一种用于低流速CHF实验的临界热流密度近似测量方法

摘要

本发明公开了一种用于低流速CHF实验的临界热流密度近似测量方法，包括以下步骤：1)、通过提升实验本体的加热功率，使实验本体出口达到平衡态，记录平衡态数据；2)、继续提升加热功率，直至沸腾临界发生，记录临界数据；3)、基于平衡态数据，获得热损失份额，4)、基于临界数据获得临界热流密度qc，计算公式如下：式中，Nc为沸腾临界发生时刻实验本体所加电功率，ξh表示通道的热周；Lh表示通道的加热长度，εc是沸腾临界发生时刻实验本体的热损失份额；令εc＝ε(热损失份额)，得到本发明解决了现有技术中通过经验来估计热损失导致临界热流密度测量误差大、降低经济性的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及反应堆热工水力实验技术领域，具体涉及一种用于低流速CHF实验的临界热流密度近似测量方法。

背景技术

临界热流密度工况是指沸腾传热机理正好发生变化而使传热系数突然急剧下降的状态(又称为沸腾危机、沸腾临界、传热恶化)，临界热流密度(Critical Heat Flux，缩写为CHF)则指在该工况下热流密度的值。该参数表征了换热过程的极限换热能力，因而十分重要。

由于沸腾临界的复杂性和重要性，工程上仍然主要通过实验的方式来获得CHF值。实验时，由于空气对流和热辐射，实验本体的发热量只有一部分被流体吸收，另外有一部分热量直接流失到周围环境中，这部分热量称为热损失。实验本体所加(总的)电功率扣除热损失才是有效的加热量，CHF需要基于有效加热功率获得，因此，热损失是CHF实验中一个不容回避的问题。但是由于热损失受到多个相关因素的复杂影响(包括实验本体形状、保温措施、管道内流体状态、实验环境等)，难以进行理论计算。

高流速工况对应的CHF以及相应的临界加热电功率很大，热损失份额很小，热损失基本上可以忽略。而在低流速工况下，临界功率并不大，此时热损失与之相比占比很大，并不能忽略，否则将使得结果比真实值严重偏高，带来安全风险！低流速的沸腾临界实验本体出口流体往往处于汽液两相状态，从而不能通过测定流体的温升来计算热损失。

在现有技术中，都没有对实验中热损失的问题进行专门论述，在国内许多基础研究中，常常忽略热损失；在重大的工程验证实验中，往往按照实验者认为足够大的热损失份额来扣除热损失，确保实验结果的保守性、但牺牲了经济性，并且扣除的热损失份额随意性很大、更不能反映不同工况下热损失的变化，从而成为实验的一个系统性误差，导致临界热流密度测量误差大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于低流速CHF实验的临界热流密度近似测量方法，解决现有技术中通过经验来估计热损失导致临界热流密度测量误差大、降低经济性的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于低流速CHF实验的临界热流密度近似测量方法，包括以下步骤：

1)、通过提升实验本体的加热功率，使实验本体出口达到最接近饱和状态的平衡态，记录平衡态数据；

2)、继续提升加热功率，直至沸腾临界发生，记录临界数据；

3)、基于平衡态数据，获得热损失份额：

a)、通过流体的温升计算出有效吸热量，计算公式如下：

N_effec＝W(h_out-h_in)，

式中，W为流过实验本体的质量流量，单位为kg/s，h_out、h_in分别表示实验本体进口和出口处流体的比焓，单位为J/kg，N_effec为有效吸热量，单位为J；

b)、通过有效吸热量计算平衡态时的热损失份额，计算公式如下：

式中，N表示平衡态的实验本体电功率，单位为W，计算公式为：N＝U·I，其中，U为实验本体电压单位为V，I为实验本体电流，单位为A；

4)、基于临界数据获得临界热流密度q_c，计算公式如下：

式中，N_c为沸腾临界发生时刻实验本体所加电功率，ξ_h表示通道的热周，单位为m；L_h表示通道的加热长度，单位为m，ε_c是沸腾临界发生时刻实验本体的热损失份额；

令ε_c＝ε，得到

本发明所述系统误差是指因实验方法不当所引入的偏差，它不是随机的，而是具有一定的偏向性。例如，采用重量不准的砝码来测量物体的质量。系统误差应尽力予以消除或修正。所述热周，是一个专用名词，表示通道横截面上参与对流换热的固液交界面的周长；所述保守性是一种专用名词，简单地说就是消极性的因素就考虑得重一些，积极性的因素就考虑得轻一些，以便保证安全，具体地说，由于CHF是一个安全限值性参数，如果某种方法测定的CHF值比其真值总是偏小，那么这种方法就具有保守性，显然，如果不扣除热损失，那么结果就不是保守的。

本发明所述的平衡态数据和临界数据具体是后续计算临界热流密度需要使用的参数数据。

低流速沸腾临界工况下，实验本体出口流体处于汽液两相状态，其焓值难以在实验中测量，因此ε_c不能准确确定。在现有研究中，要么忽略热损失(令ε_c＝0)，要么人为地给定自认为足够保守的一个常数值，如令ε_c＝10％，20％等等，缺乏合理性。

而本发明采用平衡态的热损失份额来近似沸腾临界发生时刻的热损失份额，即令：ε_c＝ε，是本发明的关键，利用这个近似就可以得到：

散热损失主要和实验本体结构形状、实验时环境条件，以及通道内的流体状态有关。本文所设计的实验流程，由于平衡态和对应的临界状态时实验本体、环境、流速、压力都是相同的，只是出口状态有一定的差异；但是平衡态时实验本体出口接近饱和，这已经是最大限度的逼近临界发生时的出口流体温度，因此，平衡态测定的热损失已经非常接近沸腾临界时的热损失，并且，本文设计的实验流程要求当流速、压力改变时，都进行平衡态热损失测定，因而热损失能够体现热工参数的影响，而不是一个固定值。

另一方面，随着实验本体从平衡态发展为临界状态，所加电功率会增加，因此热损失(基本不变)和电功率(增加)这二者的比值，即热损失份额实际是随着功率的提升而略有减小(这在单相流体实验中已经被大量证实)，因此实际上临界时的热损失份额ε_c略小于平衡态的ε，这就保证了实验结果的保守性。

综上所述，本文设计的方法获得的ε非常接近ε_c的真实值，而又略大于该值。所以既能提高实验精度，又保证结果是保守的(确保安全)。可以在相关工程的CHF实验中使用。

本发明的关键是利用出口接近饱和状态时的热损失份额来近似相同入口压力和流速工况发生沸腾临界时刻的热损失份额，通过以实验的手段近似测量得到实验本体的热损失份额，从而提高实验结果的准确性，减小了因热损失问题处理不当引起的系统性误差。这个热损失份额较好地近似了沸腾临界发生时实验本体的真实热损失份额，从而使得对有效加热功率以及CHF(临界热流密度)的计算更加准确，避免了人为引入随意性、提高了实验结果的准确度。

本发明可以应用到任意的质量流速，只是对于低流速，发明带来的改进更显著。

进一步地，改变实验本体入口压力、流速和温度，重复步骤1)、步骤2)，获得不同工况下的平衡态数据和临界数据，实现测量不同工况下的临界热流密度。

进一步地，在提升实验本体加热功率之前，先调节实验本体入口压力、流速和温度达到预定值，达到平衡态的判断依据为实验本体出口处流体的过冷度，过冷度的计算公式如下：

ΔT_sub＝ΔT_sub,ONB/(1-κK)，

式中，ΔT_sub为实验本体出口流体过冷度，ΔT_sub,ONB表示出口开始发生过冷沸腾的流体过冷度，而K表示该关系式计算偏差带的绝对值，κ为保守因子，κ的取值范围为1.05～1.1。

此条标准确保平衡态时最接近饱和状态，又避免因通道内发生沸腾而使得温度测量不准。

进一步地，在达到平衡态时，保持加热功率不变，直到出口温度基本保持不变，记录平衡态数据，温度基本不变的标准是温度变化速率小于等于0.05℃/min。

此时的参数将用于计算该工况的热损失份额。相同压力和流速的沸腾临界工况发生时的热损失份额将用该值进行近似。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明采用通过实验手段测定的热损失份额来近似沸腾临界发生时的热损失份额，据此计算得到的有效加热功率和热流密度更准确，从而降低了实验中的系统性误差，使得实验结果更加接近真实值。

2、CHF是换热设备的关键限制性参数，在核反应堆中，专门引入了DNBR准则来避免沸腾临界，因此CHF的准确测定对于堆芯和其他工业换热设备的安全性和经济性具有重大影响，因而本发明间接产生的社会价值是难以估量的。

3、本发明设计的方法获得的ε非常接近ε_c的真实值，而又略大于该值，所以既能提高实验精度(确保经济性)，又保证结果是保守的(确保安全)，可以在相关工程的CHF实验中使用。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

一种用于低流速CHF实验的临界热流密度近似测量方法，包括以下步骤：

1)、调节实验本体入口压力、流速和温度到预定值；

2)、提升实验本体加热功率，直至实验本体出口处流体的过冷度：

ΔT_sub＝ΔT_sub,ONB/(1-κK)，

ΔT_sub为实验本体出口流体过冷度，过冷度就是饱和温度与流体温度之差，即ΔT_sub≡T_s-T_l；ΔT_sub,ONB表示出口开始发生过冷沸腾的流体过冷度，可根据实验本体的几何结构和实验参数采用相关计算关系式计算得到，而K表示该关系式计算偏差带的绝对值，κ为保守因子，可取1.05～1.1，此条标准确保平衡态时最接近饱和状态，又避免因通道内发生沸腾而使得温度测量不准；

3)、保持加热功率不变，直到出口温度基本保持不变；记录实验本体进出口相关参数，为叙述方便，这些数据称为平衡态数据，温度基本不变的标准是温度变化速率不大于0.05℃/min；此时的参数将用于计算该工况的热损失份额，相同压力和流速的沸腾临界工况发生时的热损失份额将用该值进行近似；

4)、继续提升加热功率，直至沸腾临界发生，记录相关的参数，为叙述方便，称为临界数据；如有需要，可改变入口温度，继续进行临界实验；

5)、重复步骤1)到步骤4)，直至完成全部实验工况；

6)、基于平衡态数据，获得热损失份额：

a)、通过流体的温升计算出有效吸热量：

N_effec＝W(h_out-h_in)，

其中W为流过实验本体的质量流量，单位为kg/s，由流量计测量得到；h_out、h_in分别表示实验本体进出口处流体的比焓，单位为J/kg，他们可以通过进出口处测得的流体压力和温度查对应的流体物性表得到；

b)、通过有效吸热量计算平衡态时的热损失份额，计算公式如下：

(热损失份额)

其中N表示平衡态时候的实验本体电功率，单位为W；计算公式为：

N＝U·I

U为实验本体电压，单位为V；I为实验本体电流，单位为A；均通过仪表直接测量得到；

7)、基于临界数据获得临界热流密度q_c，计算公式如下：

式中，N_c为沸腾临界发生时刻实验本体所加电功率，ξ_h表示通道的热周，单位为m；L_h表示通道的加热长度，单位为m，ε_c是沸腾临界发生时刻实验本体的热损失份额；

令ε_c＝ε，得到

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。