分離式熱管技術在工業(yè)領域的應用

分離式熱管技術在工業(yè)領域的應用

0基于分離式熱管技術的非能動余排系統(tǒng)該分離式管理系統(tǒng)在非動態(tài)殘余排放（冗余排）系統(tǒng)的設計中有許多優(yōu)點，包括冷卻制系統(tǒng)與環(huán)境的多通道屏障的隔離，傳統(tǒng)的非動態(tài)殘余排殼系統(tǒng)可能會發(fā)生這方面的雙重擾動，這在一定程度上可以降低非動態(tài)殘余排殼的冷熱芯的要求。這些優(yōu)點對于優(yōu)化非動態(tài)殘余排籠系統(tǒng)的設計具有重要的參考價值。本研究采用分離式熱管技術設計了應用于堆芯余熱排出的非能動余排系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了一回路冷卻劑與最終熱源的兩道屏障隔離，且避免了傳統(tǒng)管殼式換熱器殼側(cè)可能出現(xiàn)的蒸汽驟冷帶來的流動不穩(wěn)定，采用RELAP5對該系統(tǒng)性能進行了模擬研究，研究了不同充液率、冷熱芯位差等對系統(tǒng)帶熱能力的影響。1汽上升管和液體下降管連通運行規(guī)律分離式熱管作為熱管的重要組成部分，其結構如圖1所示，其蒸發(fā)段和冷凝段是分開的，通過蒸汽上升管和液體下降管連通形成一個自然循環(huán)回路。工作時，在熱管內(nèi)的工質(zhì)匯集在蒸發(fā)段，蒸發(fā)段受熱后工質(zhì)蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽通過蒸汽上升管到達冷凝段釋放出潛熱而凝結成液體，在重力的作用下，經(jīng)液體下降管回到蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復運行。蒸發(fā)段流動沸騰換熱傳熱關系式見文獻2基于分離式管道技術的非動態(tài)殘余系統(tǒng)設計2.1失電工況下的堆場傳統(tǒng)的基于管殼式換熱器的非能動余排系統(tǒng)見圖2。該系統(tǒng)在發(fā)生全廠斷電的事故工況下，通過非能動的方式可以將堆芯余熱導出至最終熱阱中，從而提高反應堆在失電工況下的安全性。堆芯出口的高溫流體經(jīng)管殼式換熱器管側(cè)冷卻后流回堆芯入口，管殼式換熱器殼側(cè)與最終熱阱水箱相連，冷水經(jīng)殼側(cè)加熱后流回最終熱阱水箱中。傳統(tǒng)的非能動余排系統(tǒng)中一回路冷卻劑與最終熱阱水箱之間僅有一層屏障，且在系統(tǒng)的運行過程中管殼式換熱器殼側(cè)回路只能工作在單相條件下，若出口含汽率較高，可能出現(xiàn)汽水直接接觸冷凝帶來的兩相振蕩，從而影響系統(tǒng)運行。2.2分離式熱管蒸發(fā)熱床基于分離式熱管技術的非能動余排系統(tǒng)見圖3?；诜蛛x式熱管技術的非能動余排系統(tǒng)實現(xiàn)的功能與傳統(tǒng)的管殼式換熱器非能動余排系統(tǒng)一致，但具備了幾項優(yōu)點：該系統(tǒng)分離式熱管蒸發(fā)段和冷凝段之間為封閉環(huán)路，環(huán)路中為汽水兩相循環(huán)，這使得堆芯冷卻劑與最終熱阱之間有兩道屏障隔離，這提高了系統(tǒng)的安全性，在蒸發(fā)段或冷凝段管壁破裂的異常工況下，帶有放射性的冷卻劑不會泄漏至外部；且該設計避免了汽水直接接觸冷凝，不會出現(xiàn)殼側(cè)的兩相振蕩，該環(huán)路的汽水循環(huán)一定程度上還能減少最終熱阱與堆芯之間冷熱源位差的要求。3熱管內(nèi)流體流動壓降模擬結果王明路開展了分離式熱管換熱特性試驗試驗中熱管蒸發(fā)段外側(cè)通入固定流量的熱水加熱，熱管冷凝段外側(cè)通入固定流量的空氣冷卻，試驗中測量了冷凝段的平均換熱系數(shù)和換熱功率，文中僅給出了充液后蒸發(fā)段的液柱高度。根據(jù)試驗條件對試驗進行了模擬計算，結果見圖4。試驗中蒸發(fā)段入口溫度為40℃，高度4.6m處工質(zhì)達到飽和，沿高度方向蒸發(fā)段內(nèi)壓力下降，工質(zhì)飽和溫度下降，液相溫度即為飽和溫度。計算結果同樣表明約4.6m處工質(zhì)達到飽和，此后液相溫度沿高度方向略有下降，直至出口達到最小值。計算結果和試驗結果相比在4.6m后略有差異，可能的原因在于，4.6m后熱管內(nèi)流體液相份額較低，測量可能存在偏差，且試驗所提供的信息有限，計算模擬中對于熱管流動壓降計算可能存在偏差，試驗中測量計算出的蒸發(fā)段和冷凝段的換熱功率為13kW，計算模擬的結果也約為13kW。因此對此類問題的模擬能反映傳熱過程中的重要現(xiàn)象，且主要狀態(tài)參數(shù)偏差較小，對于汽液相換熱較為劇烈的局部現(xiàn)象，程序計算結果有一定偏差。4分離式毛細管參數(shù)對傳熱能耗的影響4.1影響分離式熱管傳熱性能的參數(shù)介紹分離式熱管的穩(wěn)態(tài)工作性能受多項參數(shù)的影響，包括蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱面積、充液率、蒸發(fā)段和冷凝段的位差以及熱源溫度等。采用RELAP5對分離式熱管非能動余排系統(tǒng)進行建模，并對這些參數(shù)進行敏感性分析，得到各個參數(shù)對熱管性能影響的規(guī)律。RELAP5中的描述流動沸騰傳熱和冷凝傳熱的關鍵換熱關系式如第1節(jié)所示，計算工況所涉及的參數(shù)范圍均在關系式的適用范圍以內(nèi)。計算參數(shù)如表2所示，計算節(jié)點圖見圖5。蒸發(fā)段管側(cè)采用固定質(zhì)量流量的計算條件，分別對影響熱管傳熱效率的各參數(shù)進行了敏感性分析。4.2汽液界面不清造成的傳熱性能過低。根據(jù)蒸發(fā)段充液率是影響分離式熱管傳熱效果的重要因素之一，也是設計和應用中必不可少的參數(shù)。如果充液率過大，則蒸發(fā)段出口為汽液混合流體，這會降低熱管的傳熱性能，充液率過小則可能無法淹沒蒸發(fā)段傳熱管，這也會降低熱管的傳熱性能。原則上來說當汽液界面位于蒸發(fā)段出口處，此時熱管的傳熱效率最高，但在實際工程設計中無法做到具有較為清晰的汽液界面，并且不同充液率在同一熱管回路的不同工作點對熱管傳熱效率影響不同。在蒸發(fā)段和冷凝段傳熱面積為定值的條件下，針對分離式熱管工作在不同蒸發(fā)段入口溫度和熱管充液率的穩(wěn)態(tài)工況進行了計算分析，結果見圖6。充液率范圍為0.5～0.9。4.3分離式熱管傳熱性能冷凝段制約傳熱效率的主要熱工水力現(xiàn)象為管內(nèi)流動蒸汽壁面冷凝傳熱，其傳熱系數(shù)受壁面條件影響，對于未進行內(nèi)壁面強化改造的光管，其傳熱效率低于蒸發(fā)段的沸騰傳熱，通常在分離式熱管系統(tǒng)的設計中會通過強化冷凝傳熱或增大冷凝段傳熱面積以達到最優(yōu)的分離式熱管傳熱效率。在充液率為0.7的假設條件下，針對不同的冷凝段傳熱面積進行了計算分析，計算結果如圖7所示。冷凝段與蒸發(fā)段面積比范圍為1.0～2.5。4.4合成系統(tǒng)余排冷卻回路分離式熱管工作在兩相條件下，熱管環(huán)路中為兩相自然循環(huán)流動，相比于傳統(tǒng)的管殼式非能動余排的殼側(cè)冷卻回路有更高的驅(qū)動壓頭，這是因為分離式熱管上升段和下降段有更高的密度差。冷熱芯位差對分離式熱管的傳熱效率仍然有一定的影響，固定熱管其他參數(shù)，對冷熱芯位差為0～1.6m范圍內(nèi)的不同分離式熱管非能動余排系統(tǒng)進行了計算分析，計算結果見圖8。4.5熱管傳熱及熱管熱分析熱源溫度影響分離式熱管蒸發(fā)段的熱量輸入，在分離式熱管充液率、蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱面積以及冷熱芯位差為定值的初始條件下，針對熱源溫度為167～267℃的范圍進行了計算分析，計算結果如圖9所示。5冷凝器段傳熱面積和熱泵芯位差的影響根據(jù)4.2至4.5小節(jié)中的計算結果，可對計算覆蓋范圍內(nèi)的分離式熱管的工作特性有較為系統(tǒng)的認知。充液率對分離式熱管的傳熱功率有較為顯著的影響，充液率大于0.7后熱管傳熱功率有了明顯的下降，此時熱管蒸發(fā)段出口的含汽率較低，這影響了系統(tǒng)兩相自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭，特別是在較高入口溫度的情形下，充液率小于或等于0.7的工況下，熱管傳熱功率幾乎為充液率為0.9工況的2倍。充液率小于0.5的工況熱管工作范圍較窄，在入口溫度較低的情況下，很難建立穩(wěn)定的自然循環(huán)。這是因為蒸發(fā)段產(chǎn)生的蒸汽較少，冷凝段水位很低，冷熱段密度差帶來的驅(qū)動壓頭較低。充液率與熱管工作的溫度區(qū)間有較強的相關性，因此在4.5節(jié)中針對充液率為0.7的情況計算了非能動余排關注的溫度區(qū)間內(nèi)的傳熱功率，計算結果表明，分離式熱管可以建立穩(wěn)定的自然循環(huán)，傳熱功率與熱源溫度線性相關。冷凝段傳熱面積增大一定程度上可以提升熱管的傳熱功率，分析結果表明，在冷凝段和蒸發(fā)段面積比為1.0～2.5的范圍內(nèi)，熱管傳熱功率隨面積比增大而近乎線性增大。較大的冷凝段傳熱面積會對系統(tǒng)設計帶來較大的局限性，應根據(jù)實際系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，選擇合理可接受的面積比。冷熱芯位差對分離式熱管傳熱功率的影響并非線性，達到一定位差水平后傳熱功率的增加速度變緩。分析結果同樣表明，即使是在零冷熱芯位差的條件下，分離式熱管仍然有穩(wěn)定的傳熱功率，雖然相比于位差為1.6m的情形，傳熱功率僅有其二分之一。這樣的特性為特定功能多約束條件的非能動余排系統(tǒng)設計提供了較大的便利性，有效利用此特性可以在一定程度上實現(xiàn)傳統(tǒng)管殼式非能動余排系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。通過對基于分離式熱管技術的非能動余排系統(tǒng)的計算分析，得到了充液率、冷凝段傳熱面積以及冷熱芯位差等因素對