超临界压力水在竖直上升管内的传热工况

摘 要：随着社会经济的高速发展，我国在电力需求方面正在不断增长，能源结构也取得了长足的发展，在这个新能源时代，寻找一种安全、经济、有效的能源已成为人们关注的焦点，也是我国能源战略的核心问题之一。超临界水堆作为第四代核能系统国际论坛提出的六种先进核能系统中唯一的水冷堆，以其具有热效率高、系统简单、成本经济等优点而被广泛研究应用，而超临界压力流体传热特性作为研发超临界水堆的基础，具有重要的研究意义。本文就超临界压力下竖直上升管传热工况进行分析与回归评价。

关键词：超临界压力流体 竖直上升管 热加速效应 传热关联 分析

目前，我国正在积极研制和开发超临界压力电机组。超临界机组具有热效率高、能耗低和污染小等优点，是改变我国电站落后面貌的有效途径之一。超临界机组的发展迫切需要了解和掌握超临界压力下水在管内的传热规律。在超临界压力下，流体的物性随温度变化较大，传热规律也发生了根本的变化。前人对超临界压力下流体在管内的传热特性已进行了大量的研究，并且在实验的基础上提出了许多经验关联式来预测其传热特性，但由于变物性问题的复杂性，超临界流体的传热问题至今尚未得到彻底解决，不同研究者的结论无法统一起来形成系统的理论。本文对超临界压力下水在垂直上升管内的传热特性进行了实验研究。

1. 超临界水堆的主要特征

①系统简单：超临界压力水由于采用的是直接循环，没有蒸汽发生器和稳压器，因而不会产生相变，又减少了反应堆装置流程，简化了系统。

②热效率高：超临界水的外环境是在高温、高压下的，且是与能源转化设备直接循环作用，这大大的提高了整个热功转换系统的转换效率，比之轻水反应堆要高出大约三分之一，达到45%。

③安全、经济：由于超临界压力水没有相变，不会产生核心部件烧毁现象，而且采用的是非能动安全系统，保证了整个超临界水堆的安全性；又超临界水堆与之同等功率的核电厂比较，由于其系统简单、设备投入少、效率高，在经济性方面具有极大的优势。

2. 实验系统

实验回路系统下图所示，实验工质为去离子水。实验系统的运行流程为：存储在水箱1中的去离子水由柱塞泵2驱动，分为两路，一路作为旁路系统用来满足压力和流量调节的需要，另一路经孔板及流量调节阀3后进入回热器4，吸收由实验段流出的高温工质的热量，然后经预热器5加热到所需要的入口温度，再进入实验段6进一步加热，从实验段出来的高温工质经回热器4和冷凝器7冷却后回到入口水箱1循环使用。实验段入口和出口压力由智能压力变送器测量，工质的流量和实验段的压降由智能差压变送器测量。实验段入口和出口处各布置一个铜铠装热电偶，用来测量工质的进出口主流温度。实验运行参数为：压力p=23～30MPa；质量流速G=600～1200kg/（㎡·s）；壁面热流密度q=100～600kW/㎡。对于本实验中的均匀加热垂直上升管实验段，取计算截面上所有热电偶测得温度的算术平均值作为该截面的外壁温度测量值，然后按照一维电加热厚壁管内壁温度计算方法，计算出相应截面的内壁温度。

1：入口水箱；2：柱塞泵；3：孔板及流量调节阀；4：回热器；5：预热器；6：试验段；7：冷冷凝管；8：冷却水泵

3. 实验结果分析

3.1 质量流速的影响

在近临界区域，壁温变化很平缓，当水被进一步加热到高于拟临界温度时，传热强化逐渐消失，壁温开始升高。壁温和主流温度在近临界区域之后的变化和在近临界区域之前的变化相似。在近临界区域管壁和主流之间的温差具有最小值，也就是说在此时出现了换热系数增大。在其他流动条件相同的情况下，随着质量流速增大壁温略有降低。当流体温度低于拟临界温度而壁温高于拟临界温度时，会发生与亚临界压力下的过冷核态沸腾现象类似的传热强化现象，此时管壁与流体之间的温度差减小，换热系数增大。因此，增大质量流速能够增强传热，降低壁温。

3.2 热流密度的影响

在其他条件相同的情况下，壁温随着热流密度的增大而增大，因此减小热流密度能够改善传热，降低壁温。在远离大比热容区的低焓值区和高焓值区，不同热流密度下得到的换热系数差别并不是很大，但是在大比热容区内，热流密度的变化对于传热有着强烈的影响。当流体温度低于拟临界温度而壁温高于拟临界温度时，管壁与流体之间的温度差减小，换热系数增大，这种壁温和换热系数的变化正是超临界压力下传热的一个特别之处。在常物性条件下，传热随热流密度的增加而得到强化，但是在超临界压力下，当热流密度较小时，管壁和主流温差很小，这样在拟临界点区域的流体就占了整个流体的很大一部分，随着热流密度的增加，这部分能引起传热强化的流体减少，从而使得传热减弱。

3.3 压力的影响

壁温基本相同，但是随着主流焓值接近拟临界值，壁温的差别逐渐变大。可见，不同压力下的换热系数曲线形状基本相同，但传热强化的程度随压力的提高而降低。将换热系数随压力的变化与比热容的变化进行比较，可以发现二者具有相似性，这说明传热强化是由大比热容区内的物性变化引起的。另外，最大换热系数的发生位置尽管在相同的区域内，但是具置却稍有不同。不同压力下的传热强化最大值总是发生在主流温度处于拟临界温度附近的位置，随压力增大，传热强化最大值发生的位置也相应提高。这说明，传热强化总是发生在流体温度低于拟临界温度而壁温高于拟临界温度的条件下。压力对超临界压力下流体换热系数的影响趋势表明，大比热容区的传热强化是由于流体热物性随温度的剧烈变化引起的，当远离临界压力时，热物性随温度的变化趋缓，传热强化程度降低。

3.4 管径对管内强迫对流换热的影响

在以往学者对超临界流体管内强迫对流换热进行的实验研究中，保持流体的入口压力、质量流速与热流密度不变，单独考察不同实验管径对管内对流换热影响的实验并不多，而且实验数据较分散。最近，一些学者为满足超临界水堆开发与设计需要，使用临界温度与压力比水低得多的二氧化碳和氟利昂，对超临界流体在不同截面形状流道内强迫对流换热特性进行了实验研究。实验表明：当流体焓值远小于拟临界焓值时，不同直径管道的壁温分布基本相同，局部换热系数并无明显差别。但是，随着流体焓值增加以及向拟临界点的靠近，不同直径管道壁温分部之间的差别逐渐增大，这种差别在拟临界点之后区域表现得最明显。可见，在给定超临界流体入口压力、质量流速与热流密度情况下，减小流道直径，在远离拟临界点区域，不能显著降低壁温，换热系数变化也不大；但在拟临界点附近区域，却能够显著降低壁温与主流温度之间的差值，并使换热系数增加且峰值后移，增大了传热强化程度，可在整体上改善换热效果。

4. 结语

综上所述，超临界压力下管内强迫对流换热实验是一个系统的过程，需要经过全面的实验数据收集、整理、分析与关联的原始数据库与研究框架，才能为以后更进一步的探索超临界压力下竖直上升管内的传热工况研究打下坚实的基础。

参考文献

[1]胡志宏.超临界和近临界压力区垂直上升及倾斜管传热特性研究[D].西安：西安交通大学能源与动力工程学院，2011

[2]泰.电加热厚壁管内壁温度的计算[J].南京工学院学报，2009，15（4）：38-43