液態(tài)金屬環(huán)境下噴射水接觸傳熱特性研究項(xiàng)目摘要

新一代快中子增殖反應(yīng)堆和加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界反應(yīng)堆系統(tǒng)使用液態(tài)金屬作為冷卻劑，在預(yù)計(jì)發(fā)生的蒸發(fā)器傳熱管破裂事故中，相對(duì)低溫的水會(huì)噴射進(jìn)入高溫液態(tài)金屬池中相互接觸產(chǎn)生劇烈沸騰和蒸發(fā)，可導(dǎo)致蒸汽爆炸引發(fā)安全問題，是國(guó)際上核工程領(lǐng)域研究前沿之一。本課題將改造已有的低溫熔融金屬蒸汽爆炸實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過噴射水進(jìn)入高溫液態(tài)金屬池中發(fā)生接觸式傳熱的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)，同時(shí)利用基于流體體積法的計(jì)算流體力學(xué)程序進(jìn)行數(shù)值模擬，研究融池環(huán)境下伴隨表面激烈蒸發(fā)的液態(tài)金屬、水和蒸汽多相介質(zhì)之間的運(yùn)動(dòng)及傳熱特性，探討不穩(wěn)定膜態(tài)沸騰導(dǎo)致的液滴細(xì)粒化及蒸汽爆炸的機(jī)理。本課題將開展的苛刻條件下伴隨著瞬態(tài)傳熱、高速沸騰的復(fù)雜多相介質(zhì)熱物理基礎(chǔ)研究，對(duì)進(jìn)一步提高多相流研究水平有著重要的學(xué)術(shù)意義，同時(shí)可加深和擴(kuò)展我們對(duì)于蒸汽爆炸機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為新型反應(yīng)堆安全特性的研究打下一定理論基礎(chǔ)。

新一代快中子增殖反應(yīng)堆和加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界反應(yīng)堆系統(tǒng)使用液態(tài)金屬作為冷卻劑，在預(yù)計(jì)發(fā)生的蒸發(fā)器傳熱管破裂事故中，相對(duì)低溫的水會(huì)噴射進(jìn)入高溫液態(tài)金屬池中相互接觸產(chǎn)生劇烈沸騰和蒸發(fā)，并可能導(dǎo)致蒸汽爆炸從而引發(fā)安全問題，該現(xiàn)象目前是國(guó)際上核工程領(lǐng)域研究前沿之一。本課題設(shè)計(jì)并搭建低溫熔融金屬蒸汽爆炸實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行水滴注入高溫液態(tài)金屬池中發(fā)生接觸式傳熱的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)，通過參數(shù)測(cè)量以及可視化手段獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究融池環(huán)境下伴隨表面激烈蒸發(fā)的液態(tài)金屬、水和蒸汽多相介質(zhì)之間的運(yùn)動(dòng)及傳熱特性，探討不穩(wěn)定膜態(tài)沸騰導(dǎo)致的液滴細(xì)?；罢羝ǖ臋C(jī)理。同時(shí)利用基于流體體積法的計(jì)算流體力學(xué)程序進(jìn)行數(shù)值模擬，給出了熔融金屬和水在相互作用過程中的場(chǎng)分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)金屬溫度超過270℃時(shí)，水滴細(xì)?；F(xiàn)象發(fā)生的概率明顯增加；隨著金屬溫度和We數(shù)的增加，水滴與熔融金屬反應(yīng)劇烈程度增加；蒸汽膜塌陷導(dǎo)致金屬與水進(jìn)一步直接接觸是水滴細(xì)?；闹饕?，由此可能引發(fā)由傳熱面積急劇增加而導(dǎo)致的蒸汽爆炸現(xiàn)象；水滴的自發(fā)核化沸騰傳熱是其細(xì)?；^程中產(chǎn)生大量蒸汽的主要原因。課題取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果有助于進(jìn)一步分析熔融金屬與水相互作用特性。

水力噴射器 水力射噴器是一種具有抽真空、冷凝、排水等三種有效能的機(jī)械裝置。它是利用一定壓力的水流通對(duì)稱均布成一定傾斜度的噴咀噴出，聚合在一個(gè)焦點(diǎn)上。由于噴射水流速度很高，于是周圍形成負(fù)壓使器室內(nèi)產(chǎn)生真空，另外由于二次蒸汽與噴射水流直接接觸，進(jìn)行熱交換，絕大部分的蒸汽冷凝成水，少量未被冷凝的蒸汽與不凝結(jié)的氣體亦由于與高速噴射的水流互相摩擦，混合與擠壓，通過擴(kuò)壓管被排除，使器室內(nèi)形成更高的真空。水力噴射器應(yīng)用極為廣泛，主要用于真空與蒸發(fā)系統(tǒng)，進(jìn)行真空抽水、真空蒸發(fā)、真空過濾、真空結(jié)晶、干燥、脫臭等工藝，是制糖、制藥、化工、食品、制鹽、味精、牛奶、發(fā)酵以及一些輕工、國(guó)防部門廣泛需求的設(shè)備。但生產(chǎn)水力噴射器的制造廠較小，品種亦不齊全，為此，經(jīng)過2013到2015年來不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用多噴阻與汽環(huán)（導(dǎo)向盤）等結(jié)構(gòu)，以及用多級(jí)泵進(jìn)水，低位安裝，只需安裝高度4.5米，完善與提高了其工作性能，具有一定的先進(jìn)性，是真空冷凝設(shè)備的一種革新，深受各地用戶單位的歡迎。

噴射器結(jié)構(gòu)

水力噴射器由器體、器蓋、噴咀、噴咀座板、導(dǎo)向盤、擴(kuò)壓管及單向閥等部件組成，噴咀采用多噴咀的結(jié)構(gòu)形式，以便得到較大的水蒸氣接觸面積，有利于熱交換的進(jìn)行，獲得較好的真空效果。噴咀座板加工精密，精度較高，以便噴射水流偏斜，降低抽射效能。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊精密，強(qiáng)度亦較高，用于真空蒸發(fā)系統(tǒng)中，由于能把冷凝器的冷凝作用與真空泵的抽氣作用合并在一個(gè)設(shè)備中同時(shí)完成，大大地簡(jiǎn)化了工藝流程，比之原來用真空泵與舊式冷凝器的裝置，可以節(jié)省去真空泵、冷凝器、分水器等設(shè)備，

噴射器優(yōu)點(diǎn)

（1）水力噴射器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。而效能又比較高，耗電量低于真空泵系統(tǒng)，投資省。

（2）水力噴射器操作簡(jiǎn)單維修方便，不用專職人員管理，由于無機(jī)械傳動(dòng)部分，所以噪聲低，不需消耗潤(rùn)滑油。

（3）水力噴射器可以室外底位安裝，占地面積少，可以節(jié)省廠房建筑面積與安裝費(fèi)用。