注氣對低壓自然循環回路中流動閃蒸的影響

李娜，曹夏昕，程俊

哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

自然循環是利用冷熱源之間高度差及上升段和下降段之間密度差形成的驅動力驅動系統循環，帶走加熱段熱量的一種流動方式。自然循環作為非能動安全系統的基本原理之一[1]，在沸水堆[2]、低溫供熱堆[3]、反應堆非能動安全系統[4?5]及其他工業領域[6?7]研究設計中得到高度重視。在低壓自然循環回路較長上升段條件下，熱流體從加熱段中流出并向上流動的過程中，壓力逐漸降低，當流體溫度超過當地壓力下的飽和溫度時，會發生閃蒸現象，這種現象極易造成系統的流動不穩定。而流動不穩定是影響自然循環系統設計與安全運行的重要因素[8?9]。

目前關于流動閃蒸的研究主要集中于流動閃蒸不穩定研究及如何避免自然循環不穩定的發生[10?12]。為了能夠抑制流動不穩定，本文在對純閃蒸研究的基礎上，采用注入空氣的實驗手段以提升自然循環驅動力。為了弄清楚注氣對誘發閃蒸的影響，本文擬結合實驗現象，分析不同注氣量及注氣方式對流動閃蒸過程中循環流量變化的影響。

1 實驗裝置

圖1所示為實驗回路。實驗回路主要由加熱器、下水平段、注氣段、可視化上升段、水箱（含補水系統）、上水平段、下降段組成。電加熱器最大加熱功率為80 kW。為研究注氣對流動閃蒸的影響，上升段下部設置注氣裝置，由空氣壓縮機、儲氣罐、減壓閥、氣體質量流量計及相關實驗管道組成。上升段可視化部分為內徑50 mm的透明 PC 管，長 4.235 m。水箱（1 500 mm×600 mm×1 000 mm）與大氣相通，通過磁翻板液位計時刻監測水箱液位變化。下降段為內徑50 mm不銹鋼管道。采用電磁流量計測量自然循環系統循環流量，上下水平段均為內徑50 mm不銹鋼管道，水箱及不銹鋼管道均做保溫處理。采用T型鎧裝熱電偶測量上升段內流體的溫度，其中T1位于上升段入口，T9位于距離上升段出口50 mm處，T1~T9布置位置如圖2所示。

圖1 自然循環流動閃蒸實驗回路

在水箱中不同高度處布置了3個T型熱電偶監測水箱溫度分層現象，加熱器進出口各布置一個溫度測點，水箱進出口中心距為1.05 m。實驗回路中布置了多個壓差測點，以測量上升段、下降段及水平段流動阻力變化。采用NI高速數據采集系統監測并記錄全部溫度、流量及壓力/壓差信號。注氣分為直接注氣和多孔介質注氣2種方式，2種結構如圖3所示。直接注氣條件下，注入的冷空氣直接和熱水接觸進入上升段中；多孔介質注氣條件下，冷空氣首先充滿多孔介質管與外部不銹鋼套筒之間的環形氣腔，空氣通過多孔介質管溢出到熱水中。

圖2 溫度測點布置

圖3 注氣結構

實驗時，回路初始水溫為常溫。由于加熱器設置在水平段，當加熱器內水溫達到50 ℃時，通過注氣系統向上升段內注入空氣，使系統形成正向的自然循環，持續1 min之后關閉注氣，系統維持單相自然循環。單相自然循環期間，系統各部分水溫逐漸上升，當水溫上升至上升段內發生閃蒸后，形成兩相自然循環，系統各部分水溫繼續上升，直到水箱內水溫、下降段水溫以及加熱器入口水溫恒定保持在當地大氣壓力下飽和溫度，開始進行正式實驗。

2 注氣促進閃蒸自然循環實驗結果

直接注氣結構將空氣直接注入到熱水中，由于注氣孔較大，形成較大氣泡。多孔介質內部孔隙較密，空氣經過多孔介質的彌散作用之后進入到熱水中，形成相對較小氣泡。

由于結構的不同，直接注氣與多孔介質注氣可能對自然循環造成不同的影響。因此有必要研究2種不同注氣方式對流動閃蒸的影響，從而有利于指導實際應用。實驗中保持加熱器加熱功率為 40 kW，水箱水位 350 mm。

2.1 注氣條件下流動閃蒸實驗現象

如圖4所示為注氣量為0.5 kg/h時2種注氣方式下實驗現象對比。觀察到直接注氣與多孔介質注氣在宏觀現象上差別不大，故以下僅分析多孔介質注氣實驗現象。多孔介質注氣條件下流動閃蒸實驗現象如圖5所示，注氣量分別為0、0.05、0.1、0.55、1.5 kg/h，每個工況下從左到右依次為上升段下部、中部、上部實驗現象。注氣條件下流動閃蒸兩相段中氣相由空氣和蒸汽組成，在閃蒸起始點上游，僅為空氣?水兩相流動，閃蒸起始點下游為空氣?蒸汽?水氣液兩相流動，兩段中含氣量及流型有明顯的不同。

圖4 注氣現象

圖 5 不同注氣量下上升段實驗現象

如圖 5（a）所示，注氣量=0 kg/h 時，由于多孔介質內部存有少量空氣，隨機進入到上升段中，空氣含量極少，管道中僅出現少量極小氣泡。在T3和T4熱電偶位置均出現局部閃蒸現象，但是T3處的局部閃蒸量很少，汽泡體積形狀相對穩定，幾乎沒有出現撕裂現象。并且在T3到T4熱電偶之間氣泡體積沒有增大，說明在該段中沒有達到閃蒸發生的條件。T4熱電偶處發生局部閃蒸現象并且有明顯的氣泡撕裂過程。T4下游含氣量明顯增大，一方面由于空氣氣泡作為汽化核心點促進閃蒸的發生；另一方面熱電偶作為插入物誘發局部閃蒸也會導致下游含氣量的增加，整體流型為泡狀流。

注氣量為0.05 kg/h時，在上升段中，上游呈現出大氣泡與密集小氣泡間隔出現的現象。大氣泡形狀不規則，整體呈現泡狀流。氣泡隨液體向上流動，過熱液體在氣液界面發生相變，氣泡體積明顯變大，同時觀察到氣泡尾部攜帶大量細小氣泡，繼續向上流動流型發展為近似彈狀流，如圖5（b）所示。此時的彈狀流并未形成顯著Taylor氣泡，氣液界面極不規則，液相中彌散密集小氣泡，液相為連續相，氣相為非連續相，但已經具備了彈狀流的明顯特征，氣彈直徑接近管徑，大氣彈與液彈交替式間歇出現。

注氣量為0.1 kg/h時，氣彈長度明顯增加，大氣彈和液彈間隔出現，形成典型的彈狀流流型，如圖 5（c）所示。

注氣量為0.55 kg/h時，閃蒸起始點上游已經出現彈狀流流型，每個氣彈尾部攜帶有大量小氣泡。這些小的空氣氣泡又作為汽化核心源，促進了汽體的產生，使得閃蒸起始點下游混合氣體含量迅速增加，所呈現出來的氣彈長度顯著增大，如圖 5（d）所示。

當注氣量增加到1.5 kg/h時，由于注氣量的增加，發生閃蒸后，含氣量繼續增大，氣彈區域長度變得更長，逐漸向環狀流轉變，如圖5（e）所示。

2.2 注氣對自然循環流動閃蒸的影響

自然循環驅動力小，阻力與驅動力的量級相當。在系統幾何結構不變的條件下，密度差為影響驅動力的主要因素。當上升段內出現閃蒸現象時，上升段內混合流體密度降低，下降段和上升段內流體之間的密度差增大，系統內驅動力增強，系統循環流量增大。在定功率加熱條件下，下降段溫度不變，導致加熱器出口溫度降低，上升段流體溫度下降，閃蒸段縮短或消失；相應地，冷熱段流體密度差減小，系統驅動力降低，循環流量下降，形成流動不穩定現象。而在上升段下部注入空氣有助于提高系統驅動力，抑制流動不穩定性，同時提升循環流量。

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圖6所示為直接注氣條件下注氣量為0時系統循環流量（M）圖，呈現流動不穩定狀態，流量振蕩周期約為 9.747 s，振幅約為 0.27 m3/h，有明顯的規律性。

圖6 直接注氣條件注氣量為0時循環流量

注入空氣后，循環流量及系統穩定性明顯增強。在注氣的瞬間，流量急劇上升，后緩慢下降至相對穩定狀態，出現流量上沖現象，如圖7所示。

圖7 直接注氣前后流量變化趨勢

圖8為注氣前后注氣量（M′）變化趨勢圖。注氣量急劇上升之后并沒有緩慢下降的過程，可知流量的上沖不是由上升段空氣含量變化所造成的。

圖8 直接注氣前后注氣量變化趨勢

圖9顯示在流量發生上沖的同時，上升段壓差（ΔP）發生下沖現象，注氣的瞬間，注氣段下游壓力隨之降低，由于此時上升段溫度仍然較高，閃蒸起始點迅速向下發展，閃蒸段變長，流量極速上升，導致加熱器出口溫度降低，相同注氣量下閃蒸起始點向上移動，閃蒸段變短，流量隨之降低，因此出現流量上沖現象的原因是上升段蒸汽含量出現峰值。

圖9 直接注氣前后壓差信號變化趨勢

2.3 不同注氣方式對流動閃蒸影響的對比

多孔介質注氣條件下，其流量變化趨勢與直接注氣相同，但是對循環流量的增加幅度不同。如圖10所示，在相同注氣流量范圍內，注氣方式不同使得循環流量的變化趨勢基本是一致的。在相同功率下，注入空氣使回路循環流量明顯增加，上升段入口溫度（T1）明顯下降。不同注氣量會導致不同的流型，由2.1節實驗現象及其分析可知，隨注氣量的增加，彈狀流中氣彈長度逐漸變長，液彈長度逐漸變短，在注氣量為1.5 kg/h時，T5上部幾乎為環狀流，阻力增加較快，所以流量上升趨勢逐漸變緩。

圖10 2種注氣方式下循環流量和上升段入口溫度T1變化趨勢

圖11為2種注氣方式下循環流量的對比，可以看出，相同注氣量下，直接注氣比多孔介質注氣對循環流量的增加更明顯，二者相差5%~10%。由于2種方式下注氣孔均在注氣段的下部，直接注氣情況下，兩相段為從注氣孔開始一直到水箱底部；而在多孔介質情況下，理想的注氣狀態是整段多孔介質區域均為兩相段。但是由于注氣段下部壓力高于注氣段上部壓力，空氣會優先從注氣段上部溢出，下部注氣段就是無效注氣段，因此上升段中兩相段比直接注氣情況下要短，導致直接注氣方式對自然循環流量的提升效果更明顯。

圖11 2種注氣方式下循環流量及相對增幅對比

圖12為2種注氣情況下上升段溫度變化趨勢。2種注氣方式下溫度變化趨勢一樣，當注氣量為0時，流體在向上運動的過程中，壓力降低。當流體溫度達到并超過當地壓力下的飽和溫度時，流體處于過熱狀態，在外界擾動等其他誘因的作用下過熱液體會釋放潛熱，發生汽化，流體溫度降低，并接近當地壓力下的飽和溫度。因此軸向溫度突然下降的地點即為閃蒸起始點。閃蒸起始點上游溫度保持恒定，閃蒸起始點處流體溫度驟降；閃蒸起始點下游，溫度近似呈現線性下降趨勢。注氣情況下，隨著注氣量的增加，循環流量增加，導致上升段入口溫度隨之降低，同時整個上升段溫度下降；并且注氣量越大，流量越大，溫度下降越明顯。定功率條件下，溫度下降導致閃蒸起始點向上移動，閃蒸段長度變短。

圖12 2 種注氣方式下上升段溫度變化趨勢

從上述實驗結果來看，注氣可以有效提升自然循環驅動力，提升自然循環流量，抑制閃蒸誘發的流動不穩定現象。但不利的因素是注氣量過大會抑制閃蒸的發生。因此，在后續的研究中將進一步研究最佳注氣范圍與加熱功率之間的關系，優化注氣區間，為工程應用提供參考。

3 結論

本文以空氣和水為介質實驗研究注氣對低壓自然循環流動閃蒸過程的影響，得出以下結論：

1）不同注氣量條件下，上升段流型演變差別比較明顯。注氣量較低時，流型為泡狀流；隨注氣量增加，流型從泡狀流發展至彈狀流進而發展到近似環狀流。注氣量越大，氣彈長度越長，液彈長度越短，液彈中彌散密集小氣泡。

2）注氣有助于提高系統循環流量，減小系統不穩定性。注氣瞬間由于上升段中蒸汽含量突然增加導致出現流量上沖現象，即出現流量達到峰值之后緩慢下降的過程。

3）在直接注氣和多孔介質注氣2種不同注氣方式下，隨注氣量的增加，循環流量均明顯增加，而上升段入口溫度明顯下降。在低注氣量下，注氣量的增加會導致流量急劇上升；但是在較高注氣量下，氣彈長度很長，液彈長度減小，近似環狀流，阻力增加，流量上升變緩。

4）相同功率及注氣量下，直接注氣方式對系統流量的增加更明顯，二者相差5%~10%。

5）注氣量為0時，閃蒸起始點上游溫度恒定，閃蒸起始點處溫度驟降，閃蒸起始點下游溫度近似線性下降；注氣情況下，循環流量增加，導致上升段入口溫度隨之降低，同時整個上升段溫度一直下降，并且注氣量越大，溫度下降越明顯。