Zr-4表面特性及冷卻劑過冷度對(duì)驟冷沸騰傳熱的影響

熊 平,孫源陽,羅 彥,袁 鵬,杜 鵬,鄧 堅(jiān),盧 濤,*

(1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京 100029;2.西華大學(xué) 流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610039;3.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041)

大破口失水事故(LOCA)是壓水堆堆芯最重要的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故[1-2]。大破口失水事故將導(dǎo)致反應(yīng)堆堆芯部分甚至全部裸露,燃料棒得不到及時(shí)冷卻,在裂變產(chǎn)物衰變熱作用下,燃料棒的包殼溫度不斷升高,為了避免包殼及燃料棒熔化,應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)從反應(yīng)堆底部向堆芯注水,以冷卻已具有較高溫度的堆芯,此時(shí)燃料棒再淹沒過程即是燃料棒表面發(fā)生驟冷沸騰的過程。燃料棒再淹沒有效冷卻過程是確保堆芯安全和放射性包容最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[3-4]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)驟冷沸騰過程進(jìn)行了相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究。Berenson[5]指出膜態(tài)沸騰中蒸汽膜的穩(wěn)定性受泰勒-亥姆霍茲水動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性控制,認(rèn)為氣泡間距和氣泡生長速度由水動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性決定,而與熱效應(yīng)無關(guān),并結(jié)合Zuber[6]的沸騰計(jì)算模型,推導(dǎo)出了水平表面膜態(tài)池沸騰氣膜坍塌的最小膜態(tài)沸騰溫度。Henry[7]考慮表面材料物性和冷卻劑過冷度的影響,對(duì)Berenson模型進(jìn)行了修正。在實(shí)驗(yàn)研究方面,Mori等[8]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)最小膜態(tài)沸騰溫度和冷卻劑過冷度呈線性關(guān)系。在后續(xù)研究中,Ebrahim等[9]和Xiong等[10]證實(shí)了這種線性關(guān)系,但其線性關(guān)系的相關(guān)系數(shù)存在較大差異,尚未得到統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。此外,對(duì)于表面粗糙度的影響,Peterson等[11]研究了Zr-4燃料棒表面粗糙度對(duì)驟冷沸騰的影響。他們認(rèn)為粗糙表面需要更厚的蒸汽層來維持表面膜態(tài)沸騰氣膜的穩(wěn)定性。因此,粗糙表面強(qiáng)化了維持穩(wěn)定膜態(tài)沸騰的最小膜態(tài)沸騰溫度。Lee等[12]通過驟冷實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)粗糙度小于1 μm時(shí),粗糙度對(duì)驟冷沸騰過程的影響較小。而Sinha等[13]基于驟冷沸騰實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著粗糙度的增大,最小膜態(tài)沸騰溫度升高,強(qiáng)化了驟冷沸騰過程。

本文采用不同粒度砂紙打磨得到不同粗糙度的Zr-4表面,研究Zr-4表面粗糙度及冷卻劑過冷度對(duì)驟冷沸騰過程冷卻速率及沸騰換熱的影響。通過可視化方法研究不同過冷度下驟冷沸騰氣膜演化行為;同時(shí)采用導(dǎo)熱反問題方法反演得到驟冷沸騰過程壁面溫度及熱流密度,從而得到驟冷溫度曲線和沸騰曲線,定量分析最小膜態(tài)沸騰溫度與冷卻劑過冷度的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由輻射式加熱爐、步進(jìn)電機(jī)、測試實(shí)驗(yàn)段、石英玻璃水箱和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成,如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)過程中,首先將實(shí)驗(yàn)段加熱到目標(biāo)溫度630 ℃,然后通過步進(jìn)電機(jī)將實(shí)驗(yàn)段快速下放至已加熱到給定目標(biāo)溫度的去離子水中,發(fā)生驟冷沸騰過程。在啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)下放實(shí)驗(yàn)段的同時(shí),觸發(fā)高速攝影儀拍攝按鈕和溫度數(shù)據(jù)采集按鈕同步記錄實(shí)驗(yàn)段驟冷沸騰過程表面氣膜形態(tài)和實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部熱電偶安裝位置處的溫度變化。當(dāng)樣品溫度低于冷卻劑飽和溫度時(shí),驟冷實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)過程中高速攝影儀的拍攝速度為250幀/s,溫度采集頻率為50 Hz。

1.2 實(shí)驗(yàn)段制備

實(shí)驗(yàn)段為Zr-4材料,實(shí)驗(yàn)段直徑為10 mm、長度為70 mm,如圖2所示。實(shí)驗(yàn)段底部設(shè)計(jì)為直徑10 mm的半球形,以減小實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)段底部蒸汽聚集對(duì)驟冷沸騰的影響。在實(shí)驗(yàn)段頂部軸心位置開有深度5 mm的M3螺紋孔,用于實(shí)驗(yàn)段與連接導(dǎo)管的固定。試驗(yàn)段內(nèi)部距離壁面2 mm處開有深度為45 mm、孔徑為0.65 mm的細(xì)長孔,用于安裝熱電偶,測量驟冷過程中試驗(yàn)段溫度的變化。為研究表面粗糙度對(duì)驟冷沸騰的影響,在實(shí)驗(yàn)前,用不同粒度砂紙打磨實(shí)驗(yàn)段表面,然后對(duì)實(shí)驗(yàn)段表面進(jìn)行粗糙度(Ra)和接觸角(θ)表征。在周向和軸向6個(gè)不同位置對(duì)實(shí)驗(yàn)段表面粗糙度和接觸角進(jìn)行測量,取其平均值得到平均粗糙度和平均接觸角,再通過不確定度分析,得到測量不確定度。測量結(jié)果列于表1。

表1 實(shí)驗(yàn)段表面特性

圖2 實(shí)驗(yàn)段示意圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

獲取Zr-4棒材驟冷沸騰過程表面溫度和熱流密度是得到沸騰曲線的必要條件。然而,若直接在沸騰表面安裝熱電偶,不可避免地會(huì)引起棒材表面局部形貌變化,從而影響沸騰換熱過程。因此,本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量得到的燃料棒內(nèi)部溫度變化,采用序列共軛梯度法導(dǎo)熱反問題技術(shù),反演得到棒材驟冷沸騰過程表面溫度及熱流密度。其詳細(xì)反演求解過程參見文獻(xiàn)[14]。

沸騰過程表面氣膜形態(tài)的演變是驟冷沸騰過程傳熱特性最直觀的表達(dá)。本文通過圖像處理技術(shù)獲得驟冷沸騰過程氣膜厚度的演變。圖像處理過程的基本思路為:首先,將高速攝影儀拍攝的每幀圖像進(jìn)行灰度處理,運(yùn)用灰度閾值工具將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像;之后,利用拉普拉斯高斯濾波器檢測得到驟冷沸騰氣液界面;最后,將驟冷沸騰過程中的氣液界面減去實(shí)驗(yàn)段幾何尺寸,即得到每幀圖像的氣膜厚度,如圖3所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面特性的影響

在冷卻劑過冷度為5 ℃條件下,不同Zr-4表面的驟冷溫度和驟冷沸騰曲線如圖4所示,圖4b中Tw-Tsat表示壁面過熱度,Tw、Tsat分別為實(shí)驗(yàn)段壁面溫度和常壓下飽和水溫度。

圖4 不同Zr-4表面在5 ℃過冷度下的驟冷溫度和驟冷沸騰曲線

從圖4a可看出,相較于其他實(shí)驗(yàn)段,粗糙度較大的4#實(shí)驗(yàn)段的最小膜態(tài)沸騰溫度較大,整個(gè)驟冷沸騰時(shí)間縮短。這主要是因?yàn)殡S著膜態(tài)沸騰氣膜厚度逐漸減薄,粗糙度較大的表面更早地觸發(fā)了表面-液體接觸,使得膜態(tài)沸騰提早結(jié)束,進(jìn)入過渡沸騰階段,強(qiáng)化了驟冷沸騰過程。而粗糙度較小的2#和3#實(shí)驗(yàn)段,其驟冷溫度曲線幾乎重合,說明粗糙度較小時(shí),粗糙度對(duì)驟冷沸騰的影響較小。以上現(xiàn)象證明了文獻(xiàn)[12]中的結(jié)論。相較于2#和3#實(shí)驗(yàn)段,1#實(shí)驗(yàn)段的最小膜態(tài)沸騰溫度有所減小,驟冷沸騰時(shí)間增長。這主要是因?yàn)?#實(shí)驗(yàn)段的接觸角增大,使得驟冷過程材料表面與冷卻劑更難發(fā)生固液接觸,膜態(tài)沸騰持續(xù)時(shí)間有所增長。

從圖4b可知,由于膜態(tài)沸騰換熱主要通過氣膜的導(dǎo)熱將熱量傳遞給冷卻劑,而表面粗糙度對(duì)氣膜的熱傳導(dǎo)的影響較小,因此不同表面粗糙度對(duì)膜態(tài)沸騰換熱的影響較小。但粗糙度的增大會(huì)加速氣膜的破裂,膜態(tài)沸騰提前轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡沸騰,強(qiáng)化沸騰傳熱。此外,隨著粗糙度的增加,沸騰成核位點(diǎn)增多,驟冷過程的臨界熱流密度得到強(qiáng)化。

2.2 過冷度的影響

為研究冷卻劑過冷度對(duì)驟冷沸騰的影響,本文基于3# Zr-4實(shí)驗(yàn)段,研究冷卻劑過冷度分別為5、10、15、20、25 ℃下的驟冷沸騰行為。

1) 氣膜演化過程

實(shí)驗(yàn)段在5 ℃和25 ℃冷卻劑過冷度下的氣膜演化過程如圖5所示。在驟冷沸騰過程中,實(shí)驗(yàn)段表面依次經(jīng)歷膜態(tài)沸騰、過渡沸騰、核態(tài)沸騰和自然對(duì)流換熱過程。在膜態(tài)沸騰階段,表面被一層汽膜所覆蓋,隨著表面溫度的降低,蒸汽量逐漸減少,氣膜厚度減薄,氣液界面的氣膜擾動(dòng)強(qiáng)度減弱,氣膜趨于穩(wěn)定(如圖5a中t=0.5～14.8 s)。當(dāng)表面溫度降低至維持穩(wěn)定氣膜的最小膜態(tài)沸騰溫度附近時(shí),氣膜開始變得不穩(wěn)定,在實(shí)驗(yàn)段底部氣膜開始瓦解,冷卻劑與固體壁面發(fā)生直接接觸潤濕,且潤濕區(qū)域逐漸向上部膜態(tài)沸騰區(qū)域傳播。冷卻劑與固體壁面開始發(fā)生明顯固液接觸潤濕的界面稱為驟冷前沿。隨著驟冷沸騰過程的繼續(xù),驟冷前沿不斷向上傳播,如圖5中箭頭所示。

a——ΔTsub=5 ℃;b——ΔTsub=25 ℃

隨著冷卻劑過冷度的增大,驟冷沸騰過程持續(xù)時(shí)間明顯縮短,相較于5 ℃過冷度,在25 ℃過冷度條件下,其驟冷沸騰時(shí)間縮短了近3.5倍。在高過冷度條件下,膜態(tài)沸騰階段的氣膜厚度更薄,氣液界面波動(dòng)更小。這主要是因?yàn)檫^冷度較大,表面產(chǎn)生的蒸汽迅速凝結(jié),抑制了氣液界面的生長。由于較薄的氣膜層,加速了氣膜的坍塌,其膜態(tài)沸騰持續(xù)時(shí)間更短。進(jìn)入核態(tài)沸騰后,在驟冷前沿下部核態(tài)沸騰區(qū)域產(chǎn)生的蒸汽泡更小,并迅速凝結(jié),對(duì)驟冷前沿上部膜態(tài)沸騰的擾動(dòng)較小,可觀察到明顯的驟冷前沿向上傳播過程。

對(duì)高速攝影儀拍攝的每幀圖像進(jìn)行處理,計(jì)算得到過渡和核態(tài)沸騰過程氣膜厚度云圖,如圖6所示。在低過冷度下,氣膜厚度較大;而在高過冷度下,氣膜厚度減薄。在高過冷度下,可看出明顯的驟冷前沿界面(圖6b中紅色線),其向上傳播速度約為12 mm/s。在低過冷度下,無明顯的驟冷前沿界面,這主要是因?yàn)樵诘瓦^冷度下,驟冷前沿下部核態(tài)沸騰產(chǎn)生的蒸汽不易凝結(jié),并向上傳播,對(duì)驟冷前沿上部的膜態(tài)沸騰產(chǎn)生擾動(dòng)。從每幀圖像分析可得,在5 ℃過冷度下,其驟冷前沿的向上傳播速度仍約為12 mm/s,說明過冷度對(duì)驟冷前沿傳播速度影響較小。

2) 驟冷溫度和驟冷沸騰曲線

不同冷卻水過冷度下Zr-4棒的驟冷溫度和驟冷沸騰曲線示于圖7。從圖7a可看出,隨著液體過冷度的增加,溫度曲線整體向左偏移,驟冷沸騰過程顯著縮短,從驟冷氣膜演化過程也能看出其沸騰持續(xù)時(shí)間的明顯差異。在驟冷過程初始階段(AB段),即膜態(tài)沸騰階段,隨著過冷度的增加,溫度曲線斜率的絕對(duì)值逐漸增大,說明過冷水溫度降低,冷卻速率加快,強(qiáng)化了膜態(tài)沸騰過程。隨著驟冷過程的繼續(xù),溫度曲線斜率的絕對(duì)值進(jìn)一步增大,驟冷過程進(jìn)入過渡沸騰階段,直至達(dá)到最大斜率絕對(duì)值位置,即最大冷卻速率位置(C點(diǎn))。且隨過冷度的增加,其最大冷卻速率逐漸增大,在過冷度為25 ℃條件下,其冷卻速率約為220 ℃/s。之后溫度曲線斜率逐漸減小(CD段),驟冷過程進(jìn)入核態(tài)沸騰階段和自然對(duì)流換熱階段。整個(gè)驟冷沸騰過程溫度曲線上出現(xiàn)2個(gè)拐點(diǎn)(即B點(diǎn)和C點(diǎn)),分別表示維持穩(wěn)定氣膜的最小溫度點(diǎn)(即最小膜態(tài)沸騰溫度點(diǎn))和冷卻速率最大的點(diǎn)(即臨界熱流密度點(diǎn))。

圖7 3#實(shí)驗(yàn)段在不同過冷度下的驟冷溫度和驟冷沸騰曲線

從圖7b可看出,隨著過冷度的增大,沸騰曲線整體向右上角偏移。在膜態(tài)沸騰階段,隨著過冷度的增加,膜態(tài)沸騰換熱有所增強(qiáng)。這主要是由于膜態(tài)沸騰階段高溫物體主要通過氣膜導(dǎo)熱將熱量傳遞給冷卻劑,而高過冷度條件下,膜態(tài)沸騰氣膜較薄,氣膜導(dǎo)熱熱阻有所減小,其換熱能力有一定增強(qiáng)。但由于氣膜本身導(dǎo)熱能力較弱,其整體的換熱能力仍較小。但在高過冷度條件下,維持氣膜穩(wěn)定的最小膜態(tài)沸騰溫度(B點(diǎn))顯著提高,加速了氣膜潰滅。

圖8為最小膜態(tài)沸騰溫度與冷卻劑過冷度的關(guān)系?？煽闯?最小膜態(tài)沸騰溫度與冷卻劑過冷度呈線性關(guān)系,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得:Tmin=7.7ΔTsub+277.5。其預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為2.4%。該關(guān)系式與文獻(xiàn)擬合曲線在趨勢上基本相同,但在數(shù)值上有一定差別,具有一定可信度。

圖8 最小膜態(tài)沸騰溫度與過冷度的關(guān)系

3 結(jié)論

本文制備了不同表面粗糙度的Zr-4實(shí)驗(yàn)段,在不同冷卻劑過冷度條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)段在驟冷沸騰過程中的沸騰傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到如下結(jié)論:

1) 表面粗糙度對(duì)膜態(tài)沸騰換熱的影響較小,但對(duì)于粗糙度較大的表面,由于更早地觸發(fā)了固液接觸,維持穩(wěn)定膜態(tài)沸騰的最小膜態(tài)沸騰溫度提高,從而強(qiáng)化了驟冷沸騰;

2) 隨著冷卻劑過冷度的增大,膜態(tài)沸騰氣膜厚度減薄,氣液界面波動(dòng)減小,膜態(tài)沸騰持續(xù)時(shí)間縮短;

3) 最小膜態(tài)沸騰溫度隨著冷卻劑過冷度的增大而增大,本文基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了最小膜態(tài)沸騰溫度隨過冷度變化的關(guān)系式。