陳 沖

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

為大幅度提高船舶的續(xù)航能力或浮動(dòng)平臺的發(fā)電量，核動(dòng)力裝置逐漸被引入船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域[1-2]。由于船舶的空間有限，為進(jìn)一步提高堆芯壽期和堆芯的功率密度，堆芯的布置形式逐步由陸用核電廠的棒式結(jié)構(gòu)發(fā)展為船用的板式結(jié)構(gòu)，而板式結(jié)構(gòu)堆芯的流動(dòng)換熱特性與矩形換熱器的流動(dòng)換熱特性類似[3-6]。同時(shí)由于矩形換熱器的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其單位體積的極限熱流密度和換熱效率明顯高于其他換熱器，矩形換熱器也越來越多的應(yīng)用在船舶領(lǐng)域，同時(shí)在核安全領(lǐng)域的應(yīng)用也較多[7-8]。核動(dòng)力系統(tǒng)相比于常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)其安全性受到越來越多的重視，隨著AP1000、華龍一號等第三代核電站的建設(shè)，非能動(dòng)安全的思想被引入核動(dòng)力一回路、二回路的設(shè)計(jì)中，堆芯余熱排出安全設(shè)計(jì)主要采用一回路非能動(dòng)換熱或二回路非能動(dòng)換熱兩種形式，且均采用自然循環(huán)形式。自然循環(huán)非能動(dòng)換熱主要采用冷源和熱源的密度差進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。在全廠斷電或全船斷電的情況下自然循環(huán)非能動(dòng)安全系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)堆芯衰變熱的導(dǎo)出，防止堆芯融化。因此板式堆芯或矩形換熱器的自然循環(huán)流動(dòng)特性的研究對核安全的影響較大。田文喜[9]、孫中寧[10]、楊瑞昌[11]等對矩形換熱器的自然循環(huán)的換熱特性、自適應(yīng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析。

綜上所述，自然循環(huán)非能動(dòng)安全設(shè)計(jì)對船用核動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行起著重要的作用，而目前針對自然循環(huán)特性的研究主要集中在陸用核電廠自然循環(huán)換熱特的性研究，針對船用的板式堆芯或矩形換熱器的自然循環(huán)流動(dòng)特性研究較少。本文根據(jù)船用堆芯或矩形換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開展單矩形通道內(nèi)單相-兩相自然循環(huán)流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了研究船用板式堆芯或矩形換熱器單矩形通道內(nèi)的單相-兩相自然循環(huán)流動(dòng)特性，建立單矩形通道自然循環(huán)流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括自然（強(qiáng)迫）循環(huán)回路和輔助冷卻回路，其中自然（強(qiáng)迫）循環(huán)回路包含2個(gè)熱源，輔助冷卻回路包含一個(gè)冷源，且冷源與熱源之間有一定的高度差以保證自然循環(huán)的建立和持續(xù)運(yùn)行，預(yù)熱器和直流加熱電源2個(gè)熱源的最大加熱功率分別為45 kW和100 kW，冷源為室外冷卻塔。通過控制主泵的旁通閥，自然（強(qiáng)迫）循環(huán)回路可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫循環(huán)和自然循環(huán)之間的切換。單矩形通道實(shí)驗(yàn)裝置自然循環(huán)的建立主要有兩種方式，一種方式是直接開啟熱源和冷源，并打開主泵的旁通閥，緩慢增加熱源的功率，利用冷源和熱源的密度差逐漸驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)流體的穩(wěn)定運(yùn)行；另一種方式是關(guān)閉旁通閥，開啟主泵使流體在回路中持續(xù)運(yùn)行，而后開啟預(yù)熱器和直流電源2個(gè)熱源持續(xù)給流體加熱，當(dāng)流體溫度差達(dá)到一定值時(shí)，打開旁通閥并逐漸降低主泵轉(zhuǎn)速直至關(guān)閉主泵，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的流體依靠密度差將實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)流動(dòng)。以上2種方法均可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的自然循環(huán)流動(dòng)，但是第一種直接開啟冷源和熱源的方法如果系統(tǒng)管路阻力較大，則需要持續(xù)增加熱源的溫度，可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)熱器或單矩形通道超溫，而導(dǎo)致?lián)p壞。同時(shí)在核動(dòng)力船舶全船斷電的情況下自然循環(huán)也是由強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)的轉(zhuǎn)換，因此本實(shí)驗(yàn)研究中主要采用第2種方式建立單矩形實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的自然循環(huán)。為實(shí)時(shí)監(jiān)測自然循環(huán)系統(tǒng)中的流量和單矩形通道的壁面溫度，在實(shí)驗(yàn)回路中安裝了電磁流量計(jì)并在單矩形通道外側(cè)安裝了N型熱電偶，電磁流量劑的測量誤差在±0.5%以內(nèi)，熱電偶的測量誤差在±0.2 ℃以內(nèi)。

圖1 單矩形通道自然循環(huán)流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Single rectangular channel experimental device of the natural circulation flow characteristics

船用板式堆芯或矩形換熱器單矩形通道的示意圖如圖2所示，單矩形通道的內(nèi)尺寸為2 mm×40 mm，為監(jiān)測單矩形通道的壁面溫度，在其外表面焊接了N型熱電偶。云母板、不銹鋼殼是為了保證單矩形通道的電絕緣和強(qiáng)度，保溫棉和鋁箔用于對實(shí)驗(yàn)通道的保溫。

圖2 單矩形通道示意圖Fig.2 Schematic diagram of single rectangular channel

2 單矩形通道自然循環(huán)變化規(guī)律分析

船用板式堆芯或矩形換熱器單矩形通道內(nèi)自然循環(huán)流動(dòng)特性的變化規(guī)律如圖3所示。圖中給出了單矩形換熱器壁面溫度和自然循環(huán)質(zhì)量流速的變化規(guī)律，隨著熱流密度的逐漸增加單矩形通道壁面溫度有2個(gè)明顯的拐點(diǎn)，即過冷沸騰起始點(diǎn)（ONB）和壁面溫度突升點(diǎn)。同時(shí)隨著熱流密度的增加，單矩形通道內(nèi)的自然循環(huán)質(zhì)量流速存在3個(gè)明顯的拐點(diǎn)，即通道出現(xiàn)過冷沸騰起始點(diǎn)、飽和沸騰點(diǎn)及自然循環(huán)流量突降點(diǎn)，且單矩形通道壁面溫度的變化與自然循環(huán)質(zhì)量流速的變化存在對應(yīng)關(guān)系。在過冷沸騰起始點(diǎn)之前，即單矩形通道內(nèi)的流體為單相流動(dòng)，隨著熱流密度的增加單矩形通道的壁面溫度和自然循環(huán)質(zhì)量流速呈線性增加，主要因?yàn)殡S熱流密度的增加流體吸收更多的熱量，流體溫度逐漸升高密度逐漸減小，從而導(dǎo)致冷、熱源流體的密度差增加，系統(tǒng)自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力增加，質(zhì)量流速逐漸增加。

圖3 單矩形通道內(nèi)自然循環(huán)流動(dòng)特性變化規(guī)律Fig.3 Variation of natural circulation flow characteristics in single rectangular channel

從圖3還可以看出，在過冷沸騰區(qū)域，即單矩形通道內(nèi)流體剛出現(xiàn)過冷沸騰但還沒有達(dá)到飽和沸騰的區(qū)域，此區(qū)域自然循環(huán)流量隨著熱流密度的增加基本保持不變，而壁面溫度出現(xiàn)較大幅度的增加，主要因?yàn)殡S著熱流密度的增加過冷沸騰區(qū)域有頻繁的氣泡產(chǎn)生和湮滅，會(huì)造成單矩形通道內(nèi)的流動(dòng)阻力增加，通道阻力的增加正好抵消冷熱源密度差導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)力的增加，因此在過冷沸騰區(qū)域自然循環(huán)流量隨熱流密度的增加，基本保持不變。同時(shí)由于熱流密度增加，而流體帶走的能力基本保持不變，從而使壁面溫度較大幅度的增加。在飽和沸騰區(qū)域，隨著單矩形通道加熱熱流密度的增加自然循環(huán)質(zhì)量流速呈線性增加，且增加的梯隊(duì)比較大。但在流量突降點(diǎn)處自然循環(huán)質(zhì)量流速大幅度減小，同時(shí)壁面溫度會(huì)大幅度增加。主要是因?yàn)樵诰匦瓮ǖ里柡头序v區(qū)域氣泡脫離壁面并隨著流體流動(dòng)的方向移動(dòng)，從而產(chǎn)生了較大的浮升力，自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力明顯增加，從而促使自然循環(huán)流量明顯增加，此時(shí)的加熱熱流密度一部分被流體帶走，一部分轉(zhuǎn)化為飽和氣泡的汽化潛熱，從而使壁面溫度隨著熱流密度的增加其增加的梯度較小。在自然循環(huán)流量突降點(diǎn)處，此時(shí)由于飽和氣泡產(chǎn)生的浮升力與阻力達(dá)到了一個(gè)最優(yōu)的平衡，隨著熱流密度的增加，單矩形通道內(nèi)的沸騰程度持續(xù)增加，此時(shí)飽和氣泡產(chǎn)生的阻力明顯大于自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，自然循環(huán)流量將會(huì)降低，流量的降低又促進(jìn)流體的沸騰程度，在正循環(huán)的促使下，自然循環(huán)流量將會(huì)有一個(gè)大幅度降低，直至達(dá)到自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力和阻力新的平衡。

3 單矩形通道自然循環(huán)影響因素分析

單矩形通道內(nèi)出口平衡態(tài)含汽率對自然循環(huán)質(zhì)量流速的影響如圖4所示。從圖中可以看出，在飽和沸騰區(qū)域隨著出口含汽率的增加，單矩形通道內(nèi)自然循環(huán)的質(zhì)量流速增加的梯度很大，也就意味著單矩形通道內(nèi)自然循環(huán)的質(zhì)量流速對出口含汽率比較敏感，通道內(nèi)飽和氣泡產(chǎn)生帶來的浮升力和密度差較大的增加了自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力。從圖4還可以看出，單矩形通道自然循環(huán)質(zhì)量流速在出口含汽率為0.01～0.02區(qū)間時(shí)到達(dá)峰值。

圖4 出口含氣率對自然循環(huán)質(zhì)量流速的影響Fig.4 The effect of equilibrium vapor fraction at the outlet on natural circulation flow rate

不同系統(tǒng)壓力工況下單矩形通道內(nèi)自然循環(huán)質(zhì)量流速隨入口溫度的變化規(guī)律如圖5所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同系統(tǒng)壓力和加熱熱流密度工況下，隨著流體入口溫度的增加，單矩形通道內(nèi)單相-兩相自然循環(huán)質(zhì)量流速逐漸增加，主要因?yàn)樵诙訜釤崃髅芏裙r下，隨著流體入口溫度的提升，流體的平均溫度逐漸提高，冷熱源的密度差逐漸增加，同時(shí)在飽和沸騰區(qū)域隨著入口溫度的增加，飽和氣泡產(chǎn)生的速率和數(shù)量增加，由氣泡產(chǎn)生的浮升力逐漸增加，在兩者的共同作用下自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力逐漸增加，自然循環(huán)的質(zhì)量流速逐漸增加。

從圖5還可以看出，隨著單矩形通道入口流體溫度的增加，自然循環(huán)最大質(zhì)量流速逐漸增加，同時(shí)自然循環(huán)流量突降點(diǎn)對應(yīng)的熱流密度逐漸減小。這主要是因?yàn)樵谙到y(tǒng)壓力不變的情況下流體的飽和溫度不變，隨著入口溫度的增加，熱源的平均溫度增加，冷熱源的密度差增加，自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力增加，導(dǎo)致自然循環(huán)的最大質(zhì)量流速增加。由于在相同系統(tǒng)壓力下自然循流量突降點(diǎn)對應(yīng)的出口平衡態(tài)含汽率基本保持不變，所以隨著入口流體溫度的提升，流量突降點(diǎn)對應(yīng)的熱流量密度逐漸降低。

圖5 自然循環(huán)質(zhì)量流速隨入口溫度的變化規(guī)律Fig.5 Natural circulation mass flow rate changes with inlet temperature

單矩形通道內(nèi)自然循環(huán)質(zhì)量流速隨系統(tǒng)壓強(qiáng)的變化規(guī)律如圖6所示。從圖中可以看出，隨著系統(tǒng)壓強(qiáng)Ps的增加，自然循環(huán)質(zhì)量流速突降點(diǎn)對應(yīng)的熱流密度逐漸增加，而最大質(zhì)量流速逐漸減小，同時(shí)隨著系統(tǒng)壓力的增加，飽和沸騰區(qū)域自然循環(huán)質(zhì)量流速隨熱流密度增加的梯度逐漸減小。主要是因?yàn)殡S著系統(tǒng)壓強(qiáng)的增加，流體的飽和溫度逐漸增加，流體需要吸收更多的熱量才能達(dá)到自然循環(huán)質(zhì)量流速突降點(diǎn)對應(yīng)的出口含汽率；同時(shí)在飽和沸騰區(qū)域隨著系統(tǒng)壓強(qiáng)的增加飽和氣泡的直徑逐漸減小，從而由氣泡引起的浮升力和冷熱源密度差效應(yīng)逐漸減小，從而導(dǎo)致在高系統(tǒng)壓力工況下飽和沸騰區(qū)域自然循環(huán)質(zhì)量流速隨熱流密度增加的梯度較小，以及對應(yīng)的自然循環(huán)最大質(zhì)量流速逐漸降低。

圖6 自然循質(zhì)量流速隨系統(tǒng)壓強(qiáng)的變化規(guī)律Fig.6 Natural circulation mass flow rate changes with system pressure

4 結(jié) 語

通過對船用板式堆芯或矩形換熱器的單矩形通道內(nèi)的單相-兩相自然循環(huán)流動(dòng)特性進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，得出如下結(jié)論：

隨著加熱熱流密度的增加，單矩形通道內(nèi)自然循環(huán)質(zhì)量流速和壁面溫度的變化規(guī)律呈對應(yīng)關(guān)系。隨著熱流密度的增加，在單相區(qū)域和飽和沸騰區(qū)域自然循環(huán)質(zhì)量流速呈線性增加，且飽和沸騰區(qū)域自然循環(huán)質(zhì)量流速增加的梯度較大，在過冷沸騰區(qū)域隨著熱流密度的增加自然循環(huán)質(zhì)量流速基本保持不變，而在流量突降區(qū)域隨著熱流密度的增加，自然循環(huán)質(zhì)量流速急劇降低。單矩形通道內(nèi)自然循環(huán)質(zhì)量流速對出口平衡態(tài)含汽率比較敏感，且在出口含汽率為0.01-0.02區(qū)間時(shí)到達(dá)峰值。隨著入口溫度的增加，通道內(nèi)的最大自然循環(huán)質(zhì)量流速逐漸增加，而最大質(zhì)量流速對應(yīng)的熱流密度逐漸減小。同時(shí)隨著系統(tǒng)壓強(qiáng)的增加，單矩形通道內(nèi)最大自然循環(huán)質(zhì)量流速逐漸減小，而最大質(zhì)量流速對應(yīng)的加熱熱流密度逐漸升高。