廖煒鋮 史昊鵬 趙金鵬

摘 ? 要：堆內(nèi)熔融物滯留策略要求壓力容器下封頭外表面的熱流密度不能超過沸騰換熱的臨界熱流密度（Critical Heat Flux， CHF），整體實驗裝置已被廣泛用于強化臨界沸騰換熱的實驗研究中，但在實際操作有局限性。本實驗對比了銅光表面在分體和整體實驗裝置中穩(wěn)態(tài)加熱實驗下的CHF，兩者偏差整體小于1.5%。對分體實驗裝置進(jìn)行理論誤差分析，當(dāng)導(dǎo)熱硅脂厚度小于0.22mm時，誤差可以控制在5%以內(nèi)，分體實驗裝置能夠有效的代替整體實驗裝置。

關(guān)鍵詞：池沸騰 ?臨界熱流密度 ?分體實驗裝置 ?導(dǎo)熱硅脂 ?接觸熱阻

中圖分類號：TQ 026.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）05（a）-0099-02

壓水堆核電站出現(xiàn)堆芯熔化事故后，在壓力容器內(nèi)部會形成高溫熔融物并向下封頭流動。若得不到及時有效的冷卻，壓力容器下封頭會被熔穿，導(dǎo)致放射性熔融物外泄，增加了放射性物質(zhì)向外界泄露的事故風(fēng)險。堆內(nèi)熔融物滯留策略（IVR， In-Vessel Retention）[1]，即通過對壓力容器外表面及時冷卻以防止下封頭被熔穿，保證熔融物滯留在壓力容器內(nèi)。因此，壓力容器外部冷卻（ERVC， External Reactor Vessel Cooling）技術(shù)是實現(xiàn) IVR 策略的重要手段[2]，其關(guān)鍵在于壓力容器外表面的熱流密度不能超過沸騰換熱的臨界熱流密度[3]。

近年來，強化沸騰換熱技術(shù)得到廣泛研究，通過設(shè)計結(jié)構(gòu)表面強化沸騰換熱從而提高臨界熱流密度的方法受到廣泛關(guān)注。鐘達(dá)文等[4]使用整體實驗裝置研究了朝下結(jié)構(gòu)表面對池沸騰換熱的影響，整體實驗裝置也被研究人員廣泛應(yīng)用于強化沸騰的實驗研究，但整體實驗裝置具有加工成本高，實驗元件不可重復(fù)使用等缺點，無法滿足研究人員對大量設(shè)計表面進(jìn)行沸騰換熱實驗的需求。本實驗對分體實驗裝置的可行性進(jìn)行了分析，找出可替代整體實驗裝置的方法。

1 ?實驗裝置

如圖1所示，實驗裝置由三部分組成：操作條件控制系統(tǒng)、實驗件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。操作條件控制系統(tǒng)控制水箱中的溫度和壓力，通過去離子水機將去離子水引入冷水箱和熱水箱，通過熱水箱的加熱使去離子水達(dá)到飽和狀態(tài)，進(jìn)而通過水泵輸送至實驗水箱開展沸騰換熱實驗。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括熱電偶、壓力變送器、高速攝像機等儀器，可實時將數(shù)據(jù)保存至計算機。

實驗件浸沒在實驗水箱內(nèi)，實驗水箱設(shè)有觀察窗，便于觀察實驗元件換熱表面的沸騰狀況。分體實驗件由實驗元件和加熱體兩部分組成，加熱體由銅塊內(nèi)插8根電加熱棒構(gòu)成;實驗元件為直徑50mm的銅塊，其兩側(cè)分布有6個K型鎧裝熱電偶，實驗元件底部涂抹有導(dǎo)熱硅脂，以減小其與加熱體接觸面的接觸熱阻。整體實驗件采用一整塊銅塊加工而成，內(nèi)插8根電加熱棒構(gòu)成，不存在接觸熱阻的問題。

2 ?實驗方法

實驗采用穩(wěn)態(tài)池沸騰實驗方法，通過熱水箱的大功率電加熱器使熱水箱內(nèi)的水循環(huán)加熱，直至接近飽和溫度，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)維持水溫;再通過控制系統(tǒng)開啟水泵3將熱水箱內(nèi)的水注入實驗水箱;實驗水箱內(nèi)充滿水后，啟動實驗件加熱體中的電加熱棒加熱實驗件，在不同的加熱棒功率下觀察沸騰現(xiàn)象，實時監(jiān)測實驗元件的熱電偶測點溫度，當(dāng)恒定功率水平上溫度趨于穩(wěn)定時，記錄此溫度數(shù)值作為穩(wěn)態(tài)沸騰實驗的溫度數(shù)據(jù);逐級提高實驗件的加熱功率，在發(fā)生CHF（即發(fā)生膜態(tài)沸騰）之前重復(fù)上述工作。CHF出現(xiàn)（核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變成膜態(tài)沸騰）時關(guān)閉加熱器，記錄CHF出現(xiàn)時的相關(guān)數(shù)據(jù)。在沸騰表面冷卻過程中通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄數(shù)據(jù)，并使用相機記錄池沸騰過程。

3 ?實驗結(jié)果分析

文中將換熱表面完全水平朝下定義為0°，換熱表面完全水平朝上定義為180°。通過穩(wěn)態(tài)實驗測量了分體和整體銅光表面實驗件在傾角5°、45°、60°、90°、180°下的CHF，計算方法同Arvind等[5]的計算過程相同，本實驗CHF對比如圖3所示。

對比整體和分體銅光表面實驗件在各個傾角下的CHF，以整體試驗件的CHF值為基準(zhǔn)，分體試驗件在傾角5°、45°、60°、90°、180°下的CHF誤差分別為0.332%、3.2%、1.14%、0.036%、0.71%，整體小于1.5%。說明采用分體實驗件代替整體實驗件進(jìn)行沸騰換熱實驗可行。本實驗測得的CHF隨傾角變化的趨勢與Yong Mei等[5]的實驗結(jié)果相近，傾角小于90°時，CHF隨著傾角的增加而增大;傾角大于90°的CHF值反而大于傾角為180°時的CHF值。

4 ?分析與討論

分體試驗件采用導(dǎo)熱硅脂填充加熱體和實驗元件的接觸面，從而引入附加熱阻。分體實驗件替代整體試驗件的關(guān)鍵在于避免附加熱阻的增加而導(dǎo)致加熱體內(nèi)電加熱棒溫度過高，因此，如何選擇導(dǎo)熱硅脂和控制導(dǎo)熱硅脂厚度顯得至關(guān)重要。

本實驗使用的分體實驗件的銅塊沿?zé)崃髅芏确较虻母叨葹?3cm，對銅塊進(jìn)行熱導(dǎo)率測量后，λcu取為398W/（m·K），根據(jù)公式（1）得到實驗件整體銅的熱阻為 ?8.29×10-4（m2·K）/W。分體實驗裝置附加的導(dǎo)熱熱阻主要為接觸熱阻和導(dǎo)熱硅脂的多余厚度兩部分組成。根據(jù)冼耀琪[6]在固-固平面接觸熱阻的研究，本實驗銅光表面在小壓力條件下的接觸熱阻近似取為2×10-5（m2·K）/W;本實驗使用的導(dǎo)熱硅脂熱導(dǎo)率為11W/（m·K），導(dǎo)熱硅脂多余厚度帶來的附加熱阻可由公式（1）計算：

（1）

式（1）中Δx為固體厚度，單位為mm，λ為熱導(dǎo)率，單位為W/（m·K）。

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律如公式（2）可以得出，當(dāng)分體和整體實驗件的冷熱源溫度分別近似相等時，分體實驗件的附加熱阻帶來的誤差會線性的影響臨界熱流密度。當(dāng)CHF的誤差范圍限定在一定范圍時，導(dǎo)熱熱阻的變化范圍也需控制在相同范圍內(nèi)，從而導(dǎo)熱硅脂的厚度也將限制在一定范圍之內(nèi)。

（2）

式（2）中R為熱阻，單位為（m2·K）/W，q為熱流密度，單位為W·m-2，為銅的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·K）。dT/dx為沿?zé)崃髅芏萹方向的溫度梯度。

（3）

式（3）中R為熱阻，單位為（m2·K）/W，ΔT為冷熱源溫差，單位為K，q為熱流密度，單位為W·m-2。

分體實驗裝置的附加熱阻R是影響CHF的主要因素，銅界面接觸熱阻R1不易改變，因此如何涂抹導(dǎo)熱硅脂控制附加熱阻R2顯得格外重要，根據(jù)公式（3）可以得到當(dāng)分體實驗結(jié)果與整體實驗的誤差小于5%時，導(dǎo)熱硅脂的厚度應(yīng)限制在0.22mm以內(nèi)。

5 ?結(jié)語

銅光表面在分體實驗裝置上測得的CHF與整體實驗裝置相比，誤差在各個傾角下均控制在5%以內(nèi)，CHF隨傾角的變化趨勢保持一致。分體實驗裝置的接觸熱阻和導(dǎo)熱硅脂帶來的熱阻是造成誤差的原因，控制誤差的關(guān)鍵在于涂抹導(dǎo)熱硅脂的厚度，當(dāng)導(dǎo)熱硅脂的厚度小于0.22mm時，誤差可以控制在5%以內(nèi)。分體實驗裝置能夠在一定誤差范圍內(nèi)代替整體實驗裝置。

參考文獻(xiàn)

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