高温热管内钠蒸发冷凝特性分子动力学研究

高温钠热管是热管堆中进行非能动热量传输的核心部件。为深入理解热管内工质钠的蒸发机理及气液交界的传热传质特性,用分子动力学软件LAMMPS模拟了600 K下钠的蒸发,统计了质量调节系数,定为0.388 7。随后变更壁温,打破体系内热质输运平衡,进行非平衡态模拟,观察液膜变化,求解气液交界处的净蒸发通量和换热系数。结果表明,9～10 ns后,底部的液膜厚度、气液交界处的净蒸发通量及换热系数分别在0.1～0.52 nm、0.03～0.07 kg/(m~2·s)、2.2～3.9 kW/(m~2·K)范围波动,此时上部液膜厚度在6 nm左右,其气液交界的净蒸发通量在10^-4量级,换热系数为0.028 kW/(m~2·K),至末期降为0.003 5 kW/(m~2·K)。本文为钠热管启动阶段的数值模拟提供了参考。     

高温热管内钠蒸发冷凝特性分子动力学研究

高温钠热管是热管堆中进行非能动热量传输的核心部件。为深入理解热管内工质钠的蒸发机理及气液交界的传热传质特性,用分子动力学软件LAMMPS模拟了600 K下钠的蒸发,统计了质量调节系数,定为0388 7。随后变更壁温,打破体系内热质输运平衡,进行非平衡态模拟,观察液膜变化,求解气液交界处的净蒸发通量和换热系数。结果表明,9～10 ns后,底部的液膜厚度、气液交界处的净蒸发通量及换热系数分别在01～052 nm、003～007 kg/(m2·s)、22～39 kW/(m2·K)范围波动,此时上部液膜厚度在6 nm左右,其气液交界的净蒸发通量在10-4量级,换热系数为0028 kW/(m2·K),至末期降为0003 5 kW/(m2·K)。本文为钠热管启动阶段的数值模拟提供了参考。     

运行温度对钠热管内工质蒸发调节系数影响的实验研究

钠热管在相关小型化、无人化核反应堆平台上有着良好的应用前景,其工质蒸发调节系数的准确性对于钠热管分析具有重要的意义。而蒸发调节系数受温度的影响显著,为此,通过实验方法研究了不同温度对钠热管内钠蒸发调节系数的影响。通过改变加热功率、倾角、加钠量、丝网等参数,测量了稳态工况下的轴向外壁面温度及气相温度。采用不同蒸气温度取值方法,结合外壁面温度测量值,基于HertzKnudsen-Schrage方程获得了蒸发调节系数的实验值。分析表明,使用蒸发段局部气相温度作为蒸气温度获得的蒸发调节系数受管内工况及丝网参数影响较小,蒸发调节系数的对数值与对数饱和压力满足良好的线性关系;使用绝热段壁面温度或绝热段气相温度作为蒸气温度获得的蒸发调节系数,在550℃以下时受轴向导热热阻及液钠润湿不佳的影响,数值偏小但依然满足对数线性关系,而在高于550℃时液钠良好润湿性带来的轴向铺展可显著增大蒸发调节系数,此时丝网的作用较为明显。通过拟合实验数据,建立了不同温度下的蒸发调节系数的经验关系式。     

高温钠热管传热性能试验研究

为获得高温钠热管传热性能,开展真空条件下钠热管启动性能和等温性能试验,获得了钠热管真空条件下启动速度与等温性能数据;开展强制冷却工况条件下传热性能试验,获得了钠热管声速限特性与试验工况下的最大传热功率。经试验验证,所研制高温钠热管在真空条件下,580 ℃时完全启动,启动用时20 min,轴向壁面温差低于11 ℃,等温性能良好;钠热管传热功率在工作温度为500～650 ℃时受声速极限限制,在650 ℃以上受携带极限限制;在750 ℃和850 ℃时,测得热管最大散热功率分别为4.78 kW与8.02 kW,对应的最大轴向热流密度分别为1.51 kW/cm²与2.53 kW/cm²。试验结果表明,所研制钠热管具有较强传热能力,可满足热管式核反应堆等工程应用需求。     

基于扩散界面法的热管毛细芯气液界面蒸发过程模拟研究

热管内毛细芯的毛细蒸发传热是其稳态运行时最主要的传热方式。通过对单个毛细芯孔隙内的毛细界面蒸发过程进行模拟,提出了单个毛细芯的膜态蒸发模型。在相场法的基础上,考虑了界面处的马拉格尼效应、热浮力效应、界面处的蒸发相变过程以及蒸汽扩散产生的反作用力,建立了从单个毛细孔内弯液面蒸发的模型。然后将模拟结果与实验结果进行对比,验证了模型的准确性。通过对界面处的蒸发进行敏感性分析,显示在三相接触线附近有一个强烈的热通量区域,该区域沿弯液面产生了较大的温度梯度,导致了表面张力梯度。该表面张力梯度与浮力效应一起在液膜中引起浮力-热毛细对流。模拟结果表明接触角和过热度对蒸发速率均有显著的影响。     

基于分子动力学理论界面传质的过冷沸腾汽泡生长特性研究

基于分子动力学理论的准平衡态界面处界面蒸发/冷凝因素,以及汽泡底部微液层传热因素建立综合传热传质相变模型,对窄通道内汽泡过冷流动沸腾条件下的生长情况进行模拟。相变模型体现了汽泡底部微液层蒸发、近壁过热液体传热、汽泡顶部主流冷凝等多方面机制对汽泡生长的影响。模拟结果体现了汽泡底部微液层厚度的变化情况,与实验结果相吻合;微液层蒸发机制在汽泡生长初期对汽泡生长有较大影响,流道壁面效应对汽泡生长有显著影响。     

液态金属高温热管传热极限研究

热管作为一种高效可靠、可进行长距离传热的非能动设备,在核能领域有着广泛的应用。本文针对工质为钠、充液量为158 g与208 g的毛细驱动热管,对其传热极限开展实验和理论研究。实验方面,设计搭建了高温热管传热极限测试分析实验平台,研究了液态金属高温热管在不同水平倾角和不同加热功率下传热功率的变化。理论方面,验证了连续流动极限与夹带极限理论模型的正确性,总结了两种极限的发生规律。研究发现,热管连续流动极限影响热管的启动;由于水平夹角较大时转变温度较高,因此大角度下的热管更容易发生连续流动极限,小角度下经验模型的预测误差在6.58%以内,大角度下误差超过28%。夹带极限发生时热管蒸发段温度骤升且冷凝段温度出现波动,热管倾角越大夹带极限越容易发生,经验模型在不同角度下均存在误差,大角度下误差超过100%。本文总结了连续流动极限与夹带极限的发生规律,为先进核反应堆系统中热管的设计提供参考。     

基于热管技术的非能动余热排出系统换热能力研究

分离式热管技术在工业领域已有应用,多用于余热回收锅炉等节能领域,具备加热面和冷却面完全分离、冷热源完全隔离且换热效率高等优点。结合分离式热管的工作特性开展了基于热管技术的非能动余热排出系统的理论设计,并基于系统程序对设计方案进行了分析论证,研究了不同充液率、冷热芯位差以及蒸发段和冷凝段面积比等系统条件下的热管传热能力,得到了各参数对热管性能的影响规律,并给出了推荐的适用于非能动余热排出系统设计的参数范围和方向。在本文计算范围内,充液率大于0.7后传热功率明显下降,零位差下系统仍能建立稳定循环,面积比在1.0~2.5范围内变化时,热管功率随面积比线性增大。      

窄通道中过冷沸腾汽-液界面凝结换热系数

采用高速摄像仪以5 000 fps的拍摄速度对竖直矩形窄缝流道内过冷沸腾的汽泡凝结过程进行可视化研究,结合相应的理论分析,并考虑对流换热以及热边界层增厚对凝结换热的影响,得到了无量纲汽泡直径β和界面凝结换热努塞尔特数Nu及其影响因素之间的关系式.与实验数据比较,预测误差在±25%以内.     

Study on Heat Transfer Performance of High Temperature Potassium Heat Pipe at Steady State

The heat transfer performance of heat pipe was studied theoretically and experimentally by using potassium metal as working medium in this paper. Firstly, the influence of heating power and inclination angle on heat transfer performance of heat pipe was studied experimentally. The results show that the increase of heating power of heat pipe is beneficial to the improvement of heat transfer efficiency. The inclination angle has positive and negative effects on heat transfer performance. On the one hand, with the increase of inclination angle, the instability of liquid film in condenser section leads to the deterioration of heat transfer. On the other hand, the increase of inclination angle causes gravity to accelerate the reflux of liquid working medium and thin the liquid film in condenser section, enhancing the heat transfer. Under the joint action of the two, with the increase of inclination angle, the equivalent thermal resistance of the heat pipe gradually increases and tends to be stable. Secondly, based on the network method of thermal resistance, the mathematical and physical model of potassium heat pipe was established, and the design and analysis program of heat pipe was developed based on the idea of modular program. Compared with the experimental data, the overall error of the two is within 2.7%, which verifies the rationality of the model. In a word, this paper provides data and theory for the design and optimization of alkali metal high temperature heat pipe.