中国实验快堆典型钠阀温度分布研究
李生，张东辉，刘云焰
（中国原子能科学研究院，北京102413）
快堆工程在调试和运行阶段图临着钠阀门带来的一系列问题，本文应用CFD较件计算了两种运行工 摘要：中国实验快堆典型钠阀作为系统重要的渗纳设备，直接影响着反应堆系统的安全运行.中国实验况下典型销阀稳态温度场分布，分析了保温层厚度一定、高度不同的情况下，销润门的离度场分布结果，并与实验结果进行了对比，证明结果是合理的有意义的，
中图分类号：TL32 文章标志码：A 文章编号：0258-0918（2012)01-0025-08
Studyon temperature distribution inbellowsseal sodiumvalve assemblyof ChinaExperimentalFastReactor
LI Sheng ZHANG Dong-hui LIU Yun-Yan
(China Institute ef Atomic Energy Beijing 102413. China)
Abstract; The typical bellows seal sodium valves as the important equipment in thesodium systems of China Experimental Fast Reactor have a significant effect on thesafety of fast reactors. The typical valves caused some problems in the test stage. Thepaper is to get the results of temperature distribution in the sodium valve assembly on stable heat transfer condition. using the Computational Fluid Dynamics (CFD) code.The paper also analyses the results puted under the condition of fixed thickness andthe different height of thermal insulation materials. It gets a good conclusion throughthe parison of measured and simulated results and the numerical simulation result is logical and meaningful
Key words; China Experimental Fast Reactor; bellows seal sodium valve; numericalsimulation; temperature distribution
1几何模型研究
1.1钠阀门组件构成
1.2保温结构
中国实验快堆（简称快堆）是国家“863”高技术计划领导下实施的重大科技工程.快堆典型钠阀（波纹管密封钠阀）作为系统重要的涉 钠设备，对管道中的载热介质钠起截断或调节作用，典型钠阀主要应用于中国实验快堆一、二主回路及各辅助系统、钠工艺系统、破损探测系统等管道上.在中国实验快难调试和运行中，钠闵门带来两个主要问题：第一，中国实验 快堆载热介质钠在常温下为固态，当操作留有固态钠阀门时，将损坏阀杆和波纹管，并导致钠的泄漏引起钠火事故：第二，正常运行中，阀门散热量过大导致工艺间温度超限值，导致工艺 间内监测仪表工作异常，长期会引起阀门地基混凝土结构强度降低问题.
为解决以上问题，本文将计算正常运行工况以及加热工况下钠阀门稳态传热温度场，并为今后钠冷快堆典型钠阀的运行维修以及研发提供借签.
外面为单壁可拆卸式保温结构.阀门结构包括 钠阀门外表安装钠阀电加热器，电加热器阀体、阀杆等部件，具体结构如图1所示.
图1阀门剖面图Fig. 1 Valve assembly section5-氢气1;6-披纹管：7-氢气1；8-氢气1I（钠） 1-保湿结构：2-电加热器：3-阀体：4-民杆：
气：运行工况下，8为钠. 在加热工况下，阀门腔体内没有钠，8为氢
保温结构的材料为核级复合硅酸盐，其厚度
2物性参数
2.2保温结构
厚度为90mm.保温结构的安装位置有220mm和370mm两种形式，具体如图2所示.
图2保湿层高度示意图
Fig. 2 The schematic of tbermal insulation material
2.1钠阀门、电加热器和氢气的物性参数
物性参数按照计算域的平均温度取值.氢气参阅文献[3].阀门、电热器参阅文献[5].
保湿材料的密度取p=45kg/m²；
式中：T- 250C为保温层表面温度；
保温材料的定压比热容采用如下的计算公式
式中：T为热力学温度K，计算得到的单位为 C =0.2821.675×10-T-7 235.09×Tkcal/(kg ℃).
3数学模型
3.1控制方程
和辐射三种传热方式. 整个过程为稳态传热，涉及导热、自然对流
三维稳态导热微分方程：
式中：p、c、、和r分别代表密度、比热容、单位时间内单位体积中内热源的生成热、温度及时间.
对流换热公式：
式中：@为热流量，A为换热面积，h为表面传热系数，.为壁面温度，周围流体温度，
辐射换热公式：
式中：c为物体发射率，a为斯式漕-玻耳兹曼常量，值为5.67×10-W/（m²K），A为辐射表面积，T为热力学温度.
3.2复合表面换热系数
辐射换热公式转换为牛顿冷却公式的形式：
式中：A，为辐射换热表面传热系数，h.为自然对流换热系数，h为复合表面换热系数.
3.3计算工况和边界条件
加热工况，热功率120W，闵门外界空间温200℃，250℃，300℃，350℃和400℃，空间 度20C；正常运行工况，钠温恒定，分别取值温度20℃.
3.4模型简化和假定
在温度场分布梯度时，取平均温度下的物性值； （1）材料的物性值各向同性，当材料存
（2）保温结构厚度均匀密度一致；
（3）加热工况中，电加热均匀加热，加热边界各处热流密度相同：
热阻： （4）计算域之间接触良好，不存在接触
（5）不考虑钠和氢气的流动；
（6）不考虑阀体与波纹管、波纹管与阀杆之间的辐射换热；
（7）阀杆只是沿轴向存在湿度变化，径向方向无温度梯度；
（8）假设钠的液位最高为阀杆法兰下部，未进入氢气ⅡI内空间.
3.5计算软件介绍
计算采用国际上通用的商业软件STAR-CCM.STAR-CCM是CD-adapco公司基 于STAR-CD软件推出的新一代CFD（ComputationalFluidDynamics）软件，采用了最新的连续介质力学技术CCM(Computational Continuum Mechanics），具有 多种物理和计算城建模，网格和物理模拟的分离以及一体化的工作环境等三大最新特点.
4结果分析
4.1加热工况
4.1.1阀门外表面温度场
由图3可知，保温层高度220mm时，阀门外表最高温度240℃，位置在阀腔处：最低温度23℃，位置在阀体上部：阀盖平均温度
图3保温层高度为 220 mm阀门温度场height of 220 mm of thermal insulation material
Fig. 3 The valve temperature distribution at the
120℃左右.由图4可知，保温层高度370mm时，阀门外表最高温度和最低温度同样出现在阀腔和阀体上部，分别为356C和30C；阀盖 的平均温度200C左右.对比两图，阀体同样位置处的温度值，保温层高度为220mm时显
度值较小，最大温差出现在阀盖位置处，保温层为220mm时，该处钠处于凝固状态，保温层为370mm，该处钠处于液态.加热时，保温层 为220mm时，所需要的加热时间更长，加热电能消耗的更多，不利于快堆运行的经济性.
Fig. 6The valve stem temperature distributiom at the 图6保温层高度为370mm阀杆温度场height of 370 mm of thermal insulation material
4.2正常运行工况
4.2.1阀门外表面温度场
部的温度值250C，上部温度值24C：阀盖处 图7显示，保温层高度220mm时，阀体下平均温度值100℃，图8显示，保温层高度370mm时，阀体下部温度值250C.上部温度图对比，保温层高度为220mm和370mm时， 值27℃：阀盖处平均温度值160℃左右.两相同位置最大温差在阅盖位置，约为60℃左右，在系统正常运行时，高度为370mm的保温结构相比220mm时，可以更加有效的维持 阀体外表面温度，
Fig. 4The valve temperature distribution at the 图4保温层高度为370mm阀门温度场height of 370 mm of thermal insulation material
4.1.2阀杆温度场
图5显示，保温层高度220mm时，阔杆最大、最小温度值为200C和37C，位置在阀杆下 部和顶端：波纹管最上端的温度值为100℃.图6显示，保温层高度370mm时，阀杆最大、最小温度为327C和71C，位置在阀杆下部和顶端：波纹管最上端的温度值200℃.阀杆温度分布 情况与阀体外表面分布情况一致.
图7保温层高度为220mm阅门温度场Fig. 7The valve temperature distribution at the height of 220 mm of thermal insulation material
图5保温层高度为220mm阀杆温度场Fig. 5The valve stem tempersture distribution at the height of 220 mm of thermal insulation material
Fig.8The valve temperature distribution at the 图8保温层高度为370mm闵门温度场height of 370 mm of thermal insulation material
图10保温层高度为370mm阀杆温度场 Fig.10The valve stem temperaturedistribution at the height of 370 mm ofthermal insulation material
4.2.2阀杆温度场
由图9，保温层高度220mm时，阀杆最大温度和最小温度为250℃和42℃，波纹管最 上端温度值110℃.由图10.保温层高度370mm时，阀杆最大温度和最小温度为250℃和56℃，波纹管最上端的温度值为杆和波纹管位置处的温度值小于保温结构为 160℃.两图对比，保温结构为220mm时，阀370mm时温度值.波纹管位置的温度值相差最大，其最上端温差为50C左右，在系统正常运行工况下，保温层高度为370mm，可以确 保波纹管最上端的温度值在钠的熔点以上，操作阀门时，不会损坏波纹管和阀杆.
4.2.3散热量
正常运行工况下阀门向外界产生的散热量如图11和图12所示.
由图11和图12可得，保温层高度220mm时，阀门散热量150W：保温层高度 370mm时，阀门散热量80W，保温结构高度为220mm时，阀门向空间的散热量较大，尤其运行期间，工艺间内发热设备密集，通风不畅，会造成工艺间温升过高，进而影响工艺 间内监测仅表正常运行，保温层高度370mm时，可以有效降低阀门向空间的散热量，
图11保温层高度220mm时，阀门散热量Fig. 11 The heat dissipating capscityof valve at the height of 220 mm of the thermal insulation layer
图9保温层高度为220mm闵杆温度场Fig. 9The valve stem temperature distribution at the height of 220 mm of thermal insulation material
