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        防液態(tài)鉛鉍合金中顆粒物沉積管道性能研究

        2014-09-10 09:23:38劉亮周濤楊旭蘇子威
        綜合智慧能源 2014年5期
        關(guān)鍵詞:液態(tài)溫差顆粒物

        劉亮,周濤,楊旭,蘇子威

        (華北電力大學(xué) 核熱工安全與標(biāo)準(zhǔn)化研究所,北京 102206)

        0 引言

        液態(tài)鉛鉍合金(LBE)是第4代反應(yīng)堆以及加速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(ADS)散裂靶兼冷卻劑,高沸點(diǎn)、化學(xué)惰性以及和水相近的自然循環(huán)能力,使ADS具有顯著的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此,鉛鉍合金已成為目前ADS設(shè)計(jì)中散裂靶兼冷卻劑的首選材料[1]。清華大學(xué)的張堯立等人對(duì)ADS鉛鉍合金進(jìn)行了熱工水力研究[2],得出靶窗設(shè)計(jì)中冷卻劑最高溫度不超過773 K的結(jié)論。華北電力大學(xué)核熱工與標(biāo)準(zhǔn)化研究所的蘇子威等人[3]對(duì)鉛鉍物性公式進(jìn)行了進(jìn)一步的擬合,并通過對(duì)比分析得知,擬合公式與已有定律推算公式趨向一致,吻合較好。同時(shí)華北電力大學(xué)的周濤等人[4-5]對(duì)亞微米顆粒在Sierpinski海綿模型中熱泳沉積做了研究,也做了顆粒熱泳脫除技術(shù)的研究。但是他們都沒有對(duì)鉛鉍合金中顆粒物沉積進(jìn)行研究。液態(tài)鉛鉍合金的流動(dòng)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)材料和管路產(chǎn)生腐蝕、沖刷等影響,將產(chǎn)生大量的細(xì)小顆粒物。此外,鉛鉍合金中不可避免地會(huì)存在一些雜質(zhì),其中熔點(diǎn)比鉛鉍高的雜質(zhì)因?yàn)椴荒苋刍阢U鉍流體中以顆粒物形式存在。液態(tài)鉛鉍合金中顆粒物沉積于管壁時(shí)會(huì)影響液態(tài)鉛鉍合金的流動(dòng)能力,進(jìn)而影響堆芯熱量導(dǎo)出能力,這極大地影響了反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性。所以設(shè)計(jì)一種防鉛鉍合金中顆粒物沉積管道是非常必要的[6-7]。

        1 防沉積管道設(shè)計(jì)

        1.1 整體結(jié)構(gòu)形式

        液態(tài)鉛鉍合金在圓柱形管道內(nèi)部流通,需要防止液態(tài)合金中細(xì)微顆粒物沉積于管道內(nèi)壁面。本文提出一種借助熱泳力來防沉積的管道,所設(shè)計(jì)的防沉積管道如圖1所示。

        圖1 防液態(tài)鉛鉍合金中顆粒物沉積管道整體示意

        從圖1可以看出,該管道由一回路管道和外加熱層組成,其中一回路管道內(nèi)部流通一回路冷卻劑(鉛鉍合金),外加熱層包裹著一回路管道的外壁。

        1.2 加熱層結(jié)構(gòu)

        加熱層包裹著管道外壁,對(duì)管道進(jìn)行加熱。由于其加熱線圈不能直接與管道接觸,所以專門提出一種3層式的加熱層,所設(shè)計(jì)的加熱層如圖2所示。

        圖2 加熱層示意

        由圖2可以看出,加熱層分為a,b,c 3層,其中a,c層為不銹鋼板,b層為云母板,布置了發(fā)熱線圈,加熱層的加熱溫度設(shè)定為773 K。

        1.3 工作原理

        壁面與管道中心處液態(tài)鉛鉍合金溫差最大,靠近壁面處溫差逐漸縮小,熱泳力作用方向指向溫度下降的方向。防液態(tài)鉛鉍合金中顆粒物沉積管道工作原理如圖3所示。

        圖3 工作原理示意

        由圖3可以看出,在一回路管道上加裝加熱層,利用熱泳力原理,保證加熱層的溫度高于冷卻劑溫度,于是在加熱層和冷卻劑之間形成溫度梯度,外側(cè)溫度高,中心溫度低,顆粒物在熱泳力的作用下,會(huì)向溫度低的地方移動(dòng),以起到防止顆粒物沉積于管壁的效果。

        2 防沉積管道計(jì)算模型

        2.1 熱泳系數(shù)

        熱泳是由于溫度梯度的存在而產(chǎn)生的一種短程力,這種短程力對(duì)細(xì)顆粒有較強(qiáng)的作用。熱泳系數(shù)Kth的計(jì)算使用近幾年國際推薦選用的Tobalt公式[4]。

        (1)

        C=1.0+Kn[C1+C2exp(-C3/Kn)] ,

        (2)

        式中:動(dòng)量交換系數(shù)Cs=1.147;熱滑移系數(shù)Cm=1.146;由動(dòng)能理論得到的有序數(shù)值因子Ct=2.20;k=kL/kp;kL和kp分別為流體和顆粒物的熱導(dǎo)率;當(dāng)量參數(shù)C1=1.2,C2=0.41,C3=0.88;Kn為克努森數(shù),Kn=λ/d,其中λ為流體分子平均自由程,m;d為顆粒特征尺寸,m。

        2.2 熱泳沉積效率

        熱泳沉積效率η定義為從流體進(jìn)入管道開始,流經(jīng)一定距離后粒子沉積的部分占原有顆粒的百分?jǐn)?shù)。

        (1)Byer-Calvert熱泳沉積效率公式

        (3)

        (2)Nishio熱泳沉積效率公式

        (4)

        式中:ρ為流體質(zhì)量濃度,kg/m3。

        (3)Stratmann熱泳沉積效率公式

        3 計(jì)算結(jié)果及分析

        3.1 溫差對(duì)熱泳沉積效率的影響

        清華大學(xué)的張堯立所述的冷卻劑工作溫度條件,設(shè)定流體溫度變化范圍為573~773 K,壁面溫度為773 K,顆粒物粒徑為2 μm。圖4為沉積效率與溫度差之間的關(guān)系。需要說明的是,沉積效率描述的是顆粒物沉積于壁面能力的大小,若沉積效率為負(fù)數(shù),則表示顆粒物不會(huì)沉積于壁面,負(fù)數(shù)越小,表明防沉積能力越強(qiáng)。

        圖4 熱泳效率隨溫差的變化趨勢

        由圖4可知,當(dāng)溫差為0時(shí),沉積效率為0。當(dāng)壁面與鉛鉍合金溫差增大時(shí),根據(jù)3種公式計(jì)算得出的沉積效率均逐漸降低,其中Stratmann公式計(jì)算得到的結(jié)果下降最快。出現(xiàn)這種差異的原因在于Stratmann中沒有對(duì)溫差進(jìn)行修正,而沉積效率均降低的原因是當(dāng)溫度梯度越大時(shí),熱泳力對(duì)顆粒物的作用越強(qiáng),顆粒物向中心移動(dòng)的能力越強(qiáng),于是導(dǎo)致計(jì)算所得的沉積效率越低,即管道的防沉積能力就越強(qiáng)。綜上所述,管壁與冷卻劑之間溫差越大,管道的防沉積能力越強(qiáng)。

        3.2 顆粒物粒徑對(duì)熱泳沉積效率的影響

        在其他條件不變的情況下,設(shè)定溫差為200 K,僅選取粒徑作為自變量,其變化范圍設(shè)置為1~10 nm,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

        圖5 粒徑與沉積效率之間的關(guān)系

        由圖5可知,粒徑從1 nm變化到10 nm的過程中,沉積效率的變化不大,其中粒徑從1 nm變化到3 nm的過程中,沉積效率有部分影響。這是因?yàn)樵谝后w分子中,雖然分子自由程相當(dāng)小,但是粒徑在1~3 nm內(nèi)對(duì)克努森數(shù)有部分影響,而粒徑在3~10 nm對(duì)克努森數(shù)幾乎無影響。需要說明的是,克努森數(shù)是影響熱泳沉積效率的關(guān)鍵因素。在粒徑逐漸增加的過程中,沉積效率逐漸升高,防沉積能力逐漸降低,同時(shí)沉積效率在粒徑從1 nm變化到10 nm的過程中改變不大,該管道對(duì)于顆粒物粒徑范圍適用廣泛,防沉積效果穩(wěn)定。

        3.3 粒徑和溫差對(duì)熱泳沉積效率的共同影響

        在其他條件不變的情況下,分別選取粒徑為2 μm,2 nm,8 nm的顆粒進(jìn)行計(jì)算。顆粒在液態(tài)鉛鉍合金中熱泳沉積效率隨粒徑的變化規(guī)律如圖6所示。

        圖6 3種不同粒徑的沉積效率規(guī)律

        由圖6可知,3種不同粒徑在不同的計(jì)算公式下,顆粒物粒徑從2 μm變化到2 nm,粒子的半徑縮小了1 000倍,但在同一溫差下,熱泳沉積效率幾乎不變。這是因?yàn)樵谝后w分子中,分子自由程相當(dāng)小,粒徑對(duì)克努森數(shù)的影響非常小,即粒徑對(duì)沉積效率的影響非常小,對(duì)防沉積能力的影響也非常小。但從圖中可以明顯看出,熱泳沉積效率隨溫差的變動(dòng)改變非常明顯。相對(duì)于粒徑,溫差對(duì)沉積效率、防沉能力的影響要大得多。

        4 結(jié)論

        借助熱泳力防沉積的原理,提出了一種防鉛鉍合金顆粒物沉積的管道,通過合理的設(shè)計(jì),在防沉積方式中采用借助熱泳力的方式,能夠防止顆粒物的沉積。同時(shí)借助熱泳模型,計(jì)算了該管道的防沉積效果,得出以下結(jié)論。

        (1)當(dāng)壁面與鉛鉍合金溫差增大時(shí),由于熱泳力的作用效果逐漸增強(qiáng),防沉積能力逐漸增加。

        (2)當(dāng)顆粒物粒徑增大時(shí),熱泳力的作用效果逐漸降低,防沉積能力逐漸下降,但變化范圍很小。說明該管道對(duì)粒徑的適用范圍廣,防沉積能力非常穩(wěn)定。

        (3)相對(duì)于顆粒物粒徑,溫差對(duì)熱泳力的影響更大,所以影響防沉積管道工作性能的最關(guān)鍵因素是溫差。

        參考文獻(xiàn):

        [1]吳宜燦.液態(tài)鉛鉍回路設(shè)計(jì)研制與材料腐蝕實(shí)驗(yàn)初步研究[J].核科學(xué)與工程,2010,30(3):238-243.

        [2]張堯立,崔鵬飛,肖思聰,等.加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)散裂靶熱工水力研究[J].原子能科學(xué)技術(shù),2012,46(5):573-578.

        [3]蘇子威,周濤,劉夢(mèng)影,等.液態(tài)鉛鉍合金物性研究[R].成都:核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2012.

        [4]周濤,李洋,汝小龍.亞微米顆粒在Sierpinski海綿模型中熱泳沉積研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2013,36(2):65-69.

        [5]周濤,楊瑞昌,胡雨,等.管道中亞微米顆粒熱泳脫除技術(shù)的研究[J].動(dòng)力工程,2009,29(6):576-579.

        [6]Batchelor GK,Shen C.Thermophoretic deposition of deposition of particles in gas flowing over cold surface[J].Journal of Colloid and Interface Science,1985,107(1): 21-37.

        [7]G Coccoluto,P Gaggini,V Labanti,et al.Heavy liquid metal natural circulation in a one-dimensional loop[J].Nuclear Engineering and Design,2010(241):1301-1309.

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