干道式高温热管的传热性能试验研究

干道式高温热管传热性能试验主要是为了获得干道式热管在不同温度范围的传热极限及重力场对传热极限的影响。在真空条件下启动热管,调节水套气隙氩气和氦气比例来测量声速极限,建立可调角度台架得到不同倾角下热管的极限传热性能。试验得到400～650 ℃工作温度下热管的极限传热功率曲线及不同倾角下热管的极限传热功率。此类热管510 ℃以下传热极限为声速限;±10°范围内重力对传热极限无影响;极限传热功率为2.8 kW。     

不凝性气体对高温锂热管传热特性的影响研究

热管作为一种具有高热导率的传热装置,工作核心在于其内部工作流体的蒸发和冷凝。若热管工作过程中气腔内存在不凝性气体,主流区中蒸气和不凝性气体在对流运动的作用下将一起移动到气-液分界面,不凝性气体的存在阻碍了工作流体在气-液交界面处的正常冷凝。本文基于热阻网络法添加了不凝性气体区域传热模型,研究了不凝性气体对高温锂热管稳态传热特性的影响。结果表明,热管达到稳态时不凝性气体的存在缩短了热管的有效传热长度,破坏了热管的等温性和良好的传热效率。此外随着不凝性气体体积份额的增大,不凝性气体区域温度降低幅度越大;随着热管蒸发段输入功率的增大,热管正常工作区域整体温度越高,相同质量的不凝性气体占据的体积份额越小,热管壁面温度出现明显温度梯度降低的位置随着功率升高而向下游移动。     

高温钾热管稳态运行传热特性研究

本文采用钾金属作为热管工质,对热管的传热性能展开理论和实验研究。首先,对不同加热功率和倾角下热管传热性能影响规律进行实验研究。结果表明,热管加热功率的提升有利于传热性能的改善,加热功率升高导致蒸发加剧,蒸气密度增加,进而强化蒸气传热。倾角对传热性能有正反两方面的作用。一方面,随倾角的增加冷凝段液膜不稳定性加剧,导致传热恶化;另一方面,倾角的增加导致重力加速液体工质回流并减薄冷凝段液膜,传热增强。在二者的共同作用下,随倾角的增加,热管等效热阻逐步增加且超过某一限值后趋于平稳。其次,以热阻网络法为指导,建立了钾热管的数学物理模型,并基于模块化程序思想,开发了热管设计分析程序。通过与实验数据对比,二者整体误差在2.7%以内,验证了热管模型的合理性。本文对碱金属高温热管的设计优化提供了数据及理论支持。     

有芯和无芯高温重力钾热管启动性能试验研究

为研究有芯和无芯高温钾热管在重力状态下的启动性能,开展了相关对比与敏感性试验研究。得到有芯热管试验中的最优充液量为17.5 g,此充液量能避免充液量不足导致的启动升温较慢、末端温度低,也可避免充液量过大时间歇沸腾和过渡沸腾;无芯热管在启动和升温过程处于间歇沸腾工况,剧烈程度随充液量减少而降低,试验中最优充液量为9 g。在工程范围内,倾角对热管传热性能的影响可忽略。在试验状态下有芯钾热管启动性能优于无芯钾热管。     

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。     

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。     

乏燃料水池非能动冷却热管传热性能研究

大尺度分离式热管具有无需电力驱动、换热效率高的特点,可用于断电事故后乏燃料水池非能动冷却,能有效提高核电厂的安全性能。针对大尺度分离式热管的传热特性开展实验研究,获得热管蒸发段外侧加热水流速0.007~0.02 m/s,加热水温度50~90℃,冷凝段冷却空气速度0.5~2.5 m/s参数范围下换热量、蒸发段平均换热系数、工作温度、工作压力以及循环流量随冷凝段风速、蒸发段热源进口温度和速度的变化规律。结果表明,大尺度热管的最大换热量达到20.1 kW。参数的敏感性分析表明,热源温度和热源流速对热管的循环流量、换热量具有显著的影响。冷凝段外冷却空气速度超过1.5 m/s后,其对分离式热管的影响相对较小。     

辐照条件下高温锂热管不凝性气体产生特性研究

在新型热管冷却反应堆中,高温金属热管会受到持续的中子辐照。锂在热中子区的中子反应微观截面很大,会产生一定量的氦气,氦气作为不凝性气体将影响高温热管的正常运行。本文分析了堆内中子辐照条件对高温锂金属热管中不凝性气体产生特性的影响。首先对稳态标准算例进行了产氦量分析,并转换得到了不凝性气体体积份额。此外,得到了不凝性气体产量随热管充液量、金属锂富集度、中子通量密度、热管工作温度等因素的变化关系。不凝性气体产量随热管充液量、锂富集度的增大而增加。控制转鼓位于不同角度时,中子通量密度改变有限,对产氦量影响不大,由于高温锂热管工作温度很高,高温下中子反应微观截面差距很小,因此热管工作温度对产氦量影响也有限。本研究可为热管冷却反应堆内高温锂热管中锂富集度设计提供借鉴。     

高温钠腐蚀回路

一、回路的设计要求和参数1.设计要求(1)回路气密性要求好,真空度小于10~(-3)乇。(2)回路及设备材料必须耐600℃高温,要易加工,与钠相容性较好。选用奥氏体不锈钢为基本材料。     

高温钠热对流试验回路

为评价CEFR-回路承压边界材料及焊缝（储钠罐、主容器等部件材料）在高温钠中的腐蚀性能,需在部件工况条件下对其进行验证实验。高温钠热对流实验回路能有效模拟该类部件所处的工况条件。为此,设计和建造高温钠热对流实验回路,进行快堆材料的腐蚀性能考验,以期获得国产材料的高温钠腐蚀性能数据。1 回路设计特点 1）主要部件（高、低温段）和管道均采用同批号的0CR18Ni9国产管材制造,其成分与所验证的材料尽量相近,以避免和减少因系统材质不同对实验造成的影响。 2）回路采用指状扩散冷阱以维持回路中钠的氧含量在一定值。 3）回路样品和取放装置采用取放箱过渡,样品操作在氩气保护下的取样箱内进行,既     

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.     

空间堆热管输热能力分析

为保证空间堆的传热安全,空间堆热管必须工作在各种传热极限以下,并能满足避免单点失效的安全要求。本文建立了空间堆热管黏性极限、声速极限、携带极限、沸腾极限和毛细极限5种传热极限计算方法,并改进了毛细极限计算模型。利用建立的方法计算了分段式热电偶转换的热管冷却空间堆电源系统堆芯锂热管、辐射散热器钾热管和碱金属热电转换的空间堆电源系统堆芯钠热管的传热极限。结果表明,空间堆用锂热管和钠热管的毛细极限分别为25.21kW和14.69kW,钾热管的声速极限为7.88kW,其传热设计冗余量分别大于19.4%、23.6%和43.2%。空间堆堆芯热管在正常运行时限制其热量输出的传热极限为毛细极限,而限制散热器钾热管正常运行时热量输出的传热极限为声速极限。     

高温、高流速氢气在圆管内流动换热特性研究

为探究工质在核热推进反应堆冷却剂通道内的热工水力行为,基于数值计算方法,开展了圆管内高温、高流速氢气流动换热特性研究。通过与实验数据对比发现,采用压力基耦合算法、SST k-ω湍流模型以及物性模型进行高温、高流速氢气流动换热特性数值模拟是合理可行的,计算值与实验值符合较好,计算模型选择正确。在分析基础工况流场与温度场的基础上,还研究了热工参数对氢气管内流动换热特性的影响,结果表明,随质量流量的增大换热效果增强,随热流密度的增大换热效果变差。研究方法与结果可为高温、高热流密度环境下气体工质流动换热特性研究、核热推进反应堆的热工设计与仿真模拟提供参考。     

Heat Transfer Performance of High Temperature and High Velocity Hydrogen Flow inside Circle Tube

In order to investigate the thermo-hydraulic characteristics of working fluids in the coolant channel of nuclear thermal propulsion reactors, the flow and heat transfer performance of high temperature and high velocity hydrogen in the circle tube was studied by the numerical calculation method. Comparing with the experimental data, it is found that the pressure-based coupled algorithm, SST k-ω turbulence model and hydrogen property model are reasonable and feasible to simulate the flow and heat transfer performance of hydrogen at high temperature and high velocity. The calculated values agree well with the experimental data, and the numerical simulation model is correct. Based on the analysis of flow and temperature field of the base case, the effects of thermal parameters on the flow and heat transfer performance of hydrogen were also studied. The increasing inlet mass flow rate enhances heat transfer performance and the increasing heat flux weakens it. The methods and results can provide some references and guidance for the study of the flow and heat transfer performance of gaseous fluid under high temperature and high heat flux, and thermal design and simulation of nuclear thermal propulsion reactor.     

碱金属高温热管启动运行特性分析

本文研究了碱金属高温热管的启动及运行瞬态,在传统热管冷态启动模型基础上,建立了以蒸气流态转变为划分依据的冷态启动三阶段模型,并依据该模型开发了热管启动瞬态分析程序HPSTAC,程序模拟结果与实验值相对偏差不超过15.7%。使用该程序模拟单根钠钾热管的启动瞬态并进行了敏感性分析,结果表明：启动开始后450、660、1 550 s,热管分别进入启动第2、3阶段与准稳态,蒸气区域趋于一致性温度837 K;启动环境温度主要影响冷凝段升温速度,输入热流密度对热管启动各阶段的影响存在阈值效应。