矩形窄縫加熱通道低流速工況下臨界熱流密度試驗

賈小權，胡桁聚，謝 峰，李 碩

（1. 海軍裝備部，成都 610213；2. 中國核動力研究設計院 中核核反應堆熱工水力技術重點試驗室，成都 610213）

0 引言

臨界熱流密度（Critical Heat Flux，CHF）是反應堆熱工安全的重要研究內容，是評價堆芯燃料組件熱工性能的重要指標，其大小直接關系到反應堆的安全性和經濟性。矩形加熱通道目前廣泛用于各類板型元件研究堆和板式高效換熱設備中，即加熱設備采用板型結構，各板片之間的冷卻劑通道是矩形窄縫通道結構，具有換熱效率高和結構緊湊等優點。采用矩形加熱通道的結構，其流動傳熱特性以及CHF與常規圓形加熱元件存在較大差異，國外已有研究主要集中在理論模型等方面[1-4]，試驗研究并不多見。本文針對矩形窄縫加熱通道開展低流速工況下CHF試驗研究，為矩形窄縫加熱通道結構設計和安全分析提供必要的數據和試驗支撐。

1 試驗裝置

試驗研究在中國核動力研究設計院高溫高壓熱工水力試驗回路上展開，試驗工質采用去離子水，并通過強迫循環方式開展試驗。試驗回路流程見圖1，回路流程為：去離子水經循環泵流出，通過預熱器預熱至預定的溫度并由流量計測量后進入試驗本體，加熱后進入冷凝器，冷卻后的水由下降段流回屏蔽泵入口，形成閉合的循環回路。

圖1 試驗回路流程圖

試驗裝置設置有穩壓器，可緩沖回路因熱膨脹或收縮引起系統壓力過大的改變。加熱段入口設置有電動調節閥，可改變系統的阻力特性進而實現對自然循環流量的調節。

2 試驗本體及試驗參數

矩形窄縫加熱通道試驗本體結構見圖2(a)，試驗本體主要由流道組件、承壓結構和導電結構等構成。采用直流電加熱的方式模擬矩形窄縫發熱通道。試驗工質自下方進入試驗本體，在矩形通道內經矩形加熱板加熱后流出試驗本體。在矩形加熱板上方距流道出口位置布置溫度監測熱電偶用于試驗臨界監測，通過壁溫變化判斷臨界是否發生。

試驗本體矩形窄縫加熱通道加熱結構見圖2(b)，窄縫矩形流道單側布置加熱板進行加熱，矩形流道水隙寬度62.5 mm、厚度3.2 mm，矩形加熱板和矩形流道外側均設有絕緣隔離材料以保證加熱部件的絕緣性能。

圖2 試驗本體結構示意圖（單位：mm）

試驗參數范圍：壓力7 MPa～13 MPa；質量流速200 kg/(m2·s) ～600 kg/(m2·s)；進口溫度60 ℃～180 ℃。

3 試驗數據分析

3.1 臨界過程參數變化

CHF是在一定條件下元件表面發生傳熱惡化，燃料元件產生的熱能因無法有效地傳遞給冷卻工質而導致元件壁面溫度快速升高，嚴重時會使元件被燒毀。

試驗中，將系統壓力、本體入口流量調節為預定值，此后緩慢提升功率，直到臨界發生，此過程中通過調節換熱器與預熱器，使本體入口溫度保持預定值；臨界發生后，迅速切掉部分試驗本體加熱功率，采集并儲存臨界發生時的包括溫度、流量、壓力及加熱電功率等各項熱工參數。圖3為典型矩形窄縫加熱通道低流速條件下沸騰臨界工況中試驗本體發生臨界前后的壁溫變化情況。功率過高使得加熱壁面液膜干涸，蒸汽對流換熱系數遠小于液膜的對流換熱系數，導致加熱壁面傳熱惡化，壁溫出現快速上升。此后，由測控系統迅速降低加熱功率，元件壁溫隨之下降。

圖3 臨界發生前后熱工參數變化

3.2 熱工參數影響

3.2.1 入口溫度對CHF 影響

圖4為試驗本體壓力P和質量流速G接近的試驗工況下入口溫度對矩形窄縫通道CHF的影響。從圖4中可看出，在不同壓力工況下，入口溫度對CHF的影響有類似規律，CHF值隨著入口溫度的升高而降低。進口溫度的升高使得試驗本體矩形通道內含汽量升高，加熱表面產生的汽泡增多，在低流速工況下，汽泡容易發生聚集，使得加熱元件表面容易發生傳熱惡化，從而導致臨界提前發生，進而降低元件臨界熱流密度。

圖4 入口溫度對CHF 影響

3.2.2 系統壓力對CHF 影響

圖5為試驗本體質量流速G、入口溫度Tin接近的試驗工況下系統壓力對矩形窄縫通道CHF的影響，由圖4中可看出，隨著壓力的升高，通道內汽液密度差減小，汽泡不易脫離加熱面，壁面得不到很好的冷卻，容易發生傳熱惡化，因此元件CHF值會隨之降低。

圖5 系統壓力對CHF 影響

3.2.3 質量流速對CHF 的影響

圖6為試驗本體壓力和溫度接近的試驗工況下，質量流速對CHF的影響，由圖6可以看出，在試驗本體入口壓力和溫度相同的情況下，CHF隨質量流速的增大而增大。矩形窄縫通道內質量流速的增大增強了對試驗本體加熱元件表面的沖刷，避免加熱元件表面氣泡的集聚，加熱元件表面不易發生傳熱惡化，從而使得元件CHF提高。

圖6 質量流速對CHF 影響

3.2.4 質量含汽量對CHF 影響

圖7(a)為試驗通道質量含汽量對加熱元件CHF的影響，由圖7可以看出，在不同壓力工況下，CHF均隨出口含汽量的增加而降低。

圖7 質量含汽率對CHF 影響

圖7 質量含汽率對CHF 影響（續）

入口溫度升高或通道加熱功率增大都會導致通道汽泡增多，在矩形窄縫通道內容易發生汽泡集聚，更容易發生傳熱惡化，導致元件CHF降低。

圖7(b)為試驗本體在不同質量流速下CHF隨含汽率變化的分布情況。由圖7(b)可看出，在相同質量流速條件下，隨著通道含汽量的增大，CHF值降低，且質量流速越大，降低幅度越明顯。

4 臨界熱流密度關系式

本文針對矩形窄縫加熱通道低流速范圍工況開展CHF試驗研究，采用壓力、入口溫度、質量流速、質量含汽量等參數擬合矩形窄縫通道的CHF經驗關系式，確定關系式為

式中：xe為出口質量含汽量。

出口壓力為7 MPa～13 MPa，入口溫度為60 ℃～180 ℃，質量流速為200 kg/(m2·s)～600 kg/(m2·s)，矩形通道間隙3.2 mm。通過CHF預測關系式計算結果與試驗數據對比，95%的計算值與試驗值偏差在±20%以內，并且數據較均勻地分布在對稱線兩旁，見圖8。

圖8 CHF 預測關系式與試驗值對比

將試驗工況參數帶入bettis關系式進行計算，bettis計算結果與本研究關系式計算比較如圖9所示。由圖9可看出，在試驗工況范圍內，bettis關系式預測值與本文中的研究關系式預測值相比，普遍偏高。

圖9 bettis 預測關系式與試驗值對比

一方面，bettis公式是綜合了多種矩形通道的經驗關系式，其本身公式偏差較大，DEV95%＝±42.5%；另一方面，本項目試驗參數如壓力和水隙等，均超出bettis公式參數范圍，因此預測精度偏差較大。

5 結論

本文介紹了矩形窄縫加熱通道低流速范圍臨界熱流密度試驗研究的試驗回路、試驗本體及試驗結果，根據試驗研究和結果分析，得到以下主要結論：

1）在相同質量流速和系統壓力條件下，矩形窄縫加熱通道低流速區域CHF值隨著入口溫度升高而減小；在相同入口溫度和系統壓力條件下，CHF值隨著質量流速的升高而增大。

2）在相同質量流速、入口溫度條件下，CHF值隨著壓力的升高而下降；CHF值隨著含汽率的升高而降低，且質量流速越大降低幅度越明顯。

3）獲得矩形窄縫加熱通道低流速區域CHF預測關系式，CHF關系式的適用范圍為：試驗段出口壓力7 MPa～13 MPa，入口溫度60 ℃～180 ℃，質量流速200 kg/(m2·s)～600 kg/(m2·s)，矩形通道間隙3.2 mm；

4）在本文試驗工況范圍內，bettis關系式預測值高于本文中的關系式預測值。