超臨界水在管內傳熱特性研究進展

唐 旭，陳海峰，陳 忠，徐愿堅，劉曉玲

(1.陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021；2.重慶市中藥研究院，重慶 400065；3.中國科學院重慶綠色智能技術研究院，重慶 400714)

超臨界水(Supercritical water ,SCW)因其特異的性質，已經在石油化工、化學反應工程、能源等工業中得到了廣泛的應用。在實際中研究出超臨界鍋爐[1-2]與超臨界水冷式核反應堆等傳熱技術，比傳統傳熱效率提升了45%～50%[3]。自從2002 年在日本東京舉行的第四代核反應堆國際會議，確定了超臨界水冷堆是其中唯一的水冷反應堆堆型，人們對超臨界水冷反應堆(Supercritical water cooled reactor, SCWR)重新產生了興趣。與常規壓水堆相比超臨界水冷堆具有以下優勢[4-5]：(1)系統簡化、小型化：超臨界壓力下水無相變，采用直接循環，取消了蒸汽分離器、干燥器和再循環泵等設備，使裝置流程簡單化；(2)熱效率高；(3)安全性好：超臨界水不存在相變，無氣流不穩定現象，降低堆芯燒毀現象。然而SCW在臨界點附近熱物性變化劇烈，其在通道內的流動和傳熱特性等與亞臨界壓力下存在較大差別，在某些特定操作參數下，一般傳熱、傳熱強化和傳熱惡化(Heat transfer deterioration ,HTD)均有可能出現，從而給換熱通道的設計以及熱工水力分析帶來了巨大的挑戰[6]。本文研究的主要目的是總結近年來國內外相關文獻在圓管、環形管和棒束中對超臨界水的傳熱研究，歸納質量流速、熱流密度、壓力、流動方向和幾何形狀對傳熱的影響，以及傳熱惡化原因，總結了改善傳熱的方法，為超臨界水傳熱的研究人員提供參考。

1 超臨界水的熱物理特性

當水的溫度和壓力超過臨界溫度和臨界壓力時(Pc=22.1 MPa, Tc=374℃)，其所處狀態稱之為超臨界狀態。表1對比了水在常溫環境、近臨界和超臨界物性，在超臨界狀態下水的物性發生劇烈變化，SCW兼具液體和氣體大部分性質，氣液兩相的界面消失[7]。然而，SCW的熱物理性質在臨界點區域發生了急劇的非線性變化，如圖1所示。在超臨界壓力范圍下，臨界點附近SCW的密度在急劇下降，有文獻稱這種變化是不連續的，流體體積急劇膨張從而可能引起浮力和流動熱加速效應；導熱系數也隨之降低，導致傳熱過程的惡化；粘度顯著下降，從而使流體速度或雷諾數顯著增加;在臨界壓力區域，比熱的波動異常劇烈，隨著SCW比熱的迅速直線升高，致使其傳熱過程中蓄熱能力增強，流體與壁面的傳熱系數增大，對SCW傳熱過程是有增強作用；傳熱強化和傳熱惡化效應相互競爭，流動和傳熱過程異常復雜，因此兩者都有可能發生[8-10]。

表1 水在常溫環境、近臨界和超臨界物性對比

圖1 不同壓力和溫度下水的物性參數的變化規律(A：密度B：導熱系數C：粘度D：比熱)

2 超臨界水傳熱研究進展

2.1 操作參數對傳熱的影響

質量流速(G)、熱流密度(q)和壓力(P)以及傾斜角對SCW在通道內的傳熱有顯著影響，已經在公開文獻中得到了廣泛的研究和介紹。本文將對不同操作參數對SCW傳熱的影響作簡要的歸納。

2.1.1 質量流速

通常隨著G的增加，通道內流體湍流強度增大，管壁邊界厚度降低，促進了管壁和通道內流體進行熱交換，提高壁面換熱系數，SCW的傳熱同樣遵從這一規律。徐峰等[11]實驗研究了垂直上升管內SCW的傳熱特性，結果表明，傳熱系數隨G的增大而增大。在之后的研究中，王為術等[12]和Wang等[13]眾多研究者發現同結論。在此基礎上，王建國等[14]、王飛等[15]和李永亮等[16]研究發現質量流速越低 ,管壁溫度急速升高，傳熱系數迅速降低，發生HTD。當壓力和熱流密度保持不變時，提高質量流速可以延緩，甚至抑制HTD的發生。在實驗研究過程，通常眾多科研人員將熱流密度和質量流速的比值(qG)緊密聯系，把兩者結合在一起進行討論，作為判斷傳熱惡化是否會發生的根據。

2.1.2 壓力

在超臨界壓力下，壓力對傳熱的影響隨傳熱機制的不同而不同。王磊等[17]和趙萌等[18]實驗研究表明當流體溫度高于臨界溫度時，壓力對SCW傳熱的影響很小；當流體溫度處于臨界溫度附近時，壓力變化主要引起水的密度、比熱容和導熱系數等熱物性異常劇烈波動，進而導致HTD。潘杰等[19]進一步研究結果表明，壓力變化引起HTD是由流體物性引起。在此基礎上，Li等[20]和Gang等[21]研究表明，在相同的熱流密度和質量流密度條件下，23 MPa的HTD比25 MPa的HTD發生得更早、更嚴重。Wang等[13]通過實驗和模擬相結合，驗證了上述結論。因此，壓力對SCW傳熱的影響是由其物性的劇烈變化引起，但物性的異常突變只在臨界區域附近非常明顯，所以壓力對SCW傳熱只在超臨界點前后有明顯作用。

2.1.3 熱流密度

熱流密度是影響SCW傳熱特性的一個重要因素。吳剛等[22]、徐維暉等[23]、Zhu等[24]和Wang等[25]眾多研究者發現，在保持其他操作參數恒定時，隨著q的增加管壁溫度迅速升高，傳熱系數降低，有傳熱強化向HTD轉變。所以熱流密度的大小對傳熱影響很大，優化熱流密度參數，可以改善傳熱，降低壁溫，抑制HTD。

此外，不同傾斜度對SCW流動的換熱特性也有影響，張鑫等[26]實驗研究傾斜度θ=5°～45°時對SCW傳熱的影響。結果表明，不同傾斜角度下測得的內壁面溫度和傳熱系數的值差異很小，二者幾乎不受傾斜角度的影響。然而Taklifi等[27]實驗發現，在亞臨界條件下，傾角對水換熱的影響比超臨界條件下更大，傾角為20°似乎是亞臨界流動換熱最佳角度，但對于SCW流動傾角為5°或45°似乎換熱效果更好。目前對于傾斜度對SCW換熱影響研究較少，需更多實驗來驗證。

2.2 流動方向

許多研究表明，流動方向對傳熱有影響，很大程度上取決于熱流密度與質量流量的比值。Yu等[28]對水平管內SCW的換熱特性與傾斜角度為20℃的向上傾斜管內SCW的換熱特性進行了比較，實驗結果發現，當熱焓大于1400KJ/Kg時，在水平管的上表面發生傳熱惡化，而在傾斜管的上表面沒有觀察到熱傳導的惡化；在給定qG條件下，水平管和傾斜管底表面的傳熱基本一致。在高qG條件下，傾斜管頂面傳熱性能優于水平管頂面，水平管頂面傳熱性能較差，表明浮力效應會導致上下表面的傳熱特性有明顯差異。Zhao等[29]比較了向下流動和向上流動SCW的傳熱系數,研究發現，在低熱流密度下，向上流動的傳熱系數比向下流動的傳熱熱系數高50%，但在中高熱流密度下則相反，這是由于壁面附近湍流強度減弱所致。Wang等[13]對SCW在垂直向上和向下流動傳熱進行了實驗和數值研究，得出同樣結論，氣流方向的影響很大程度上取決于qG的比值，在高qG比下，向下流動的傳熱比向上流動的傳熱增強很多。Yang等[30]得到同樣結論。從上述分析可以看出，流動方向對換熱的影響是復雜的。

2.3 幾何結構

對比不同幾何結構對SCW傳熱的影響，研究很少，還需要更多實驗結果來驗證，文中就現有的文獻進行總結。Jeremy Licht等[31]通過實驗研究圓形和方形環形流道的傳熱性能，結果表明，在低熱流密度和正常換熱條件下，圓形環形流道的換熱從比方形小2%～10%；在高熱流密度和變質條件下，圓形的換熱比方形大6%～25%。Gang等[21]通過實驗對環形間隙為4 mm和6 mm換熱進行對比，研究發現，在相似的流動條件下，6mm間隙環形通道的換熱系數大于4mm間隙環形通道的換熱系數，在低熱流質比條件下，6mm間隙的換熱系數高于4mm間隙的換熱系數，當qG比高時，這種差異會變小。Li等[32-33]SCW為測試介質，在管道、環空和棒束中進行了一系列傳熱實驗。結果表明，在三種通道中，環空的換熱性能最差，桿束的流動換熱性能比管和環空換熱更有效和穩定，有利于改善SCW的傳熱。因此，采用合適的幾何結構，可有效提高換熱系數，增強換熱。

2.4 傳熱惡化

超臨界壓力下HTD的研究越來越受到人們的關注。HTD現象最早由Shitsman[34]在垂直向上管的傳熱實驗中發現，隨著熱流密度的增加，傳熱效率逐漸減弱，直至出現熱阻。Li等[32]眾多研究者均在不同實驗參數下也發現傳熱惡化。在超臨界壓力下存在兩種類型的HTD。第一種類型發生在低質量流速和高熱流密度時，流體溫度遠低于偽臨界溫度。這種惡化通常出現在試驗段的入口區域，主要是由浮力引起的。第二種情況發生在整體溫度接近準臨界溫度時，可能出現在通道的任何部分，熱加速被認為是造成這種惡化的原因。其原因可能是：(1)熱物理性質的劇烈變化，從圖1知，當流體溫度遠高于臨界溫度時，其比熱迅速下降，導熱系數也隨之下降，從而導致傳熱惡化，而粘性減小，熱邊界層變薄，傳熱增強，兩者相互競爭。當傳熱惡化作用大于傳熱增強作用時，就會發生HTD。(2)由于徑向或軸向的密度分布不均勻而產生壓力差，導致浮力對傳熱影響較大。當靠近壁面的浮力很強時，速度變緩，湍流被抑制，因而傳熱減少。然而，目前對于傳熱惡化原因和機理需要更多實驗數據和理論相結合研究。

2.5 強化傳熱方法

為了進一步強化傳熱，許多研究者主要是通過在壁面上使用網格墊片、纏繞絲、定位格架和帶螺旋肋片等各種強化傳熱技術，破壞附在壁面上的高溫阻塞層，從而抑制超臨界壓力下流體的傳熱惡化。許多挺等[35]通過實驗研究定位格架對棒束內流動傳熱影響，結果表明，定位格架的面積阻塞比對格架下游傳熱系數衰減規律有很大影響；在超臨界壓力和擬臨界壓力條件下，定位格架下游傳熱系數衰減規律也有較大的差異。王漢等[36]和胡振梟等[37]對帶繞絲定位的2×2棒束實驗本體進行SCW傳熱實驗研究發現，與不帶格架的棒束對比，繞絲具有強化傳熱的作用，由于繞絲的攪混作用，流道下游的傳熱惡化得到抑制。朱海雁等[38]與光滑方環形通道內的實驗數據對比發現：在相同熱工參數條件下，帶肋片方環形通道內換熱系數比光滑方環形通道高，螺旋肋片對SCW條件下的傳熱有較大的改善作用。以上所述方法，均能在一定程度上增強換熱，抑制HTD，但增強程度取決于流動條件和實驗參數。因此，在將這些改進方法應用實踐之前，我們還需要有統一的標椎去衡量。

3 結論與展望

結合國內外文獻可知，SCW的傳熱特性在臨界點附近變化異常，主要因為各種工況在臨界點物性變化劇烈，導致傳熱惡變和傳熱強化效應相互競爭，流動和傳熱過程異常復雜，因此兩者都有可能發生產生。文中對質量流速、壓力、熱流密度、流體流動方向和幾何結構對SCW傳熱特性影響進行了討論與歸納。壓力對SCW傳熱的影響較小，而熱流密度和質量流速影響較大，我們可通過改變幾何結構和使用網格墊片、纏繞絲、定位格架和帶螺旋肋片等改善傳熱，抑制了HTD的發生。未來應進一步加強SCW在不同幾何結構下傳熱的基礎性實驗研究，深入研究SCW傳熱機制，為超臨界水冷式反應堆廣泛應用提供技術支撐。