非能动余热排出换热器池沸腾换热性能研究

王开元，曹夏昕，李 亚，孙中宁

(哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

非能动安全技术是第三代核电站设计的重要理念之一。在下一代核电站非能动安全系统的设计中大都采用浸没式管束换热器导出事故后堆芯内余热[1-3]。在长期运行阶段，管束外主要呈现大容积沸腾现象。目前，针对大容积沸腾换热已展开了大量研究。

Sateesh等[4]通过池沸腾实验证实了汽泡滑移行为对加热表面沸腾换热量的重要贡献。在低热流密度条件下，汽泡滑移距离较长，对换热具有较大影响；在高热流密度条件下，汽泡滑移距离变短，对换热贡献减弱。Gupta等[5]进行了一系列管束核态沸腾实验研究。结果显示，沿汽泡流动方向沸腾换热系数有增大的趋势；在相同条件下，上部管道的沸腾换热性能较底部管道的好。国内也有不少学者[6-8]对管束核态沸腾进行了详细研究。

然而在应用中，尤其是针对大功率核反应堆余热排出换热器，一般都是由大量光管组成。以AP1000非能动余热排出换热器为例，其换热管束由689根光管组成，在这种换热管排布密集的状态下，当换热器在高功率下投入运行时，中心管区域管束外产生的大量气泡能否顺利脱离，周围液体能否有效补给将严重影响着换热器的换热性能。然而，有关这方面的研究尚未见文献报道。为此，本文从实验研究入手，通过分析竖直管束中心管与旁管沸腾换热性能的差异，尝试给出竖直管束换热特性变化规律，为进一步研究密集管束下换热器沸腾换热性能提供参考。

1 实验系统

1.1 实验装置

实验装置(图1)主要由电加热锅炉、高位水箱、换热管束、凝液测量罐、储液罐以及数据采集系统等组成。本实验中，通过电加热锅炉产生0.035～0.57 MPa(表压)的饱和蒸汽作为加热工质。

换热管束由7根管材为B30铜镍合金的光滑管按正三角形排列组成(图2)。为了降低管束内侧蒸汽冷凝时的入口效应，以及管束外侧水箱内液位波动对换热的影响，在每根换热管的上端均包覆有长度为100 mm的绝热硅胶套管，使各换热管有效换热长度均为500 mm。管束顶部的封头内装有流量分配孔板，以保证蒸汽尽可能均匀地流入管束。

图1 实验系统

1、2、3、4表示热电偶位置；1#、2#、3#、4#、5#表示不同测温截面

高位水箱内为常压下的饱和水，水箱内沸腾产生的蒸汽经上方冷凝器冷凝后凝液重新返回水箱，从而维持水箱内液位的恒定。为尽量减少散热对实验结果的影响，实验中对换热管束之外的水箱、管路以及阀门等均采取了保温措施。

1.2 实验参数测量

实验中，沿换热管束的轴向设置了5个测温截面(图2)，与下管板的距离分别为7、17、27、37和47 cm，每个截面均对称点焊1对NiCr-NiSi热电偶，用来测量中心管和旁管的外壁面温度。高位水箱内的水温由固定在管束拉杆上的5个与换热管束等高度的NiCr-NiSi热电偶测量。

热电偶测得的数据由NI数据采集板输入到计算机中保存。另外，采用两个铜-康铜铠装热电偶分别测量管束入口处的蒸汽温度和凝液测量罐内的凝液温度。为考察管束效应以及中心管和旁管换热能力的差异，实验设置了两个凝液测量罐分别收集中心换热管和旁管的凝液量，在完全冷凝状态下即可基于热平衡方程计算得出换热量，进而确定平均热流密度。因此，热流密度的变化仅与饱和蒸汽流量相关，可通过调节设定蒸汽入口压力来分析不同热流密度条件下中心管与旁管换热特性的变化。

2 实验结果与分析

2.1 竖直管束与单管的比较

图3 管束与单管的沸腾换热系数比较

为分析竖直管束与单管的沸腾换热差异，图3示出了竖直管束和单管的沸腾换热系数随热流密度的变化。图3中管束沸腾换热系数实验数据包括中心管与旁管各自的平均换热系数。

由图3可知，在整个实验参数变化范围内，中心管和旁管的沸腾换热系数均明显高于单管。在相同热流密度条件下，管束沸腾换热系数可达到单管的1.2～1.5倍。相对于单管，竖直管束内会形成汽泡上升通道，在管束内形成的汽泡流以及汽液密度差引起的浮升力作用下，诱发饱和液体从管束下部进入管束通道向上流动，形成整体对流运动，管束中这种由上升汽泡诱发的汽液两相流动，可达到较高的流速，这不仅促进了管束外壁面汽泡脱离，同时造成通道内流体剧烈扰动，从而使得壁面换热过程得到进一步的强化[9]。

2.2 竖直管束中心管与旁管的比较

为考察中心管和周围旁管在整个实验参数变化范围内换热特性的差异，本文结合实验现象观察，从壁面过热度、换热量以及沸腾换热系数3方面进行了对比。

1) 实验现象

实验中，旁管均匀分布于中心管周围，即中心管完全处于旁管构成的管束通道内，管壁沸腾产生的气泡趋向通道中心区域流动，气泡导致的流体扰动以及流体速度影响均不同于旁管边缘区域。据此，将竖直管束在径向上的换热区域划分为中心区域和边缘区域(图4)。

图4 换热区域分区示意图

从实验现象的观察来看，在低热流密度下，管束外产气量较低，旁管外壁面脱离的汽泡在浮力的作用下，趋向管道中心区域流动，促进了中心管外壁面汽泡的脱离；在高热流密度下，中心管外含气量明显增加，一部分汽泡聚合后包覆在换热管周围，导致中心管外壁面局部区域形成了汽膜层(图5)。

图5 管束通道内汽泡行为示意图

2) 壁面过热度对比

图6 中心管和旁管各截面壁面温度分布

从中心管与旁管外壁面温度沿换热管轴向的变化(图6)也可看出，在热流密度较低(45 kW/m2)时，旁管各截面处壁面温度均高于中心管对应截面处的温度。随热流密度的增加(109 kW/m2)，出现了中心管和旁管不同截面位置处壁面温度变化的交叉，在热流密度达到182 kW/m2时，中心管外3#截面温度较旁管高出近2 ℃，且随热流密度的增加，温度交叉点具有逐渐向换热管下方移动的趋势。

在本实验的热流密度变化范围内，中心管与旁管外壁面过热度的对比示于图7。从图7可看出，热流密度低于109 kW/m2时，中心管外壁面过热度均低于旁管，而当热流密度高于109 kW/m2时，中心管外壁面过热度则高于旁管。

图7 壁面过热度随热流密度的变化

3) 换热量对比

为进一步说明管束效应对竖直管束不同区域换热能力的差异，图8示出了中心管与旁管凝液量变化曲线。由图8可知，在低热负荷条件下，中心管凝液量是旁管凝液量的1.3倍左右。随热负荷的增加，中心管与旁管凝液量的差别越来越小(图8、9)，即中心管与旁管的换热量趋于相同。

图8 蒸汽压力对凝液量的影响

4) 沸腾换热系数对比

(1)

式中：h中和h旁分别为中心管和周围旁管的沸腾换热系数；Q中和Q旁分别为中心管和周围旁管的单位面积换热量；tw为外壁面温度；tsat为饱和水温度。

图9 中心管与旁管凝液量比值变化

由式(1)可知，中心管与旁管的沸腾换热系数取决于单位面积换热量和壁面过热度的变化。在高热负荷条件下，当单位面积换热量不变时，中心管的壁面过热度高于旁管的壁面过热度，必然导致中心管的沸腾换热系数低于旁管的(图10)。即中心管的换热特性在整个热负荷变化范围内，并不总是优于旁管的。由图10可知，在高热流密度区(大于200 kW/m2)，旁管的沸腾换热系数相对于中心管提高了近7%。同时，从图中实验数据的变化规律来看，中心管与旁管的沸腾换热系数差异有随热流密度增加而逐渐增大的趋势。

图10 中心管与旁管的沸腾换热系数对比

这是因为在热负荷较低时，中心管与旁管核化点密度均较低，加热壁面上产生的汽泡相互影响较小。在长大、脱离过程中，受浮力影响，汽泡群区域向管束中心区域流动，增强了管束中心区域流体的扰动，同时也进一步加速了中心管外壁面汽泡的脱离频率，带走更多的热量，因此中心管外壁面的温度低于旁管，此时管束效应对中心管的强化效果优于旁管。

随热负荷的增加，传热管壁面核化点密度提高，汽泡产生速率加快，汽泡间相互作用加强，导致新生汽泡滑移距离变短，提前脱离壁面，沸腾现象变得剧烈。尤其是管束上方中心区域，汽泡的大量聚合导致管束内局部流动阻力增大，大汽泡的脱离受阻，使大量上升汽泡汇聚在中心管壁面，造成局部干涸，即上升汽泡的包覆效应[10]。这在一定程度上削弱了中心管的换热能力，使得旁管的换热能力优于中心管。

通过上述分析可知，管束中心管与旁管的换热性能存在差异，尤其在高热负荷条件下，管束中心管的换热性能低于旁管，且随热负荷的增加，旁管对中心管的换热优势将有可能进一步扩大。

3 结论

1) 在相同条件下，由于管束效应的影响，竖直管束的池沸腾换热能力明显强于竖直单管。管束的换热系数是单管的1.2～1.5倍。

2) 在本实验中，中心管凝液量大于旁管凝液量。随热负荷的增加，这一差异逐渐减小。

3) 在相同热负荷实验条件下，竖直管束中心管和旁管各区域的换热能力并不相同。低热流密度区，中心管的换热系数高于旁管；高热流密度区，旁管的换热能力相对于中心管提高了近7%，且随热负荷的增加有继续增大的趋势。

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