非能动安全壳冷却系统传热传质模型研究

作者:蒋孝蔚;余红星;孙玉发;黄代顺 刊名:核动力工程 上传者:王刚

【摘要】安全壳分析程序CONTAIN采用的滞止液膜模型(SFM)对非能动安全壳冷却系统冷凝质量流量的预测低于试验值。因此,根据扩散层模型(DLM)与SFM在计算冷凝质量流量是等效的,通过对比利用质量分数形式菲克定律发展的改进扩散层模型(GDLM)与DLM的差异,对不可凝气体存在下的CONTAIN冷凝和蒸发模型加以改进。利用冷凝板试验和热板蒸发试验对改进后的CONTAIN程序进行验证,结果表明改进后模型计算的传热系数和传质系数比原模型更接近试验值。

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1引言非能动设计中采用非能动安全壳冷却系统(PCCS)来导出安全壳内的热量。传热机制依赖于钢制安全壳内壁面上的蒸汽冷凝和外壁面上的液膜蒸发。与无外部冷却的传统干式安全壳不同,PCCS的设计显著增大了壁面和安全壳大气之间的温差,安全壳表面的绝对温度也将降低,从而影响冷凝过程中的相关特性。这一现象会影响到假想事故工况以及PCCS的冷凝过程,从而很有必要对传热模型进行验证,以确认PCCS实现安全功能的能力。本研究针对PCCS特性对不可凝气体存在情况下的传热传质模型进行研究。考虑到滞止液膜模型(SFM)[1,2]在该种工况下对冷凝质量流量的预测低于试验值,本文通过对SFM与改进扩散层模型[3](GDLM)进行对比,得到一个修正因子,用于SFM计算冷凝质量流量的修正,并用AP600设计时开展的Wisconsin冷凝试验[4]进行验证。考虑到蒸发和冷凝现象在模型上是等效的,因此,修正后的SFM同样适用于液膜蒸发现象,因此,利用AP600设计时开展的热板蒸发试验进行验证[5]。2不可凝气体存在下的传热传质模型不可凝气体存在下的蒸汽冷凝现象的模拟主要采用经验关系式和机理模型。前者主要利用实验数据拟合出的关系式进行模拟,比较著名的有UCHIDA、TAGAMI、Kataoka等提出的经验公式;机理模型分为求解边界层守恒方程和利用传热传质相似理论。求解边界层守恒方程的方法需要详细描述局部变量边界条件,但由于多数热工水力学程序均为集总参数法模型,因此难以融合到现有的程序中;而利用传热传质相似理论的方法则不存在这样的问题,从而得到大量的应用,其中Peterson的模型应用较为广泛[6]。2.1SFM与扩散层模型(DLM)安全壳分析程序CONTAIN采用基于摩尔分数的SFM来计算不可凝气体存在情况下的冷凝或蒸发流量[1,2]。其冷凝或蒸发质量流量为:()gvvbvi"SFMcmKMPP(1)RTPLShPDKBLnmgvg;gvigvbvivbnmlnPeterson发展了一个基于扩散层理论及传热传质相似原理的模型,用于预测不可凝气体存在情况下的冷凝质量流量。冷凝流速i~v为:()~b,Si,Sg,avgg2avgfgvv,avgiTTRTxDhMxv(2)cckhLSh(3)2avg22tv2fgavgc1RThPMDTk(4)为气/汽对数平均浓度比:ln(/)111lngigigbgbv,avgg,avgx(5)为比较2个模型,对DLM进行变换,首先通过式(4)~式(7)及vtvavgPM/RT得到冷凝质量流量为:fgcbivi"SFMc()~LhShkTTmv(6)将式(4)、式(5)代入式(6):3avg22tv2fgfg"biSFMc()RThPMDLhShTTmln(/)111lnvbvbvivixxxx(7)利用avgfgfbivbviThTTPPg(Clausius-Clapeyron方程)及vv,avgtavgfgMxPRT,将式(7)整理为:()vvbvinmtavgDLMcMPPPPRTLShDm()gvvbviKMPP(8)ln(/)vbvivbviv,avgxxxxx对比式(8)和式(1)可见,DLM与SFM在计算不可凝气体存在情况下的冷凝质量流量时是等效的。2.2GDLMDLM与SFM在计算冷凝质量流量cm时是等效的,因此2个模型都存在计算cm比试验值低的问题。Y.Liao在DLM的基础上从质量分数形式的菲克定律发展了普适性更强的扩散层模型GDLM[4],并证明了质量分数形式的菲克定律比摩尔分数形式更适合用于计算cm,其模型如图1所示。图1GDL

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