安全壳空气冷却系统单面加热对流换热特性研究.pdf

DOI:10.11991/yykj.202304021网络出版地址：https:/ PAS 的设计、运行基础，本文通过搭建干式平板加热实验台架，研究分析了不同通道宽度、倾斜角度对 PAS 换热能力的影响。结果表明：通道宽度减少、高度增加对 PAS 换热是有利的，自然对流换热能力随通道高宽比成正相关；自然对流换热能力随加热面与水平面倾斜角度的减小增强，当斜度小于 15时，自然对流换热能力提升明显。关键词：ACP100；安全壳空冷系统；非能动；单面加热；自然对流；平板试验；倾斜角度；通道宽度中图分类号：TL48文献标志码：A文章编号：1009671X(2023)04002105An experimental study on heat convection characteristics of containmentair-cooling system with single-sided heatingLIUJiawei1,LIDongliang1,ZHANGWei1,GUOZehua2,31.ProcessandLayoutDivision,ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100840,China2.CollegeofNuclearScienceandTechnology,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China3.HeilongjiangProvincialKeyLaboratoryofNuclearPowerSystem&Equipment,Harbin150001,ChinaAbstract:Underaccidentconditions,inordertotransferreactorheatfromtheoutersurfaceofthesteelcontainmenttotheenvironment,AdvancedChinaPWRLinglongNo.1(ACP100)isequippedwithapassivecontainmentaircoolingsystem(PAS).Theresearchonthenaturalconvectionmechanismofpassivenaturallycirculationwithsingle-sidedheatingisthebasisforthedesignandoperationofPAS.Bybuildingdry-typeflat-platefoundationtestbench,thispaperanalyzestheeffectsofthechannelwidthandinclinationangleontheheattransfercapacityofnaturalconvectionofPASsystem.TheresultshowsthatthereductionofchannelwidthandincreaseofheightcanimproveheattransfercapacityofPASsystem.Inanotherword,heattransfercapacityofnaturalconvectionispositivelycorrelatedwiththechannelaspectratio,andincreasesastheinclinationanglebetweentheheatingsurfaceandthehorizontalplanedecreases.Theheattransfercapacityofnaturalconvectionissignificantlyimprovedwhentheinclinationangleislessthan15.Keywords:ACP100;containmentair-coolingsystem;passive;single-sideheating;naturalconvenction;dry-typeflat-platetest;tiltangle;channelwidth非能动安全壳空冷系统（passivecontainmentair-coolingsystem，PAS）的换热性能对模块化小型压水堆核电厂“玲珑一号”（AdvancedChinaPWRLinglongNo.1，ACP100）的安全性意义重大。事故工况下，PAS 系统通过空气自然循环流动即可实现安全壳的非能动自然冷却1，确保其安全壳内部温度和压力处于允许范围内。流道设计是决定 PAS 性能的主要因素2，研究流道关键几何尺寸对空气对流换热能力的影响至关重要。PAS 风道由钢制安全壳、混凝土安全壳、二者之间的环廊、进风廊道、混风廊道以及烟囱组收稿日期：20230417.网络出版日期：20230607.基金项目：中核集团 ACP100 改进（龙兴延续）科研基金项目（K.JT1000A040）.作者简介：刘嘉维，男，工程师，硕士.郭泽华，男，讲师，博士.通信作者：刘嘉维，E-mail：.第50卷第4期应用科技Vol.50No.42023年7月AppliedScienceandTechnologyJul.2023成3。当反应堆发生失水事故和蒸汽发生器管道破裂等事故时，钢壳的温度和压力升高，热量主要通过对流换热的方式传递给空气，从而使通道内空气温度升高、密度降低4。被加热的空气在密度差的驱动下，从顶部通风出口进入环境；外界空气由于密度差作用，从进风通道流入。通过这种自然循环的方式，抑制内层安全壳温度与压力的持续升高。先前，国外众多研究机构就垂直圆管内的混合对流现象进行了实验，获得了层流模式下混合对流、湍流模式下混合对流、粗糙度对垂直管内混合对流换热的影响的实验经验关系式510。针对垂直平板通道的混合对流现象，国内外学者也进行了很多研究，Wirtz 等11对对称加热的垂直平板内的自然对流进行了研究，通过热电偶直接测温和分析流动的干涉图获得了一系列的热通量和几何参数下的对流换热特性，并建立了实验关联式。Thebault 等12为研究垂直通道内的自然对流过程中的流动发展和过渡指标，进行了实验研究和数值模拟。研究结果表明，由于从壁面到自然对流边界层的热传导和轴向的对流换热，流动以塞流的形式进入，但很快出现一个高速浮力区并在加热壁面附近生长，壁面存在湍流传热。本文通过搭建干式平板加热实验台架，探究环廊风道的通道宽度和顶部不同倾斜角度对PAS 传热的影响，旨在为 ACP100 堆型 PAS 设计优化提供数据支持和理论参考。1实验台架1.1台架介绍本实验中对 PAS 型式做了简化，台架示意图详见图 1，将双壳简化为平板结构，环形通道简化为矩形通道5。经计算，空气流动达到湍流状态时，加热面高度为 2.1m。实验段加热面尺寸为0.8m3m，用以模拟钢壳外表面，材料为钢材Q345A。为了减少两侧面辐射换热对实验结果的影响，两侧面采用表面贴有铝箔的 Q235钢板，保证较低的表面黑度，其黑度可降低至 0.04，通过宽度调节机构，对立面与加热面间的宽度可在0.10.4m 任意选择。加热面和对立面分别沿高度布置了 20、10 列的温度测点，实验段下端布置了16 个风速测量点。调压器加热带出口段压差变送器压差变送器风机阀门下腔室整流器入口段热线式风速计加热带加热带加热带加热带热电偶实验段计算机数据采集系统加热带调压器调压器调压器调压器调压器P电源图1试验台架示意1.2台架工况设计ACP100 堆 型 PAS 设 计 工 况 参 数 如 表 1 所示。为尽可能地模拟小堆 PAS 流动换热行为，研究了不同流动模式的影响，为小堆 PAS 分析评价时采用的混合对流传热关系式提供实验基准，并基于实验数据拟合混合对流传热关系式。表1ACP100PAS 系统设计工况参数物性参数数值加热面温度/100入口空气流速/（m/s）0.3入口空气温度/40出口空气温度/80通道宽度/m1m雷诺数3.2104格拉晓夫数2.621010理查德数25.58实验台架的参数设置如下：入口流速为03.0m/s；加热面热流密度为 2501500W/m2；倾斜角度（与水平面夹角）为 090；通道宽度 b 为 0.10.4m。实验台架工况雷诺数（Re）、格拉晓夫数（Gr）、理 查 德 数（Ri=Gr/Re2）取 值 范 围 分 别 为1.7104Re8.7104、1.0108Gr1.11010、0.09Ri30。对于 Ri，实验范围能够覆盖 PAS 的真实无量纲参数范围；由于通道宽度所限，Gr 数较实际略小，为了保证实验数据的可信度，实验台架不能进一步扩大通道宽度。为了研究不同通道宽度和倾斜角度对系统对22应用科技第50卷流换热特性的影响，运用相应模化准则1315，对不同通道宽度和倾斜角度设计了 19 组实验工况，见表 2。表2不同通道宽度、倾斜角度实验工况参数工况入口流速/(m/s)加热面热流密度/(W/m2)倾斜角度/()通道宽度/mGr/1010Gr*/Re2不同倾斜角度Case101500150.417.92Case201500300.417.92Case301500450.417.92Case401500600.417.92Case501500750.417.92Case601500900.417.92Case70.81500150.417.922.03Case80.81500300.417.922.03Case90.81500450.417.922.03Case100.81500600.417.922.03Case110.81500750.417.922.03Case120.81500900.417.922.03不同通道宽度Case130150000.117.92Case140150000.217.92Case150150000.317.92Case160.8150000.117.920.5Case170.8150000.217.921.02Case180.8150000.317.921.521.3不确定度分析实验测量参数主要包括测点温度和空气流速，对于单次直接测量：UB=(instru+mes)/CUBinstrumes式中：为物理实验中的不确定度，为仪器误差，为采集系统带来的误差，C 为置信概率p=0.683 时的置信系数。对于间接测量的物理量y，假设由若干个直接测量的物理量合成，即y=f(x1,x2,xn)y间接测量的不确定度传递公式为y=ni1fxixi2根据上述计算方法算得实验段壁面温度和入口空气温度误差为0.81，环境温度的测量误差为0.11，空气温度的测量误差为0.35，速度的测量误差为 0.044m/s。2流动模式分析2.1流型分析为减少辐射换热对实验结果的影响，实验台加热面和两侧面均贴有铝箔。图 2 是加热面具有不同热流密度的情况下获得的壁面局部对流换热系数分布。q=212.2 W/m2q=420.8 W/m2q=641.4 W/m2q=860.1 W/m2q=1 082.6 W/m2109876h(x)54300.2ABCD层流区过渡区湍流区0.4x/H0.60.81.0图2不同热流密度下局部对流换热系数分布曲线随着热流密度的增大，局部换热系数的整体趋势是增大的。同一工况下，局部换热系数随着通道高度增加有着剧烈的变化，可将其分为 A、B、C、D 共 4 个区域。区域 A 为实验段入口部分，随着实验段高度的增加，换热系数迅速降低，此处可判定为层流区域。在该区域，随着高度的增加，加热面热边界层增厚，换热系数降低。区域B 紧接区域 A，在此区域存在最小换热系数，为过渡区。在区域 B 之后的 C 区域，局部换热系数逐渐趋稳，没有明显的变化幅度，可以认为为湍流区域，即充分发展区域，此处局部换热系数与通道高度无关，为充分发展段。区域 D 局部换热系数明显增大，区域 D 靠近实验台架出口段，加热实验段向出口段的导热不可忽略，导致局部换热系数激增。2.2传热形式分析PAS 设计无需外部能源支持，利用流道内外冷热流体的密度差即可带动自然循环。该过程中，实际的流动模式有 2 种：一种是无外部驱动力情况下空气被加热形成的自然流动，另一种是安全壳较高的位置形成的较大的浮升力所产生的混合对流。当 Gr/Re210 时，强迫对流的影响相对于自然对流可以忽略；当0.1Gr/Re210 时为混合对流，此时强迫对流和自然对流的作用都应加以考虑。3实验结果与分析3.1混合对流换热分析实验通过风机提供强迫对流驱动力，利用加热面加热促使自然对流的产生。图 3 为充分发展区域的换热分析，通过对实验数据进行拟合，得到实验数据如图 3 所示，纵坐标 Nu/NuF表示混合对流换热努赛尔数 Nu 与强迫对流换热努赛尔数NuF的比值。第4期刘嘉维，等：安全壳空气冷却系统单面加热对流换热特性研究23b=0.1 mb=0.2 mb=0.4 mNu/NuF=(0.58+0.58Ri2/3Pr1/3)0.870.1110Ri2/3Pr1/36543Nu/NuF21图3混合对流充分发展段换热数据当 Ri 较低时，自然对流在混合对流换热中占主导，抑制了强迫对流换热，降低了换热效率；随着 Ri 的增加，即混合对流换热的效果逐渐明显，换热能力逐渐增强。对倾斜角度通道的混合对流换热，在换热关系式中应考虑强化如下因子：f=(1+0.5cos2)1.253.2自然对流换热分析通过拆除外接风机、改变加热面的功率，获得自然对流工况的发生。实验过程中实验段 4 个壁面保留贴的铝箔，通过对通道宽度以及加热面功率的调节，获得不同工况下的自然对流。图 4 是自然对流实验数据同混合对流实验关系式的对比。从图 4 中可以看出，自然对流工况下，虽然由于浮升力作用在实验段通道内产生了一定的流量，但是通道内的流动状态与前文所述混合对流换热情况是有区别的。Ri 相同的情况下，自然对流的换热能力强于混合对流。这主要是由于在实验段通道内，空气流动是被加热面单面加热所导致的，从而使通道内空气流速很不均匀。在靠近加热面附近，空气流速较大；而在远离加热面的对立面附近，空气流速较小。这使得在加热面的湍流强度更大，促进了加热面的换热。因此，自然对流与混合对流无法用统一的换热关系式进行处理。2.01.81.61.41.21.00.80.60Nu/NuF0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8b=0.05 mb=0.10 mb=0.15 mNu/NuF=(0.58+0.58Ri2/3Pr1/3)0.87Ri2/3Pr1/3图4充分发展段自然对流混合对流换热对比图 5 为利用瑞利数获得的自然对流工况充分发展段换热关系式，随着瑞利数 Ra 的增大，换热系数是逐渐增大的，且与通道的宽高比 b/H 有一定的关系。随着通道高度的增加，自然对流换热能力增强；而随着通道宽度的增加，自然对流换热能力减弱。这主要是由于随着通道高度的增加、通道宽度的减小，通道内的空气流速增加，强化了对流传热。2.01.81.61.41.21.00.80.60Nu/NuF0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8b=0.05 mb=0.10 mb=0.15 mNu/NuF=(0.58+0.58Ri2/3Pr1/3)0.87Ri2/3Pr1/3图5充分发展段自然对流换热实验数据图 6 为不同倾斜角度情况下自然对流换热实验数据。在换热关系式中同样应考虑换热强化因子。从图 6 中可以明显看出，对于倾斜角=15情况，由于垂直于加热面的浮升力明显大于平行于水平面的浮升力，实验数据点都位于拟合曲线的上方。因此在小角度倾角下，自然对流换热情况能够得到明显增强。40=15=30=45=60=75=9035302520151050Nu=0.01Ra0.41(b/H)0.24106107108Ra109Nu/(b/H)0.24/(1+0.5cos2)1.25(1+0.5cos2)1.25图6不同倾斜角度下自然对流换热实验数据4结论本文通过搭建小堆 PAS 干式平板加热实验台架，对不同通道宽度、倾斜角度的单面加热自然循环机理进行了实验研究，得到如下结论：1）在混合对流情况下，随着 Ri 的增大，自然对流对混合对流换热的促进作用逐渐增强。2）通道宽度减少、高度增加对 PAS 换热是有利的，自然对流换热能力随通道高宽比成正相关。3）自然对流换热能力随加热面与水平面倾斜24应用科技第50卷角度的减小而增强，当斜度小于 15时，自然对流换热能力提升明显。参考文献：李军,刘长亮,李晓明.非能动安全壳冷却系统设计研究 J.核科学与工程,2018,38(4):632639.1郭建娣,韩伟实.非能动安全壳冷却系统外侧辐射换热与自然对流研究 J.原子能科学技术,2013,47(11):20092013.2孙燕宇,郑云涛,马秀歌,等.自然循环冷却的钢制安全壳压力响应敏感性分析 J.核动力工程,2019,40(3):6669.3王洪亮,于明锐,李云屹,等.ACP100 非能动安全壳空气冷却系统风载荷性能试验研究 J.核动力工程,2022,43(2):175180.4WATZINGERA,JOHNSONDG.Wrmebertragungvonwasser an rohrwand Bei senkrechter strmung imbergangsgebiet zwischen laminarer und turbulenterstrmungJ.ForschungaufdemgebietdesingenieurwesensA,1939,10(4):182196.5CLARK J A,ROHSENOW W M.Local boiling heattransfer to water at low Reynolds numbers and 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