超臨界流體流動(dòng)傳熱試驗(yàn)和模化研究.pdf

1、超臨界水冷反應(yīng)堆作為第四代反應(yīng)堆中的唯一水冷堆型，相比現(xiàn)有水冷堆型具有更高的燃料利用效率和簡(jiǎn)化的系統(tǒng)，其研發(fā)日益受到關(guān)注。超臨界壓力下流體對(duì)流換熱特性的深入理解和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)于超臨界水冷堆堆芯的安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要，但對(duì)于超臨界流體的特殊的傳熱特性至今仍缺乏充分認(rèn)識(shí)。本文針對(duì)管內(nèi)超臨界穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流體傳熱特性以及超臨界流體傳熱?；瘻?zhǔn)則開展了試驗(yàn)和理論研究。
　　本文首先建立了以氟利昂R134a為工質(zhì)的?；黧w超臨界傳熱試驗(yàn)回路（SMOTH

2、）?；芈废到y(tǒng)成功調(diào)試后，開展了單管內(nèi)超臨界穩(wěn)態(tài)和壓力瞬態(tài)傳熱試驗(yàn)。試驗(yàn)段采用內(nèi)徑分別為7.6和10.0 mm的豎直圓管，加熱長(zhǎng)度為2.3 m，穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)壓力4.3~4.7 MPa，質(zhì)量流速400~2500 kg/m2s，熱流密度10~180 kW/m2。瞬態(tài)試驗(yàn)壓力范圍3.9~4.7 MPa，最大壓力變化速率7.3 kPa/s。
　　穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明:超臨界流體傳熱與單相流體強(qiáng)迫對(duì)流傳熱相比，表征為三種典型的傳熱特征，即正常傳熱、傳

3、熱強(qiáng)化和傳熱惡化。在遠(yuǎn)離擬臨界溫度的區(qū)域，試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)皆表現(xiàn)為正常傳熱；在近擬臨界區(qū)，其傳熱特征受熱流密度、質(zhì)量流速、壓力以及管徑的影響。熱流密度較小時(shí)，近壁面流體的大比熱使傳熱強(qiáng)化，隨著熱流密度增大，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)顯著降低直至出現(xiàn)惡化現(xiàn)象；質(zhì)量流速的增大在近擬臨界區(qū)域顯著提高換熱系數(shù)；壓力影響主要體現(xiàn)在近臨界壓力的近擬臨界區(qū)域；相同流動(dòng)參數(shù)條件下小管徑的換熱系數(shù)更大，管徑的影響隨著熱流密度增大而更顯著。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)

4、現(xiàn)超臨界流體換熱系數(shù)與表征加速效應(yīng)無量綱數(shù)?A有明確的相關(guān)性?；谠摕o量綱參數(shù)建立了無壁溫迭代和物性修正的傳熱計(jì)算關(guān)系式，通過與現(xiàn)有關(guān)系式的系統(tǒng)對(duì)比，表明該關(guān)系式有最佳的預(yù)測(cè)精度。傳熱惡化現(xiàn)象的發(fā)生同時(shí)受熱流密度、質(zhì)量流速、壓力以及管徑的影響，綜合考慮了上述因素建立了傳熱惡化起始熱流密度關(guān)系式。
　　超臨界流體對(duì)流傳熱中發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈的入口效應(yīng)，傳熱惡化工況下尤為顯著，試驗(yàn)結(jié)果表明影響區(qū)域長(zhǎng)度超過100倍水力直徑。入口效應(yīng)可顯著改變換熱

5、系數(shù)分布和傳熱惡化發(fā)生對(duì)應(yīng)的流體溫度，但不會(huì)消除傳熱惡化現(xiàn)象。通過在加熱試驗(yàn)段中嵌入絕熱段，對(duì)比絕熱段上下游的具有完全相同宏觀參數(shù)流體的換熱系數(shù)，其差別最大可達(dá)4倍，表明超臨界流體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的建立和發(fā)展對(duì)傳熱特征有顯著的影響，因此超臨界流體傳熱需充分考慮上游流場(chǎng)效應(yīng)。
　　瞬態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明在跨臨界壓力瞬態(tài)過程中，壁溫的變化規(guī)律與壓力瞬態(tài)起始熱工參數(shù)相關(guān)。當(dāng)超臨界壓力下起始狀態(tài)為傳熱惡化工況時(shí)，隨著壓力降低，在超臨界壓力區(qū)域壁溫降低，