強迫循環沉淀式冷阱試驗與數值模擬

馮 波，龍俞伊，畢可明，柴寶華，衛光仁，韓 冶

（中國原子能科學研究院 反應堆工程研究設計所，北京 102413）

液態金屬鈉鉀合金作為一種高效冷卻劑近年來被廣泛應用于反應堆領域，相較于傳統冷卻劑水，其具有更優良的熱工水力特性。然而在鈉鉀合金的熱傳輸系統中，雜質（尤其是氧）對其性能和可靠性均有較大危害［1］。冷阱作為一種有效的凈化手段［2］成為鈉鉀合金熱傳輸系統中最重要功能部件之一。

目前國內尚無對鈉鉀合金進行雜質尤其是氧含量測量和分析的有效技術手段，而對冷阱的溫度分布研究可間接地獲知其凈化效果，這對于了解和控制系統中鈉鉀合金的純度是具有實際意義的。本文對一種最具代表性的強迫循環沉淀式冷阱進行傳熱分析，采用數值方法進行模擬計算，并與試驗結果進行比較。

1 結構參數

圖1為強迫循環沉淀式冷阱結構示意圖，其由回熱區、冷卻區和沉淀區組成。這種型式的冷阱既增加了工質橫向流的面積，也提高了冷阱的容量和效率，且冷阱內上半部的回熱設計更加合理地利用了熱量，體現了一體化的設計思想［2］。

圖1 強迫循環沉淀式冷阱結構示意圖Fig.1 Structural scheme of precipitation type cold trap in forced circulation

冷阱的設計原則主要有兩點：1）工質在冷阱中停留的時間≥5 min。這個最佳停留時間是個經驗值［1］。過短的停留時間會導致高流速，不但會增加冷阱內溫度的不均勻性，還會對冷卻功率提出較高要求，這對于采用空氣冷卻的冷阱非常不利。而過長的停留時間則導致低流速，降低凈化效率。2）沉淀區的溫度要≤70 ℃。一般認為這個溫度下的飽和氧含量是滿足使用要求的［3］。

據此原則建立冷阱傳熱模型如圖2所示，建立平衡關系式：

式中：T 為溫度；下標n、c、t分別為熱NaK、冷NaK 和空氣；K1、K2、K3為中間變量，具體表達式為：

式中：U 為總傳熱系數；W 為質量流量；D 為當量直徑；cp為比定壓熱容。

圖2 冷阱傳熱模型Fig.2 Heat transfer model of cold trap

回熱區的螺旋形回熱器可視為一熱交換器，熱平衡關系式為：

在已有的液態金屬傳熱計算中，Lyon 公式［4］應用最為廣泛，因此，選其為鈉鉀側的傳熱關系式；空氣側的傳熱則用Dittus-Boelter公式［5］，分別如式（6）、（7）所示：

聯立以上式（1）～（7）計算可得冷阱的各項基本參數，本次研究冷阱的參數列于表1。

表1 冷阱主要參數Table 1 Main parameters of cold trap

2 試驗裝置及數據測量分析

2.1 試驗裝置

本試驗裝置是作為鈉鉀合金傳熱試驗回路的一條重要功能支路開展相關試驗的，試驗裝置示意圖如圖3所示。

圖3 冷阱試驗裝置示意圖Fig.3 Scheme of experiment device for cold trap

額定運行工況下，主回路運行在400 ℃高溫下，冷阱凈化支路從主泵出口取流量約0.35m3／h的工質經過冷阱凈化，通過風機自動控制沉淀區溫度在70℃以下，但不宜使進出口溫差過大，防止帶入其他熱沖擊問題。

2.2 測點布置及誤差

冷阱傳熱性能試驗需測量記錄的數據主要有：冷阱進口鈉鉀合金流量Q、冷阱進口鈉鉀合金溫度Tin、冷阱出口鈉鉀合金溫度Tout、冷阱冷卻風道風量Qair、冷阱冷卻風道進口溫度Tair-in、冷阱冷卻風道出口溫度Tair-out、冷阱沉淀區溫度Tc。

試驗結果涉及到溫度和流量兩個參數，這兩個參數均是通過傳感器測量直接得到的。溫度采用K 型熱電偶測量，其精度為Ⅰ級，為0.4%t（t為測量溫度），對于研究冷阱特性，此誤差可接受。流量采用電磁流量計測量，此流量計使用前經過試驗臺架的量筒標定。

2.3 試驗結果及分析

冷阱試驗裝置運行時間大于1 100h，使用計算機自動數據采集，將獲得的數據整理成曲線如圖4所示。

在試驗中發現，隨運行時間的增加，冷阱入口流量逐漸減小，分析原因有兩種：1）調節閥開度太小，閥頭處雜質堵塞；2）冷阱內雜質沉淀，局部堵塞。操作調節閥后流量恢復，確認是閥頭堵塞的原因。但在主回路高溫運行過程中，要盡量減少操作冷阱流量，原因有兩點：1）冷阱流量的變化會引起主回路流量的變化，影響試驗段數據的連續性；2）流量的變化會引發主回路的熱負載響應，導致熱應力沖擊。

圖4 冷阱試驗數據曲線Fig.4 Curve of experiment data for cold trap

3 數值模擬

本文的數值模擬分析采用CFX12.0程序，建立冷阱1∶1三維模型進行計算，一是可與試驗對比，驗證設計的準確性；二是可觀察冷阱在工作時沉淀區溫度分布是否均勻，這也將直接影響冷阱的性能。

3.1 網格劃分及邊界條件設置

為準確模擬各區域的物理場，選取適當的interface面將冷阱劃分成3部分，分別生成網格［6］。冷阱冷卻區和風道部分因尺寸較大且形狀規則，采用結構化的網格進行劃分，大幅減少了網格的數量，這部分的網格總數約35萬，如圖5所示。冷阱回熱區螺旋回熱管的尺寸相對整個回熱區較小，且連接處不規則，使整個結構顯得較為復雜，因此采用非結構化網格劃分，這部分的網格總數約105萬，如圖6所示。

圖5 冷卻區及風道網格劃分Fig.5 Mesh of cooling area and air duct

為與試驗結果進行比對，模型入口邊界取工質流量0.22m3／h，溫度400 ℃，出口邊界取壓力出口邊界條件，風機風量取0.348kg／s，風道進口溫度取試驗值13.4℃，外邊界簡化為絕熱層，其他分割界面需設置導熱熱阻δ／λ。

3.2 計算結果驗證分析

計算得到的結果與試驗得到的數據比較列于表2。

圖6 回熱區網格劃分Fig.6 Mesh of recuperator area

表2 計算值與試驗值比較Table 2 Comparison of simulation and experiment results

結果顯示，計算值與試驗值吻合得很好，尤其是沉淀區溫度，并且沉淀區溫度周向分布在此工況下非常均勻，有利于雜質均勻析出，提高冷阱的能力。而計算出口溫度偏高是由于將邊界設為絕熱的緣故。

4 冷阱工作特性分析

在數值計算得到驗證的基礎上，對所設計的冷阱進行完整的工況校驗，獲取其工作特性曲線。

圖7示出冷卻空氣入口參數對沉淀區溫度的影響。沉淀區溫度隨空氣入口溫度的升高而升高，但影響較小，它表明環境溫度的變化對冷阱沉淀區的影響可忽略；而在冷卻空氣與壁面溫差小于20℃時，空氣流量的變化對沉淀區影響很小。這對于風機選型具有實際指導意義。圖8示出冷阱的工作特性曲線，在風機選型確定時，冷阱對入口鈉鉀合金流量要有限制，否則冷阱將不能很好地凈化工質。在此基礎上，繪制出改型冷阱的最佳工作曲線，當冷阱入口參數運行在曲線的左下方（最佳工作區）時，冷阱沉淀區的溫度始終小于70℃，此時冷阱的凈化效果最好。

圖7 空氣入口參數對沉淀區溫度的影響Fig.7 Influence of air inlet parameter on temperature of precipitation area

在計算過程中發現，風道入口上方存在流動緩滯區，阻礙冷卻區傳熱，因此可在風道入口擋板上方增加通風孔增強換熱。其次，回熱區螺旋管內外溫差較小。分析原因首先是因為鈉鉀合金流速較低，此時浮升力對冷阱內部溫度分布影響較大，促進了軸向和徑向溫度的均勻分布。另外鈉鉀合金優良的熱傳導性能也使得傳熱效率大幅提高。因此，設計時為提高回熱效率而采用的雙螺旋管結構可簡化為單螺旋，這既節省了成本，也可滿足換熱要求。

圖8 冷阱工作特性曲線Fig.8 Characteristic curves of cold trap

5 結論

利用CFX 程序對冷阱運行工況進行數值模擬，在與試驗數據比較驗證的基礎上，得出以下結論：

1）所采用的CFX 模型計算結果與實際冷阱運行工況相符，計算結果準確可信，對冷阱的設計具有很好的參考價值；

2）該型式冷阱工作區溫度分布較均勻，有利于雜質析出。當冷阱入口為額定溫度400℃時，要使沉淀區溫度保持在70 ℃之下，則入口流量應≤0.38m3／h；

3）冷阱的設計可優化，通過開孔可提高風道入口上方的傳熱系數，且回熱區可采用單螺旋管提高換熱效率。

［1］ 快堆研究編輯部.鈉鉀工程手冊：第Ⅴ卷［M］.北京：［出版者不詳］，1986：12-15.

［2］ 刑朝青.鈉的凈化技術［J］.核動力工程，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］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.3 版.北京：高等教育出版社，1998：162-169.

［6］ 謝龍漢，趙新宇，張炯明.ANSYS CFX 流體分析及仿真［M］.北京：電子工業出版社，2012：32-44.