朱 晨，匡 波，孫 偉，范云良，張 志，唐超力

（上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

熔融物堆內(nèi)滯留（IVR）是一個(gè)有效的嚴(yán)重事故緩解措施，已被應(yīng)用于先進(jìn)核電廠，例如韓國(guó)的APR1400、美國(guó)西屋公司的AP600 和AP1000。壓力容器外部冷卻（ERVC）是IVR的一種措施，通過(guò)灌水淹沒(méi)壓力容器下封頭從外部冷卻壓力容器，維持壓力容器的完整性。但隨著反應(yīng)堆容量的增大，ERVC 的能力與有效性受到了挑戰(zhàn)，有學(xué)者提出工質(zhì)內(nèi)添加納米顆粒對(duì)沸騰換熱有強(qiáng)化作用［1-10］。

在納米流體沸騰傳熱性能的研究中，對(duì)于納米流體能否強(qiáng)化溶液傳熱系數(shù)的問(wèn)題仍有爭(zhēng)論，而大多實(shí)驗(yàn)已證明，納米流體能顯著改善沸騰傳熱特性。對(duì)于納米流體對(duì)傾斜朝下加熱面沸騰換熱影響規(guī)律的研究尚不夠深入，還需進(jìn)一步研究。

本文通過(guò)傾斜下表面池沸騰實(shí)驗(yàn)?zāi)M壓力容器球形外表面的沸騰換熱，對(duì)不同種類(lèi)的納米流體以及去離子水作為介質(zhì)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行比較分析，得出納米顆粒種類(lèi)、體積濃度以及粒徑大小對(duì)改善傳熱的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，由水箱、蒸汽排出導(dǎo)管、玻璃視窗、冷卻銅管、銅加熱本體和緊固壓條等結(jié)構(gòu)組成。水箱用來(lái)盛裝試驗(yàn)工質(zhì)，銅加熱本體通過(guò)緊固壓條固定在水箱上表面，加熱本體下表面為沸騰換熱面，試驗(yàn)中淹沒(méi)在試驗(yàn)工質(zhì)中。

試驗(yàn)在常壓下裝滿試驗(yàn)工質(zhì)的水箱內(nèi)進(jìn)行。銅加熱本體加熱方式為間接加熱，通過(guò)34根額定功率為2.1kW 的加熱棒對(duì)銅塊進(jìn)行加熱，從而加熱沸騰換熱面；加熱棒安插在銅塊內(nèi)，通過(guò)電源控制系統(tǒng)對(duì)加熱棒進(jìn)行調(diào)壓控制加熱，可實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱棒電功率的連續(xù)調(diào)節(jié)；兩側(cè)距離加熱面10 mm 和14 mm 處布置有16 個(gè)監(jiān)測(cè)熱電偶，用來(lái)測(cè)量銅加熱本體內(nèi)關(guān)鍵位置的溫度；加熱本體的監(jiān)測(cè)溫度、加熱棒的電流和電壓等信號(hào)通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、監(jiān)控和存儲(chǔ)，其中溫度信號(hào)采集頻率為5Hz，電流、電壓信號(hào)采集頻率為10 Hz；試驗(yàn)中，利用高速攝像系統(tǒng)等對(duì)沸騰換熱面的池沸騰現(xiàn)象進(jìn)行可視化研究。

1.2 納米流體的制備

包括納米顆粒分別選取了金屬、金屬氧化物材料：納米銅（20nm 和100nm）、納米氧化鋁（20nm），基液為去離子水。實(shí)驗(yàn)選取的納米流體規(guī)格列于表1。本文采用兩步法（即先制備納米顆粒，再將納米顆粒均勻分散于基液中制備成納米流體）制備納米流體，并采用超聲波震蕩等方法有效改善納米流體的懸浮穩(wěn)定性。

1.3 試驗(yàn)方法

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus

試驗(yàn)中使試驗(yàn)工質(zhì)完全淹沒(méi)沸騰換熱面；通過(guò)加熱棒加熱去離子水至飽和溫度；同時(shí)用冷卻銅管循環(huán)冷卻，維持水溫飽和，并維持水箱內(nèi)壓力為常壓。在不同功率水平下，當(dāng)試驗(yàn)調(diào)節(jié)至穩(wěn)態(tài)時(shí)，用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集銅加熱本體16個(gè)熱電偶的溫度，利用高速攝像系統(tǒng)對(duì)不同功率水平下沸騰過(guò)程中汽泡的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行記錄。重復(fù)上述操作完成以去離子水、Al2O3納米流體、Cu-20納米流體和Cu-100納米流體為試驗(yàn)工質(zhì)的試驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)選取的納米流體規(guī)格Table 1 Nanofluids for experiments

由實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，利用傅里葉定律以及壁面溫度的線性外推，可求得熱流密度和銅加熱本體加熱面的壁溫。熱流密度q=-λ，為銅加熱本體由上表面指向沸騰換熱面方向的溫度變化率，q 為沿方向傳遞的熱流密度。銅加熱本體下凸臺(tái)處溫度梯度穩(wěn)定，根據(jù)線性關(guān)系可求出銅塊冷卻面壁面溫度tw，過(guò)熱度Δt=tw-tf（tf為試驗(yàn)工質(zhì)溫度），由此可得沸騰換熱系數(shù)α=。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 傾斜角影響規(guī)律

圖2示出去離子水試驗(yàn)工質(zhì)下不同傾斜角換熱系數(shù)隨熱流密度的關(guān)系?？煽吹剑涸趦A斜角為0°時(shí)，隨熱流密度的增大，沸騰換熱系數(shù)變小；而傾斜角為15°、30°時(shí)，沸騰換熱系數(shù)隨熱流密度的增大而增大，其中傾斜角為30°時(shí)，增長(zhǎng)趨勢(shì)很慢。

圖2 去離子水試驗(yàn)工質(zhì)不同傾斜角下的q-α 關(guān)系Fig.2 Heat flux vs.heat transfer coefficient for different inclined angles in deionized water

圖3為不同熱流密度下0°時(shí)汽泡的行為?？煽吹剑S熱流密度的增加，汽泡生長(zhǎng)十分劇烈，汽泡間的合并吞噬也極其快速，形成幾乎覆蓋整個(gè)朝下壁面的大汽泡，阻隔了流體與加熱面間的換熱，導(dǎo)致沸騰換熱性能下降。在角度為15°、30°時(shí)，汽泡不再附著在加熱面上，而是開(kāi)始沿著壁面滑移，并在滑移過(guò)程中不斷合并而生長(zhǎng)。在這種過(guò)程下，加熱面基本無(wú)小汽泡附著，銅塊與液體的換熱十分充分，換熱性能較0°時(shí)的明顯變好。

2.2 納米流體影響規(guī)律

圖3 不同熱流密度下0°時(shí)的氣泡形態(tài)Fig.3 Bubble movement for 0°under different heat fluxes

圖4 不同納米流體工況下的q-α 關(guān)系Fig.4 Heat flux vs.heat transfer coefficient for different nanofluids

圖4為不同納米流體工況下q-α 關(guān)系。所有納米流體試驗(yàn)均在傾斜角30°下進(jìn)行。通過(guò)對(duì)體積濃度為0.001%、0.005%、0.01%的Cu-20納米流體，0.01%的Cu-100納米流體，以及體積濃度為0.01%、0.02%、0.05%的Al2O3納米流體進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在30°時(shí)，相較于去離子水，納米流體均會(huì)增加沸騰換熱系數(shù)。由于本試驗(yàn)采用的納米流體均不透明，高速攝影無(wú)法進(jìn)行拍攝，故無(wú)法采集圖像數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)體積濃度為0.001%、0.005%、0.01%的Cu-20納米流體（圖4a），以及體積濃度為0.01%、0.02%、0.05%的Al2O3納米流體（圖4b）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在30°時(shí)，納米粒子濃度的增大均會(huì)增加相同功率密度下的換熱系數(shù)。體積濃度為0.01%的Al2O3納米流體在本試驗(yàn)最大熱流密度條件下的換熱系數(shù)相較于去離子水的增加了23.1%。

Cu-20納米流體對(duì)于換熱性能的增強(qiáng)較Al2O3納米流體大得多，換熱系數(shù)相較于去離子水的增加了42.5%。隨熱流密度的不斷升高，Cu-20納米流體工況下的換熱系數(shù)有顯著的上升，且其換熱系數(shù)隨濃度的增大而增大的規(guī)律與Al2O3納米流體的相同。

不同濃度的氧化鋁納米流體和Cu-20納米流體，在相同傾斜角、相同熱流密度下，隨濃度的增加，改善傳熱效果越來(lái)越好。

對(duì)于相同濃度、相同粒徑、不同材料的納米流體（圖4c），可發(fā)現(xiàn)體積濃度為0.01%的Al2O3納米流體和體積濃度為0.01%的Cu-20納米流體對(duì)沸騰換熱特性均有改善，Al2O3納米流體在低熱流時(shí)的改善效果較好，而Cu-20納米流體在高熱流密度時(shí)有十分顯著的改善效果。

對(duì)相同材料、相同濃度、不同粒徑的納米流體（圖4d），在相同濃度下，Cu-100納米流體較Cu-20納米流體更能改善沸騰傳熱，在相同熱流密度條件和本試驗(yàn)的最大熱流密度下，Cu-20納米流體換熱系數(shù)增大了42.5%，而Cu-100納米流體的換熱系數(shù)則增大了92.9%。較大粒徑的納米材料對(duì)于改善沸騰換熱特性體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)傾斜朝下加熱面的池沸騰進(jìn)行試驗(yàn)，研究了不同納米流體對(duì)于沸騰換熱特性的影響，得到以下結(jié)論：

1）傾角30°時(shí)，相較于去離子水，Al2O3納米流體和Cu-20納米流體均會(huì)增強(qiáng)沸騰換熱。對(duì)體積濃度同為0.01%的不同納米流體，Al2O3納米流體換熱系數(shù)增加了23.1%，而Cu-20 納米流體的換熱系數(shù)增加了42.5%，Cu-100納米流體的換熱系數(shù)則增加了92.9%。

2）對(duì)于Al2O3納米流體和Cu-20納米流體，隨著濃度的增加，沸騰換熱性能得到明顯改善。

3）不同種類(lèi)、相同粒徑、相同濃度的納米流體作為介質(zhì)時(shí)，Cu納米流體的總體效果好于Al2O3納米流體。

由于試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)條件的限制，未能進(jìn)行大傾斜角下的傾斜下表面換熱實(shí)驗(yàn)，且未能進(jìn)行池沸騰的臨界熱流密度測(cè)量試驗(yàn)，這些都將在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)行探索。

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