臨界沸騰換熱分體實驗裝置可行性研究

廖煒鋮 史昊鵬 趙金鵬

摘 ? 要：堆內熔融物滯留策略要求壓力容器下封頭外表面的熱流密度不能超過沸騰換熱的臨界熱流密度（Critical Heat Flux， CHF），整體實驗裝置已被廣泛用于強化臨界沸騰換熱的實驗研究中，但在實際操作有局限性。本實驗對比了銅光表面在分體和整體實驗裝置中穩態加熱實驗下的CHF，兩者偏差整體小于1.5%。對分體實驗裝置進行理論誤差分析，當導熱硅脂厚度小于0.22mm時，誤差可以控制在5%以內，分體實驗裝置能夠有效的代替整體實驗裝置。

關鍵詞：池沸騰 ?臨界熱流密度 ?分體實驗裝置 ?導熱硅脂 ?接觸熱阻

中圖分類號：TQ 026.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）05（a）-0099-02

壓水堆核電站出現堆芯熔化事故后，在壓力容器內部會形成高溫熔融物并向下封頭流動。若得不到及時有效的冷卻，壓力容器下封頭會被熔穿，導致放射性熔融物外泄，增加了放射性物質向外界泄露的事故風險。堆內熔融物滯留策略（IVR， In-Vessel Retention）[1]，即通過對壓力容器外表面及時冷卻以防止下封頭被熔穿，保證熔融物滯留在壓力容器內。因此，壓力容器外部冷卻（ERVC， External Reactor Vessel Cooling）技術是實現 IVR 策略的重要手段[2]，其關鍵在于壓力容器外表面的熱流密度不能超過沸騰換熱的臨界熱流密度[3]。

近年來，強化沸騰換熱技術得到廣泛研究，通過設計結構表面強化沸騰換熱從而提高臨界熱流密度的方法受到廣泛關注。鐘達文等[4]使用整體實驗裝置研究了朝下結構表面對池沸騰換熱的影響，整體實驗裝置也被研究人員廣泛應用于強化沸騰的實驗研究，但整體實驗裝置具有加工成本高，實驗元件不可重復使用等缺點，無法滿足研究人員對大量設計表面進行沸騰換熱實驗的需求。本實驗對分體實驗裝置的可行性進行了分析，找出可替代整體實驗裝置的方法。

1 ?實驗裝置

如圖1所示，實驗裝置由三部分組成：操作條件控制系統、實驗件系統、數據采集系統。操作條件控制系統控制水箱中的溫度和壓力，通過去離子水機將去離子水引入冷水箱和熱水箱，通過熱水箱的加熱使去離子水達到飽和狀態，進而通過水泵輸送至實驗水箱開展沸騰換熱實驗。數據采集系統包括熱電偶、壓力變送器、高速攝像機等儀器，可實時將數據保存至計算機。

實驗件浸沒在實驗水箱內，實驗水箱設有觀察窗，便于觀察實驗元件換熱表面的沸騰狀況。分體實驗件由實驗元件和加熱體兩部分組成，加熱體由銅塊內插8根電加熱棒構成;實驗元件為直徑50mm的銅塊，其兩側分布有6個K型鎧裝熱電偶，實驗元件底部涂抹有導熱硅脂，以減小其與加熱體接觸面的接觸熱阻。整體實驗件采用一整塊銅塊加工而成，內插8根電加熱棒構成，不存在接觸熱阻的問題。

2 ?實驗方法

實驗采用穩態池沸騰實驗方法，通過熱水箱的大功率電加熱器使熱水箱內的水循環加熱，直至接近飽和溫度，通過控制系統調節維持水溫;再通過控制系統開啟水泵3將熱水箱內的水注入實驗水箱;實驗水箱內充滿水后，啟動實驗件加熱體中的電加熱棒加熱實驗件，在不同的加熱棒功率下觀察沸騰現象，實時監測實驗元件的熱電偶測點溫度，當恒定功率水平上溫度趨于穩定時，記錄此溫度數值作為穩態沸騰實驗的溫度數據;逐級提高實驗件的加熱功率，在發生CHF（即發生膜態沸騰）之前重復上述工作。CHF出現（核態沸騰轉變成膜態沸騰）時關閉加熱器，記錄CHF出現時的相關數據。在沸騰表面冷卻過程中通過數據采集系統實時記錄數據，并使用相機記錄池沸騰過程。

3 ?實驗結果分析

文中將換熱表面完全水平朝下定義為0°，換熱表面完全水平朝上定義為180°。通過穩態實驗測量了分體和整體銅光表面實驗件在傾角5°、45°、60°、90°、180°下的CHF，計算方法同Arvind等[5]的計算過程相同，本實驗CHF對比如圖3所示。

對比整體和分體銅光表面實驗件在各個傾角下的CHF，以整體試驗件的CHF值為基準，分體試驗件在傾角5°、45°、60°、90°、180°下的CHF誤差分別為0.332%、3.2%、1.14%、0.036%、0.71%，整體小于1.5%。說明采用分體實驗件代替整體實驗件進行沸騰換熱實驗可行。本實驗測得的CHF隨傾角變化的趨勢與Yong Mei等[5]的實驗結果相近，傾角小于90°時，CHF隨著傾角的增加而增大;傾角大于90°的CHF值反而大于傾角為180°時的CHF值。

4 ?分析與討論

分體試驗件采用導熱硅脂填充加熱體和實驗元件的接觸面，從而引入附加熱阻。分體實驗件替代整體試驗件的關鍵在于避免附加熱阻的增加而導致加熱體內電加熱棒溫度過高，因此，如何選擇導熱硅脂和控制導熱硅脂厚度顯得至關重要。

本實驗使用的分體實驗件的銅塊沿熱流密度方向的高度為33cm，對銅塊進行熱導率測量后，λcu取為398W/（m·K），根據公式（1）得到實驗件整體銅的熱阻為 ?8.29×10-4（m2·K）/W。分體實驗裝置附加的導熱熱阻主要為接觸熱阻和導熱硅脂的多余厚度兩部分組成。根據冼耀琪[6]在固-固平面接觸熱阻的研究，本實驗銅光表面在小壓力條件下的接觸熱阻近似取為2×10-5（m2·K）/W;本實驗使用的導熱硅脂熱導率為11W/（m·K），導熱硅脂多余厚度帶來的附加熱阻可由公式（1）計算：

（1）

式（1）中Δx為固體厚度，單位為mm，λ為熱導率，單位為W/（m·K）。

根據傅里葉導熱定律如公式（2）可以得出，當分體和整體實驗件的冷熱源溫度分別近似相等時，分體實驗件的附加熱阻帶來的誤差會線性的影響臨界熱流密度。當CHF的誤差范圍限定在一定范圍時，導熱熱阻的變化范圍也需控制在相同范圍內，從而導熱硅脂的厚度也將限制在一定范圍之內。

（2）

式（2）中R為熱阻，單位為（m2·K）/W，q為熱流密度，單位為W·m-2，為銅的導熱系數，單位為W/（m·K）。dT/dx為沿熱流密度q方向的溫度梯度。

（3）

式（3）中R為熱阻，單位為（m2·K）/W，ΔT為冷熱源溫差，單位為K，q為熱流密度，單位為W·m-2。

分體實驗裝置的附加熱阻R是影響CHF的主要因素，銅界面接觸熱阻R1不易改變，因此如何涂抹導熱硅脂控制附加熱阻R2顯得格外重要，根據公式（3）可以得到當分體實驗結果與整體實驗的誤差小于5%時，導熱硅脂的厚度應限制在0.22mm以內。

5 ?結語

銅光表面在分體實驗裝置上測得的CHF與整體實驗裝置相比，誤差在各個傾角下均控制在5%以內，CHF隨傾角的變化趨勢保持一致。分體實驗裝置的接觸熱阻和導熱硅脂帶來的熱阻是造成誤差的原因，控制誤差的關鍵在于涂抹導熱硅脂的厚度，當導熱硅脂的厚度小于0.22mm時，誤差可以控制在5%以內。分體實驗裝置能夠在一定誤差范圍內代替整體實驗裝置。

參考文獻

[1] 朱大歡，鄧堅，陳彬，等.熔融物壓力容器內滯留瞬態傳熱特性分析[J].原子能科學技術，2016，50（1）：54-60.

[2] 陸維，胡騰，趙宇峰，等.真實表面材料及其老化效應對反應堆壓力容器ERVC-CHF影響的實驗研究[J].原子能科學技術，2016，50（10）：1782-1786.

[3] 楊曉，楊燕華.IVR熔池分層模型對壓力容器安全裕量分析的影響[J].原子能科學技術，2013，47（2）：254-259.

[4] 鐘達文，孟繼安，李志信.朝下溝槽結構表面池沸騰換熱[J].化工學報，2016，67（9）：3559-3565.

[5] Arvind Jaikumar，Satish G. Kandlikar. Enhanced pool boiling heat transfer mechanisms for selectively sintered open microchannels[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2015，88.

[6] Yong Mei， Yiqiong Shao， Shengjie Gong， et al. Effects of surface orientation and heater material on heat transfer coefficient and critical heat flux of nucleate boiling[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2018， 121： 632-640.

[7] 冼耀琪.固—固接觸熱阻的平面近場熱輻射耦合效應研究[D].桂林電子科技大學，2019.