矩形窄缝加热通道低流速工况下临界热流密度试验

贾小权，胡桁聚，谢 峰，李 硕

（1. 海军装备部，成都 610213；2. 中国核动力研究设计院 中核核反应堆热工水力技术重点试验室，成都 610213）

0 引言

临界热流密度（Critical Heat Flux，CHF）是反应堆热工安全的重要研究内容，是评价堆芯燃料组件热工性能的重要指标，其大小直接关系到反应堆的安全性和经济性。矩形加热通道目前广泛用于各类板型元件研究堆和板式高效换热设备中，即加热设备采用板型结构，各板片之间的冷却剂通道是矩形窄缝通道结构，具有换热效率高和结构紧凑等优点。采用矩形加热通道的结构，其流动传热特性以及CHF与常规圆形加热元件存在较大差异，国外已有研究主要集中在理论模型等方面[1-4]，试验研究并不多见。本文针对矩形窄缝加热通道开展低流速工况下CHF试验研究，为矩形窄缝加热通道结构设计和安全分析提供必要的数据和试验支撑。

1 试验装置

试验研究在中国核动力研究设计院高温高压热工水力试验回路上展开，试验工质采用去离子水，并通过强迫循环方式开展试验。试验回路流程见图1，回路流程为：去离子水经循环泵流出，通过预热器预热至预定的温度并由流量计测量后进入试验本体，加热后进入冷凝器，冷却后的水由下降段流回屏蔽泵入口，形成闭合的循环回路。

图1 试验回路流程图

试验装置设置有稳压器，可缓冲回路因热膨胀或收缩引起系统压力过大的改变。加热段入口设置有电动调节阀，可改变系统的阻力特性进而实现对自然循环流量的调节。

2 试验本体及试验参数

矩形窄缝加热通道试验本体结构见图2(a)，试验本体主要由流道组件、承压结构和导电结构等构成。采用直流电加热的方式模拟矩形窄缝发热通道。试验工质自下方进入试验本体，在矩形通道内经矩形加热板加热后流出试验本体。在矩形加热板上方距流道出口位置布置温度监测热电偶用于试验临界监测，通过壁温变化判断临界是否发生。

试验本体矩形窄缝加热通道加热结构见图2(b)，窄缝矩形流道单侧布置加热板进行加热，矩形流道水隙宽度62.5 mm、厚度3.2 mm，矩形加热板和矩形流道外侧均设有绝缘隔离材料以保证加热部件的绝缘性能。

图2 试验本体结构示意图（单位：mm）

试验参数范围：压力7 MPa～13 MPa；质量流速200 kg/(m2·s) ～600 kg/(m2·s)；进口温度60 ℃～180 ℃。

3 试验数据分析

3.1 临界过程参数变化

CHF是在一定条件下元件表面发生传热恶化，燃料元件产生的热能因无法有效地传递给冷却工质而导致元件壁面温度快速升高，严重时会使元件被烧毁。

试验中，将系统压力、本体入口流量调节为预定值，此后缓慢提升功率，直到临界发生，此过程中通过调节换热器与预热器，使本体入口温度保持预定值；临界发生后，迅速切掉部分试验本体加热功率，采集并储存临界发生时的包括温度、流量、压力及加热电功率等各项热工参数。图3为典型矩形窄缝加热通道低流速条件下沸腾临界工况中试验本体发生临界前后的壁温变化情况。功率过高使得加热壁面液膜干涸，蒸汽对流换热系数远小于液膜的对流换热系数，导致加热壁面传热恶化，壁温出现快速上升。此后，由测控系统迅速降低加热功率，元件壁温随之下降。

图3 临界发生前后热工参数变化

3.2 热工参数影响

3.2.1 入口温度对CHF 影响

图4为试验本体压力P和质量流速G接近的试验工况下入口温度对矩形窄缝通道CHF的影响。从图4中可看出，在不同压力工况下，入口温度对CHF的影响有类似规律，CHF值随着入口温度的升高而降低。进口温度的升高使得试验本体矩形通道内含汽量升高，加热表面产生的汽泡增多，在低流速工况下，汽泡容易发生聚集，使得加热元件表面容易发生传热恶化，从而导致临界提前发生，进而降低元件临界热流密度。

图4 入口温度对CHF 影响

3.2.2 系统压力对CHF 影响

图5为试验本体质量流速G、入口温度Tin接近的试验工况下系统压力对矩形窄缝通道CHF的影响，由图4中可看出，随着压力的升高，通道内汽液密度差减小，汽泡不易脱离加热面，壁面得不到很好的冷却，容易发生传热恶化，因此元件CHF值会随之降低。

图5 系统压力对CHF 影响

3.2.3 质量流速对CHF 的影响

图6为试验本体压力和温度接近的试验工况下，质量流速对CHF的影响，由图6可以看出，在试验本体入口压力和温度相同的情况下，CHF随质量流速的增大而增大。矩形窄缝通道内质量流速的增大增强了对试验本体加热元件表面的冲刷，避免加热元件表面气泡的集聚，加热元件表面不易发生传热恶化，从而使得元件CHF提高。

图6 质量流速对CHF 影响

3.2.4 质量含汽量对CHF 影响

图7(a)为试验通道质量含汽量对加热元件CHF的影响，由图7可以看出，在不同压力工况下，CHF均随出口含汽量的增加而降低。

图7 质量含汽率对CHF 影响

图7 质量含汽率对CHF 影响（续）

入口温度升高或通道加热功率增大都会导致通道汽泡增多，在矩形窄缝通道内容易发生汽泡集聚，更容易发生传热恶化，导致元件CHF降低。

图7(b)为试验本体在不同质量流速下CHF随含汽率变化的分布情况。由图7(b)可看出，在相同质量流速条件下，随着通道含汽量的增大，CHF值降低，且质量流速越大，降低幅度越明显。

4 临界热流密度关系式

本文针对矩形窄缝加热通道低流速范围工况开展CHF试验研究，采用压力、入口温度、质量流速、质量含汽量等参数拟合矩形窄缝通道的CHF经验关系式，确定关系式为

式中：xe为出口质量含汽量。

出口压力为7 MPa～13 MPa，入口温度为60 ℃～180 ℃，质量流速为200 kg/(m2·s)～600 kg/(m2·s)，矩形通道间隙3.2 mm。通过CHF预测关系式计算结果与试验数据对比，95%的计算值与试验值偏差在±20%以内，并且数据较均匀地分布在对称线两旁，见图8。

图8 CHF 预测关系式与试验值对比

将试验工况参数带入bettis关系式进行计算，bettis计算结果与本研究关系式计算比较如图9所示。由图9可看出，在试验工况范围内，bettis关系式预测值与本文中的研究关系式预测值相比，普遍偏高。

图9 bettis 预测关系式与试验值对比

一方面，bettis公式是综合了多种矩形通道的经验关系式，其本身公式偏差较大，DEV95%＝±42.5%；另一方面，本项目试验参数如压力和水隙等，均超出bettis公式参数范围，因此预测精度偏差较大。

5 结论

本文介绍了矩形窄缝加热通道低流速范围临界热流密度试验研究的试验回路、试验本体及试验结果，根据试验研究和结果分析，得到以下主要结论：

1）在相同质量流速和系统压力条件下，矩形窄缝加热通道低流速区域CHF值随着入口温度升高而减小；在相同入口温度和系统压力条件下，CHF值随着质量流速的升高而增大。

2）在相同质量流速、入口温度条件下，CHF值随着压力的升高而下降；CHF值随着含汽率的升高而降低，且质量流速越大降低幅度越明显。

3）获得矩形窄缝加热通道低流速区域CHF预测关系式，CHF关系式的适用范围为：试验段出口压力7 MPa～13 MPa，入口温度60 ℃～180 ℃，质量流速200 kg/(m2·s)～600 kg/(m2·s)，矩形通道间隙3.2 mm；

4）在本文试验工况范围内，bettis关系式预测值高于本文中的关系式预测值。