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Cr涂层锆包壳池式沸腾传热实验研究

曾谢虎 陈志强 文青龙 杜强 张瑞谦 杜沛南

曾谢虎, 陈志强, 文青龙, 杜强, 张瑞谦, 杜沛南. Cr涂层锆包壳池式沸腾传热实验研究[J]. 核动力工程, 2023, 44(2): 91-97. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0091
引用本文: 曾谢虎, 陈志强, 文青龙, 杜强, 张瑞谦, 杜沛南. Cr涂层锆包壳池式沸腾传热实验研究[J]. 核动力工程, 2023, 44(2): 91-97. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0091
Zeng Xiehu, Chen Zhiqiang, Wen Qinglong, Du Qiang, Zhang Ruiqian, Du Peinan. Experimental Study on Pool Boiling Heat Transfer of Cr-coated Zirconium Cladding[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(2): 91-97. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0091
Citation: Zeng Xiehu, Chen Zhiqiang, Wen Qinglong, Du Qiang, Zhang Ruiqian, Du Peinan. Experimental Study on Pool Boiling Heat Transfer of Cr-coated Zirconium Cladding[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(2): 91-97. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0091

Cr涂层锆包壳池式沸腾传热实验研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0091
详细信息
    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: 202010131106@cqu.edu.cn

    通讯作者:

    文青龙,E-mail: qlwen@cqu.edu.cn

  • 中图分类号: TL334

Experimental Study on Pool Boiling Heat Transfer of Cr-coated Zirconium Cladding

  • 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。

     

  • 图  1  实验段示意图

    T1~T4—热电偶测点

    Figure  1.  Schematic Diagram of Experimental Section

    图  2  汽液边界识别

    Figure  2.  Vapor-liquid Boundary Identification

    图  3  图像边界法向量

    Figure  3.  Normal Vector of Image Boundary

    图  4  Cr涂层锆合金包壳池式沸腾曲线

    Figure  4.  Pool Boiling Curve of Cr-coated Zirconium Alloy Cladding

    图  5  接触角与表面粗糙度对比

    Figure  5.  Comparison of Contact Angle and Surface Roughness      

    图  6  接触角与壁面过热度对比

    Figure  6.  Comparison of Contact Angle and Wall Superheat

    图  7  局部汽泡脱离

    Figure  7.  Local Bubble Detachment

    图  8  不同时刻的局部汽泡聚合

    Figure  8.  Local Bubble Polymerization at Different Times

    图  9  不同时刻的周期性汽膜

    Figure  9.  Periodic Vapor Film at Different Times

    图  10  Cr涂层锆合金包壳泡核沸腾区传热系数曲线

    Figure  10.  Heat Transfer Coefficient Curve in the Nucleate Boiling Area of Cr-coated Zirconium Alloy Cladding

    图  11  CHF发生时的汽膜图像

    Figure  11.  Vapor Film Image when CHF Occurs

    图  12  CHF与粗糙度对比

    Figure  12.  Comparison of CHF and Roughness

    图  13  CHF与接触角对比

    Figure  13.  Comparison of CHF and Contact Angle

    表  1  实验段主要参数

    Table  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
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    表  2  Cr涂层锆合金包壳粗糙度

    Table  2.   Roughness of Cr-coated Zirconium Alloy Cladding

    样件号平均粗糙度/μm
    B10.641
    B20.443
    B30.339
    B40.355
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    表  3  直接测量参数不确定度

    Table  3.   Uncertainties of the Direct Measurement Parameters

    测量参数仪表精度不确定度/%
    温度0.3℃0.27
    电流1.0 A0.14
    电压0.015 V0.12
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    表  4  间接测量参数不确定度

    Table  4.   Uncertainties of the Indirect Measurement Parameters      

    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
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    表  5  核态沸腾起始点的壁面过热度和热流密度

    Table  5.   Wall Superheat and Heat Flux at Onset of Nucleate Boiling (ONB)

    样件号壁面过热度/℃热流密度/(kW·m−2)
    B10.8205.070
    B21.6426.594
    B31.8596.752
    B41.5826.534
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    表  6  Cr涂层锆合金包壳CHF值

    Table  6.   CHF Value of Cr-coated Zirconium Cladding

    样件号CHF/(kW·m−2)
    B1914.722
    B2726.705
    B3647.189
    B4651.358
    下载: 导出CSV
  • [1] SON H H, SEO G H, JEONG U, et al. Capillary wicking effect of a Cr-sputtered superhydrophilic surface on enhancement of pool boiling critical heat flux[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 113: 115-128. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.05.055
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    [3] 徐济鋆. 沸腾传热和气液两相流[M]. 北京: 原子能出版社, 1993: 241-271.
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-17
  • 修回日期:  2022-05-30
  • 刊出日期:  2023-04-15

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