强迫循环沉淀式冷阱试验与数值模拟

冯 波，龙俞伊，毕可明，柴宝华，卫光仁，韩 冶

（中国原子能科学研究院 反应堆工程研究设计所，北京 102413）

液态金属钠钾合金作为一种高效冷却剂近年来被广泛应用于反应堆领域，相较于传统冷却剂水，其具有更优良的热工水力特性。然而在钠钾合金的热传输系统中，杂质（尤其是氧）对其性能和可靠性均有较大危害［1］。冷阱作为一种有效的净化手段［2］成为钠钾合金热传输系统中最重要功能部件之一。

目前国内尚无对钠钾合金进行杂质尤其是氧含量测量和分析的有效技术手段，而对冷阱的温度分布研究可间接地获知其净化效果，这对于了解和控制系统中钠钾合金的纯度是具有实际意义的。本文对一种最具代表性的强迫循环沉淀式冷阱进行传热分析，采用数值方法进行模拟计算，并与试验结果进行比较。

1 结构参数

图1为强迫循环沉淀式冷阱结构示意图，其由回热区、冷却区和沉淀区组成。这种型式的冷阱既增加了工质横向流的面积，也提高了冷阱的容量和效率，且冷阱内上半部的回热设计更加合理地利用了热量，体现了一体化的设计思想［2］。

图1 强迫循环沉淀式冷阱结构示意图Fig.1 Structural scheme of precipitation type cold trap in forced circulation

冷阱的设计原则主要有两点：1）工质在冷阱中停留的时间≥5 min。这个最佳停留时间是个经验值［1］。过短的停留时间会导致高流速，不但会增加冷阱内温度的不均匀性，还会对冷却功率提出较高要求，这对于采用空气冷却的冷阱非常不利。而过长的停留时间则导致低流速，降低净化效率。2）沉淀区的温度要≤70 ℃。一般认为这个温度下的饱和氧含量是满足使用要求的［3］。

据此原则建立冷阱传热模型如图2所示，建立平衡关系式：

式中：T 为温度；下标n、c、t分别为热NaK、冷NaK 和空气；K1、K2、K3为中间变量，具体表达式为：

式中：U 为总传热系数；W 为质量流量；D 为当量直径；cp为比定压热容。

图2 冷阱传热模型Fig.2 Heat transfer model of cold trap

回热区的螺旋形回热器可视为一热交换器，热平衡关系式为：

在已有的液态金属传热计算中，Lyon 公式［4］应用最为广泛，因此，选其为钠钾侧的传热关系式；空气侧的传热则用Dittus-Boelter公式［5］，分别如式（6）、（7）所示：

联立以上式（1）～（7）计算可得冷阱的各项基本参数，本次研究冷阱的参数列于表1。

表1 冷阱主要参数Table 1 Main parameters of cold trap

2 试验装置及数据测量分析

2.1 试验装置

本试验装置是作为钠钾合金传热试验回路的一条重要功能支路开展相关试验的，试验装置示意图如图3所示。

图3 冷阱试验装置示意图Fig.3 Scheme of experiment device for cold trap

额定运行工况下，主回路运行在400 ℃高温下，冷阱净化支路从主泵出口取流量约0.35m3／h的工质经过冷阱净化，通过风机自动控制沉淀区温度在70℃以下，但不宜使进出口温差过大，防止带入其他热冲击问题。

2.2 测点布置及误差

冷阱传热性能试验需测量记录的数据主要有：冷阱进口钠钾合金流量Q、冷阱进口钠钾合金温度Tin、冷阱出口钠钾合金温度Tout、冷阱冷却风道风量Qair、冷阱冷却风道进口温度Tair-in、冷阱冷却风道出口温度Tair-out、冷阱沉淀区温度Tc。

试验结果涉及到温度和流量两个参数，这两个参数均是通过传感器测量直接得到的。温度采用K 型热电偶测量，其精度为Ⅰ级，为0.4%t（t为测量温度），对于研究冷阱特性，此误差可接受。流量采用电磁流量计测量，此流量计使用前经过试验台架的量筒标定。

2.3 试验结果及分析

冷阱试验装置运行时间大于1 100h，使用计算机自动数据采集，将获得的数据整理成曲线如图4所示。

在试验中发现，随运行时间的增加，冷阱入口流量逐渐减小，分析原因有两种：1）调节阀开度太小，阀头处杂质堵塞；2）冷阱内杂质沉淀，局部堵塞。操作调节阀后流量恢复，确认是阀头堵塞的原因。但在主回路高温运行过程中，要尽量减少操作冷阱流量，原因有两点：1）冷阱流量的变化会引起主回路流量的变化，影响试验段数据的连续性；2）流量的变化会引发主回路的热负载响应，导致热应力冲击。

图4 冷阱试验数据曲线Fig.4 Curve of experiment data for cold trap

3 数值模拟

本文的数值模拟分析采用CFX12.0程序，建立冷阱1∶1三维模型进行计算，一是可与试验对比，验证设计的准确性；二是可观察冷阱在工作时沉淀区温度分布是否均匀，这也将直接影响冷阱的性能。

3.1 网格划分及边界条件设置

为准确模拟各区域的物理场，选取适当的interface面将冷阱划分成3部分，分别生成网格［6］。冷阱冷却区和风道部分因尺寸较大且形状规则，采用结构化的网格进行划分，大幅减少了网格的数量，这部分的网格总数约35万，如图5所示。冷阱回热区螺旋回热管的尺寸相对整个回热区较小，且连接处不规则，使整个结构显得较为复杂，因此采用非结构化网格划分，这部分的网格总数约105万，如图6所示。

图5 冷却区及风道网格划分Fig.5 Mesh of cooling area and air duct

为与试验结果进行比对，模型入口边界取工质流量0.22m3／h，温度400 ℃，出口边界取压力出口边界条件，风机风量取0.348kg／s，风道进口温度取试验值13.4℃，外边界简化为绝热层，其他分割界面需设置导热热阻δ／λ。

3.2 计算结果验证分析

计算得到的结果与试验得到的数据比较列于表2。

图6 回热区网格划分Fig.6 Mesh of recuperator area

表2 计算值与试验值比较Table 2 Comparison of simulation and experiment results

结果显示，计算值与试验值吻合得很好，尤其是沉淀区温度，并且沉淀区温度周向分布在此工况下非常均匀，有利于杂质均匀析出，提高冷阱的能力。而计算出口温度偏高是由于将边界设为绝热的缘故。

4 冷阱工作特性分析

在数值计算得到验证的基础上，对所设计的冷阱进行完整的工况校验，获取其工作特性曲线。

图7示出冷却空气入口参数对沉淀区温度的影响。沉淀区温度随空气入口温度的升高而升高，但影响较小，它表明环境温度的变化对冷阱沉淀区的影响可忽略；而在冷却空气与壁面温差小于20℃时，空气流量的变化对沉淀区影响很小。这对于风机选型具有实际指导意义。图8示出冷阱的工作特性曲线，在风机选型确定时，冷阱对入口钠钾合金流量要有限制，否则冷阱将不能很好地净化工质。在此基础上，绘制出改型冷阱的最佳工作曲线，当冷阱入口参数运行在曲线的左下方（最佳工作区）时，冷阱沉淀区的温度始终小于70℃，此时冷阱的净化效果最好。

图7 空气入口参数对沉淀区温度的影响Fig.7 Influence of air inlet parameter on temperature of precipitation area

在计算过程中发现，风道入口上方存在流动缓滞区，阻碍冷却区传热，因此可在风道入口挡板上方增加通风孔增强换热。其次，回热区螺旋管内外温差较小。分析原因首先是因为钠钾合金流速较低，此时浮升力对冷阱内部温度分布影响较大，促进了轴向和径向温度的均匀分布。另外钠钾合金优良的热传导性能也使得传热效率大幅提高。因此，设计时为提高回热效率而采用的双螺旋管结构可简化为单螺旋，这既节省了成本，也可满足换热要求。

图8 冷阱工作特性曲线Fig.8 Characteristic curves of cold trap

5 结论

利用CFX 程序对冷阱运行工况进行数值模拟，在与试验数据比较验证的基础上，得出以下结论：

1）所采用的CFX 模型计算结果与实际冷阱运行工况相符，计算结果准确可信，对冷阱的设计具有很好的参考价值；

2）该型式冷阱工作区温度分布较均匀，有利于杂质析出。当冷阱入口为额定温度400℃时，要使沉淀区温度保持在70 ℃之下，则入口流量应≤0.38m3／h；

3）冷阱的设计可优化，通过开孔可提高风道入口上方的传热系数，且回热区可采用单螺旋管提高换热效率。

［1］ 快堆研究编辑部.钠钾工程手册：第Ⅴ卷［M］.北京：［出版者不详］，1986：12-15.

［2］ 刑朝青.钠的净化技术［J］.核动力工程，1989，10（1）：75-82.XING Chaoqing.Purification technique for sodium［J］.Nuclear Power Engineering，1989，10（1）：75-82（in Chinese）.

［3］ PEARSON J B，GODFROY T J，REID R S，et al.NaK plugging meter design for the feasibility test loops［C］∥Proceedings of 2008International Cogress on Advances in Nuclear Power Plants（ICAPP 2008）.CA：American Nuclear Society Press，2008.

［4］ LYON R N.Liquid metal heat transfer coefficients［J］.Chem Eng Prog，1951，47（2）：75-79.

［5］ 杨世铭，陶文铨.传热学［M］.3 版.北京：高等教育出版社，1998：162-169.

［6］ 谢龙汉，赵新宇，张炯明.ANSYS CFX 流体分析及仿真［M］.北京：电子工业出版社，2012：32-44.