u b e sr e s p e c t i v e l y , e x c e p tt h ep i n - f i nt u b eb u n d l e t h et o t a lh e a tt r 蜀m s 诧r p o w e ro fp i n - f i nt u b eb u n d l ei sh i g h e rt h a ns m o o t ht u b eb u n d l e ，b u tt h eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ti ss m a l l e r t h et o t a lh e a tt r a n s f e rp o w e ra n dt h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to fp o r o u st u b eb u n d l ea r eh i g h e rt h a ns m o o t h t u b eb u n d l e 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 c o m p l e t e dt h ep a r t i a li m m e r s i o nh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n t so fp o r o u st u b e b u n d l ea n dw ef o u n dt h a tw h e nt h ew a t e rl e v e lo ft h eb o i l i n gw a t e rt a n kd r o p s ，t h e t o t a lh e a tt r a n s f e rp o w e rd i dn o ti m m e d i a t e l yr e d u c e ，b u tw h e nt h el e v e ld r o p p e d t oac e r t a i nl e v e l ，t h et o t a lh e a tt r a n s f e rp o w e r b e g a nt od e c r e a s er a p i d l y a tl a s t , c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n t so ft h e c o p p e rs m o o t ht u b e b u n d l ea n dt h el o w - f i nt u b eb u n d l ew e r ef i n i s h e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h e c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h el o w f i nt u b eb u n d l ei sm u c hh i g h e r t h a nt h ec o p p e rs m o o t ht u b eb u n d l e t h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e 硒c i e n to f t h el o w - f i nt u b eb u n d l er a p i d l yd e c r e a s e sa n dt h e ns l o wd o w n ，c o m p a r e dt o s m o o t ht u b eb u n d l e ，t h ec h a n g e si nt h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti s m u c hs m a l l e r k e yw o r d s ：p o o lb o i l i n g ，v e r t i c a lt u b eb u n d l e ，h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e m 哈尔滨t 群人7 - 硕十学伊论文 目录 第1 章绪论1 1 1 引。言l 1 2 非能动安全技术的发展现状2 1 2 1 国外非能动安全技术的发展现状2 1 2 2 国内非能动安全技术的发展现状一3 1 3a p l0 0 0 非能动余热排出换热器4 1 3 1 换热器简介4 1 3 2 换热器的研究现状一6 1 4 池沸腾传热的强化方法9 1 4 1 强化表面法9 1 4 2 加入添加剂法1 2 1 4 3 ； b j 3 1 矢量场法1 3 1 5 本课题的研究意义和研究内容。1 3 第2 章池沸腾传热机理15 2 1 池沸腾传热模型1 5 2 1 1 对流循环模型1 5 2 1 2 薄层蒸发模型1 6 2 1 3 汽液交换模型1 7 2 1 4 组合机理模型17 2 2 池沸腾传热关系式18 2 3 池沸腾传热中的管束效应2 1 2 4 本章小结2 4 第3 章实验装置和实验方法2 5 3 1 实验装置介绍2 5 3 1 1 实验流程2 5 3 1 2 实验装置2 6 3 1 3 数据采集2 8 4 2 2 实验结果分析4 7 4 3 多孔管管束沸腾传热5 l 4 4 不完全浸没沸腾传热5 5 4 5 本章小结。5 7 第5 章管内冷凝实验结果及分析一5 8 5 1 冷凝传热的计算方法5 8 5 2b 3 0 管的管内冷凝传热6 0 5 3 紫铜管的管内冷凝传热6 2 5 4 本章小结6 4 结 论6 5 参考文献6 7 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 2 努【 射7 3 哈尔演f ： 早人学硕十学伊论文 1 1 引言 第1 章绪论 上世纪8 0 年代f j 后发生的两次严重的核事故使核电的安全性受到质疑， 核电专家致力于如何提高反应堆的安全可靠性，世界核电发达国家相继提出 了先进压水堆核电站的设计概念，即采用非能动安全的设计思想提高电站的 固有安全性。 非能动安全系统依靠重力、自然循环和压缩气体等自然力，而不使用泵、 风机、柴油机、冷却器或其它旋转机械，也不需要安全相关的交流电源。几 个简单的阀门自动启动后，将非能动安全系统连成一体。在大多数情况下， 这些阀门都具有“失效保护功能，它们需要动力来保持常开或关闭的位置， 一旦动力丧失，阀门开启到安全位置。 非能动安全系统比标准压水堆的安全系统要简单得多，以a p 6 0 0 为例， 它的非能动安全注入系统只有3 7 个远距离控制阀，没有泵。而典型的能动安 全注入系统具有1 0 0 个以上的远距离控制阀、6 个泵。除此之外，非能动安 全系统不需典型核电厂所需的大型安全支持网络，如交流电源，供热、通风、 空调( h v a c ) 、冷却水系统，以及安装这些设备的抗震厂房。这种简化省去了 安全级应急柴油发电机及其配置供电网、空气启动器、燃料贮存箱、传输泵 和进气排气系纠。 非能动安全系统的运行，减少了因电源故障而引起的系统运行失效，使 系统处于失效安全状态，提高了系统的安全性，使堆芯熔化概率降低1 2 个数量级。对于设计基准事故，非能动安全系统确保堆芯的冷却以及堆芯的 完好性，在7 2 小时内不需要操作员介入。非能动安全系统还满足单一的故障 标准，系统的高可靠性已由概率安全评价( p r a ) 论证怛1 。 通过这些简化和优化，非能动安全系统在保证更可靠的安全性的前提下， 哈尔滨f 科人学硕十学伊论文 大大降低了工程造价，提高了电站的经济性。因此，自上世纪8 0 年代开始， 世界各国都在积极发展非能动安全技术。 1 2 非能动安全技术的发展现状 1 2 1 国外非能动安全技术的发展现状 非能动安全技术是先进压水堆核电站的主要特点，受到了核电发达国家 的广泛关注。美国西屋公司的a p 6 0 0 、欧洲的e p l 0 0 0 、日本的s p w r 、俄罗 斯的w w e r l 0 0 0 等都采用了非能动安全技术p 1 。 a p 6 0 0 非能动安全系统包括非能动安全注入、非能动余热导出、非能动 安全壳冷却以及非能动主控室应急可居留系统。非能动系统的设计着重于最 新的n r c 准则，包括三哩岛核电站( t m i ) 的经验教训和尚未解决的安全问题 以及一般的安全问题。为获得核管会的认可，西屋公司分别在日本的 r o s a v 、意大利的s p e s 2 、美国的a p e x o s u 等实验装置上对a p 6 0 0 进 行了许多单项和系统的实验研究州，建立了一些用于a p 6 0 0 非能动安全系统 的大型整体效应实验装置，开发了系统安全分析程序，并用实验数据进行了 验证，另外，还建造了许多中小型实验装割5 1 。 在a p 6 0 0 基础上，西屋公司做了少量的变动开发了a p l 0 0 0 ，欧洲、日 本分别开发了e p l 0 0 0 和s p w r ，均采用与a p 6 0 0 一样的非能动安全技术， 建造了一些实验装置进行相关实验，如欧洲建造了p a s c o 、n i c e 等单项实 验装置，进行了非能动安全系统相关的原理性及单项实验。r 本将混合安全 系统作为候选的设计方案，即由非能动安全系统处理极不可能发生的失水事 故( l o c a ) ，比较可能发生的非失水事故( n o n l o c a ) ，如二次系统管道故障 或蒸汽发生器管道的破裂( s g t r ) 由能动安全系统处理1 。俄罗斯的 w w e r l 0 0 0 是由俄罗斯自主开发的先进压水堆，其非能动余热排出系统采用 与我国a c 6 0 0 一样的空气冷却技术，并已完成了相关的实验。 西屋公司针对a p 6 0 0 非能动安全壳冷却系统的特点，在常规核电厂安全 2 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 壳热工水力分析程序中，增加了冷凝蒸发模型、安全壳内混合气体流动模型、 安全壳外空气自然循环流动模型以及喷淋液膜模型等热工水力模型，开发出 了用于a p 6 0 0 安全壳热工水力分析的程序w g o t h i c 。此外，德国对辐射换 热模型和湍流模型进行了深入的研究，并将这些热工水力模型移植到 f l u t a n 程序中，使改进后的f l u t a n 程序具有一定的分析非能动安全壳冷 却系统的能力睁1 。 1 2 2 国内非能动安全技术的发展现状 上世纪8 0 年代中期，中国核动力研究设计院( n p i c ) 以先进的堆芯、非能 动的安全系统和简化的系统设备为开发重点，提出了我国下一代核电站 a c 6 0 0 的开发计划1 。 a c 6 0 0 以秦山二期工程为基础，在尽可能利用秦山二期工程中设计、建 造和运行等方面经验的基础上做了大量的改进，采用非能动的安全系统、数 字显示的先进控制室和模块化建造等先进技术。 a c 6 0 0 的非能动安全系统包括应急堆芯余热排出系统、非能动应急堆芯 补水系统和非能动安全壳冷却系统。为了验证这些系统设计的可行性，为设 计改进、程序发展和安全分析提供实验数据，从“八五”期间开始，陆续完 成了a c 6 0 0 非能动安全壳冷却系统风洞实验、全压堆芯补水实验和二次侧非 能动应急堆芯余热排出系统实验三大前期原理性实验研究，为先进压水堆设 计提供了实验依据隅1 。 n p i c 还设计、建造了a c 6 0 0 非能动余热排出系统综合实验装置( 如图 1 1 ) ，系统研究了非能动余热排出系统瞬态特性，共取得7 8 组实验数据。根 据这些数据研究了系统冷启动与热启动方式下的过渡特性、系统无注水启动 方式下的过渡特性、水锤现象以及压力峰值等p 1 。 n p i c 空泡物理和自然循环实验室采用实验研究与程序开发相结合的技 术路线，在实验研究的同时还与西安交通大学联合研制了专用程序m i s a p ， 用于a c 6 0 0 非能动余热排出系统实验装置的计算分析0 1 。该程序稳态工况计 哈尔滨f ：杵人硕十何论文 算较好，计算值与实验值的偏差一般小于1 0 ，瞬态计算结果能反映冷、热 启动和注水未投入等方式下系统瞬态特性的基本趋势。针对非能动安全壳冷 却系统的传热特点，n p i c 研制出了二维和三维的安全壳热工水力分析程序 p c c s a c 5 1 。 5 6 l 蒸发器2 安全阀3 手动截i 卜阀4 气动阀5 热补偿6 空气冷却器7 风机8 小流量文 丘里管9 ，1 0 气动阀l l 应急给水箱1 2 人流量文斤里管1 3 调：1 ，阀。 图1 1 北能动余热排出系统实验装置图 1 3a p l 0 0 0 非能动余热排出换热器 1 3 1 换热器简介 a p l 0 0 0 非能动余热排出换热器( p r h ri - i x ) 的入口和出口通道连接着6 8 9 根竖直c 形不锈钢管，管长为1 1 1 2 m 、管径为1 9 0 5 m m ，中心距为3 l m m ， 淹没在容积为2 2 3 4 m 3 的换料水箱( i r w s t ) 中，距水面数英尺( 如图1 2 ) 。p r h r h x 管内冷却剂的设计流量为2 2 8 x 1 0 5 k g h ，设计换热能力为2 1 l 1 0 1 1 j l l ， 冷却剂进口温度2 9 7 2 ，出口温度9 2 8 ，其一端与反应堆冷却剂系统的热 管段相连，另一端接在蒸汽发生器出口附近的冷管段上。p r h rh x 入口管的 最高点装有一段竖直短管，用来收集管内的气体，操作员可手动开启阀门， 将收集的气体排入i r w s t 中。i r w s t 为换热器的最终热阱，水箱中的水深 8 7 7 5 m ，在沸腾之前可以吸收超过1 个小时的衰变热。一旦开始沸腾，蒸汽 4 哈尔滨一f ：科人学硕十学伊论文 将在钢制安全壳上凝结，收集后借助重力流回换料水箱，提供无限的衰变热 排出能力。 1 换料水箱2 冷却剂入口3 支架4 管束支撑5 c 型传热管6 冷却剂出口7 底部支撑 图1 2 非能动余热排出换热器 p r h rh x 在事故工况下导出堆芯的衰变热。换热器安装在反应堆冷却剂 系统( r c s ) 上部，当主泵不可用时，冷却剂可以依靠自然循环流过p r h rh x 。 p r h rh x 的入口管线装有一个常开的电动阀( m o v ) ，这种布置保证在一回路 压力下换热器内始终充满冷却剂。出口管线有两个并行的应急开启式气动阀 f - ( a o v ) ，通过气体压力和控制信号打开任意一个阀门就可以启动回路，实 现堆芯余热的排出。p r h rh x 管道的布置方式使换热器在主泵运转的情况下 也能投入运行，主泵能够提供与自然循环同向的驱动压头。如果主泵突然停 转，冷却剂依靠自然循环会继续流入换热器。通过监视p r h rh x 的流量和 进出口温度，操作员可以在必要的情况下按照技术规范或者紧急操作规程的 要求控制p r h rh x 。 哈尔演t 稃人学硕十学伊论文 i i 1 3 2 换热器的研究现状 1 、理论研究 将p r h rh x 的换热过程分为三个部分，即管内单相对流换热、管壁导 热和管外池沸腾换热。管内单相对流换热可用d i t t u s b o e l t e r 公式计算，管壁 导热可由圆筒壁的导热微分方程求得，而管外池沸腾换热比较复杂。 当换热器的壁面温度超过液体的饱和温度时，传热管表面产生气泡，这 些气泡迅速长大直至脱离壁面，之后气泡或破灭或继续长大，引起传热管周 围液体复杂的运动，要想弄清液体的这种运动，就必须了解单个气泡的热力 过程和两相流处于不同流型下的流体力学特性。 2 、实验研究 ( 1 ) m o o n h y u nc h u n 和m y e o n g g i ek a n g 的实验研究 实验装置参照a p 6 0 0 的设计尺寸并按比例缩小1 ，详细参数见表1 1 。 针对不同的管径( 9 7 ，1 4 0 ，1 9 0 5 ，2 5 4 m m ) 、表面粗糙度( 8 4 7 ，1 2 。7 0 ，3 1 7 5 n m ) 和安装方向( 水平或竖直) 得到了1 9 6 6 个实验数据，其中水平管1 0 7 6 个， 竖直管8 9 0 个。 表1 1a p 6 0 01 卜能动余热排出换热器的尺寸与实验装置的比较 a p 6 0 0 实验装置比例 换热器管长，m 5 3 0 50 5 3 0 51 1 0 换热面积，n 1 2 3 8 20 0 9 5 51 4 0 0 0 水装量，m 31 9 3 50 4 8 3 7 51 4 0 0 0 功率( 2 ) ，k w t 3 8 6 6 09 6 6 5 1 4 0 0 0 热流密度，k w i n 2 1 0 1 21 0 1 21 1 单位功率水装餐i n 3 k w0 0 50 0 51 1 m o o n h y u nc h u n 和m y e o n g - g i ek a n g 通过观察气泡的行为和对现有实 验数据的分析，认为池沸腾传热受两个截然相反的因素的影响：一是气泡引 起的液体扰动对传热的强化，另一个则是大汽弹的形成以及气泡结合导致传 热恶化。这两个因素作用的强弱与热流密度有关，因此根据热流密度的大小 将沸腾传热划分成两个部分，分别拟合经验公式以更好的与实验数据吻合： 6 哈尔滨i ：群人学硕十学伊论文 低热流密度区( g 5 0k w m 2 ) ： q 片= 0 0 0 6 6 n 4 9 0 1 6 d 1 3 1 8 ( 1 1 ) q r = 0 0 0 2 6 n 9 1 0 丁5 。6 0 0 d 1 。6 5 6 高热流密度区( g 5 0 k w m 2 ) ： q 胃= 0 0 5 4 6 n 0 8 6 6 2 d 1 3 捧 q y = 0 0 31 6 0 m a t 4 7 8 0 d 1 6 5 6 其中，下标日表示水平管，y 表示竖直管。 m y e o n g g i ek a n g 还进一步研究了管长对传热的影响， 密度计算公式： q = 0 0 19 6 n 5 7 。r 6 7 6 ( d 1 2 3 8 h0 0 7 2 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 得到了新的热流 ( 1 5 ) 其中，日= l d 。通过对比发现，上式与实验数据吻合得更好。他还将竖直 管池沸腾换热划分成三个主要的区域：一区位于管子的最底部，这里气泡扰 动小，也很少有气泡结合，气泡产生和成长的整个过程都可以清晰地看到， 壁温波动很小；二区中气泡结合活跃，通过照片的识别发现，很多气泡在壁 面上结合形成大的汽弹，并沿壁面向上运动。这个区域的分布范围从一区的 末端到日= 5 0 的那一点；三区中气泡结合与液体扰动达到平衡。管长增加时， 传热的变化很小。如果气泡从管壁脱离，将很快引起周围液体的扰动。除非 管间距很小，否则脱离的气泡几乎不可能再在管壁上结合2 1 。 ( 2 ) a p 6 0 0 的验证性实验研究 c 型换热器实验是在a p e x ( a d v a n c e dp l a n te x p e r i m e n t ) 上进行的，它是 非能动堆芯冷却系统综合实验装置，是1 4 长度比例、1 2 时间比例、低压、 低温的热工实验台架，建在美国俄勒冈州大学( o s u ) 。从实验装置得到的数 据，可用于评估低压条件下的非能动堆芯冷却系统的运行情况，涉及小l o c a 事故的卸压后期和长期冷却( l t c ) 。 实验模拟全厂断电事故，持续时间为2 4 0 0 0 s ，热量由p r h rh x 依靠自 7 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 然循环载出3 1 。i r w s t 内和p r h rh x 传热管上的热电偶分布见图1 3 。 聚 冬 星 删 啦 硇 屯 图1 3i r w s t 内和p r h rh x 传热管上的热电偶分布图 时i 司，s 图1 4 各区域传热量所占份额 将整个换热器划为四个区域。整个实验过程中，区域l 的传热量占总传 热量的6 0 ，区域2 占2 0 。各区域传热量占总传热量的份额随时间的变化 情况如图1 4 所示。实验发现热分层现象对传热有重要的影响，沿i r w s t 竖 直方向的水温变化反映了热分层现象的存在。i r w s t 的整个上部空间先达到 8 哈尔滨f ：科人学硕十学何论文 饱和，随着实验的进行，热分层的界面不断向水箱底部移动，最终除换热器 以下的工质外，水箱内的剩余工质均达到饱和。当i r w s t 内的热分层界面向 下移动时，区域3 和区域4 的传热量所占的份额丌始增加。 1 4 池沸腾传热的强化方法 到2 0 世纪初，传热学开始形成- - 1 7 独立学科，自此强化传热始终是人们 关心的重要课题。到2 0 世纪8 0 年代，强化传热技术己被学术界称为第二代 传热技术，不少高效能换热面发展成为产品。9 0 年代后，随着三维肋管、漩 涡发生器和复合强化传热等技术的应用，强化传热技术己开始由第二代向第 三代发展”4 1 。当今已形成了一个由计算流体力学、模型化技术、强化传热技 术及新型换热器开发组成的高技术体系。 强化传热技术按被强化传热过程的不同分为导热过程的强化、单相对流 换热的强化、沸腾传热的强化、凝结传热的强化和辐射传热的强化。强化核 态池沸腾换热的方法大体可以分为三种：强化表面法、加入添加剂法和外加 矢量场法。 1 4 1 强化表面法 这种方法通过增加汽化核心的数目，能在较小的传热温差下获得较大的 传热量。图1 5 给出了5 种强化池沸腾换热的传热管，高热流管、e 管、t 管、 t x 管、t x t 管。其中的高热流管是由u n i o nc a r b i d e 公司研制成功并推向市 场的，这种传热管的表面为多孔状，既适用于管程又适用于壳程。此管强化 效果可达普通光管的十倍，但多孔状的表面结构使其只能应用于无垢或轻垢 的场合5 1 。 刘贞贞掣1 6 1 对3 种不同开孔度的机械加工表面多孑l 管进行了实验研究， 并与光管、t 形翅片管及同立公司的e 管进行了对比，结果表明，此多孔管 的传热性能明显高于同规格的工业光管和t 管。 姜玉雁等1 研究了多孔槽道几何参数对多孔表面沸腾换热性能的影响， 9 哈尔滨f ：稃大学硕十学何论文 从多孔结构内微液膜蒸发的机理出发，建立了描述多孔表面沸腾换热的细观 动态模型。通过对沸腾起泡点分布的简化处理，进行了数值求解，结果表明： 对于微液膜换热，存在最佳液膜厚度，使液膜换热热阻最小。利用该模型， 导出了多孔表面在常用沸腾工质中沸腾换热时的结构优化参数。 一憋一 ( c ) ( a ) 高热流管( b ) e 管( c ) t 管( d ) t x 管( e ) t x t 管 图1 5 强化传热管的表面结构 庄礼贤掣隅1 指出较优的t 形管能把沸腾的温差降低到只为光管的l 5 1 2 ，沸腾传热系数可提高到光管的2 5 倍。他还用直径为1 0 um 和1 0 0 i l m 的聚四氟乙烯颗粒制备传热表面，实验表明传热量为普通表面的2 - - 5 倍， 强化传热效果比较明型拇1 。 江苏某厂采用特殊的车削技术，在管子上直接加工出整针针翅，消除了 针翅与基管的焊接接触热阻。针翅短而密且呈螺旋状弯曲，管外径小，管束 体积也不大。针翅管管束既扩大了传热面，又可造成流体的强烈扰动，极大 地强化传热，而且压降不大。 杨光耀等口以r 1 3 4 a 为工质，对几种双侧强化管进行池沸腾传热对比实 验，并用威尔逊图解法分离传热过程的各个热阻。结果表明：在相同实验条 件下，单位长度翅片的数量、外翅滚切压溃后形成的孔穴形状、密度、开口 大小、均匀程度对管外换热影响较大。同时，管内结构参数的优化能促进换 热管综合换热性能的提高。 钟理等口司从改造j k 1 管的孔口通道结构入手制成了j k - 2 管，并在水平 l o 哈尔演t 稃大学硕十学何论文 管外喷淋式降膜沸腾中获得了成功，换热性能优于j k 1 。4 根不同的j k - 2 管 分别在r 1 1 3 和r 1 1 中沸腾，实验得到：对于r 1 1 3 ，最佳管的传热温差仅 为光管的1 1 0 1 1 5 ；对于r 1 l ，传热温差为光管的1 8 - - - - 1 1 0 。 陈振刿2 3 1 指出在相同沸腾温差下，多孔表面管的传热系数远比光管的大。 例如，当沸腾温差为3 9 时，多孔表面管的传热系数为光管的2 2 2 倍，相 同热流密度下，多孔表面的沸腾温差仅为光滑表面的6 5 。通过实验发现， 当温差为2 1 时，烧结多孔表面管内即开始核态沸腾，而此时光管仍无反应。 只有当温差提高到3 9 时，光管内才开始核态沸腾，即多孔覆盖层表面促使 核态沸腾“提前了。 d h m i n 口卅利用冲压的方法制备了二维和三维的多孔覆层表面( 如图 1 6 ) ，通过实验得出该方法制成的多孔表面在增加沸腾传热系数的同时大幅 提高了临界热流密度( c h f ) 。 a 二二维多孔表面 b 三维多孔表面 图1 6 多孔覆层表面 j a n u s zt c i e s l i n s k i 嵋副用电解法、离子喷射法、火焰灼烧法在不锈钢管表 面制成不同的多孔层，实验得出：几种多孔表面沸腾起始时的壁面过热度均 小于光管，其中一种甚至小于o 1k ；随着热流密度的增加，沸腾传热系数增 加的速度放缓：用铝做成的多孔层明显好于其它材料( 紫铜、黄铜、钼、不 哈尔滨l 科人学硕十学伊论文 锈钢) ，如不考虑多孔层与加热管之间的接触热阻的影响，多孔层的厚度和孔 隙率是影响沸腾传热的主要因素；c h f 与气泡脱离( 前提是不阻塞液体流动) 频率有关，而与表面( 气泡产生速率) 无关。 1 4 2 加入添加剂法 近年来，一些实验结果表明，在加热面上添加一定量的固体颗粒，可以 使沸腾换热强化且对沸腾滞后有明显的改善。 施明恒等指出在毫米级范围内，减小颗粒直径可以强化沸腾换热。细微 悬浮颗粒对沸腾换热的强化效果有所减低，而更小的纳米颗粒对沸腾换热的 强化优于细微悬浮颗粒。流化颗粒强化沸腾换热时，初始床层高度存在某一 临界值。当床层高度小于临界高度时，增加初始床层高度使沸腾换热强化效 应增加，超过该临界高度后，反而减小口6 1 。 e a s t m a n 等忙7 1 采用气相沉积法制备了c u o - - 水、c u - - 机油和a 1 2 0 3 一水等 纳米流体，采用瞬态热线法测量了上述纳米流体的导热系数，结果表明纳米 流体的导热系数随纳米粒子体积份额的增加而增大。2 0 0 1 年e a s t m a n 等用相 同的方法制备了c u 一乙二醇纳米流体，发现其导热系数远大于c u o 一乙二醇 及纯乙二醇的导热系数，再次验证了纳米粒子的属性是影响纳米流体导热系 数的一个重要因素。 李强等口引测量了纳米粒子体积份额分别为0 3 、0 5 、0 8 、1 o 和 1 2 的c u 一水纳米流体在8 0 0 - - 一2 5 0 0 0 雷诺数范围内的管内对流换热系数。 在相同雷诺数下，若纳米粒子的体积份额从0 5 增大到1 2 ，与纯水相比， 纳米流体的n u 数的增加比例从1 0 6 增大到1 2 7 。 b a n g 和c h a n g 研究了不同体积浓度下的a 1 2 0 3 一水纳米流体的池沸腾， 发现和纯水相比传热并无增强，但c h f 在水平池沸腾和垂直池沸腾分别增加 了3 2 和1 3 ，这跟池内粗糙度和纳米粒子尺寸大小有关。y o u 等测量了 a 1 2 0 3 一水纳米流体池内沸腾时的临界热流量，实验表明其临界热流量比纯 水增大了3 倍驻9 1 。 1 2 哈尔滨。t ：稃人学硕十学何论文 1 4 3 外加矢量场法 陈玉明等d 伽以氟里昂( r 1 1 ) 为工质，对光管池沸腾的电场流体力学( e h d ) 强化进行了实验研究，得到了沸腾换热系数与电压、热通量、电极形式、数 目、位置、形状等因素的关系。电压比较小时，几乎不产生换热强化，随着 电压的增高，换热系数几乎呈指数上升，随着热通量的增大，换热系数的相 对强化效果变差。 黄炬以r l l 为工质的管束外沸腾传热e h d 强化实验表明，外加电场电 压在0 - - 9k v 时，换热系数提高的幅度较大，之后曲线变化趋于平坦，最大 强化系数为1 4 3 0 李瑞阳通过实验得到，当电场电压低于6k v 时，沸腾传热系数随电场电 压的增加而显著增加；当电压高于6k v 时，沸腾换热系数增加不大。总的来 说，随着电压的升高，换热系数提高，但是电压对换热系数的影响程度随工 质的性质、热流密度的不同有着很大的差别。 上海理工大学对水平单管和管束外沸腾换热进行了实验研究。实验测得 e h d 对管外沸腾换热有显著的强化效果，管束沸腾换热的最大强化系数为 6 6 9 ，单管沸腾换热的最大强化系数为1 2 2 0 ，从而得出了单管比管束的强化 效果好的结论p 1 1 。 1 5 本课题的研究意义和研究内容 a p l 0 0 0 非能动余热排出换热器是实现堆芯余热导出、保证反应堆安全的 关键设备，但仍采用传统的不锈钢光管作为沸腾传热元件。如果采用现有的 沸腾传热强化技术，使换热器提前由单相对流区进入核态沸腾区，将大大提 高换热器的传热性能，减小传热面积，以减小换热器的体积和重量，节约成 本。 本文在课题组前人所做的单管池沸腾换热实验的基础上，挑选出针翅管 和机械加工表面多孔管这两种比较理想的管型( 前者在自然对流和沸腾工况 1 3 哈尔滨i j 秤大学硕十学伊论文 下都有较好的强化传热能力，后者强化沸腾传热效果显著) 做成小型换热管 束，进行池沸腾的实验研究，具体内容如下： 1 、搭建竖直管束池沸腾实验台并进行调试 找出实验系统中不合理的地方做进一步的改进，直到系统中的仪表和设 备达到最佳工作状态。调试过程中遇到一些设计中没有考虑到的问题，如保 温隔热的问题、流量分配的问题等等，最终都得到了很好的解决。 2 、光管管束的实验研究 将与单管实验中规格相同的l o 根光管组成光管管束，进行饱和池沸腾换 热的实验研究。通过观察实验现象得出，管束沸腾与单管有明显的不同。数 据分析也得出管束的沸腾传热性能优于单管的结论。 3 、针翅管管束和多孔管管束的实验研究 分别将针翅管和多孔管做成管束，进行实验研究。将实验结果与光管管 束作比较，得出这两种强化管强化效果的差异。根据实验中观察的现象以及 相关的理论分析实验结果。 4 、紫铜光管管束和内肋管管束的实验研究 完成两种紫铜管管束的传热实验，比较紫铜光管与b 3 0 管管内冷凝传热 的不同，并将紫铜光管与紫铜内肋管的冷凝传热情况进行对比分析。 1 4 哈尔滨t 砰大学硕十学伊论文 第2 章池沸腾传热机理 在核态沸腾机理研究中，最具代表性的是对流循环、薄层蒸发和汽液交 换这三个模型。f a i r 最早提出对流循环模型，认为沸腾产生的气泡在浮力的 作用下向上运动，带动周围液体一起向上形成强烈的汽液两相对流循环。 b r i s b a n e 提出了建立对流循环简单模型的方法，完成了对流循环的一维数学 模型，w h a l l e y 等又对该模型加以处理，得到了对流循环质量流速随热负荷 的变化关系。n a k a j i m a 提出薄层蒸发模型，认为管壁与气泡之间有一层液体 薄层，薄层依靠导热而蒸发。由于薄层厚度只有3 0 - - 一5 0i lm ，因此换热系数 很高。c o m w e l l 通过实验研究发现，薄层厚度可达o 1 l m m ，只有当薄层厚 度小于l o 1 1m 时，薄层导热蒸发才变得重要。据此，c o m w e l l 还对滑移气泡 机制做了分析p 2 1 。 总的说来，经过几十年的研究，核态池沸腾换热机理模型已经能够解释 沸腾换热的各个基本过程。但是这些模型中包含了气泡的脱离直径、脱离频 率以及汽化核心密度等一系列难以测定的参数。另外，上述机理模型的本质 是线性平均化模型，这种模型忽略了气泡间的相互作用，无法揭示核态池沸 腾换热过程的非线性特征。吴玉庭等p 列通过数值模拟得到了气泡影响面积系 数和气泡扰动强度系数的计算方法，揭示了气泡等待时间和沸腾表面温度波 动的非线性特征。 2 1 池沸腾传热模型 2 1 1 对流循环模型 早期的研究发现潜热传热量在沸腾传热中所占的份额很小，仅占总传热 量的2 ，因此提出由气泡的形成、长大、脱离与运动所导致的液体湍动对 流是池沸腾的主要换热方式。按照液体湍动形式及产生原因，又可分为气泡 哈尔滨t 群人。鼬页十学伊论文 扰动模型、微对流模型、湍流自然对流类比模型和逆滞止流模型3 4 1 。 气泡扰动模型认为气泡的形成、生长、脱离和运动使液体发生强烈的扰 动，这点已得到实验观测结果的证实。这种扰动影响到以气泡为核心两倍于 气泡直径的范围，被扰动的液体形成了平移、旋转和振动，从而强化了液体 与壁面的换热。 微对流模型指出，对于过冷核态沸腾，气泡在壁面上的形成、成长和破 灭的过程中，对加热面附近的液体边界层起到了扰动作用，这种扰动对换热 产生重要影响。这种分析也可以进一步推广到饱和池沸腾；湍流自然对流类 比模型将池沸腾的孤立气泡两相流折算为水平加热面向上的单相自然对流1 4 题；逆滞止流模型提出以逆滞止流来类比气泡柱的上升运动。 2 1 2 薄层蒸发模型 c o m w e l l k 等人用高速摄影研究了管束的沸腾传热性能，提出薄层蒸 发模型：处于管束下游的加热管，有大量气泡沿管的两侧向上滑动，这些气 泡一部分由加热管自身产生，一部分来自上游加热管。气泡与加热管表面之 间存在一层很薄的液膜，在气泡滑动过程中，该液膜向气泡内蒸发促使气泡 迅速长大并将热量带走。管束的沸腾传热系数可以用下式计算p 5 1 ： n u = 0 4 r e ，m 6p r t0 。3 6 + c r e 6 仉6 7 ( 2 1 ) 其中，对流雷诺数r e ，：艘，沸腾雷诺数r e 。：旦里一。 i p l u h 像p l p g ；( 啬) 愀半) ， 2 篆 ( 2 3 ) 击小( 旦x t t ) 0 7 1 c 2 q 1 一口i 、7 1 6 x t t = 鲥饼5 ( 爿 弘5 ， 式中：c 常数，对于水c = 1 0 0 。 x 蒸汽干度 4 管问最小流通面积，m 2 碍流经a f 的质量流速，k g ( m 2 s ) m f i