吉 宇，李佳智，郝 瑩，李延廣，王 馳

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

在發(fā)生類似于反應(yīng)堆堆芯融化的安全事故時，安全殼內(nèi)會產(chǎn)生大量的氫氣，這部分氫氣的存在對于安全殼的完整性造成巨大的威脅，如福島第一核電廠事故的原因就是由于地震后，堆芯余熱排出遇到障礙使得反應(yīng)堆內(nèi)鋯－水反應(yīng)劇烈發(fā)生，導(dǎo)致安全殼內(nèi)部氫濃度高于爆炸極限而發(fā)生爆炸使反應(yīng)堆廠房坍塌［1，4］?，F(xiàn)有核電站的可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)［2］或稱為安全殼氫氣控制系統(tǒng)［3］就是為保證電站設(shè)備正常運(yùn)行而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，而且該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中也體現(xiàn)出了其作用，尤其AP1000先進(jìn)壓水堆中的非能動設(shè)計(jì)理念更是提高了電站的穩(wěn)定性與安全性，不需要外界給予太多的能量，僅依靠工質(zhì)或設(shè)備自身的性質(zhì)就能工作。根據(jù)非能動理念而設(shè)計(jì)的氫復(fù)合器通過其內(nèi)部氣體的自發(fā)對流，并利用Pt/Pd作為催化劑來達(dá)到低溫條件下即可消氫的目的［3］。

非能動氫復(fù)合器由復(fù)合器外殼以及催化板構(gòu)成，在催化板上發(fā)生氫氧復(fù)合以達(dá)到消氫的目的。本文針對現(xiàn)有非能動氫復(fù)合器的特點(diǎn)，依據(jù)其工作原理，在一定假設(shè)的條件下建立相應(yīng)的理論模型。按照此理論模型，對現(xiàn)有的復(fù)合器結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高氫復(fù)合器的復(fù)合能力與復(fù)合效率。提出了收縮管式非能動氫復(fù)合器的構(gòu)想，并建立三維模型對其進(jìn)行CFD模擬分析。

1 氫復(fù)合器理論模型

1.1 相關(guān)假設(shè)

通過研究現(xiàn)有非能動氫復(fù)合器的特點(diǎn)，本文試圖利用一種簡單的模型來描述其運(yùn)行時的部分特征，為此做出以下假設(shè):

(1)由于每塊催化板面積以及材料等屬性均相同，在同一工況下，每塊板上復(fù)合氫氣的量應(yīng)該相同，1 kg氫氣氧化放出熱量1.21×108J［5］，因此假設(shè)所有的催化板在進(jìn)行相應(yīng)的催化復(fù)合過程中，始終保持一致的溫度，即在催化板上與催化板間均無溫度梯度。

(2)由于反應(yīng)自身動力學(xué)特性與氣體分子的擴(kuò)散均會影響復(fù)合器中氫氧復(fù)合的效率，但是氫氧復(fù)合的時間相對于復(fù)合器內(nèi)氣體分子擴(kuò)散的時間相差好幾個數(shù)量級，因此假設(shè)反應(yīng)時間可以忽略不計(jì)?；诨瘜W(xué)反應(yīng)動力學(xué)與反應(yīng)熱力學(xué)(氣體分子擴(kuò)散)的特性，認(rèn)為氫氣分子只要到達(dá)催化板上，立即在催化劑的作用下發(fā)生氫氧復(fù)合，板上的氫氣濃度可以近似認(rèn)為等于0。

1.2 產(chǎn)熱分析與氫氧復(fù)合速率計(jì)算

在催化板上的產(chǎn)熱量Q1(t)和散發(fā)到氣體中的熱量Q2(t)滿足以下方程

式中 mc——催化板質(zhì)量/kg;

Cp，c——催化板的熱容/J·kg－1;

Tc(t)——催化板上的均相溫度/℃。

式中 Nu——催化板上的努塞特系數(shù);

L——催化板高/m;

dqH2——催化反應(yīng)期間的放熱量/J;

Dth——?dú)怏w熱擴(kuò)散系數(shù)/m2·s－1;

Dmass——?dú)怏w的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)/m2·s－1;

T——?dú)怏w溫度/℃;

S——催化板面積/m2;

ρ——?dú)怏w密度/kg·m－3;

Cp——?dú)怏w的熱容，J·kg－1;

WH2(t)——?dú)錃獾馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)。

復(fù)合器內(nèi)部氫氧復(fù)合的速率v(t)可以用下式來表達(dá)

假設(shè)安全殼內(nèi)部空氣和水蒸氣的質(zhì)量和是常量，又氫氣的復(fù)合速率與氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)消耗成正比［5－6］，即

用方程(2)和方程(3)的比值來代替努塞特?cái)?shù)Nu，得到

由流體及傳熱知識，可以看出 Dmass/Dth就是Lewis系數(shù)［7］，因此我們可以將方程(8)改寫為

從上述氫復(fù)合器復(fù)合模型來看，該裝置的運(yùn)行與復(fù)合器內(nèi)部氣體工質(zhì)的自發(fā)擴(kuò)散有關(guān)，且當(dāng)擴(kuò)散特性表現(xiàn)的越明顯時，復(fù)合器的復(fù)合效率將會有所提高。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

基于上述理論模型，本文依據(jù)現(xiàn)有的非能動氫復(fù)合器FR1－1500的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［8－9］以及正常運(yùn)行時的復(fù)合能力需求，提出一種收縮管式非能動氫復(fù)合器的設(shè)計(jì)構(gòu)想擬通過提高內(nèi)部工質(zhì)的擴(kuò)散來提高整個復(fù)合器的復(fù)合能力與復(fù)合效率。

2.1 氫復(fù)合器外觀整體設(shè)計(jì)

由于氫復(fù)合器的復(fù)合效率受混合氣體分子的質(zhì)擴(kuò)散的影響，擴(kuò)散越明顯，該裝置在進(jìn)行氫復(fù)合時的效率就越高，因此在設(shè)計(jì)氫復(fù)合器結(jié)構(gòu)時要增強(qiáng)這些氣體分子的擴(kuò)散。但復(fù)合效率提高的同時，由于氫氧反應(yīng)而產(chǎn)生更多的熱量，如果這部分熱量不能被及時帶走，將有可能導(dǎo)致混合氣體的溫度過高［10］，從而發(fā)生自燃現(xiàn)象，對電站整個系統(tǒng)造成非常大的破壞。

本文設(shè)計(jì)了收縮管式非能動氫復(fù)合器，外觀結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 收縮管式非能動氫復(fù)合器外觀

簡單分析該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與原有氫復(fù)合器相比，該裝置在相同入口流量的情況下，氣體在軸線方向上存在較大的壓降，從而會產(chǎn)生較大的推動力促進(jìn)內(nèi)部氣體分子的擴(kuò)散，而且在氣體分子快速擴(kuò)散的同時，宏觀上表現(xiàn)為氣體分子的速度變大，使得由于氫氧復(fù)合產(chǎn)生的熱量能夠迅速被帶走而降低氣體自燃發(fā)生的可能性。

2.2 催化板形狀及排布位置

氫復(fù)合器工作時受流體流動的影響，而流體流動時存在完全發(fā)展流場和邊界層兩部分［11－13］，且這兩部分特點(diǎn)差異較大，因此本文對于這兩部分分別考慮，以作出催化板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

從完全發(fā)展流場中選擇一系列高度為L的環(huán)形柱面，考慮這些面上的產(chǎn)熱與散熱情況。假設(shè)各環(huán)形柱面間互不影響，且單位面積上產(chǎn)熱與散熱均為定值，可以得到如下的結(jié)論

其中，dq、dq'分別為環(huán)柱形面上的產(chǎn)熱量與散熱量，h為此處催化板的高度，L為所選取的環(huán)柱形面的高度。

為了不在該橫截面上產(chǎn)生溫度梯度，定義產(chǎn)熱－散熱比ε

從而得到h=ε·L，也就是說此處的板高應(yīng)該是線性變化的。

由于復(fù)合器壁與催化板壁對氣體流動有一定的阻礙作用，導(dǎo)致該處氣體的流速下降，造成此處壓力升高，影響復(fù)合器的效率，考慮到這部分因素，對于邊界層處催化板的設(shè)計(jì)，應(yīng)減小此處的產(chǎn)熱量，以減小此處氣體的粘滯系數(shù)，從而減小粘滯力。當(dāng)復(fù)合器中氣流有較大橫向流動時，將導(dǎo)致復(fù)合產(chǎn)生的滯留熱量不能及時被帶走，進(jìn)而影響效率與穩(wěn)定性。因此該復(fù)合器結(jié)構(gòu)應(yīng)該是關(guān)于中心軸嚴(yán)格對稱的。綜上設(shè)計(jì)催化板結(jié)構(gòu)及排布如圖2。

圖2 催化板結(jié)構(gòu)(催化板高度約290 mm，長度約340 mm)

3 CFD模擬及結(jié)果

復(fù)合器正常工作時的條件為氣體入口流量1 500 m3/h，溫度60℃［14］。利用 CFD程序進(jìn)行數(shù)值模擬［14］，得到結(jié)果如圖3。

由CFD程序模擬得到的等值線可以看出，整個裝置中的變化非常明顯。

(1)壓力分布顯示，該復(fù)合器內(nèi)部壓力隨高度增加而減小，壓降的增大、水平方向上壓力的減小導(dǎo)致氣體分子的擴(kuò)散能力更強(qiáng)，由于Lewis系數(shù)的增大使得該復(fù)合器內(nèi)的混合氣體分子有更大的幾率擴(kuò)散至催化板表面來進(jìn)行復(fù)合反應(yīng)，從而提高復(fù)合器的復(fù)合能力與復(fù)合效率。

圖3 CFD模擬結(jié)果

圖4 改進(jìn)前后復(fù)合器內(nèi)部主要參數(shù)變化圖

(2)流場分布呈現(xiàn)出一種隨高度增加而明顯增大的趨勢。由于該裝置中復(fù)合速率相比分子擴(kuò)散速率可以視為無限大，復(fù)合所需時間相比分子擴(kuò)散所需時間可以忽略不計(jì)，因此流速的提高會使得單位時間內(nèi)運(yùn)動至催化板表面的氣體分子數(shù)目增加，而且此行為有利于氣流將復(fù)合產(chǎn)生的大量熱量及時帶走，在保證裝置運(yùn)行能力的同時，控制混合氣體的溫度至自燃點(diǎn)以下。

(3)溫度分布可以看出催化板周圍溫度較高約為500℃，在這個條件下氣體分子將擁有較大的內(nèi)能，從而體現(xiàn)為較大程度的擴(kuò)散，也將有更大的幾率進(jìn)行氫氧復(fù)合，從而表現(xiàn)為宏觀上的氫復(fù)合能力與氫復(fù)合效率的提高。

4 分析與討論

對比現(xiàn)有復(fù)合器和收縮管式非能動氫復(fù)合器運(yùn)行時的基本參數(shù)變化，得到圖4。

從該圖中我們可以很清晰地看到改進(jìn)后的復(fù)合器軸線方向壓降增大，且整個裝置中壓力較原來有所下降，很大程度上促進(jìn)了內(nèi)部氣體分子的擴(kuò)散運(yùn)動。此外，改進(jìn)后的復(fù)合器內(nèi)部溫度分布與原有的存在較大的差異，催化板附近溫度顯著升高但依舊低于氣體的自燃點(diǎn)593℃，此處溫度升高亦將促進(jìn)內(nèi)部氣體分子的擴(kuò)散，而沿軸線催化板向上區(qū)域的溫度又低于原復(fù)合器，因此改進(jìn)的復(fù)合器氣體對流換熱優(yōu)于原復(fù)合器，安全性亦有所提升。對于復(fù)合器內(nèi)的流場分布，很明顯，改進(jìn)后的復(fù)合器內(nèi)氣體流速增加，該行為能夠很好地保證將氫氧復(fù)合產(chǎn)生的熱量帶走，以防止由于熱量滯留而帶來的安全隱患。

5 結(jié)論

本文基于現(xiàn)有核電站非能動氫復(fù)合器的作用機(jī)理，建立了相應(yīng)的氫氧復(fù)合模型，并依據(jù)此模型提出了收縮管式非能動氫復(fù)合器的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用CFD軟件，對于此過程進(jìn)行模擬，以期了解改進(jìn)后氫復(fù)合器的特點(diǎn)。得到主要結(jié)論如下:

(1)在文中的假設(shè)前提下，所建立的氫氧復(fù)合模型能夠很好地描述復(fù)合器中及催化板上的產(chǎn)熱量，并在后續(xù)計(jì)算中加以運(yùn)用。

(2)本文提出的氫復(fù)合器模型，可以提高復(fù)合器內(nèi)部氣體分子的質(zhì)擴(kuò)散與熱擴(kuò)散來達(dá)到提高復(fù)合器復(fù)合效率與復(fù)合能力，從而降低氫氣發(fā)生爆燃—爆炸的可能性。

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