水介質下的溫度計響應時間仿真與試驗研究

王 源,郭 偉,熊國華,郭承旺

(中廣核研究院有限公司,廣東 深圳 518124)

0 引言

熱電阻是一種常用的溫度檢測儀器。它的主要特點是測量精度高、性能穩定[1]。其中,鉑熱電阻以其測量精確度較高的優點,不僅廣泛應用于工業測溫,而且被制成標準的基準儀[2]。熱電阻溫度計的原理是導體電阻隨溫度變化。在壓水堆核電站中,溫度是十分重要的測量參數。反應堆冷卻劑溫度直接在一回路主管道上采用帶套管的電阻溫度計進行測量。

響應時間是熱電阻溫度計的一項關鍵技術指標[3]。國內對熱電阻溫度計響應時間測量方法和傳感器結構影響溫度計響應時間有一定的研究[4-7],但對于不同測量工況下的研究仍較少。因此,有必要開展熱電阻溫度計水介質下響應時間仿真與試驗研究,以確定水介質下熱電阻溫度計響應時間的影響因素和變化規律。這對于反應堆冷卻劑溫度的測量十分重要。

為了研究在水介質下不同測量工況(溫度、流速、壓力)對熱電阻溫度計響應時間的影響,本文基于反應堆一回路冷卻劑的溫度變化場景,結合仿真分析軟件,通過控制變量方法對典型工況條件下的熱電阻溫度計響應時間開展理論分析。其中:仿真過程中水介質的流速變化區間為0～10.0 m/s;溫度變化區間為20～80 ℃;壓強變化區間為0.101～7.1 MPa。

1 熱電阻結構及動態響應原理

套管式鉑熱電阻溫度計結構一般分為五個主要部分,從外到內分別是熱電阻溫度計套管、保護管、絕緣填充物、骨架和鉑電阻絲。套管的主要作用是在高溫、高壓、易腐蝕沖擊的管道環境中保護熱電阻溫度計,以防止其受損。保護管主要用于固定和確保熱電阻溫度計內部結構穩定。絕緣填充物主要用于絕緣和導熱。骨架主要用于為鉑電阻絲提供支撐。鉑電阻絲為感溫金屬。

套管式熱電阻溫度計結構如圖1所示。

圖1 套管式熱電阻溫度計結構示意圖

熱電阻溫度計測溫原理為:由于金屬導體的阻值隨溫度變化而變化,通過對熱電阻溫度計阻值進行測量,即可由阻值與溫度的轉換關系得到被測流體的溫度值。

根據熱電阻溫度計輸出曲線,可以判斷其動態響應。本文假設熱電阻溫度計的材料是均勻的,從溫度為To的常溫環境中突然進入到溫度為Tf的環境,經過時間為τ,熱電阻溫度計的溫度為T。

熱電阻溫度計溫度變化曲線如圖2所示。

圖2 熱電阻溫度計溫度變化曲線

由熱力學模型可知,熱電阻溫度計在流體介質中的熱力學定律為[8]：

(1)

式中:ρ為傳感器前端傳感元件部分密度;c為傳感器前端部分比熱容;V為傳感器換熱部分體積;A為傳感器前端傳感元件部分面積;h為對流換熱系數。

在t= 0、T=T0的初始條件下,積分求解式(1),可得:

(2)

熱電阻溫度計的時間常數τ定義為:當溫度到達總溫度變化63.2%時所對應的時間。

(3)

2 熱電阻溫度計仿真模型和流程

2.1 熱電阻溫度計仿真模型

本文采用Ansys-Fluent軟件,基于計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)方法進行仿真分析,通過計算機數值求解流動和傳熱方程,對包含流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統進行分析。

熱電阻溫度計套管的基本結構尺寸如圖3所示。

圖3 結構尺寸圖

根據圖3,本文建立了如圖4所示的熱電阻溫度計簡化模型。

圖4 熱電阻溫度計簡化模型示意圖

實際傳感器結構鉑電阻是作為絲狀纏繞在螺紋骨架上的。因為其結構復雜且尺寸相較于整個模型較小,不易建立網格,所以在此處進行簡化處理。簡化處理包括:去除作為支撐鉑電阻絲的骨架;按照等體積建立鉑電阻圓柱體,以代替鉑電阻絲。

本文對傳感器所處的流場進行流固耦合瞬態溫度場分析,并作以下假設。

①忽略與外部環境之間的輻射換熱。

②傳感器與外表面的水介質自然對流換熱,忽略其他環境影響。

③忽略通過測量引線等零部件的導熱熱損。

④將熱電阻溫度計鉑電阻絲骨架簡化,并省略對這個部分的詳細建模。

2.2 熱電阻溫度計仿真流程

針對建立的熱電阻溫度計測量管道內流體的仿真模型,本文根據以下步驟進行數值仿真。

①網格劃分。

Fluent軟件中,體網格劃分有四面體網格和六面體網格兩種方式。本次仿真采用的網格劃分方式為適應性較強的四面體網格。本文對DN100仿真模型采用非結構化網格劃分,即四面體網格劃分。網格模型如圖5所示。

圖5 網格模型

為提高仿真精度、準確捕捉接觸面的狀態,本文在流體與壁面接觸面進行邊界層設置,且對需要觀察的位置進行了網格細化。網格劃分后,必須檢查網格質量的優劣。

②流動模型選擇。

根據流體工況參數,可確定流動是層流流動還是湍流流動。其判斷依據通常為雷諾數的大小。

③材料設置。

根據熱電阻溫度計的各部分實際材料,本文從Fluent材料數據庫中分別進行固體材料和液體材料添加。對于材料庫中不存在的材料,可根據所需材料的物性參數自定義材料。本文進行材料匹配設置如下:外層為石棉;套管為316L;內部護套為二氧化硅;填充物為氧化鎂;鉑電阻為鉑;流體為水/水蒸氣。

④設置邊界條件。

邊界條件包括入口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件。仿真中提供的工況參數為:入口邊界條件設置為速度入口邊界條件,按照實際工況進行入口流速、流體溫度等參數設置;出口邊界條件設置為壓力出口,采用默認壓力出口設置;壁面邊界條件設置為無滑移邊界,并對流體壁面與流體之間的對流換熱系數以及熱電阻溫度計與環境間的對流換熱系數進行設置。

⑤求解方法選擇。

求解方法有四種,分別為壓力耦合方程的半隱式法(semi-implicit-method for pressure linked equations,SIMPLE)、一致性壓力耦合方程的半隱式法(semi-implicit-method for pressure linked equations consistent,SIMPLEC)、壓力-隱式分裂算子(pressure-implicit with splitting of operators,PISO)和Coupled。前三種為分離求解方法。第四種為耦合求解方法。分離求解方法主要用于不可壓縮流動和可壓縮性不強的流動。耦合求解方法主要用于高速可壓縮流動。本文采用分離求解和耦合求解相結合的方法。

⑥數據初始化。

為獲得熱電阻溫度計溫度變化瞬態曲線,本文仿真類型屬于瞬態仿真。仿真選擇相應方法進行初始化,并據根據實際工況中流體的三維方向的速度分量、模型的溫度等參數進行初始化設置。

⑦仿真計算。

仿真計算需要設置迭代次數、時間間隔和最大迭代步數。其中,時間間隔選取依據為比特征長度除以特征速度所得的時間小一至二個量級,且選取得越小,仿真精度越高,對計算機性能要求也越高。最大迭代步數一般取5～10為理想值。迭代次數根據經驗值選取。設置完成后,即可開始仿真計算得到熱電阻溫度計的溫度變化曲線。

根據試驗測試需求,本文建立了如圖6所示的試驗測量工裝。

圖6 試驗測量工裝示意圖

試驗管道的設計參數為內徑98 mm。本文以試驗工裝為模型對象,根據試驗管道參數和工程現場管道參數建立了等效的管道直徑DN100的仿真模型。

3 響應時間影響因素仿真結果分析

本文在管道直徑DN100的情況下對響應時間影響因素開展分析。其中,DN100管徑作為試驗管徑,其仿真內容包括水介質仿真,以探究不同介質、不同測量工況(流速、溫度、壓強)對響應時間的影響。以下詳細分析水介質的流體流速、溫度和壓強這三個因素對響應時間仿真結果的影響。

熱電阻溫度計響應時間隨流速變化的仿真結果如圖7所示。

圖7 響應時間隨流速變化的仿真結果

圖7中:仿真介質為水;壓強為0.101 MPa;流體溫度為20 ℃。

由圖7可知,響應時間隨著流體流速增加呈下降趨勢。根據傳熱角度分析可知,對流換熱系數與流體流速成正比。因此,流速越大,對流換熱系數越大,則流體與熱電阻溫度計之間換熱效果越好,熱電阻溫度計響應也越快。

熱電阻溫度計響應時間隨溫度變化的仿真結果如圖8所示。

圖8 響應時間隨溫度變化的仿真結果

圖8中:管道壓強為0.101 MPa;流速為1 m/s。

由圖8可知,響應時間隨著流體溫度增加呈階段性下降趨勢。其原因在于水的物性參數隨溫度變化不明顯,只有在溫度變化達到一定程度時才逐漸顯現其溫度影響。由不同溫度下的對流換熱系數計算結果可知,對流換熱系數隨溫度升高而增加,但是增加速度較為緩慢。這體現了響應時間隨溫度升高階段性下降的特點。

對流換熱系數隨溫度變化曲線如圖9所示。

圖9 對流換熱系數隨溫度變化曲線

熱電阻溫度計響應時間隨壓強變化的仿真結果如圖10所示。

圖10 響應時間隨壓強變化的仿真結果

圖10中:仿真介質為水;溫度為20 ℃;流速為1 m/s。

由圖10可知,響應時間隨著壓強增加不發生變化。其原因在于水作為不可壓縮流體,其物性參數基本不隨壓強增加而產生變化。

4 仿真結果試驗驗證

4.1 水介質試驗工況

為了驗證幾何模型和動態響應仿真計算結果的可靠性,本文采用實驗室方法與仿真結果進行比對驗證。實驗室方法在水介質中采用插入法在不同流速下進行測量。本文依據《核電廠安全級電阻溫度探測器的質量鑒定》(NB/T 25838—2010)中對響應時間試驗的相關要求,測量特定水介質三個工況條件下的熱電阻溫度計響應時間。具體為:在水介質中,溫度為75 ℃和常壓時,不同溫度工況、不同流速工況、不同壓力工況的流速分別為0.4 m/s、0.6 m/s、1.0 m/s。

4.2 水流式熱響應時間試驗裝置

水流式熱響應時間試驗裝置由初溫恒溫槽、旋轉式恒溫槽、數據采集器、計算機四個主要部分組成。其工作原理及過程如下。

①初溫恒溫槽設置為常溫(通常為20 ℃),通過標定的電機轉速控制旋轉式恒溫槽的介質溫度和流速,以達到預定值并保持穩定。

②鉑電阻溫度計信號端子連接至數據采集器,以實時監測測量端溫度。

③鉑電阻溫度計的測溫端置于初溫恒溫槽中一段時間,以保持數據采集器顯示的鉑電阻溫度計溫度穩定。

④鉑電阻溫度計從初溫恒溫槽中快速取出,并置于旋轉式恒溫槽中。

⑤觀察數據采集器顯示的鉑電阻溫度計的溫度階躍變化,記錄鉑電阻溫度計的熱響應時間(τ0.632)。

4.3 試驗結果分析

本文在直徑為DN100的管道對響應時間影響因素展開分析。其仿真內容為基于水介質仿真,研究不同測量工況對響應時間的影響。

試驗與仿真結果對比如表1所示。

表1 試驗與仿真結果對比

本文分別對三種工況下的試驗和仿真數據進行比較。從插入法試驗結果和仿真結果誤差可知,三種工況下得到的誤差值均在3.5%以內。試驗與仿真的誤差是由于試驗中參數測量與控制和仿真模型之間不能完全等效造成的,但兩者具有相同的變化趨勢。仿真與試驗結果證明了熱電阻方案和工裝試驗模型的合理性及采用此仿真方法的適用性和可行性,為進一步研究在其他具體工況下的響應時間奠定基礎。

5 結論

本文對應用于測量反應堆一回路冷卻劑的熱電阻溫度計進行了響應時間研究。通過熱電阻溫度計水介質下響應時間數值仿真與試驗,研究了不同溫度、不同流速、不同壓力工況下對傳感器響應時間的影響和變化規律。本文采用實驗室方法與仿真結果進行比對驗證。研究結果對探究具體工況下的熱電阻溫度計響應時間有重大意義,可以確保反應堆在發生較大溫度瞬態變化時,反應堆熱電阻溫度計能快速、有效響應并及時實現停堆。