第34卷第2期核科学与工程Vol.34 No. 2 2014年6月Nuclear Science and Engineering Jun.2014
铅秘与水自然循环流动传热比较分析
李精精1，周涛1，刘梦影1，邹文重， 苏子威，李云博，吴宜灿² （1.华北电力大学核热工安全与标准化研究所，北京102206； 2.中国科季院合肥物质研究院核能安全技术研究所，合肥230031） 摘要：船合金和水一样具有一定的自然循环能力被选为加速器驱动的次临界堆中最有前景的冷却剂 之一，对两者自然循环流动传热的比较分析研究，可以优化铅回路的设计。
建立同路模翻，计算铅锋 及水的自然循环流量，验证了回路进行自然播环的可行性。
通过比较不同温差下相关参数如流速、雷诺 数、努塞尔数，得出两者流动传热差异，根据热流体理论，铅银和水自然循环中，两者的热阻力机制都起 到主导作用水流热阻力和热绕流机制作用强于铅流体，因此铅链自然循环流动传热效果不如单 相水。
关键调：铅修合金：单相水：自然循环：流动：传热 中图分类号：文章标志码：A文章编号：0258-0918(2014)02-0249-08
ComparativeAnalysisofLBEandWater Natural CirculationFlowHeatTransfer
LI Jing-jing',ZHOU Tao',LIU Meng-ying²,ZOU Wen-zhong?,SU Zi-wei?, LI Yun-bo , WU Yi-can* (1. Institute of Nuclesr Thermal-hydraulie Safety and Standardiuatiom, North China Electric Power University. Beijing 102206, Chins; 2. Institute of Nsclear Energy Safety Technology, Chinese Aeademy of Stices, Hefei of Anhui Prov. 230031, China) Abstract; Lead bismuth eutectic (LBE) is elected as one of the most promising coolants in ADS.Natural circulation of LBE is widely concerned by the researchers.A parative analysis of LBE and water natural circulation flow heat transfer is carried out. A circuit model is built, and natural circulation flow of LBE and water is calculated to verify the feasibility of the natural circulation system.Through paring parameters such as the flow rate, reynolds number, the nusselt number at different
收稿日期：2013-03-31：修回日期：2013-05-21 基金项目：中国科学院中国科学院战略性先导科技专项资助项目（Supported by the*Strategic Priority RestarchProgramof tht Chinese Aesdemy of Sciences-Grast No. XDA03040000) 作者翼合：李糖精（1984-），女，河北，博士研究生，现主要从事核反应堆热工水力方面的研究工作 249
temperature drops. and flow heat transfer differences are drown. Aecording to the theory of thermal fluid flow, the thermal drag plays a leading role in both the lead bismuth and water natural circulation. Besides, the effect of thermal drag and thermal roundabout flow on water is stronger than those on LBE. Thus, LBE natural circulation flow heat transfer ability is weaker than that of single phase water.
heat transfer
国外已经建成许多铅自然循环回路，对铅自然循环回路如图1所示。
铅合金开展热工水力和材料兼容的研究，中热限 国科学院合肥物质研究院核能安全技术研究所 已经利用小型铅自然循环回路KYLIN-1开 展了“加速器驱动次临界堆（ADS：Accelerate Driven System）结构材料（316L、TP91、CLAM热 钢等）在液态流动铅中的腐蚀服役性能”实验 研究。
华北电力大学核热工安全与标准化研究 所参与设计的大型铅自然循环回路KYLIN- Ⅱ已于2012年开始投人建设，并于2013年建 成，KYLIN-ⅡI回路主要目标是进行铅热工 水力的相关实验研究.国内外对铅自然9 环流动传热已有的研究，都局限于实验和模拟 两方面，并没有给出铅懿回路自然循环理论的水箱
略储有痛 完整体系，自然循环流动传热研究对核反应 堆安全运行有促进作用。
核动力装置的自然循净段 环排热能力是决定其是否满足固有安全特性要图1回路模型 求的重要依据，通过对工质的自然循环流动传Fig. 1Circuit model 热计算研究，对促进反应堆安全的防护措施的 提高具有重要意义，从图1看到，这是一个长方形的自然循环回 ADS堆芯冷却剂采用的是铅合金这种路.它由内径为200mm的管通连接而成.该 特殊的材料，对于铅够自然循环流动传热研究回路包括加热段、上升段、换热器、下降段，储存 可以解决ADS堆冷却剂的流动传热相关问题，箱，参考国外铅秘实验回路的参数，对铅 促进ADS系统进一步完善。
铅与水自然循自然循环回路的系统参数进行设定，铅回路在 环流动传热比较研究可以指导铅回路的设常压下运行，冷段温度为300℃，热段最高温度 计，水为核电站常用冷却剂，铅合金为加速400C，为了保证水是液态，水回路在2MPa下 器驱动的次临界堆常用冷却剂，对以上两者进运行，冷段温度为100℃，热段最高湿度200℃。
行研究可以强化核电站冷却剂设计回路理论基可以将图1中的加热器看成一个加热点激，换热 础，还可以通过研究发现自然循环回路中流动器看成一个冷却点源，如图2所示。
传热存在的一些问题，在将来的设计施工中使从图2看到，设上升段的流体密度为p， 其得以优化，提高核电站的经济性和安全性。
下降段的流体密度为P4，A为冷却点源与加 热点源之间的高度差，自然循环是指在闭合系 1研究对象统中仅仅依靠冷热流体间的密度差形成的浮升 参照国内外铅实验国路对象，设计力驱动流体循环流动的一种能量传输方式 250
冷凝器p.=p(5)
式（1）~式（5）中，压降△p，Pa密度p.kg/m²； 高度差h，m. （2）流量计算模型 压降和流量的关系主要是流量影响流速， P高皮h流速影响压降，这里主要介绍摩擦压降△p的
计算公式，流量和流速的关系如式（6），摩擦压 降计算如式（7）所示。
4M(6) xD² 加热馨P=fD.2(7) 图2自然循环笑化示意图式中，v表示流速，m/s；M表示流量，kg/s：p Fig. 2Simplified schematic of表示密度，kg/m²；D表示流动通道的直径，m； natural circulation f是摩擦因子：L是流动通道的长度，m， （3）摩擦压降计算 2计算模型由于自然循环计算模型中，加热器和冷凝 2.1流动计算模型器被视为点源，所以流体在圆形通道流动时，采 （1）压头计算模型用等温流动时其摩擦系数： 自然循环的驱动压头△p可以表示为式64Re<2 300
f= Re(8) (1).0.184
p(pp）gh(1)Rea?2 300<Re≤10² 这个驱动压头是由于冷、热两段重位压降式中，第一个表达式是流体在圆形通道内做层 不同造成的，自然循环时，在稳定流动的条件流流动时，第二个表达式是流体在表面光滑的 下，这个压头等于回路的摩擦阻力损失、局部阻圆形通道内定型编流的情况，粗糙的圆形通道 力损失和加速度压力损失之和，即在本文中不缴研究对象， △P..△p..2.2热物性计算模型 =△p(2)（1）铅链热物性计算模型 稳定流动时，驱动压头等于上升段和下降铅合金的热物性采用李石磊"文中推导 段的阻力提失之和，即的公式。
pp+△Pa(3)Aax=3. 61+1. 517×10-2、 其中上升段压降和下降段压降的表达式分T-1.741×10.T（6) 别为：△p△P+△p+△p△p754.1（10) △p.+△pa+△p，其中、角标f表C=159-2.72×10-.T+ 示摩擦压降；c表示局部压降：a表示加速度7.12×10.T(11) 压降.puax =11 0961. 323 6 T(12) 在分析自然循环流动时，一般把克服上升1(13) 段限力以后的剩余压头称为有效压头，则有效8383.2-T 压头△p.的表达式为式子（4）式中，aux是导热系数，W/（m²k）：ur是动力 p.=△p-p(4)黏度，Pas;Cp.uc是定压比热，单位为J/（kg 由式（3）和（4）可知道K)；pue是密度，kg/m²；aLe是体账系数，K.
251
T是开氏温度，K。
（2）水热物性计算模型一错储的密度交化 国际蒸汽和水性质协会1APWS-IF97的水的密度变化 水和燕汽性质的软件，使用比较广泛，此外，西百分 安交通大学樊普、孟洋、贾斗南等学者基于变化 IAPWAS-IF97标准，开发了一套求解水和水 蒸气物性的计算程序，华北电力大学热工安%4 全与标准化研究所拥有自己的水的物性计算程 序，本研究即采用此程序。
2.3准则数计算模型20406080100 （1）铅努赛尔数竭差/℃ 努赛尔数的物理意义为壁面上流体的无量图3密度变化百分比 hl Fig, 3 Percentage change of density 数Nu间接比较传热特性。
从图3可以看出，随着温差增大，水的密度 2006年，程旭等比较Aoki（1963）、变化百分比和铅能密度变化百分比都在增加， Dwyer（1966）、Reynolds（1974）等的数据，提出但是水的密度变化百分比铅的密度变化百分 铅铭合金的传热公式。
比要大很多，这是由于铅郁和水的分子质量不 Nu=A+0. 014Pe(14)同，分子热运动剧烈程度不同造或的。
4.5Pe≤1 000（2）体胀系数 A=5.4-9×10-Pe1 000≤Pe≤2000图4是冷热段温差不同时，铅和水在其 3.6Pe≥2000对应的平均温度下的体账系数， （2）水努赛尔数0.001 4 2008年，杨瑞昌等1提出自然循环工况0.000 129 8水 下加热段内单相水的对流换热系数经验关0.000 129 6-0.001 2
0.000 129 4 系式：1000 Nu=(0. 2965Re-3. 36)Pr0.001 0 [1+(d/L)(P/P)110.000 128 8
0.000 128 680000 (15)0.000 128 4 式中，d为管子内径，L为加热段加热长度，m；0.000 128 229600.000 6 Re为对应主流流体温度的雷诺数，Pr，和Pr4080109...
