棒束内超临界水传热实验研究

李虹波1，赵萌2，顾汉洋2，卢冬华1

(1.中科华核电技术研究院有限公司，广东 深圳518026；

2.上海交通大学 核科学与工程学院，上海200240)

摘要：在中国广核集团有限公司和上海交通大学共建的超临界水多功能实验装置上，针对两种不同节径比(P/D)的棒束通道开展了超临界水流动传热实验，获得了传热实验数据，观测到了通道内棒束间明显的周向温度不均匀现象和定位格架导致的传热强化现象。通过对各种热工水力参数的实验研究，得出超临界水流动传热结论：随热流密度的增加，传热系数逐渐减小，棒束壁温周向不均匀程度逐渐增加；随质量流速的增加，传热系数逐渐增大，棒束壁温周向不均匀程度逐渐减小；随压力的逐渐升高，传热系数少许降低；随P/D的减小，棒束通道内的传热明显增强。

关键词：超临界水；流动传热；棒束；传热系数

中图分类号：TK124 文献标志码：A

收稿日期：2014-07-08;修回日期：2014-09-24

作者简介：李虹波(1980—)，男，重庆人，高级工程师，博士，从事反应堆热工水力及两相流动与传热研究

doi：10.7538/yzk.2015.49.10.2017

Experiment Study of Supercritical Water Heat Transfer in Bundle

LI Hong-bo1, ZHAO Meng2, GU Han-yang2, LU Dong-hua1

(1.ChinaNuclearPowerTechnologyResearchInstitute,Shenzhen518026,China;

2.SchoolofNuclearScienceandEngineering,

ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

Abstract:The heat transfer experiment of supercritical water in two bundles with differentP/D has been performed on the supercritical water multipurpose test loop coconstructed by China General Nuclear Power Corporation and Shanghai Jiao Tong University. The experiment data were obtained. The temperature non-uniformity in circumference of the bundles and heat transfer enhancement caused by the grids were observed obviously. The experiment research results of thermal-hydraulic parameters on heat transfer of supercritical water show that the heat transfer coefficient decreases and the temperature non-uniformity in circumference is enhanced with the increase of heat flux. The heat transfer coefficient increases and the temperature non-uniformity in circumference decreases with the increase of mass flux. The heat transfer coefficient decreases with the increase of system pressure. The heat transfer in bundles is enhanced with the decrease of P/D.

Key words：supercritical water; flow and heat transfer; bundle; heat transfer coefficient

超临界压力下水物性对温度的强烈依赖性，使得超临界流体的流动传热过程较普通流体的要复杂得多[1-2]。大量文献指出，物性剧烈变化和浮力效应可能会引起传热强化，而加速效应和浮力效应则可能会引起传热恶化。已有实验研究多采用圆管和环形通道完成。Mori[3]和Kim等[4]在环形通道内以R22和CO2为工质进行了超临界水流动传热实验。Licht[5]在环形通道内亦开展了超临界水流动传热实验，他们通过实验观察到在低质量流速和高热流密度情况下的传热恶化现象。

由于受实验技术的限制，针对超临界流体棒束结构的研究非常少，目前文献能见的棒束超临界流体传热实验大部分是由俄罗斯学者完成的，包括Dyadyakin等[6]针对7棒束超临界水的流动传热实验，Silin等[7]针对大型棒束内超临界水的流动传热实验以及近年Kirillov等[8]针对7棒束超临界氟利昂的传热实验。他们的实验结果表明，超临界流体的流动和传热特性在棒束内与简单圆管道内之间存在显著的差异，同时不同研究者所得到的研究结论存在明显的矛盾。Silin等[7]的研究结果表明，在对应简单圆管道内发生传热恶化的流动参数区域内，棒束内的超临界流体并未出现传热恶化现象；但Kirillov等[8]的实验研究中清晰地观察到了传热恶化现象。因此，棒束内超临界流体的流动传热特性十分复杂，需开展进一步研究。

杨珏等[9]提出一种新型压力容器式超临界水堆(SCWR)堆芯设计，该堆芯采用一种新型双排棒正方形闭式燃料组件。目前未见针对此种棒束结构的实验研究文献，因此有必要开展基于该堆芯设计的2×2棒束内超临界水实验研究。本文开展该2×2棒束内超临界水的传热实验，研究超临界水在该棒束通道内的传热特性。

1实验装置

本实验在超临界水多功能实验装置(SWAMUP)上完成，该实验装置为闭式回路，可开展不同形状流道内的超临界水热工水力实验。

1.1实验回路

实验回路示于图1。实验回路主要包括主循环系统、造水系统、循环冷却水系统、电气系统、测控系统和监控系统等。为使实验段的进口质量流速尽可能保持稳定和保证实验水质，在实验段进口处加装了一个带有节流功能的滤网。

图1　3D实验回路 Fig.1　3D experiment loop

实验回路流程为：从屏蔽泵出来的去离子水分两路，一路为主回路流程，另一路为实验支路流程。进入实验支路的工质由质量流量计测量流量，然后通过预热器加热后进入实验本体，实验本体出来的高温流体与主回路流程的低温流体在混合器内混合，经换热器冷却后回到屏蔽泵入口，形成闭合的强迫循环流动。

图2　实验段结构 Fig.2　Structure of experiment section

1.2实验段

实验段主要包括2×2棒束元件、矩形通道及承压筒体3部分，实验段结构如图2所示。2×2棒束采用Inconel 718不锈钢，参考杨珏等[9]的SCWR堆芯尺寸设计研究，分别采用两种不同P/D截面尺寸，如图3所示。棒束采用新设计定位格架进行固定，与传统定位格架相比，与加热棒的接触由面接触改为线接触，在具有同样定位功能及增强扰动的同时，大幅减小了对棒表面传热的影响。矩形通道、承压筒体及其他配件主要采用0Cr17Ni12Mo2不锈钢。实验段有效加热长度为1 328 mm。本高温高压传热实验对热平衡有较高要求，因此整个实验段及实验管路均采用保温棉进行绝热保温。

图3　两种P/D的2×2棒束 Fig.3　2×2 bundles with different P/D

图4　壁温测点分布 Fig.4　Metrical point distribution for wall temperature

2实验方法

实验采用大电流变压器和调压器对预热段加热，采用900 kW晶闸管整流电源直接对实验段加热。流经实验段的质量流速用RHONIK质量流量计测量。实验段进出口和预热段进口均装有取压嘴，采用EJA型150A(130A)智能压力(压差)变送器测量压力和压降。实验段和预热段进出口流体温度采用Ⅰ级精度的φ1 mm铠装K型热电偶测量。为得到2×2棒束内同一轴向位置处的周向温度分布，其中心子通道、边子通道、角子通道和窄缝子通道的壁面温度将同时在4根棒内不同角度处进行测量(图3)。实验采用滑移热电偶测温系统，共测量了23个不同轴向位置壁面温度，轴向壁温测点分布示于图4。该测温系统包含4根同样精度、尺寸的热电偶和1个多向驱动机构，多向驱动机构带动4根热电偶可在棒束内壁沿轴向和周向滑动测量不同位置处壁面温度。实验段电压采用电压变送器测量，电流采用大电流仪测量。所有测量信号均通过NI数据采集系统连接到计算机进行监视和采集，采集速度为100 ms/(次·通道)，测量精度为0.1级。

实验时，先对实验段热平衡进行检验，确保达到95%以上方可进行正式实验。启动实验回路后，调节系统压力、质量流速及进口温度至设定值并保持稳定，逐步提升实验段加热功率至一定值，待各项参数稳定后采集实验数据。继续提升加热功率并采集实验数据，直至出口处流体温度达到拟临界点或壁面温度达到750 ℃。本实验的热工水力参数范围列于表1。

表1　热工水力参数范围

3实验结果及分析

根据实验测量结果，对超临界条件下水在2×2棒束中的流动传热特性进行了分析研究，并系统研究了热流密度、质量流速、系统压力等热工水力参数以及不同P/D对传热的影响规律。

3.1传热特性

图5示出了25 MPa压力下，不同节径比棒束流道内的传热情况。图中，双竖线为定位格架的位置，下同。在P/D=1.3的2×2棒束内流动传热呈现正常状态，如图5a所示。当壁温超过拟临界温度时，P/D=1.3棒束通道内并未出现传热恶化现象，不同于单管实验在相同热工水力参数情况下出现两种明显的传热恶化现象[10]。在P/D=1.18的2×2棒束内，小质量流速、高热流密度条件下，通道进口附近的壁面温度明显高于其下游壁温，而此处流体温度远低于拟临界温度。同时，该处的传热系数和Nu相对于通道下游区域普遍偏小。这一现象类似于单管实验中出现的第1类传热恶化[10]。这说明随P/D的减小，棒束内的超临界水流动传热较易出现第1类传热恶化现象。

从图5可看出，在定位格架附近及其下游区域，流体与棒束间传热强化，壁温陡降。这说明本实验中使用的定位格架对超临界水棒束传热有一定强化作用。

在超临界压力下，棒束中温度分布周向不均匀性十分明显。中心子通道壁面温度TW1最低，说明整个棒束通道中该子通道的传热最强；边子通道、角子通道的壁面温度高于其他子通道的，其传热系数较低。

3.2影响因素分析

1) 热流密度

热流密度对传热的影响示于图6。图6中，HTC为传热系数。从图6可看出，分别在相同几何尺寸、压力和质量流速下，随热流密度的增加，传热系数逐渐减小，棒束壁温周向不均匀程度逐渐增加。在P/D=1.3棒束中，最高壁温出现在高热流密度(q=1 007.6 kW/m2)工况的边子通道TW2出口处；在更紧密的P/D=1.18棒束中，最高壁温出现在最高热流密度(q=1 147.7 kW/m2)工况的角子通道TW3出口处。这说明棒束通道中最高温度出现的位置受P/D影响。

2) 质量流速

在相同几何尺寸、压力和热流密度下，随质量流速的增加，传热系数逐渐增大，棒束壁温周向不均匀程度逐渐减小，如图7所示。质量流速非常强烈地影响着传热的好坏以及传热系数的高低。传热系数在定位格架下游发生明显强化，随质量流速的增大，定位格架对传热的强化作用越明显。在P/D=1.3棒束中，进口附近定位格架对传热的强化作用最大；然而在更紧密的P/D=1.18棒束中，出口附近定位格架对传热的强化作用最大。

3) 系统压力

系统压力对传热的影响示于图8。从图8可看出，在其他参数基本一致的情况下，传热系数随系统压力的升高稍微降低，主要由流体热物性变化所致，但压力对传热的影响并不明显。在23 MPa压力时，传热系数最大，随压力的进一步升高，传热系数变化越不明显。这说明，在临界压力附近，压力对传热的影响较明显，压力越高于临界压力，传热系数对压力变化越不敏感。

a——P/D=1.3；b——P/D=1.18 图5　2×2棒束通道温度分布 Fig.5　Temperature distribution in 2×2 bundles

图6　热流密度对传热的影响 Fig.6　Effect of heat flux density on heat transfer

图7　质量流速对传热的影响 Fig.7　Effect of mass flux on heat transfer

图8　系统压力对传热的影响 Fig.8　Effect of system pressure on heat transfer

4)P/D

P/D=1.3棒束中的壁面温度明显高于P/D=1.18棒束中的壁面温度，如图9所示，且P/D=1.3棒束中的传热系数明显更低。这说明在其他参数基本一致的情况下，P/D对传热也有很强的影响，P/D=1.18的紧密栅结构的传热能力明显强于P/D=1.3的非紧密栅结构的。分析认为，随P/D的减小，紧密栅元棒束通道内参数的不均匀性会增加，棒与棒之间区域存在大尺寸、周期性的速度和温度波动，这种波动对子通道间热量和动量的交混起较强作用，使得紧密栅元棒束通道内传热更强。

图9　P/D对传热的影响 Fig.9　Effect of P/D on heat transfer

4结论

1) 在P/D=1.3棒束通道内未出现在相同热工参数下单管中出现的传热恶化现象，因此传热效果较单管的好，且传热更稳定；在P/D=1.18棒束通道中，低质量流速、高热流密度条件下出现第1类传热恶化，说明随P/D的减小，棒束内较易出现传热恶化现象。

2) 超临界压力下棒束通道中存在明显的温度分布周向不均匀现象，四棒束结构中，同一周向位置处不同子通道的壁面温度有显著的差异，这种差异随热流密度/质量流速比的增加而增大。

3) 本实验中使用的定位格架对棒束内超临界水传热有一定的强化作用，在定位格架附近及其下游区域，流体与棒束间的传热受到明显强化，壁温陡降。

4) 热工水力参数和几何尺寸对棒束通道内超临界水传热特性的影响规律主要为：传热系数随热流密度或系统压力的升高而减小，随质量流速的增大而增大；温度分布周向不均匀性随热流密度的增大而增强，随质量流速的增大而减弱；随P/D的减小，棒束内传热增强。

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