CN106404829A - 基于热流修正的chf测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于热流修正的CHF测量方法，包括：步骤1：分析加热本体的漏热环节，通过在加热表面处布置热电偶，监测加热本体的漏热环节处的温度实测值，并得到通过漏热环节的漏热损失；步骤2：利用加热本体漏热环节处的温度实测值或估值作为边界条件，对加热本体进行三维建模与数值模拟计算，并将计算得到的温度与加热本体内布置的热电偶的实测温度进行对比；步骤3：通过实际峰值热流与理论峰值热流之比来估计热流的修正因子C，计算临界热流密度。本发明中的方法能够用于大型工程试验台架非均匀加热沸腾换热中临界热流密度的求取，并有效提高测量结果精度。

Description

基于热流修正的CHF测量方法

技术领域

本发明涉及临界热流密度测量方法，具体地，涉及一种基于热流修正的CHF测量方法。

背景技术

沸腾换热广泛应用于核电、化工、微电子等领域，对于沸腾换热，沸腾换热系数(HTC)和临界热流密度(CHF)是非常关键的两个参数。HTC表征流体与固体表面之间的换热能力，CHF为沸腾换热面发生沸腾临界前所能达到的最大热流密度，一旦热流密度超过CHF，沸腾换热面将发生干涸烧毁，故预知CHF对保护设备的性能和安全有着重要的意义。

基于热平衡原理，总的输入加热本体的功率等于加热本体漏热量与沸腾换热面换热量总和。假设输入本体的能力为P₁，本体通过除了沸腾换热面外的其他面向环境漏热，通过布置热电偶可以测得这些面的漏热量P₂。沸腾换热面的面积通过测量可以得到，设为S。现在普遍的临界热流密度测量计算公式为：

其中η为***的热效率，

由热力学第二定律可知，凡是有温差存在的地方，就有热能自发地从高温区域向低温区域传递。很显然，式(1)在非均匀加热沸腾换热中是很不适用的，在均匀加热沸腾换热中也是不够准确的。在非均匀加热沸腾换热中，加热本体内部会有热扩散，式(1)仅考虑了热平衡问题，未将热扩散计算在内，所以仅用式(1)计算得到的CHF是偏大的。

基于计算流体动力学与热平衡的临界热流密度测量方法，可以在考虑***热平衡问题的同时解决非均匀加热沸腾换热中的热扩散问题，提高CHF的测量精度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于热流修正的CHF测量方法。

根据本发明提供的基于热流修正的CHF测量方法，包括如下步骤：

步骤1：分析加热本体的漏热环节，通过在加热表面处布置热电偶，监测加热本体的漏热环节处的温度实测值，并得到通过漏热环节的漏热损失；

步骤2：利用加热本体漏热环节处的温度实测值或估值作为边界条件，对加热本体进行三维建模与数值模拟计算，并将计算得到的与热电偶测量位置相同的温度与加热本体内布置的热电偶的实测温度进行对比；

若计算得到的温度相对于测量温度误差小于等于1％，则认为通过三维建模与数值模拟计算得到的加热本体的热效率与铜条的实际热效率一致，确定该加热本体的热效率上限；若误差大于1％，则调整沸腾换热面的换热系数，重新计算再与热电偶实测温度进行对比；

步骤3：通过实际峰值热流与理论峰值热流之比来估计热流的修正因子C，计算临界热流密度。

优选地，还包括：热流分布均匀性分析步骤，基于三维导热数值模拟结果，评估加热面上的热流分布均匀性，评估确定由加热功率计算得到加热面上平均热流方法是否适用，若加热本体在宽度方向上的热流分布不均匀，则不适用，若在宽度方向上热流分布均匀，则认为适用。

优选地，所述步骤3中临界热流密度测量计算公式如下：

式中：P₁表示临界热流密度CHF发生处的最高输入功率，S表示最高输入功率处对应的沸腾换热面面积，C表示热流修正因子。

优选地，所述步骤3中热流的修正因子C的估计公式如下：

式中：q_B表示最大沸腾换热热流，P_max表示最大输入功率，S₁为P_max对应的沸腾换热面面积。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的基于热流修正的CHF测量方法可用于大型工程试验台架非均匀加热沸腾换热中临界热流密度的求取，有效提高测量结果精度。

2、本发明提供的基于热流修正的CHF测量方法可以在考虑***热平衡问题的同时解决非均匀加热沸腾换热中的热扩散问题，提高CHF的测量精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为试验本体加热块的热平衡分析图；

图2为本发明提供的基于热流修正的CHF测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的基于热流修正的CHF测量方法，利用计算流体动力学(CFD)软件，将向环境的漏热和***内部的热扩散问题耦合，提出一种CHF的测量方法，旨在提高CHF的测量精度，为试验和工程提供参考。

在发生沸腾临界时，沸腾换热面的换热系数会急剧下降，此时沸腾换热面的温度会急剧上升。因此在进行沸腾换热测量CHF时，一般都会在近沸腾换热面处布置热电偶来监测CHF的出现，防止出现烧毁现象。

具体地，分析加热本体各种可能的漏热环节，通过在加热表面处布置热电偶，监测试验本体各漏热环节典型位置处的温度实测值(稳态值)，确定通过各漏热环节的漏热损失。再利用加热本体漏热实测数据或(保守)估值作为边界条件，对试验本体进行三维建模与数值模拟计算，将计算得到的温度与加热本体内布置的热电偶的实测温度进行对比，当两者大致相同时，可认为计算模型的热效率与铜条的实际热效率一致，即可确定试验本体的热效率上限；同时，基于三维导热数值模拟结果，评估加热面上的热流分布均匀性，进而评估确定由加热功率计算得到加热面上平均热流方法的适用性。

另外，鉴于采用三维导热数值模拟可考虑加热本体热扩散效应，故可由其实际峰值热流与理论峰值热流之比来估计当地热流的修正因子C(correction factor)。

则临界热流密度测量计算公式为：

其中P₁为CHF发生处的最高输入功率，S为最高输入功率处对应的沸腾换热面面积，C为热流修正因子。

本测量方法的重点为得到热流修正因子C，为了确定热流修正因子C(或确定该峰值热流处的实际热流q_c)，首先要详细分析并测量试验本体的热平衡，以IVR试验台架为例，如图1所示。其相应的(集总)热平衡关系为：

∑P_i＝∑_sq_sw+∑_sq_uw+∑_sq_stw+Σ_sq_B+∑(q_l+q_r)

在上述的本体加热块热平衡关系中：

上表面漏热热流q_uw、侧面漏热热流q_sw(还包含通过旁支的漏热)，以及向下水箱的漏热热流q_stw(包括透过密封垫、龙门架向下水箱的漏热等)：可通过设置的热平衡监测热电偶测量温度(梯度)，由Fourier定律估算(透过密封垫的漏热)或数值计算(透过龙门架的漏热)求得；加热块单元向相邻单元的周向导热q_l、q_r：由本体上段间固壁热电偶测得温差来估算；加热棒组输入热流：在特定试验工况下为已知。

这些都可作为这一段本体三维导热计算的边界条件与源项。这样，要想了解该段加热本体内的温度场，以及壁面热流，就只需确定剩下的一个边界条件，即该段朝下加热表面的沸腾换热热流q_B了。

然而沸腾换热情况较复杂，并不十分清楚。好在本体固壁上设有a、b、c三排固壁测温点，则可在假设沸腾换热边界条件的情况下(这里选用SBLB的试验结果作为初始试探值)，经不断调整沸腾换热边界条件，使得计算所得三排热偶测温处温度与实测温度之间偏差ε_i均满足特定“接受”准则，并以此情况下的三维数值结果，作为对试验本体实际温度场与热流场的最佳估计。有了实际温度场(及相应的热流场)，就能根据本体上峰值热流处的表面实际热流(q_c)来估计热流修正因子C了，

其中：q_B为该段模型最大沸腾换热热流，P_max为该段模型最大输入功率，S₁为P_max对应的沸腾换热面面积。

则临界热流密度测量计算公式为：

其中P₁为CHF发生处的最高输入功率，S为最高输入功率处对应的沸腾换热面面积，C为热流修正因子。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种基于热流修正的CHF测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：分析加热本体的漏热环节，通过在加热表面处布置热电偶，监测加热本体的漏热环节处的温度实测值，并得到通过漏热环节的漏热损失；

步骤2：利用加热本体漏热环节处的温度实测值或估值作为边界条件，对加热本体进行三维建模与数值模拟计算，并将计算得到的与热电偶测量位置相同的温度与加热本体内布置的热电偶的实测温度进行对比；

若计算得到的温度相对于测量温度误差小于等于1％，则认为通过三维建模与数值模拟计算得到的加热本体的热效率与铜条的实际热效率一致，确定该加热本体的热效率上限；若误差大于1％，则调整沸腾换热面的换热系数，重新计算再与热电偶实测温度进行对比；

步骤3：通过实际峰值热流与理论峰值热流之比来估计热流的修正因子C，计算临界热流密度。

2.根据权利要求1所述的基于热流修正的CHF测量方法，其特征在于，还包括：热流分布均匀性分析步骤，基于三维导热数值模拟结果，评估加热面上的热流分布均匀性，评估确定由加热功率计算得到加热面上平均热流方法是否适用，若加热本体在宽度方向上的热流分布不均匀，则不适用，若在宽度方向上热流分布均匀，则认为适用。

3.根据权利要求1所述的基于热流修正的CHF测量方法，其特征在于，所述步骤3中临界热流密度测量计算公式如下：

$q_{CHF}=\frac{P_1}{S}C$

式中：P₁表示临界热流密度CHF发生处的最高输入功率，S表示最高输入功率处对应的沸腾换热面面积，C表示热流修正因子。

4.根据权利要求1所述的基于热流修正的CHF测量方法，其特征在于，所述步骤3中热流的修正因子C的估计公式如下：

$C=\frac{q_B}{P_{\max }/S_1}$

式中：q_B表示最大沸腾换热热流，P_max表示最大输入功率，S₁为P_max对应的沸腾换热面面积。