Cr涂层锆包壳池式沸腾传热实验研究_曾谢虎.pdf

文章编号：0258-0926(2023)02-0091-07;DOI:10.13832/j.jnpe.2023.02.0091Cr 涂层锆包壳池式沸腾传热实验研究曾谢虎1,2，陈志强1,3，文青龙1,2*，杜强1,2，张瑞谦4，杜沛南41.重庆大学能源与动力工程学院核工程与技术系，重庆，400044；2.重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆，400044；3.东方电气集团科学技术研究院有限公司，成都，611731；4.中国核动力研究设计院，成都，610213摘要：铬（Cr）涂层锆合金包壳被认为是最有前途的耐事故燃料（ATF）包壳材料之一，这种材料的表面状态对传热性能的影响程度将极大地影响着涂层锆包壳的工艺优化方向。本文在常压下的 Cr 涂层锆合金包壳池式沸腾实验装置中对不同工艺方法下制备的 Cr 涂层锆合金包壳进行实验，研究了粗糙度等表面状态对传热的影响规律及其机制。结果表明，表面粗糙度的提高能降低汽化核心产生的条件，在相同壁面过热度下可显著强化传热。在本文研究参数范围内，随着传热表面粗糙度的提高，临界热流密度（CHF）相应地呈上升趋势，增加表面粗糙度能有效提高 CHF 值。在此基础上，本文还建立了粗糙度对传热系数影响的预测关系式。关键词：耐事故燃料（ATF）；铬（Cr）涂层锆合金包壳；粗糙度；沸腾曲线；临界热流密度中图分类号：TL334文献标志码：AExperimental Study on Pool Boiling Heat Transfer of Cr-coatedZirconium CladdingZeng Xiehu1,2,Chen Zhiqiang1,3,Wen Qinglong1,2*,Du Qiang1,2,Zhang Ruiqian4,Du Peinan41.Department of Nuclear Engineering and Technology,School of Energy and Power Engineering,Chongqing University,Chongqing,400044,China;2.Key Laboratory of Low-Grade Energy Utilization Technologies and Systems,Ministry of Education,ChongqingUniversity,Chongqing,400044,China;3.DEC Academy of Science and Technology Co.,Ltd.,Chengdu,611731,China;4.Nuclear Power Institute of China,Chengdu,610213,ChinaAbstract:Chromium(Cr)coated zirconium alloy cladding is considered as one of the mostpromising cladding materials for accident tolerant fuel(ATF).The degree of influence of the surfacestate of this material on the heat transfer performance will greatly affect the process optimizationdirection of coated zirconium cladding.In this paper,experiments are conducted on the Cr-coatedzirconium alloy claddings prepared under atmospheric pressure in the pool boiling experimentaldevice for Cr-coated zirconium alloy cladding.The influence law and mechanism of surface statessuch as roughness on heat transfer are studied.The results show that the improvement of surfaceroughness can reduce the conditions for the formation of vaporization core and significantlyenhance heat transfer under the same wall superheat degree.Within the range of parameters studiedin this paper,with the increase of heat transfer surface roughness,CHF shows an upward trendaccordingly.Increasing the surface roughness can effectively improve the CHF value.On this basis,the prediction relational expression of the influence of roughness on heat transfer coefficient is alsodeveloped in this paper.Key words:Accident tolerant fuel(ATF),Chromium(Cr)coated zirconium alloy cladding,Roughness,Boiling curve,Critical heat flux 收稿日期：2022-04-17；修回日期：2022-05-30作者简介：曾谢虎（1998），男，硕士研究生，现主要从事反应堆热工水力方面的研究，E-mail:*通讯作者：文青龙，E-mail: 第 44 卷第 2 期核 动 力 工 程Vol.44 No.22 0 2 3 年 4 月Nuclear Power EngineeringApr.2023 0 前言在过去的几十年，各种材料表面的大空间池式沸腾传热实验已经开展得相当广泛，获取了不同工质下的预测关联式。福岛核事故之后，以事故容错燃料（ATF）为研究背景的锆合金涂层表面的池式沸腾传热现象引起了研究人员的广泛关注1-2，但对锆合金涂层表面状态对饱和池式沸腾传热过程及其机理影响规律的研究还不够深入。本文通过对新型 Cr 涂层锆合金包壳表面的池式沸腾传热实验研究，揭示涂层表面状态对大空间池式沸腾传热过程的影响规律。1 实验系统和方法 1.1 实验系统实验系统主要由池式沸腾容器、实验段、高速摄像系统、数据采集系统、电气系统以及高速摄相系统等组成。池式沸腾容器被放置于水平台上，容器上设置有 2 个可视化窗口，用于观察包壳表面的汽泡行为。采用直流电源加热实验段，用于模拟反应堆中的裂变热。容器内还浸入一根自带温控装置的电加热棒，当池式沸腾容器内的去离子水温低于饱和温度时，电加热棒会自动开启并将去离子水加热至饱和温度。所有测点的温度、电流和电压等信号经数据采集系统输入计算机进行显示、判断和储存。1.2 实验段如图 1 所示为实验段结构简图。实验段主要包括 Cr 涂层锆合金包壳、铜排、氧化铝陶瓷、导热铜片等。实验段设计参数见表 1。1.3 实验方法本实验对象为不同涂层工艺方法下制备的 4个 Cr 涂层锆合金包壳样件（编号 B1B4），表 2为样件粗糙度测量值。实验时通过电加热棒维持容器内去离子水处于大气压下的饱和状态，待系统稳定后，根据一定的时间间隔从 0 开始逐步提升加热功率，直到实验段壁面温度出现飞升后，测控系统自动将其功率减少 15%。整个过程测控系统均记录温度、电流、电压等实验参数，在此基础上可推算得到热流密度以及传热系数等。同时还采用高速摄像系统获得池式沸腾过程中的包壳表面的汽泡行为。本实验研究直接测量的基本参数包括流体温度、实验段内壁面温度、电流、电压等，如表 3所示。直接测量参数不确定度 的分析方法如下：=u2i+u2s+u2a（1）图 1 实验段示意图Fig.1 Schematic Diagram of Experimental SectionT1T4热电偶测点 表 1 实验段主要参数Tab.1 Main Parameters of Experimental Section参数名参数值实验段总长/mm260实验段被加热段长度/mm100实验段外径/mm9.52实验段壁厚/mm0.58氧化铝陶瓷层外径/mm8.36氧化铝陶瓷层内径/mm6导热铜片外径/mm6导热铜片通孔直径/mm1铜排截面积/mm2400 表 2 Cr 涂层锆合金包壳粗糙度Tab.2 Roughness of Cr-coated Zirconium Alloy Cladding样件号平均粗糙度/mB10.641B20.443B30.339B40.35592核 动 力 工 程Vol.44 No.2 2023 uiusua式中，为仪表精度；为信号放大器的精度；为数据采集卡精度。间接测量的参数包括传热面积、功率、热流密度、传热系数，如表 4 所示。间接测量参数的不确定度 y可以由直接测量参数的不确定度根据误差传递公式计算：y=yy=1yni=1(f(x1,x2,xn)xixi)2（2）y=f(x1,x2xn)x1,x2,xnxi式中，为相互独立的直接测量参数；为直接 y 测量参数的测量误差；y 为间接测量参数的误差。表 4 间接测量参数不确定度Tab.4 Uncertainties of the Indirect MeasurementParameters测量参数不确定度/%包壳传热面积0.1实验段功率0.18表面热流密度0.21传热系数4.6 表面接触角是衡量表面润湿能力的一个重要参数，是影响临界热流密度（CHF）的重要指标。将液体铺展于表面，此时在汽、固、液三相交界处，自固液界面经液体内部到汽液界面的夹角就叫做接触角。本文采用Canny 边缘检测算子并结合MATLAB编程处理汽液图像得到汽液边界，汽液边界识别结果，如图 2 所示。由图 2 可知，汽液相边缘实际上是一组灰度不同的像素的集合，将相邻两个像素点中心的连线看为切线，由此可以得到曲线上某点的法向量。通过 MATLAB 编程对图 2 进行后处理，得到沿固相的法向量和沿气相的法向量（如图 3 所示，图中红色箭头线为该点的法向量）。本文选择在固液界面交点处，取液相的 5 个相邻法向量的平均值和固相的 5 个相邻法向量的平均值作为测量接触角的法向量。由向量的夹角公式可知：ab=|a|b|cos（3）ab|a|b|abcosab式中，为沿固相的法向量；为沿气相的法向量；和分别为向量 和向量 的模长；为向量 和向量 夹角的余弦值。在已知法向量的情况下，根据三角函数关系求解式（4），可以得到三相交界面上的接触角。图 3 图像边界法向量Fig.3 Normal Vector of Image Boundary 2 结果与讨论 2.1 沸腾传热分析如图 4 所示为本实验沸腾曲线，在壁面过热 b 边缘识别图像a 原始图像 图 2 汽液边界识别Fig.2 Vapor-liquid Boundary Identification 表 3 直接测量参数不确定度Tab.3 Uncertainties of the Direct Measurement Parameters测量参数仪表精度不确定度/%温度0.30.27电流1.0 A0.14电压0.015 V0.12 图 4 Cr 涂层锆合金包壳池式沸腾曲线Fig.4 Pool Boiling Curve of Cr-coated Zirconium AlloyCladding曾谢虎等：Cr 涂层锆包壳池式沸腾传热实验