临界热通量下反应堆压力容器的极限承载能力研究

熔融物堆内滞留(In-vessel retention,IVR)已成为核电厂处理堆芯熔融严重事故的一种有效管理策略。为使IVR成功,既要满足热失效准则,保证反应堆压力容器(Reactor pressure vessel,RPV)的局部热通量低于堆腔内冷却剂的临界热通量(Critical heat flux,CHF),也要确保RPV的压力边界完整性,避免发生结构失效。为此,需要对CHF下RPV的结构完整性进行分析。对CHF下某堆型的RPV进行热分析,得到了RPV器壁局部熔化后的有效几何模型和沿壁厚的温度分布。进而,考虑热载荷和压力载荷作用,对该RPV模型进行极限载荷分析和IVR 72 h蠕变分析,确定RPV的极限承载能力。结果表明,IVR初始时刻4.9 MPa内压作用下该RPV最薄器壁径向截面全面屈服,达到对应的极限条件;72 h后3.6 MPa内压下的最大局部蠕变应变为4.1%,而3.7 MPa下则高达42.5%。因此,可将3.6 MPa视为该堆型RPV在CHF工况下72 h内的极限载荷。

竖直圆管内纳米流体自然对流沸腾的临界热通量研究

对大气压下纳米流体在竖直细小圆管内自然对流沸腾特性和临界热通量(CHF)进行了试验研究。工质使用了水和水-氧化铜的纳米流体。试验中加热管长L=200～500mm,管径d=2.1～5.4mm和纳米流体浓度ω=0.1～1.0%(wt)。试验主要研究了不同浓度的纳米流体对CHF的影响。试验结果表明:相对于纯水而言,随着纳米浓度的增加,纳米流体的沸腾特性有所劣化,这主要是因为纳米颗粒在传热面上形成吸附层降低了传热表面的粗糙度,减少了表面活性核化密度,增加了传热面热阻,因此降低了传热能力。随着纳米浓度的增加,纳米流体的临界热通量也随之增加。纳米流体的临界热通量不仅与管长与管径比有关,而且还与纳米浓度有关;氧化铜颗粒质量浓度为1%(wt)的纳米流体的CHF比纯水的增加了30%以上。

细长竖直管路内自然对流沸腾临界热通量研究

Studies have been made for the critical heat flux (CHF) during natural convective boiling on uniformly heated vertical tubes submerged in saturated liquids. By adopting a mixed flow model in tube, a generalized approximate formula was set up which was found to agree well with the CHF data of tubes and annular tubes submerged in water or other liquids undervarious pressure conditions.

底部封闭竖直细管内纳米流体的沸腾特性和临界热通量

以水-氧化铜纳米颗粒组成的纳米流体为工质,对底部封闭细小圆管内的沸腾特性以及临界热通量进行了实验研究.结果表明:沸腾时管内纳米流体的浓度不随加热时间长短而改变,沸腾液体的纳米颗粒除微量吸附在管壁外,其余全部被蒸汽携带走,同时吸附层厚度到了一定程度就不再变化.相对于纯水而言,随着纳米浓度的增加,纳米流体的沸腾特性有所劣化,这主要是因为纳米颗粒吸附在管壁上,减小了壁面粗糙度,从而减小了液体和壁面的接触角.随着纳米浓度的增加,纳米流体的临界热通量也随之增加.纳米流体的临界热通量不仅与管长与管径比有关,而且还与纳米浓度有关.

超亲水表面上滞止区水喷流沸腾的临界热通量

A superhydrophilic heat transfer surface was formed by a special nano-material coating process. The enhanced heat transfer characteristics and enhanced heat transfer mechanism of water jet boiling on the superhydrophilic surface was investigated and the jet boiling characteristics on the superhydrophilic surface was compared with those on the common metal heat transfer surface. The quantitative effects of flow condition, heating mode, heating condition and superhydrophilic coating process on critical heat flux (CHF) were studied and enhanced heat transfer characteristics in the nucleate boiling regime were confirmed. The heat transfer characteristics of jet boiling on the superhydrophilic surface were summarized with semi-theoretical, semi-empirical correlations.

短粗竖直流路内自然循环流动沸腾临界热通量的研究

采用管内汽液均相流模型理论式和实验公式相比较的方法得到了计算竖直管路内自然循环流动沸腾临界热通量的半理论半经验型公式，弥补了理论式不能适用于短粗管路的不足．使用此公式与作者的实验及其他文献的实验结果进行了比较，两者十分吻合．

CAP1400压力容器外壁面临界热通量试验

根据模化原则建立了全高度切片型试验台架,采用爆炸焊技术研制了加热段,表面碳钢薄层可以真实模拟压力容器表面特性,开展了流道、压力、过冷度、流体水化学、表面状态等关键因素对压力容器外壁面临界热通量影响试验研究,获得了CAP1400压力容器外壁面传热极限规律,验证了熔融物堆内滞留措施中压力容器外流动和传热过程.

喷雾冷却时沸腾临界热通量的实验研究

对水滴粒径较小的水－压缩空气混合喷雾流，在冷却高温水平传热面时的沸腾临界热通量进行了研究．确定了喷雾条件对临界热通量的影响和定量关系，对工业实际应用具有一定指导意义．

微通道临界热通量的基础理论与提升技术研究进展

临界热通量(CHF)是微通道流动沸腾换热的限制参数之一,当热通量大于CHF时,换热性能急剧恶化,换热设备易发生烧毁与故障,因此CHF对于微通道换热的安全运行具有重要影响。微通道换热是目前电子冷却的主流技术,然而近年来电子设备热通量不断提高,CHF已成为限制微通道应用的关键参数之一。针对微通道CHF的研究进展,详细阐述微通道CHF的形成机理,分析工况参数和通道尺寸对微通道CHF的影响机制,总结微通道CHF的预测模型,详述微通道CHF提升的各类技术方法与原理,探讨学术界观点差异和今后研究方向。该综述为微通道在高热通量条件下安全可靠运行提供了研究借鉴。

HFE-7100工质稳态临界沸腾传热实验研究

池沸腾临界热通量是沸腾相变传热的重要参数,决定了相变换热器件的推广应用。表面粗糙度和饱和压力对沸腾传热边界层分布、表面铺展润湿及工质动力学特性具有重要影响,进而对临界热通量作用显著。本文对HFE-7100工质在4种不同粗糙度的铜基表面(0.019、0.205、0.311和0.587μm)条件及在不同饱和压力(0.07、0.10、0.15及0.20 MPa)工况下的池沸腾稳态临界状态下的传热及可视化实验进行了研究。对表面粗糙度及饱和压力对稳态临界沸腾的影响机制进行了分析,并考察了临界热通量预测模型对临界热通量的预测准确性。可视化研究表明,临界状态下的沸腾气液两相工质由小气泡、大气泡、气柱及蘑菇状气团组成,而在过渡状态下,沸腾表面会形成非平滑气膜,并不断分离出气泡。同时传热数据表明,表面粗糙度及饱和压力的增加能使表面临界热通量得到提升。相比而言,Bailey等建立的临界热通量预测模型能相对准确地预测HFE-7100工质沸腾临界热通量数据。为进一步提升预测准确度,建立了临界热通量无因次参数K预测经验关联式,其预测值与本实验及文献实验数据吻合较好。

用于高热通量电子散热的平板环路重力热管

为解决高热通量电子设备散热问题,设计一套蒸发器上下表面由多个方柱相连的平板型环路重力热管(LGHP)。通过实验研究其换热性能,包括在不同加热功率下平板热管的传热特性及均温特性,以及蒸发器摆放方式和不同种工质对平板热管传热性能的影响。实验结果表明,环路热管工质采用R134a的工作性能比R600a好,平板竖直放置比水平放置好。采用R134a且竖直放置时,其临界热通量(CHF)可达212.3 kW/m^2,对应传热系数为16.2kW/(m^2·K)。该平板换热器可以保证电子设备工作温度不超过60℃,且运行过程中平板蒸发器与热源接触的壁面各测点间除出口处外温度差值小于5℃,均温性能优异。

朝下多尺度沟槽翅片结构表面沸腾换热实验研究

压力容器外部冷却(ERVC)技术作为实现核反应堆堆内熔融物滞留(IVR)的技术手段,存在实现更高换热速率的需求。采用可旋转朝下平板换热表面模拟ERVC过程中下封头局部位置的沸腾状况,基于冷喷涂(CS)的增材制造(AM)技术在换热表面上制备出具有多尺度的沟槽翅片状强化换热结构。在常压饱和去离子水环境中,开展了临界沸腾换热实验,获得了沸腾曲线,并与裸表面结果进行了性能对比。研究结果表明多尺度结构表面不仅具备传统翅片结构的临界热通量(CHF)强化能力,CHF增幅60%以上,且具有更高的沸腾传热系数,体现了多尺度协同强化换热的正向效应。本结果可为CS-AM技术在强化沸腾换热技术领域,尤其是ERVC领域的应用提供重要依据。

朝下沟槽结构表面池沸腾换热

核电站熔融物堆内滞留技术是一项关键的严重事故应对策略,该策略已被核电站广泛采用。为增强核电站压力容器下封头外表面的沸腾换热能力,实验研究了常压下朝下沟槽结构表面的池沸腾换热,测量了倾角5°、30°、45°、60°和90°下热通量随壁面过热度的变化,获得了相应倾角下的临界热通量（CHF）。与光表面相比,朝下沟槽结构表面的CHF可提高65%~90%。实验观察发现,在高热通量下朝下沟槽结构表面气泡运动形态存在蒸汽膜和波浪蒸汽层两种结构。分析表明,沸腾换热显著增强、临界热通量大幅提高的原因是沟槽结构大幅增加了换热面积同时还明显改善了表面的润湿性。

不同压力下HFE-7100在光滑铜基表面的饱和池沸腾传热实验

池沸腾是重要的传热模式之一,广泛应用于诸多工业领域。饱和压力的变化会影响传热工质的热物性,进而引起表面核化及气泡动力学参数的改变,因此饱和压力对池沸腾传热性能具有显著影响。本文在不同饱和压力(0.07MPa、0.10MPa、0.15MPa及0.20MPa)工况下对HFE-7100工质在纳米级粗糙度光滑铜基表面的池沸腾传热及可视化实验进行了研究,针对饱和压力对池沸腾传热的影响机制进行了深入探讨,同时采用相关池沸腾传热及临界热通量预测模型对传热性能曲线进行了对比分析。光滑铜基表面的平均粗糙度为19nm,HFE-7100工质在其上的静态接触角为9.83°。可视化图像展现了沸腾孤立气泡生成、充分发展合并及核化沸腾向膜状沸腾转换的过渡状态。实验数据表明,饱和压力的提升可强化池沸腾传热能力及提升临界热通量。相较于0.07MPa低压池沸腾,0.10MPa、0.15MPa及0.20MPa条件下池沸腾的最大传热系数分别提升29%、59%及75%,传热系数的平均提升率分别为24%、50%和63%,而临界热通量分别增加27%、48%及64%。相对而言,Forster和Zuber(1955)建立的池沸腾传热预测模型及Guan等(2011)建立的临界热通量预测模型较为准确地预测了本研究操控条件下的池沸腾实验数据。

竖直环形通道内过渡沸腾传热实验研究

用热块技术对低压、低质量流速下垂直环形通道中水的过渡沸腾传热进行实验研究，实验范围是：压力Ｐ＝２．５－１０．９ｂａｒ，质量流速Ｇ＝７４．２－２２３．９ｋｇ／ｍ２ｓ，进口过冷度△Ｔｓｕｂ＝５．５－３２．４℃。用一维和二维模型对实验数据分析处理，得到许多不同工况下的过渡沸腾曲线，并对影响过渡沸腾传热的主要因素进行了分析。实验发现，管壁的热流密度值在过渡沸腾区域有较大波动，表明过渡沸腾这种传热方式所固有的不稳定性。得到了一个预测过渡沸腾传热的公式，并和其他关系式进行了比较。

非均匀润湿性微通道表面池沸腾换热特性

采用高温热氧化与表面改性技术并结合电火花线切割工艺在紫铜表面制备了3类非均匀润湿性微通道表面,微通道顶部接触角分别为8.6°、88.1°、156.1°,通道内部接触角为113.2°。经饱和池沸腾试验表明,具有超亲水性顶部(θ=8.6°)和超疏水顶部(θ=156.1°)的微通道表面临界热通量分别较紫铜表面(θ=88.1°)提高了61%和35%,最大传热系数分别提高了2.3倍和6倍。气泡动力学可视化研究表明:非均匀润湿结构能够显著抑制气泡的合并与团聚,使得气泡之间存在的间隙成为液体补充路径,这是临界热通量提高的主要机理。

多级复合芯结构的强化沸腾传热研究

采用固相烧结技术制备了均匀多孔层、复合16芯和复合32芯三种多孔结构,并且建立了池沸腾传热测试系统来研究不同芯数量、粒径与结构高度对多孔结构沸腾传热性能的影响。实验结果表明,在测试范围内复合层高1 mm的多孔复合32芯结构传热性能较强,临界热通量(CHF)最高为386 W/cm^(2),传热系数最高达到9.5 W/(cm^(2)·K)。同时利用高速摄影观察气泡行为来研究强化沸腾传热机理。可视化数据表明,相比于光滑表面,在高热通量下多孔复合表面上气泡周期更短,脱离更快,气泡的离开带来了更多的液体补充,进而不断提升传热性能,获得更高的CHF值。

内加热式螺旋流流动沸腾传热研究

本文研究了内加热式螺旋流流动沸腾传热的传热性能与临界热通量问题，提出了有旁流和无旁流时沸腾传热系数的计算方法，并进行了验证。

油罐火灾中常用战斗服热的防护性能

为了解决油罐火灾扑救中存在的热伤害问题,搭建以热辐射通量为测量参数的战斗服测试试验平台,对常用战斗服的整体热防护性能进行研究。通过测试得到战斗服的安全临界热通量为12.029 kW/m^2,该参数可作为判断火场上消防员是否安全的判据。在此基础上,通过数值模拟可以得出,3×10~4m^3汽油罐全液面火灾扑救中,消防员穿着战斗服时在地面高度上的安全作战区域为距罐壁8.2 m以内和51.0 m以外的区域。

微沟槽铜板沸腾换热特性实验研究

采用五轴联动数控加工制备了具有微沟槽结构表面的铜基样品,利用池沸腾实验研究了微沟槽结构对沸腾传热和气泡产生、长大、脱离的影响。结果表明,具有微沟槽结构表面的样品沸腾换热性能明显优于具有光滑表面的样品;随着样品沟槽宽度的减小,临界热通量及换热系数均不断增大,换热性能明显提升。