（工程热物理专业论文）含内热源球床通道内单相强近对流换热特性的实验研究.pdf

含内热源球床通道内簟相强迫对流换热特件的实聆研究 摘要 多孔介质中流动与传热现象具有广阔的工程应用背景，已成为当前工程热物 理等学科领域最活跃的前沿研究方向。采用微球床的新概念水冷反应堆可预计的 体积热功率远高于目前的水冷反应堆，而日具有很高的经济性和安全性。及时对 含内热源球床通道内的强迫对流换热开展研究，对推动球床水冷堆的发展具有重 要意义。 本文用直径3 m m 或8 m m 的钢球组成球床通道，由非接触的中频电磁感应加 热为球床提供内热源，以蒸馏水为工作介质，开展微球床内强迫对流换热特性的 实验研究。 首先，对直径为3 m m 的表面氧化4 锈钢球组成的球床通道内的感应加热功率 分布规律进行实验研究。结果表明：感应加热球床内部功率分布比较均匀，而且 对称性良好；轴向功率为中部较高，两端较低，刁均匀性在3 5 以内；径向功率 由轴心向边壁逐渐降低，4 均匀性在1 0 以内。 其次，分别对4 种材料的球床进行单相强迫对流换热实验研究，获取球床内 平均对流换热系数。实验所得球床通道内对流换热系数很高，- 月对流换热系数随 入口水温的增加和加热功率的增加而降低，随填充球直径增大而增大。拟合大量 的实验数据，获得内热源多孔介质通道强迫对流换热的换热准则关联式，该公式 对实验结果进行预测的误差在11 以内。 最后，对实验测量中所遇问题做了总结，并提出了解决或改进方案。如n i 测 量系统下，长、短微型铠装热电偶在同一温度下标定时的电压分层问题；感应加 热的强电磁场环境下，中频电磁场对热电偶信号和流量信弓干扰等问题。 关键词：内热源；多孔介质；感应加热；强迫对流换热 哈尔滨工秆大学硕士学何论文 a b s t r a c t f l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e rp h e n o m e n ai np o r o u sm e d i aw i t hab r o a d e n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d ，h a sb e c o m et h em o s ta c t i v ef i e l do ff r o n t i e rr e s e a r c ha tt h ec u r r e n t s u b j e c t ss u c ha se n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s n e wc o n c e p to fm i c r o p e b b l eb e dw a t e r c o o l e dr e a c t o rh a s h i g he c o n o m i ca n ds e c u r i t yw h i c hc a nb e e x p e c t e d t ob e s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h ec u r r e n tw a t e rc o o l e dr e a c t o r si nv o l u m et h e r m a lp o w e r s t u d yo nf o r c e dc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ri np e b b l eb e dc h a n n e l sw i t hi n t e r n a lh e a t s o u r c et i m e l y ，i so fg r e a ts i g n i f i c a n c et op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fw a t e rc o o l e d p e b b l eb e dr e a c t o r s i nt h i sp a p e r ，t h ep e b b l eb e dc h a n n e lw a s p a c k e db yb a l l sw i t hp a r t i c l ed i a m e t e ro f 3 m mo r8 r a m n o n c o n t a c ti n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gp r o v i d e si n t e r n a l h e a ts o u r c ef o rt h ep e b b l eb e d ，w i t hd i s t i l l e dw a t e ra st h ec o o l i n gm e d i u m f i r s t ，t h ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rd i s t r i b u t i o ni nt h ep e b b l eb e dc h a n n e lw a s i n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t sw i t ho x i d i z e ds t a i n l e s sb a l l s ( 矽= 3 m m ) i n d u c t i o nh e a t i n g p o w e rw a se v e n l yd i s t r i b u t e dw i t h i nt h eb e d ，w i t hg o o ds y m m e t r y a x i a li n d u c t i o n h e a t i n gp o w e ri sh i g h e ri nt h em i d d l e ，l o w e ri nt h eb o t he n d s ，w i t hn o n u n i f o r m i t yo f a b o u t3 5 ，w h i l er a d i a li n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rd e c r e a s e sf r o mc o r et ot h ew a l l ，w i t h n o n u n i f o r m i t yo fa b o u t10 s e c o n d ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so fs i n g l e p h a s ef o r c e dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r i nt h ep e b b l e - b e dw e r eo p e r a t e du n d e r4k i n d so fb a l l s t h ea v e r a g ec o e f f i c i e n to ft h e f o r c e dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ri n s i d et h ep e b b l e - b e dc h a n n e l si s v e r yh i g h ，a n di t d e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go fi n l e tw a t e rt e m p e r a t u r ea n dh e a t i n gp o w e r ，b u t i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp a c k e db a l ld i a m e t e r b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ， c o r r e l a t i o n sa r ed e v e l o p e df o rt h e s i n g l e p h a s ef o r c e dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ri n p e b b l e - b e dw i t hi n t e r n a lh e a ts o u r c e ，a n dt h ep r e d i c t i o ne r r o ro nt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t so f 1 1 f i n a l l y ，s u m m a r i z e dt h e i s s u e se n c o u n t e r e di nt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s ， a n dp r o p o s et h es o l u t i o n so ri m p r o v e m e n t s s u c ha ss t r a t i f i c a t i o ni nt h ec a l i b r a t i o no f t h el o n ga n ds h o r tm i n i - s h e a t h e dt h e r m o c o u p l e su s i n gn im e a s u r e m e n ts y s t e m ；t h e i n t e r f e r e n c eo fi n t e r m e d i a t e f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i c f i e l do nt h e s i g n a l s o f 含内热源球味通道内嗨相强迫对流换热特件的实骀研究 t h e r m o c o u p l e sa n dt u r b i n ef l o w m e t e r , u n d e rt h es t r o n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l d so f i n d u c t i o nh e a t i n g k e y w o r d s ：i n t e r n a lh e a ts o u r c e ；p o r o u sm e d i a ；i n d u c t i o nh e a t i n g ；f o r c e dc o n v e c t i o n h e a tt r a n s f e r 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 多孔介质中传热传质的研究，一直是工程热物理和地球、环境科学等学科中 最活跃的研究方向。多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质，其中物 质和能量的输运是地球生物圈内普遍存在的自然现象，动物的细胞组织、土壤、 植物的根茎叶都是天然多孔体。多孔介质中传热传质问题广泛分布于医药制备、 太阳能的收集、地热资源的勘探和预估技术、稠油的热采技术、污染源在地下含 水层中扩散的防止技术、谷物及木材的干燥和储存技术、煤层着火的预警与防护 技术、核电站核废料的地下安全埋藏和摔制技术、高效省能的干操技术、以及新 型高效多孔体冷却器和触媒化学反应器及其强化技术等应用领域【卜4 1 。 随着世界能源结构的调整，核能逐渐发挥重要作用，成为能源结构中的重要 组成部分。在国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定中，提出要 积极研发新一代核能技术和先进反应堆，发展核能产业，因为相对于其它新能源 而言，核电的成长性最为确定，是最为看好的新能源子行业。在“十二五 期间， 作为清洁能源的核电将成为“投资绿地”，预计未来1 0 年核电总投资有望接近l 万亿元。国家发改委能源研究所副所长戴彦德在2 0 1 0 年亚洲能源论坛上表示，目 前我国核电装机容量为1 0 0 0 万千瓦，在建2 5 0 0 万千瓦，2 0 2 0 年中国核电装机容 量将达8 0 0 0 万千瓦。按目前核电建设进度，2 0 15 年可达到4 0 0 0 万千瓦，“十二五” 期间需开工3 0 0 0 万千瓦。 中国核电的发展已迎来历史性的大好机遇，但也面临巨大挑战。核能利用过 程中安全性和经济性要求的提高，使得新型反应堆技术的研发u 益迫切，世界许 多国家都在努力开发新一代反应堆。 已发表文献中，多孔介质中的流动和传热现象在核反应堆工程的研究主要见 于两个方面：一、反应堆事故工况分析一一在轻水反应堆发生失水事故时，堆j 卷 将熔化并在压力容器内形成碎片床，冷却剂在碎片床内沸腾形成多孔介质内的两 柏流动与传热现象1 5 _ 7 】；二、高温气冷堆堆芯冷却的研究。 在高温气冷堆【8 枷】和超临界水冷堆l 的概念设计中，球床式堆：卷在安全性和燃 料循环上优点突出。球形核燃料元件最早胃最主要应用于气冷堆，气冷堆主要经 历四个发展阶段：早期气冷堆( m a g n o x ) ，改进型气冷堆( a g r ) ，高温气冷堆 ( h t g r ) 以及模块式高温气冷堆( m h t g r ) 。目前，模块式高温气冷堆发展迅速， i 哈尔滨t 稃大学硕1 j 学何论文 最著名的模块化高温气冷堆项目是南非牵头开发的1 1 0 m w e 的球床模块反应堆 ( p b m r ) 。该反应堆的燃料是直径小于l m m 的t r i s o ( 三层包覆碳化铀) 颗粒形式。 每个颗粒具有碳氧化铀的核，采用浓缩度达到1 4 的2 3 5 u 。 尽管模块式高温气冷可以实现小型化和固有安全性，而且具有较好的市场前 景。但寻求一种新型概念，将球形燃料元件的设计优点和成熟水冷堆的技术优势 结合，仍是目前球形燃料元件应用探索的重要方向之一，在此背景下，球床水冷 堆的概念应运而生。目前，具有代表性的球床水冷概念堆型主要有美国的a f p r 、 俄罗斯的b w r p b 1 2 , 1 3 】、日本的p f p w r 和巴西的f b n r 1 4 , 15 】。f b n r l l 6 1 反应堆是 i a e a i n p r o 项目中提到的一种4 0m w e 的新概念小堆型，该堆型利用压水堆技 术但使用高温气冷堆内所用的t r i s o 类型的微型燃料球。f b n r 可以看成流化床 的一种特例，燃料球是通过l o b a r 左右压力的冷却剂固定在堆芯中的。燃料球冷态 时位于底部的燃料腔中，当冷却剂流速在1 4m s 时，燃料球开始在燃料腔内被流 化，等流速达到7 m s 时，燃料球进入堆：卷固定位置。虽然在f b n r 内任何工况下 燃料球温均低于4 0 0 ，但该燃料球在1 6 0 0 或更高的温度下都能保持稳定。 采用悬浮堆：笛的小型模块化流化球床轻水核反应堆【l7 。，也是一种将球形燃料 与压水堆技术相结合的概念堆型，其中燃料球在任何事故情况下均能利用自身重 力自动从堆芯落下，因此，具有很高的固有安全性。该概念堆型的改进设计中采 用超临界蒸汽作为冷却剂预计可获得的电厂热效率达到4 0 ，目前该堆型仍需修 正堆：醛形状，以以保证堆j 卷水力特性的稳定。 在球床水冷堆中，冷却剂流经燃料球堆积形成的孔隙流道，与燃料球之间发 生强烈的热量交换。燃料球体积热功率可达到1 0 0 - - - 3 0 0 m w m 3 ，为了保证足够 的冷却，冷却剂必须维持在很高的雷诺数范围内。对于沸水堆或直接核过热的反 应堆，堆芯内冷却剂经历由单相到两相、甚至过热蒸汽的全过程，多孔流道内复 杂的相态分布规律及多种传热机理耦合作用下的热工水力特性，不同于其它工程 应用中涉及到的多孔介质研究。对于球形核燃料构建的多孔介质物理模型，固定 相高热流密度、冷却剂复杂流态以及多种传热机理耦合作用决定了该模型属于含 高体积热功率内热源的多孔介质研究范畴。 及时开展含内热源多孔介质中的流动和传热的相关研究，有利于加速新型微 球床水冷堆的研发进程，为核电在我国的快速发展提供保障。 2 第1 章绪论 1 2 多子l 介质概述 1 2 1 多子l 介质定义 对于多孔介质学术界没有标准定义，一般认为多孔介质是指多孔固体骨架构 成的孔隙胃孑l 隙空间中充满单相或者多相介质p 1 ，也可以说多孔介质是具有固体骨 架的一种多相空间1 4 1 或者说多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质。 固体骨架( s o l i dm a t r i x ) 遍及多孔介质所占的体积空间，空隙空间相互连通， 其内的介质可以是气相流体、液相流体或者气液两相流体。多孔介质内的微小空 隙可能是互相连通的，也可能是部分联通、部分不连通的。自然界中广泛分布着 多孔介质，典型的多孔介质有沙土、岩砂、金属泡沫、海绵、人体肝脏等等。多 孔介质的主要物理特征是孔隙尺寸极其细小，比表面积数值很大。 在多孔介质的流动传热与流动分析中经常需要区别单相系统或多相系统。单 相系统是指多孔介质的孔隙全部被一种单一流体( 例如水和空气) 或几种完全相 溶的流体所占据( 例如盐水和淡水) 。多相系统则是指两种或更多的互刁 相溶的流 体占据多孔介质的孑l 隙空间，互不相溶的流体之间有明显的分界面( 例如油和水) 。 有时在描述多孔介质时，还需要给出组分的数目 3 1 。 1 2 2 多子l 介质基本参数 在研究多孔介质传热传质问题中，经常涉及一些基本的结构参数和基本的性 能参数【3 ，4 1 ，结构参数主要如下： 1 、孔隙率占 孔隙率( p o r o s i t y ) 表示多孔介质中微小孔隙的总体积与该多孔介质的总体积 的比值。 1 7 f ：型l 1 0 0 ( 1 1 ) 比孔 实际使用的孔隙率用表示，是宏观的统计平均值，或者只代表均匀多孔介质 的孔隙率，以百分数表示。固体骨架所占份额为( 1 s ) 。 孔隙有两种即互相连通的和彼此独立、互相不连通的孔隙。所以孔隙率分为 两种：多孔介质内互相连通的微小空隙的总体积与该多孔介质的外表体积的比值 称为有效孔隙率，以表示；多孔介质内相通的和不相通的所有微小孔隙的总体 积与该多孔介质的外表体积的比值称绝对孔隙率，以晶表示。所谓孔隙率，通常 指有效孔隙率，但为书写方便，一般直接以占表示。 3 哈尔滨t 稃大学硕一l ：学何论文 只有互相连通的孔隙中才能让流体通过而对多孔介质中的对流传热做出贡 献；互不连通的孔隙中的气体或者液体，其导热系数低于固体，因而对绝热起作 用。各种多孔体在边界处的孔隙不均匀性会对多孔介质的传热起重要作用，即通 常说的“边界效应”。 由孔隙率的定义可知，多孔材料的孔隙率可以通过测量下面三个量中的任两 个来确定，即总体积、孔隙体积或固体体积。 1 ) 直接法 最直接的操作过程是测量总体积，压碎样品，去掉所有的孔隙，然后测量剩 下的固体体积。此技术常用于砖和陶瓷。此方法可量得总孔隙率。 2 ) 气体膨胀法 用的最广的测量有效孔隙率的方法大概是基于气体行胀的方法。但基于气体 膨胀的方法小如其他技术那样精确。 另外，测量总孔隙率的方法有密度法、统计法及当前应用最好的吸渗法，在 测量有效孔隙率中也采用压汞法。 2 、比面q 比面( s p e c i f i cs u r f a c e ) q 定义为多孔介质总容积v 与固体骨架总表面积彳，之 比，即 q ：生 ( 1 2 ) v 多孔材料的比面定义可理解为多孔材料每单位总体积中的孔隙的隙间表面 积。对于具有相同半径r 的圆球按立方体排列成的多孔体，其比面 q = 4 刀r 2 ( 2 r ) 3 = 7 r 2 r 。 由此可见，r 越小q 越大，即固体颗粒愈小比面愈大。比面q 无论对于多孔介 质的吸湿、干燥还是传热过程，都是十分重要的参数。它也是与多孔材料的流体 铲倒行即渗透率有关的一个重要参数。 3 、迂曲度e 一般来说，多孔介质孔隙连通通道是弯曲的。显然，其弯曲程度将对多孔介 质中的传递过程产生影响。对多孔介质的这一结构特性用迂曲度( t o r t u o s i t y ) e 表 示： r 2 c = ( 三)( 1 3 ) 4 第1 章绪论 式中，三。，上分别为弯曲通道真实长度与连接弯曲通道两端的直线长度。由 上式可知c 必小于l 。 上述诸结构参数均与多孔介质固体颗粒尺寸及其分布、孔隙尺寸及其分布有 关，故也常把固体颗粒与孔隙尺寸及其分布列为基本结构参数。 4 、固体颗粒尺寸d 。 多孔介质固体颗粒( p a r t i c l es i z e ) 尺寸、形状、大小是多种多样的，因此准确 的确定颗粒尺寸是相当困难的。在工程应用中，往往要通过实际测量去确定。于 是，颗粒尺寸又取决于所采用的测量方法。目前主要有两种计量方法：其一是比 重计分析法，也即将与颗粒存水中的下降速度相同的同种材料圆球尺寸加以测量 去确定。这种方法适用于较小颗粒的测量。其二是筛选法，即利用不同尺寸方形 孑l 筛子过筛，其测量的是能够通过筛网的一批颗粒，最后以网眼尺寸为当量直径 去表达颗粒尺寸。总之，无论采用何种测量方法，都是以颗粒折算成圆球之当量 直径d 。去表示。 5 、孔隙尺寸d 。 一般来说，孔隙尺寸( p o r es i z e ) 需要进行统计说明，而其孔径尺寸与分布往 往是通过实测去确定的。其中，常用的一种方法是根据多孔体的剖面切片进行统 计，也可用非湿润流体注入多孔体的实测方法确定，即以 d o = 4 t r c o s o p 。 ( 1 - 4 ) 去测算空隙直径d 。式中驴为接触角，盯为表面张力，p 。是使非湿润流体进 入孔隙所需压力。 基本特性参数如下： 6 、渗透率 渗透率( p e r m e a b i l i t y ) 是由d a r c y 定律所定义的，它是多孔介质的一个重要 特性参数，表达了在一定流动驱动力推动下，流体通过多孔材料的难易程度。可 以说，它表达了多孔介质对流体的传输性能。渗透率值由达西渗流定律来确定： “：一生鲨( 1 - 5 ) p 瓠 其中，娑为流动方向上的压力梯度；七为渗透率；为流体粘度；甜为流体在孔隙中的 o x 流速。 由达西定律可以看出，渗透率与多孔介质的另一参数一一孔隙率之间不存在 5 哈尔滨丁程大学硕 ：学侮论文 固定的函数关系，而与孔隙大小及其分布等因数有直接关系。渗透率代表了多孔 介质中孔隙道面积的大小和孔隙弯曲程度。渗透率越高，多孔介质孔道面积越大， 流动越容易，可渗性也越好。 7 、饱和度s 多孔材料中的孔隙，可以部分地为液体占有，另一部分则为空气或其它蒸汽 占有；或者由两种以上互不相溶的液体共同占有。这样一来，每种流体所占据孔 隙容积的多少就成为多孔材料的一个重要特性参数。多孔材料中某特定流体所占 据孑l 隙容积之百分比，称之为饱和度s 。，即 、， s 。= 坐1 “7(1-6uuvo ) j w = x l kj v ， 式中，y 。为w 流体所占据的多孔材料孔隙容积；y ，为多孔材料孔隙总容积。 1 3 研究现状 1 3 1 多子l 介质传热传质特性 关于多孔介质理论的演化和进展1 ，4 1 ，若以18 5 6 年d a r c y 定律的确立为起点，以后漫 长的1 0 0 年时间为第一阶段( 初级发展阶段) 的话，那么，1 9 5 7 年p h i l i p ，d ev r i e s 理论的建 立则标志着多孔介质的研究进入了第二阶段( 相对完善阶段) 。在他们的经典理论之上， 通过大量的理论和实验研究又形成、发展、完善及派生出来其他各种理论，如能量理论， 液体扩散理论，毛细流动理论和蒸发冷凝理论等描述多孔介质中热质迁移过程的单一理 论模型，有关多孔介质的数学模型才较快地发展起来。正是在这两个阶段的交汇点之后， 有关多孔介质的研究才逐渐由等温过程向非等温过程、由单场驱动向多场驱动、由饱和 向非饱和、由单一理论向混合理论、由单学科向交叉相关学科的发展。 前人建立的多孔介质传热传质数学模型主要依据的理论大体上分为l u i k o v 唯象理 论和w h i t a k e r 体积平均理论，前者控制方程的唯象系数难于确定，后者的控制方程呈现 高度非线性而不易求解和应用。 1 9 7 5 年由美国学者m a n d e l b r o t 首先提出了分形的概念【1 8 】，它能反应出自然界存在的 大量非线性现象和几何形状的客观规律，立刻引起了各国科学家的广泛关注，逐步形成 了分形几何理论体系。由于多孔介质具有随机、无序的分形特征和相同的分形维数，同 时分形维数可以预测多孔介质的空隙度。分形理论架起了一座沟通多孔介质内部迁移过 程和多孔结构之间的桥梁，成为研究多孔介质传热传质过程的有效工具【1 9 , 2 0 l 。施明恒【2 1 1 等人研究发现多孔介质剖面骨架面积分布或孔隙分布具有分形特征，由此，提出一个简 6 第1 审绪论 化的多孔介质分形导热模型，考虑了热量的传递通过内部的曲折通道及孔隙的存在使热 量传递面积减小的问题，导出了基于分形理论的多孔介质有效导热系数的表达式，为进 一步深入研究复杂的多孔介质传热传质过程开辟了一条新路。 多孔介质中传热过程包括固体骨架( 颗粒) 之间相互接触及孔隙中流体的导 热过程；孔隙中流体的对流换热( 这种对流换热可为强迫对流，自然对流，或者 二者并存的混合对流，同时也包括液体沸腾、蒸发及蒸发凝结等相变换热) ；固体 骨架( 颗粒) 或气体间的辐射换热。 多孔介质的特性取决于孔隙率、有效半径、渗透率以及有效导热系数等因素， 这些也是影响多孔介质中传热传质规律的因素。流体在多孔介质中流动存在一个 明显的特点就是弥散效应。流体的动力弥散现象包括两种同时发生的基本输运过 程：对流和分子扩散。由于孔隙系统的复杂结构，使流体微观通道的尺寸和形状 随处各异，造成流体分布在各个局部处的流动速度均巧 同。弥散现象的存在，使 多孔介质中的传热规律具有特殊的复杂性【2 - 4 】。 从近些年的研究动向可以看出，多孔介质传热传质的研究的主要集中在以下几个方 面： ( 1 ) 结合宏观和微观方面的研究理论，利用理论分析、数值模拟和实验研究等 予段建立和完善多孔介质模型。 ( 2 ) 发展测量原理并提高测量乎段，特别是针对多孔介质内热湿迁移特性方面 的测量技术，丰富和完善多孔介质的基础数据库，探索渗透系数、孔隙率、毛细 力、表面张力和接触角等测试方法。 ( 3 ) 强化以工程应用为背景的多孔介质中传热传质的基础研究，如多孔介质强 化传热等，这也是今后多孔介质传热传质研究的主要方向。 目前，针对多孔介质强化传热已开展了大量的研究。m o h a m a d 2 2 l 采用恒壁温 方式，对装填多孔介质的换热器进行实验研究，结果表明：在相同泉功率下，管 内装填多孔介质的换热系数是光管层流换热系数的2 - - 7 倍，是翅片管或螺纹管中 的湍流换热系数的2 2 5 倍。m o h a m a d 认为填充多孔介质强化管内传热的主要原 因是多孔基体比流体尤其是气体的热导率高得多。a l k a m 和a l n i m r 2 3 】利用数 值方法研究了在同心圆环的内表面或者外表面涂覆多孔介质材料时的强迫对流特 性，得出n u 数提高了1 2 倍左右。m o h a m a d 等人通过数值研究方法，分别对流道 内不放多孔介质基质、部分地填充及在流道中心填充多孔介质材料时的传热增加 量进行对比。分析表明，在流道中部分填充多孔介质基质能使热入口段长度降低 7 哈尔滨t 秆大学硕f j 学何论文 5 0 左右，并月堵皂提高壁面的传热速率。 姜培学 2 4 1 等人采用在实验段一侧管壁加载恒热流密度，其它管侧绝热的方式， 对烧结多孔介质平板通道的对流换热进行实验研究。结果表明，填充烧结多孔介 质可以将水工质和空气工质的对流换热系数分别提高1 5 倍和3 0 倍，同时，由于 烧结过程使得多孔介质的有效热导率提高，所以填充烧结多孔介质比非烧结多孔 介质的强化传热效果好，尤其是以空气为工质的情况下。姜培学1 2 5 i 等人在超临界 压力下对c q 在多孔介质中的对流换热的相关研究表明，换热系数随着填充颗粒直 径的增加而增加，工质入1 2 温度、热流密度以及工质流量等都对对流换热系数有 重要的影响。 1 3 2 含内热源多孔介质换热特性研究 1 9 7 5 年以前，多孔介质的传热研究基本是在实验段外壁加热，在壁面恒温或 者等热流密度的情况下进行的，小涉及多孔介质中分布热源的情况。m o a l e m l 2 6 1 等 人于上世纪7 0 年代开始研究含内热源球床的换热。初始实验的实验段为填充多孔 介质的环形通道，液体在进入通道前先被加热到饱和状态，流体在实验段内经历 液体、饱和汽液混合物、过热蒸汽的变化过程，对其瞬态工况的研究目的是为了 弄明白在反应堆起堆及停堆时的性能。 由近年来已发表文献中关于内热源球床的换热特性的研究可见： ( 1 ) 实验工况多是考虑气固两相或汽液两相流动的情况，而对单相强迫对 流换热研究较少。而且，一般研究均认为在含内热源多孔介质的流动换热过程中， 固定相与流动相之间的温差相当大，必须采用局部非热甲衡模型。近年来，局部 非热平衡模型在理论分析和数值模拟方面得到了长足发展，以h s u ，a c h e n b a c h ， d i x o n 2 7 , z 8 1 和姜培学等人2 9 1 采用的b r i n k m a n d a r c y f o r c h h e i m e r 模型最具代表性。 ( 2 ) 数值计算中对许多参数都做了定性假设和近似模拟。如杜建华【3 0 3 2 1 等人在 研究带内热源多孔介质中的受迫对流换热等数值计算中做如下假设：多孔骨架各 向同性，填充颗粒是大小均匀的刚性球体；骨架和流动介质的比热、密度、导热 系数等物性参数各为常量；忽略能量方程中的轴向导热。 ( 3 ) 大部分的实验研究都还不够完善，实验装置系统与测量设备还不能精确地 演示多孔介质流动换热的真实情况。测量球床骨架的温度普遍采用的微型铠装热 电偶或者是在球上打孔埋入铠装热电偶组成热电偶球【7 1 。 ( 4 ) 获得内热源的方法主要有电磁感应加热和电阻丝加热两种。 8 第1 章绪论 s c h a f e r l6 】等人存研究反应堆熔堆后形成的堆积床内，冷却与沸腾干涸实验中搭 建了感应加热的多孔介质实验台架。该实验段高6 4 0 m m ，内径1 2 5 m m ，以水为冷却 介质，存圆柱形的流道内填满金属球( 直径为6 m m 或3 m m 的表面氧化刁 锈钢球) ， 实验段内2 5 个测温截面内共布置了6 0 个热电偶( 1 m m ，n 型) 测定局部局部蒸 干点，流道外缠绕加载频率为2 0 0 k h z ，额定功率为1 4 0 k w 高频电磁感应线圈为球 床提供内热源。实验中实际未发现钢球表面有集肤效应，球床的功率分布大小与 加载功率及小球直径关系密切，轴向的功率1 i 均性在1 0 。实验测得3 m m 球床 内体积释热率可以达到1 2 0 一- - 2 1 0 0 k w m 3 ，当球床内金属球直径为6 m m 和3 m m 时， d h f 值分别为为1 3 3 0 k w m 2 和8 1 3 k w m 2 。 z e i s b e r g e r l 3 3 1 等人研究堆芯熔化后冷却及沸腾传热所建立的实验段也是采用 电磁感应加热方式，但是所采用的小球比s c h a f e r 等人的直径更小( 0 8 4 m m ) 。该 实验布置2 4 个热电偶测得床内1 同点的温度，并用纤维光学探测器记录该处空泡 份额。将测得结果与基于经验公式的一维方程相比较，球床最大换热功率可以达 到5 5 0 k w m 2 。 此外，比较典型的采用非接触的感应加热的还有a t k h e n t 7 1 等人研究体积加热 破碎床内冷却性能的s i l f i d e 实验。该实验段内填充直径2 7 m m 的表面氧化不锈钢 球，球床孔隙率0 4 左右。实验中发现由于感应加热的集肤效应导致球床边壁处热 流密度比球床平均热流密度高出近5 0 ，而球床中部局部热流密度比球床整体平 均热流密度低6 0 左右。 中国核动力研究设计院的昝元峰【3 4 】等人在含内热源多孔介质的局部换热特性 实验中采取了电阻丝加热方式。该实验段以水作为流动介质，流道内填满金属颗 粒球，其中作为内热源的金属球内镶嵌电阻丝。在内径为16 0 m m 的不锈钢管内填 充直径31 7 5 m m 的金属球，球之间呈正三角形排列，沿工质流动方向共填充l8 层。 其中，存第4 层、第1 0 层和第l6 层的中间位置各布置一个内部发热金属球，其 余均为彳、：发热金属球。为了消除边壁效应对换热的影响，靠近边壁处的金属球被 加工成不同尺寸的半球，与相邻的金属球及实验段内表面以切面紧密接触。如图 1 1 所示。 9 哈尔滨工稃大学硕上学何论文 图1 1 金属球分布图 l 引线管；2 半金属球；3 不发热金属球：卜金属管：卜发热金属球 该实验结果表明：换热系数基本不受压力的影响；发热球加热功率高时，换 热系数增加是由于物性场的彳、= 均匀性加剧，横向自然对流增强所致：加热功率低 时，加热功率对换热系数没有明显影响；换热系数随着冷却剂进口温度的增加， 呈下降的趋势；球层入口区存在入口效应，但入口效应的影响区域远小于管内流 动区域；采用幂指数形式的无量纲准则关联式表示电加热内热源多孔介质中的局 部换热系数，得出的换热系数计算值与实验值的误差在1 0 以内。 比较以上两种加热方式可以发现感应加热较电阻丝加热优势明显： 1 电阻丝加热只是对个别球加热，这与球床内燃料球发热的差异较大，而感 应加热产生的内热源是所有球均发热且功率分布比较均匀； 2 电阻丝加热所能采用的钢球一般直径较大( e m 级) ，而感应加热可以采用 微型钢球的直径一般在几毫米，比较接近于微球型燃料球。 3 感应加热方式为非接触式，无需在流到内布置电线，对球床流道影响较小， 且感应加热功率易于控制。 基于以上原因，本课题选用感应加热的方式来设计含内热源球床通道的换热 实验台架。 1 4 研究内容 本文主要进行实验台架的搭建与设备调试，球床温度测量方法实验研究，球 床功率分布及换热特性实验研究等工作： 1 搭建感应加热的内热源多孔介质换热实验台，并调试实验设备。 2 进行球床内温度测量方法的可行性实验研究：采用彳 同材料、不同直径的 实验钢球，选择出一种功率负载较大的材料作为后续实验研究的主要材料，以便 l o 第l 章绪论 实验中可以获得较大的调节功率范围和工况范围，便于进行比较实验。 3 功率分布实验：测量球床内部轴向及径向的功率分布规律，检验感应加热 时球床是否足以模拟自发热的燃料球床。另外获取球床内的局部功率，为后续研 究球床内的局部换热系数等做准备。 4 换热特性的实验研究：调节不同功率、不同流速、不同入口温度等参数， 测量球床内部特定位置的球体壁面温度和水温，研究球床的平均换热系数和局部 换热系数等的影响因素及变化规律。 5 结合实验中发现的问题，对实验各环节进行了改进，为球床流动沸腾等实 验研究做前期准备。 哈尔滨t 稃大学硕l 学何论文 第2 章实验装置及实验方法 本实验台架设计为可视化的含内热源多孔介质通道换热特性实验台，可满足 单相及两相的实验需要。使用工业生产中应用成熟的电磁感应加热技术为实验段 多孔介质提供内热源，并借鉴工业上中频感应加热炉的经验，设计了本实验的实 验段，在实验段材料的选取，感应加热器内加热件的冷却、实验段密封及电磁屏 蔽等方面做了创新性设计。 实验装置主要包括实验回路系统、电磁感应加热系统和测量系统。 2 1 实验回路系统 其中实验回路系统包括实验段主回路及冷却回路，其总流程图如图2 1 所示， 照片如图2 2 所示。 图2 1 实验回路总流程图 由图2 1 可见，实验主回路由储水箱、冷却器、多级泵、过滤器、稳压罐、涡 轮流量计、预热器、实验段、汽水分离器、疏水阀、集水槽及其相应的管道阀门 组成。储水箱内的蒸馏水由多级泵抽出，流经稳压罐，过滤器，由下向上经过实 验段，然后经过汽水分离器流回储水箱。 1 2 第2 章实验装置及实验方法 图2 2 实验台照片 冷却回路包括设备冷却回路及冷却器冷却回路。其中设备冷却回路主要用于冷却可 控硅中频电源装置、连接电缆及电磁感应加热器线圈。 冷却器冷却回路主要利用储水池的冷却水对实验主回路的冷却水进行冷却。蒸馏水 在主回路中要带走实验段中的热量以及泵等设备产生的热量，故需要在实验段出口安装 冷凝器，用以冷却主回路的水。该冷却器采用管壳式，逆流布置。其中实验段主回路的 水走管侧，冷却器冷却回路的水走壳侧。 2 1 1 实验回路主要设备 1 、多级泵 实验主给水泵采用型号为c d l f 8 立式多级4 锈钢离心泵。该泵为常温型，最高使用 温度为7 0 。启动前应先对泵做注水和排气处理，而月对多级泵采用旁通措施用旁 通管连接泵的出口和实验段主回路的储水箱。因为杂质对流量计的精确测量有不利影 响，如果进入的杂质过多，会对实验结果引入彳 必要的误差，并且杂质也能使其他设备 的性能下降，所以在泵的出口处安装过滤器，_ 日要经常对过滤器进行检查和清洗。 2 、涡轮流量计 采用上海自仪九厂的l w g y f i t b l 型涡轮流量计，精确测量水的流量。该流量计 可同时显示瞬时的数字流量和数字百分比，方便调节，而月同时输出流量脉冲信号或标 准一线制4 - 2 0 m a 电流信号。实验采用电流输出测量，基本误差限：0 1 f s 。由于实 验流量范围较大，所以采用两种不同量程的流量计，存低流量时采用小量程流量计( 0 2 1 0 m 3 l a ) ，高流量时采用大量程流量计( 1 0 1 0 m 3 h ) 。 3 、稳压罐 1 3 曼辫一 啪黛 鼍i。jt，14喜遽 哈尔滨t 程大学硕 学何论文 实验台回路中多级泵运行中会发生流量的波动，所以存多级泵下游布置稳压罐，用 以减少实验段内水的压力波动，限制水流量的变化在允许的范围内。 4 、预热器 实验台架既可以做单相换热实验，也可以做汽液两相换热实验。做汽液两相 换热实验时，为实现对实验段入口工质的温度调节和控制，系统设计了电加热的 预热器。预热器对实验段入口工质的温度的控制，是通过调节其内置的电加热器 功率，并以冷却器的配合来实现的。泵前流体温度1 能超过7 0 ，做沸腾实验时 加热器入口温度最高为7 0 1 2 ，按实验段需要入1 ：3 温度9 5 计算，即冷却剂流经加 热器时温升为2 5 1 2 ，流量为0 1 0 6 k g s ，所需加热功率为1 1 2 k w 。采用3 根功率为 4 k w 的用u 型电加热器，包壳外直径1 2m m ，中心距4 8m m ，总长度4 4 0 4 0 0m m 。 为了避免大功率加热时，可能造成一部分工质发生沸腾，而对实验产生影响 的情况，特将加热器内的流通面积设计成与管道的流通面积相等。 5 、汽水分离器 从实验段中流出的流动工质进入汽水分离器，从汽水分离器处分为两部分，一部分 为水，一部分是水蒸汽( 如果进行两相或干涸实验) ；水直接从汽水分离器的疏水口进 入疏水阀、集水槽；水蒸汽从汽水分离器的上端出口进入冷凝冷却器，经冷却器后凝结 为水，两部分的水在集水槽汇合后流入储水箱。 6 、疏水阀 在汽水分离器的下游设置疏水阀，在蒸汽加热系统中起到阻汽排水作用，选择合适 的疏水阀，可使蒸汽加热设备达到最高工作效率。 7 、冷却器 本实验所用冷却器采用折流板管壳式冷却器，一台冷凝冷却器，一台冷却器。 考虑沸腾换热和最大温升单相对流换热两种工况，综合考虑后设计的冷却器参数 如下： 管侧：双流程，流速2 3 5m s ， 壳侧：流体横掠管束的流速1 m s 传热管材料：b 3 0 ： 规格：1 2 1 ； 传热管数量：l7 根； 型式：卧式直列管，单管长0 6 9m 1 4 第2 章实验装置及实验方法 2 1 2 实验段 如前文所述，实验设计为可视化实验。实验段主体由透明石英玻璃管、钢球 和无色透明玻璃球等组成，实验段设计图如图2 3 a 所示，照片如图2 3 b 所示。 亡 耀 罔2 3 a阁2 3 b 图2 3 实验段设计图 i 一实验管：2 一卜支撑板；3 一感应线圈：4 一卜支撑板：5 一水嘴( 进水u ) ；6 - - - 卜j 密封法兰组：7 一卜同定 杆；8 一磁轭：9 一支撑杆：i o - - 上固定杆；l l 一卜密封法兰组；1 2 一水嘴( 水u ) ；l3 一测量惭封装置： 1 4 - - 玻璃球；15 - - 表嘶氧化的不锈钢金属球 如图2 3 中所示，下支撑板为整个实验段提供支撑，上支撑板通过支撑杆联接 下支撑板为实验段上部提供支撑力，上下固定杆分别坐落在上下支撑板上，固定 实验段线圈及磁轭。上下端密封圈及法兰组起密封实验段的作用，磁轭能阻止电 磁波向外散射，起到归磁节能及安全的作用。玻璃球和不锈钢金属球之间通过可 调节的金属丝网和挡板隔开，在电磁感应下，实验段中间部位的金属球产生热量， 而两端的玻璃球不会发热，由于金属丝网和挡板可以调节，因此实验段的布置也 1 5 哈尔滨t 群大学硕f j 学何论文 更加灵活方便。 实验段安装时，首先在下支撑板上利用下密封法兰组定位好玻璃管，依次在 玻璃管内由底往上安装孔板( 金属丝网) 一玻璃球一金属丝网一实验金属球一金 属丝网一玻璃球，之后安装金属丝网及孔板，再在实验段顶端用挡板和法兰压紧 实验段。 2 2 电磁感应加热系统 中频感应加热设备由专用变频电源装置、补偿电容、专用感应器、电路连接 附件和水路连接附件等主要部件构成。本实验台采用西安海德信公司生产的 1 0 0 k w k g p s 数字化可控硅中频电源及感应加热器。 2 2 1 可控硅中频电源 可控硅中频电源的基本工作原理【3 5 棚】，就是通过一个三相桥式整流电路，把 5 0 h z 的工频交流电流整流成直流，再经过一个滤波器( 直流电抗器) 进行滤波，最 后经逆变器将直流变为单相中频交流以供给负载，所以这种逆变器实际上是一个 交流一直流一交流变换器，其基本线路如图2 4 。 - 区卜匿卜匝拇 l ：频交流 血漉滤波“；! ；cc i 频交流 勺= 图2 4 町控硅中频电源工作原理基本线路图 可控硅中频电源的控制面板包含直流电压表、直流电流表、交流电压表及中频功率、 中频频率