安全殼空氣冷卻系統單面加熱對流換熱特性研究

劉嘉維，李棟梁，張衛，郭澤華

1. 中國核電工程有限公司 系統與布置設計所，北京 100840

2. 哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001

3. 黑龍江核動力裝置性能與設備重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

非能動安全殼空冷系統（passive containment air-cooling system，PAS）的換熱性能對模塊化小型壓水堆核電廠“玲瓏一號”（Advanced China PWR Linglong No.1，ACP100）的安全性意義重大。事故工況下，PAS 系統通過空氣自然循環流動即可實現安全殼的非能動自然冷卻[1]，確保其安全殼內部溫度和壓力處于允許范圍內。流道設計是決定PAS 性能的主要因素[2]，研究流道關鍵幾何尺寸對空氣對流換熱能力的影響至關重要。

PAS 風道由鋼制安全殼、混凝土安全殼、二者之間的環廊、進風廊道、混風廊道以及煙囪組成[3]。當反應堆發生失水事故和蒸汽發生器管道破裂等事故時，鋼殼的溫度和壓力升高，熱量主要通過對流換熱的方式傳遞給空氣，從而使通道內空氣溫度升高、密度降低[4]。被加熱的空氣在密度差的驅動下，從頂部通風出口進入環境；外界空氣由于密度差作用，從進風通道流入。通過這種自然循環的方式，抑制內層安全殼溫度與壓力的持續升高。

先前，國外眾多研究機構就垂直圓管內的混合對流現象進行了實驗，獲得了層流模式下混合對流、湍流模式下混合對流、粗糙度對垂直管內混合對流換熱的影響的實驗經驗關系式[5?10]。針對垂直平板通道的混合對流現象，國內外學者也進行了很多研究，Wirtz 等[11]對對稱加熱的垂直平板內的自然對流進行了研究，通過熱電偶直接測溫和分析流動的干涉圖獲得了一系列的熱通量和幾何參數下的對流換熱特性，并建立了實驗關聯式。Thebault 等[12]為研究垂直通道內的自然對流過程中的流動發展和過渡指標，進行了實驗研究和數值模擬。研究結果表明，由于從壁面到自然對流邊界層的熱傳導和軸向的對流換熱，流動以塞流的形式進入，但很快出現一個高速浮力區并在加熱壁面附近生長，壁面存在湍流傳熱。

本文通過搭建干式平板加熱實驗臺架，探究環廊風道的通道寬度和頂部不同傾斜角度對PAS 傳熱的影響，旨在為ACP100 堆型PAS 設計優化提供數據支持和理論參考。

1 實驗臺架

1.1 臺架介紹

本實驗中對PAS 型式做了簡化，臺架示意圖詳見圖1，將雙殼簡化為平板結構，環形通道簡化為矩形通道[5]。經計算，空氣流動達到湍流狀態時，加熱面高度為2.1 m。實驗段加熱面尺寸為0.8 m×3 m，用以模擬鋼殼外表面，材料為鋼材Q345A。為了減少兩側面輻射換熱對實驗結果的影響，兩側面采用表面貼有鋁箔的Q235 鋼板，保證較低的表面黑度，其黑度可降低至0.04，通過寬度調節機構，對立面與加熱面間的寬度可在0.1~0.4 m 任意選擇。加熱面和對立面分別沿高度布置了20、10 列的溫度測點，實驗段下端布置了16 個風速測量點。

圖1 試驗臺架示意

1.2 臺架工況設計

ACP100 堆型PAS 設計工況參數如表1 所示。為盡可能地模擬小堆PAS 流動換熱行為，研究了不同流動模式的影響，為小堆PAS 分析評價時采用的混合對流傳熱關系式提供實驗基準，并基于實驗數據擬合混合對流傳熱關系式。

表1 ACP100 PAS 系統設計工況參數

實驗臺架的參數設置如下：入口流速為0~3.0 m/s；加熱面熱流密度為250~1 500 W/m2；傾斜角度（與水平面夾角）為0~90°；通道寬度b為0.1~0.4 m。

實驗臺架工況雷諾數（Re）、格拉曉夫數（Gr）、理查德數（Ri=Gr/Re2）取值范圍分別為1.7×104

為了研究不同通道寬度和傾斜角度對系統對流換熱特性的影響，運用相應模化準則[13?15]，對不同通道寬度和傾斜角度設計了19 組實驗工況，見表2。

表2 不同通道寬度、傾斜角度實驗工況參數

1.3 不確定度分析

實驗測量參數主要包括測點溫度和空氣流速，對于單次直接測量：

式中：UB為物理實驗中的不確定度，?instru為儀器誤差，?mes為采集系統帶來的誤差，C為置信概率p=0.683 時的置信系數。對于間接測量的物理量y，假設由若干個直接測量的物理量合成，即

間接測量的不確定度 δy傳遞公式為

根據上述計算方法算得實驗段壁面溫度和入口空氣溫度誤差為±0.81 ℃，環境溫度的測量誤差為±0.11 ℃，空氣溫度的測量誤差為±0.35 ℃，速度的測量誤差為0.044 m/s。

2 流動模式分析

2.1 流型分析

為減少輻射換熱對實驗結果的影響，實驗臺加熱面和兩側面均貼有鋁箔。圖2 是加熱面具有不同熱流密度的情況下獲得的壁面局部對流換熱系數分布。

圖2 不同熱流密度下局部對流換熱系數分布曲線

隨著熱流密度的增大，局部換熱系數的整體趨勢是增大的。同一工況下，局部換熱系數隨著通道高度增加有著劇烈的變化，可將其分為A、B、C、D 共4 個區域。區域A 為實驗段入口部分，隨著實驗段高度的增加，換熱系數迅速降低，此處可判定為層流區域。在該區域，隨著高度的增加，加熱面熱邊界層增厚，換熱系數降低。區域B 緊接區域A，在此區域存在最小換熱系數，為過渡區。在區域B 之后的C 區域，局部換熱系數逐漸趨穩，沒有明顯的變化幅度，可以認為為湍流區域，即充分發展區域，此處局部換熱系數與通道高度無關，為充分發展段。區域D 局部換熱系數明顯增大，區域D 靠近實驗臺架出口段，加熱實驗段向出口段的導熱不可忽略，導致局部換熱系數激增。

2.2 傳熱形式分析

PAS 設計無需外部能源支持，利用流道內外冷熱流體的密度差即可帶動自然循環。該過程中，實際的流動模式有2 種：一種是無外部驅動力情況下空氣被加熱形成的自然流動，另一種是安全殼較高的位置形成的較大的浮升力所產生的混合對流。

當Gr/Re2≥10 時，強迫對流的影響相對于自然對流可以忽略；當0.1≤Gr/Re2≤10 時為混合對流，此時強迫對流和自然對流的作用都應加以考慮。

3 實驗結果與分析

3.1 混合對流換熱分析

實驗通過風機提供強迫對流驅動力，利用加熱面加熱促使自然對流的產生。圖3 為充分發展區域的換熱分析，通過對實驗數據進行擬合，得到實驗數據如圖3 所示，縱坐標Nu/NuF表示混合對流換熱努賽爾數Nu與強迫對流換熱努賽爾數NuF的比值。

圖3 混合對流充分發展段換熱數據

當Ri較低時，自然對流在混合對流換熱中占主導，抑制了強迫對流換熱，降低了換熱效率；隨著Ri的增加，即混合對流換熱的效果逐漸明顯，換熱能力逐漸增強。

對傾斜角度通道的混合對流換熱，在換熱關系式中應考慮強化如下因子：

3.2 自然對流換熱分析

通過拆除外接風機、改變加熱面的功率，獲得自然對流工況的發生。實驗過程中實驗段4 個壁面保留貼的鋁箔，通過對通道寬度以及加熱面功率的調節，獲得不同工況下的自然對流。

圖4是自然對流實驗數據同混合對流實驗關系式的對比。從圖4 中可以看出，自然對流工況下，雖然由于浮升力作用在實驗段通道內產生了一定的流量，但是通道內的流動狀態與前文所述混合對流換熱情況是有區別的。Ri相同的情況下，自然對流的換熱能力強于混合對流。這主要是由于在實驗段通道內，空氣流動是被加熱面單面加熱所導致的，從而使通道內空氣流速很不均勻。在靠近加熱面附近，空氣流速較大；而在遠離加熱面的對立面附近，空氣流速較小。這使得在加熱面的湍流強度更大，促進了加熱面的換熱。因此，自然對流與混合對流無法用統一的換熱關系式進行處理。

圖4 充分發展段自然對流混合對流換熱對比

圖5為利用瑞利數獲得的自然對流工況充分發展段換熱關系式，隨著瑞利數Ra的增大，換熱系數是逐漸增大的，且與通道的寬高比b/H有一定的關系。隨著通道高度的增加，自然對流換熱能力增強；而隨著通道寬度的增加，自然對流換熱能力減弱。這主要是由于隨著通道高度的增加、通道寬度的減小，通道內的空氣流速增加，強化了對流傳熱。

圖5 充分發展段自然對流換熱實驗數據

圖6為不同傾斜角度情況下自然對流換熱實驗數據。在換熱關系式中同樣應考慮換熱強化因子。從圖6 中可以明顯看出，對于傾斜角θ=15°情況，由于垂直于加熱面的浮升力明顯大于平行于水平面的浮升力，實驗數據點都位于擬合曲線的上方。因此在小角度傾角下，自然對流換熱情況能夠得到明顯增強。

圖6 不同傾斜角度下自然對流換熱實驗數據

4 結論

本文通過搭建小堆PAS 干式平板加熱實驗臺架，對不同通道寬度、傾斜角度的單面加熱自然循環機理進行了實驗研究，得到如下結論：

1）在混合對流情況下，隨著Ri的增大，自然對流對混合對流換熱的促進作用逐漸增強。

2）通道寬度減少、高度增加對PAS 換熱是有利的，自然對流換熱能力隨通道高寬比成正相關。

3）自然對流換熱能力隨加熱面與水平面傾斜角度的減小而增強，當斜度小于15°時，自然對流換熱能力提升明顯。