埋管热沉冷却效果下降的实验测量与数值模拟

埋管热沉冷却效果下降的实验测量与数值模拟

1系统的运行过程2009年春季，在废物探测和物理研究方面取得了很大进展，并对长脉冲反射器的运行和控制进行了验证，实现了长脉冲反射器的运行，长脉冲反射器为60秒。在此阶段,最大的等离子体加热功率能达到10MW,但是在偏滤器靶板上的热流不会超过4MW⋅m-2。主动冷却系统是等离子体沉积在偏滤器上的热量传输到装置外的唯一途径。传统的方法是将冷却水管与热沉通过钎焊的方法联接在一起,这样焊接接触面的大小是影响冷却效果的主要因素。如果抛开冷却管与热沉之间的钎焊,将冷却通道直接开在热沉上,可使冷却介质直接流过热沉上的通道,热量可以沿冷却通道全方位传递给冷却介质。EAST装置上选择铬锆铜作为偏滤器热沉材料,选择铬青铜作为部分第一壁热沉材料。在上一轮实验运行过程中,除了偏滤器附近躲在热沉背后的18处连接水管被等离子体击穿引起冷却系统泄漏外,热沉本身材料问题引起微量泄漏也一直困扰着主动冷却系统。两处泄漏都由铬青铜材料产生,这可能是由于长期的烘烤和冷却使铬青铜材料在热疲劳下更容易产生细小裂纹并且扩散导致的。在最近一轮内部部件升级维护中,对偏滤器附件连接水管采用石墨瓦防护,对全部铬青铜材料热沉冷却通道内部采用埋管结构处理。2压裂管和高温真空压苦管的制备2.1残余应力与工作应力叠加埋管打压胀管工艺是用超过工作压力的压力对铜管进行超压处理,使铜管发生弹塑性变形,卸除压力后会保留残余应力,工作时残余应力和工作应力叠加,使铜管应力分布趋于均匀,提高铜管与热沉之间的接触。在热沉温度升高过程中,依靠残余应力弥补热沉热膨胀导致的热沉与铜管之间的间隙。图1是ANSYS软件计算模拟的200atm水压胀管后热沉和铜管应力分布,紫铜的屈服极限在33MPa,图中管材最低应力为37MPa,能保证铜管发生弹塑性变形。实际操作中铜管内打压280atm。2.2溶加时效技术高温真空钎焊埋管工艺难点在于热处理工艺,以往真空钎焊时由于冷却速度不够迅速,而使材料本身抗拉强度和硬度性能下降很多。铬青铜的强化主要是通过固溶加时效工艺来实现。铬青铜的最佳固溶温度为980℃,保温半小时后高压气淬,冷却速度不低于1℃⋅s-1,可以使Cr来不及析出而保留在铜内,从而形成过饱和固溶体。较好的时效温度为470℃,保温4h,随炉冷却至200℃出炉,空气冷却至室温。热沉试件的升温时间和速度,可根据设备的具体情况而定。但980℃(0.5h)固溶温度、1℃⋅s-1气淬速度和470℃(4h)的弥散退火要求需要保证。目前,采用真空高压气淬炉已能满足此工艺要求。3参加实验测试3.1热设计中冷却系统的传热参数所有实验件要求尺寸相同,在相同加热源条件下,换热效果可以通过冷却通道内水流带走的热量来衡量,由∆Q=cm∆T,对于换热效果的比较可以转化为比较进出口水温温差。3.2热沉实验热棒加热实验系统方案如图2所示。采用直接电加热方式,直接将金属加热块覆盖在热沉实验件端面,将多根加热棒均匀插入加热块中加热;通过温度控制器控制金属块表面温度,温度控制器通过温度传感器测量加热块表面温度,当超过设定值时停止加热,当低于设定值时启动加热,从而达到恒温目的。3.3热循环实验EAST装置实验过程中,热沉在真空室内需要通过内部冷却通道进行烘烤和冷却过程,埋管胀管技术可能会由于多次热循环后引起热沉换热性能下降,应对实验件进行热疲劳实验来比较实验前后换热性能差别。热循环过程如下:采用真空炉加热实验件,升温速度60～80℃⋅h-1,温度到250℃后保温0.5h,为防止铜表面氧化,随炉通水冷却实验件到室温,该流程为一次热循环。考虑到热沉冷却结构在未来三年中烘烤冷却热循环不会超过15次,热疲劳实验实际热循环20次。3.4比胀件染色经过大小30余次测试,主要实验工况数据对比如图3所示。由于光孔件不存在接触热阻,因此换热效果最好,进出口温差始终最高;焊接件由于大部分管壁与热沉完全弥合,因此也不存在接触热阻,但由于钎焊工艺开槽,使得焊接件的接触面积有所减小,因此换热效果比光孔件略差,但比胀管件好。在热端温度100℃,流量0.2～0.8m3⋅h-1时,焊接件与光孔件换热效果差别在15%以内。本次实验的胀管件与光孔件相比存在10%尺寸误差,考虑工件尺寸误差,在热端温度200℃,冷却水流量0.1～0.6m3⋅h-1范围内,换热效果预计差别在20%左右。真空热疲劳实验后,胀管热沉实验件的换热效率与原实验件比稍微有所下降,实验工况范围内下降值为1.7%～4.3%,平均3.1%。因热疲劳实验放在最后,这时实验平台对加热块与热沉之间接触热阻已经优化,故该实验结果不与先前实验结果比教。从实验平台的搭建来看,采用温控仪和大功率电热棒组合方式的加热平台效果较好。不过,加热块与热沉之间由于直接面接触,存在一定的接触热阻,可以通过抹导热硅脂来减小。最后,采用温控仪和大功率电热棒组合方式的实验平台达到了测试要求。4实验对象的数值模拟4.1zing-模型考虑到热沉回路弯管的流动特点,本次模拟采用了修正湍流模型Realizableκ-ε模型。在Realizableκ-ε模型中,湍动粘度计算式中的系数Cu不是常数,而与应变率有关。Realizableκ-ε模型中关于κ和ε的输运方程如下:其中,式3中,µt与Cu按下式计算:4.2数值模拟网格依据实验件的设计要求,数值模拟的计算模型设计如图4所示。在数值模拟过程中,恒温热源给热沉提供热量。将恒温热源设为100℃的水,冷却的常温水从冷却回路流过,不断带走热沉上的热量,最终恒温热源、热沉和冷却水三者达到热平衡。计算过程中同时考虑到了热沉表面的热对流和热辐射,但结果显示对流和辐射对计算的结果影响不大。本次模拟的网格如图5所示。由于管道内壁是冷却水和热沉换热的关键区域,这部分区域对计算结果的精度有很大的影响,因此对管道内流道划分了边界层(0.1mm×1.05mm×10mm),以提高壁面区域的网格质量。热沉表面使用混合网格,贴近管道部分网划分比较密,整个计算模型采用扫掠网格,最小网格单元2.309510×10-11m3,最大网格单元1.429571×10-8m3,网格单元总数4107748。数值模拟的边界条件列于表1中。为了比较光孔和埋管两种热沉的换热效率,在数值模拟过程中使用壳层导热方法来模拟胀管条件下的接触热阻。4.3体积流量对传热稳定性的影响结果模拟的对比结果对于热沉的温度分布具有一定的基础数值模拟了冷却回路在不同体积流量下热沉与回路的冷却效果,结果列于表2中。从表2中可以明显看出,在相同条件下,光孔的冷却回路进出口温差要高于胀管回路的进出口温差,随着体积流量的增大,进出口温差呈下降趋势,下降的幅度不断减小,与实验结果基本一致;进出口压力降随着体积流量的增加而增加,与实验情况一致。图6是不同体积流量下数值模拟和实验结果的对比,光孔件数值模拟的进出口温差要略大于实验的进出口温差值,但是变化趋势一致,基本上是吻合的;胀管件数值模拟的进出口温差与实验的结果基本一致,吻合度比较高。图7是数值模拟的等值云图,显示了热沉表面的温度分布。对热沉不同冷却结构的数值模拟以及与实验数据的对比,可以看出,在相同冷却水体积流量下,光孔件热沉的传热效率要高于胀管的传热效率;光孔件热沉条件下,数值模拟的结果略大于实验的值,但是变化趋势基本一致;埋管热沉条件下,数值模拟的结果与实验值吻合的比较好,但数值模拟中的壳层传热对结果影响比较大,需要综合考虑材料的属性以及材料之间的间隙。5原型测试5.1加热棒管线接线的加工根据实验件在测试过程中对实验方案的优化,原型件实验方案采用实验件实验方案。测试前的主要工作包括:a.安装加热棒,加热棒插入在加热块上均布的孔中;b.将加热棒电源线按荷载三相均匀分布的原则连接到接线柱上;c.加热块上表面覆盖石棉绝热材料,减小热量从上表面散失量;d.由于实验件上表面呈弧形,尽管加热块配合面是按照实验件上的弧面尺寸加工的,但仍有间隙存在。因此,自制金属导热腻子均匀填充配合面间隙,以减小该位置的热阻效应;e.待实验件和加热块配合好后,通过C型夹具夹紧,以防止间隙松动;f.最后,连接温度控制系统和数据采集系统,准备开始实验。5.2温度测量结果经过10余次测试,主要实验工况数据对比如图8所示。在所测工况范围内,焊接件和胀管件的换热性能总的差别在10%～23%范围。其中,对较小水流量(0.3m3⋅h-1),加热块表面温度150℃,最大差别在10%左右;对较大流量(0.5m3⋅h-1),加热块表面温度200℃,最大差别约23%。在测量温度范围内,存在一个阀值,小于该值,胀管件传热效率略优于焊接件,这可能是焊接件由于工艺原因在水管位置切掉了部分热沉,使得接触面积减小,导致传热效率同比下降。大于该值则焊接件的传热效率将优于胀管件。对所测工况,当水流量为0.3m3⋅h-1时,该阀值约120℃,当水流量增加到0.5m3⋅h-1时,该阀值下降到75℃左右。6温度下的热沉过程随着流量增大和加热源温度升高,焊接件和胀管件换热性能差别将呈现增大的趋势。由于目前加热手段限制,更高加热源的换热效果需通过软件计算模拟。从高场侧原型胀管件实验中加热块表面温度200℃(热沉温度到175℃)时,在水流量0.5m3⋅h-1下能稳