以R134a为工质的乏燃料池非能动冷却热管实验研究

王明路，熊珍琴，顾汉洋，叶 成，程 旭

(上海交通大学 核科学与工程学院，上海 200240)

分离式热管换热器适用于大型换热装置，在电力、石化、冶金工业的余热回收中得到愈来愈多的应用[1-7]。为此，国内外针对分离式热管的研究较多，如Roger等[3]对应用于航天任务的小型热管启动特性及工况变动特性进行了详细研究。朱玉琴[7]研究了φ25 mm×2 mm，长1.44 m分离式热管的管内传热关系式。此类研究主要针对尺度较小的热管。在核电领域，Sugawara等[8]考虑了具有固有安全性的压水堆设计，采用了分离式热管散热方案；Lin等[9]和Mochizuki等[10]也设计了压水堆安全壳分离式热管散热系统；Ye等[11]提出采用分离式热管进行乏燃料水池的完全非能动冷却；与此同时Areva和西屋公司各自提出了基于热管冷却乏燃料水池的方案[12]。虽然基于分离式热管的非能动安全系统设计不断涌现，但对于此类设计的核心部件——大尺度分离式热管的换热特性实验研究国内外却鲜有报道。

本文设计并搭建分离式热管换热性能实验平台，开展多种工况下的大尺度分离式热管换热实验，获得大尺度分离式热管整体换热特性实验数据，为分离式热管应用于核电站的非能动余热排出设计提供热管性能的设计输入参数。

1 实验系统及实验方法

本实验的目的是研究多种参数条件下大尺度热管的换热特性，为此设计如图1所示的定水温实验系统。系统能测量特定入口水温、入口水流速和空气速度条件下分离式热管的换热性能。

实验系统主要由水套管加热系统、热管回路、空气通道和测控系统组成。热管蒸发段被外部水套管中的热水加热，水套管外径为219 mm，特定温度的热水从其上部入口流入，向下流经热管蒸发段后，由其下部出口流出。加热水的进、出口温度和流量由热电偶和电磁流量计监测。

图1 分离式热管实验系统原理图

分离式热管本体材料为304不锈钢，包括蒸发段、上升管、冷凝段、下降管和绝热段。热管的蒸发段长为7.6 m，外径为76 mm，壁厚为5.5 mm，沿蒸发段高度方向均匀布置7只T型热电偶测量蒸发段内不同高度工质的温度，如图2所示，其中第1根热电偶测量位置距离加热段底部0.6 m，其余6根热电偶的间距均为1 m。蒸发段的进、出口温度和压力同时被采集，平均压力为热管的工作压力。

冷凝段由带翅片的不锈钢管倾斜15°蛇形绕成，长为20 m，内径为65 mm。变频风机产生的风在风道中冷却分离式热管的冷凝段，进、出口风温和风速由热电偶和风速计采集。下降管内径为15 mm，水平绝热段的直径与下降管的相同。

图2 热管蒸发段测点布置

加热水套管、热管上升段、热管下降管和水平绝热段均进行了有效的保温处理。选取R134a为分离式热管工质。热电偶、压力和流量的不确定度分别在0.5 ℃、0.1%和1%以内。

实验前，使用真空泵建立实验回路的真空度，保证回路内绝对压力在10 Pa以内，然后注入R134a，使得回路中R134a的体积占回路总体积的21%。

热管换热能力采用换热量Q评价，计算式为：

(1)

热管工质循环流量m计算式为：

m=Q/(hout-hin)

(2)

式中，hin、hout分别为分离式热管蒸发段进出口焓，kJ/kg。

热管蒸发段平均换热系数计算式为：

(3)

2 实验结果及讨论

2.1 热管整体换热性能

热管的驱动不需要外部电源，其内部工质流动的驱动力是冷热源温差，即热水温度和空气温度差。本文测量了226组不同冷热源温差下热管的换热量，如图3所示。图3中横坐标为热水进出口平均温度与空气进出口平均温度之差，纵坐标为换热量。从图中可看出，随温差的增大，换热量呈增加的趋势。在温差为51 ℃时，换热量最高达21 kW，能为乏燃料池的冷却提供较好的冷却效果。

图3 分离式热管整体换热性能

图3数据覆盖了较为宽广的工况范围，空气温度为25～39 ℃，空气流速为0.5～2.5 m/s，热水入口温度为50～90 ℃，热水流速为0.008～0.02 m/s。工况覆盖了乏燃料池处于比较恶劣的夏季工况范围，根据此数据拟合得到换热量和冷热源温差的关系式(式(4))。该关系式能用于快速预测热管的换热性能，在工程应用中具有指导意义。

Q=0.369 8(twa-taa)-2.547

(4)

2.2 热管蒸发段流体温度分布

应用于乏燃料池的热管蒸发段具有尺度大的特点，不仅竖直高度较高，而且热负荷大导致采用的圆管内径大。蒸发段内两相区增长能有效促进换热，为研究内径较大时蒸发段内是否形成较长的两相区，本文测量了蒸发段内工质R134a的温度。在加热水入口水温为70 ℃、加热水在辅助套管内水流速为0.02 m/s、空气流速为2.0 m/s时，热管蒸发段内工质R134a温度分布如图4所示。

图4 分离式热管蒸发段内R134a温度分布

在蒸发段入口处，管内工质R134a处于过冷状态，压力为1.289 MPa，温度为48.9 ℃。随高度的增加，R134a吸收热量，温度逐渐升高，当高度达到距蒸发段入口0.6 m处时，R134a达49.4 ℃。此后R134a处于饱和状态。由于沿着蒸发段上升过程中产生压力损失，当地压力逐渐降低，因而此后处于饱和状态的R134a的温度沿着高度增加逐渐下降。当高度从0.6 m增大到6.6 m时，R134a温度从49.4 ℃下降到48.3 ℃。高度从6.6 m升到蒸发段出口7.6 m时，R134a温度出现突然升高，这是由于R134a达到了过热状态，该区域处于单相过热蒸汽，因而R134a温度升高显著，从48.3 ℃升至51.6 ℃。热管蒸发段主要为两相区，管内侧换热效果较好。

2.3 热源入口水温的影响

热源加热水温度影响热管的驱动力，为研究热源温度的影响，本文测量了空气流速为1.5 m/s、热源入口水流速为0.02 m/s、空气入口温度为28.5 ℃时，热源入口水温在50～90 ℃变化过程中，热管的工作温度、换热量、管内工质循环流量和蒸发段平均换热系数的变化规律。

各参数随热源入口水温的变化如图5所示。从图5a可看出，热管工作温度随着热源入口水温线性升高。热源入口水温为50 ℃时，热管工作温度为38.5 ℃；热源入口水温为90 ℃时，热管工作温度为61.3 ℃。从图5b可看出，热管在乏燃料池温度区域(50～90 ℃)具有较好的换热能力，能有效冷却乏燃料池。热源入口水温为50 ℃时，热管蒸发段换热量为5.3 kW，在外热源温度并不高的情况下，以R134a为工质的大尺度分离式热管换热量已十分可观；当热源入口水温升至90 ℃时，热管蒸发段换热量更是线性增加至19.6 kW，为入口水温50 ℃时换热量的3.7倍。这是因为热源入口水温度的升高不仅能增大热管换热温差，且热源入口水温度的增加使蒸发段内平均密度降低，即热管的冷热段之间的密度差增大，因而热管循环系统的驱动力增强，R134a循环流量相应增大，同样促进热管蒸发段和冷凝段管内侧换热，因而整体换热量出现显著增加。

图5 各参数随热源入口水温的变化

从图5c可看出，分离式热管循环流量随着热源入口水温升高线性增大。热源入口水温从50 ℃升至90 ℃的过程中，工质循环流量从0.031 kg/s升至0.13 kg/s，升高了319%。从图5d可看出，蒸发段平均换热系数同样是随热源入口温度线性增加。随着热源入口温度从50 ℃升至90 ℃，蒸发段平均换热系数从385.7 W/(m2·℃)升至686.7 W/(m2·℃)，增加了78%。热源入口温度的升高使蒸发段壁面过热度加大，管壁汽化核数增加，同时由于工作温度的升高，使气泡的最小直径和脱离直径减小，循环流量的增加能提高管内工质的扰动强度，因而换热系数在热源入口温度升高时增大。

将分离式热管作为余热排出系统，热管工作环境温度升高，热管的换热能力、平均换热系数随之增强，给系统带来有益的负反馈效应。

2.4 冷凝段外风速的影响

冷凝段外空气速度影响热管最终将热量传输到热阱空气中的能力。为研究其对热管整体性能的影响，在热源入口水温为70 ℃、热源入口水流速为0.02 m/s、空气入口温度为29 ℃时，空气流速从0.5 m/s逐渐增大到2.5 m/s，获得热管的工作温度、换热量、管内工质循环流量和蒸发段平均换热系数的变化规律。各参数随风速的变化示于图6。从图6a可看出，冷凝段风速为0.5 m/s时，热管工作温度为54 ℃；当风速增大至2.5 m/s时，热管工作温度降至48.3 ℃。由此可见，虽然冷凝段外风速的增加能在一定程度上减小热管工作温度，但随着风速增加到一定程度，风速对热管工作温度的影响越来越弱。从图6b可看出，风速为0.5 m/s时，换热量已达9.2 kW，随风速的增加，换热量呈二次曲线增加。空气速度较小时，换热量增加幅度较大，换热量从风速0.5 m/s时的9.2 kW增加到风速2.0 m/s时的13.2 kW，增加了43.5%。而空气速度较大时，换热量的增加幅度较小，如风速从2.0 m/s增加到2.5 m/s时，换热量仅增加了1.6%。

从图6c可看出，循环流量以二次曲线方式随风速的增大而增大。风速为0.5 m/s时，循环流量为0.06 kg/s；风速为2.0 m/s时，循环流量为0.084 kg/s，继续增大风速，循环流量基本不变，风速为2.5 m/s时，循环流量为0.085 kg/s。冷凝段风速的增加使回路中密度差增大，循环驱动压头的增加需要压降的增加以达到平衡，故循环流量随之增大。从图6d可看出，风速从0.5 m/s增大到2.5 m/s的过程中，蒸发段平均换热系数从538.4 W/(m2·℃)增大至597.6 W/(m2·℃)，增大了11%，增加幅度较小。

图6 各参数随风速的变化

3 结论

本文针对应用于核电站乏燃料水池的非能动余热排出的大尺度热管展开实验研究，搭建了具有7.6 m高蒸发段的大尺度热管实验回路，以R134a为工质，测量了宽广工况范围下热管的性能，获得了大尺度分离式热管整体换热性与冷热源温差的关系式，有助于工程上快速预测热管换热性能。通过试验数据研究了蒸发段内的工质R134a温度分布特性，分析了热源温度、冷凝段风速对热管工作温度、热管换热量、工质循环流量和蒸发段平均换热系数的影响。热管的换热能力随着热源温度线性增加，当热源入口水温为90 ℃、水流速为0.02 m/s、空气入口温度为28.5 ℃、空气流速为1.5 m/s时，以R134a为工质的热管达到最大换热量21 kW，蒸发段平均换热系数达686.7 W/(m2·℃)。当冷凝段风速较低时，增大风速能提高热管换热能力。但若持续提高风速，热管的换热能力并不会有明显的增强。

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