环形通道内液态金属钠流动换热研究

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1、环形通道内液态金属钠流动换热研究（山东核电有限公司山东烟台265116）摘要：木文针对对环形通道内液态金属钠的流动换热特征设计了相关实验。在实验当中，根据液态金属钠的流动情况可以将其流动状态分为层流区（雷诺数Re不大于2000）、过渡区（雷诺数Re在2000到4000）以及湍流区（雷诺数Re大于4000）,分别得到各状态下的摩擦系数计算式，最终得到换热特性的计算公式。实验结果表面：液态金属钠在环形通道当中的流动特性与普通流体相差不大，摩擦系数则与水相近或者略大于水。而对于换热特性，液态金属钠的努塞

2、尔数也会随着Pe的增加而增加。关键词：环形通道；液态金属钠；流动；换热液态金属钠是核反应当中快中子反应的主要冷却剂之一，所以对于液态金属钠的流动特性与传热特性的研究十分重要。由于液态金属钠木身特殊的性质，与普通的流体大有不同，所以不能直接套用齊通流体的流动换热计算公式，需要使用特定的公式。木文设计了有关环形管道的液态金属钠流动特性与换热特性的研究实验，将其流动状态划分为三个层次，并分别得到测量数据，对所获得的数据进行分析，得到实验结果。1实验设计1.1实验装置与实验步骤实验装置设定如图1所示。实验

3、需要用到回热装置、预热装置、保护气体罐、液态钠储存罐、电磁动力泵、冷阱、流量计、上联箱等装置。其中，液态钠储存罐的主要作用是在实验停止时对于液态钠的保存。冷阱的主要作用是净化液态金属钠，去除液态金属钠当中的杂质，以提高液态金属钠的纯度。具体实验步骤如T：(1)实验开始吋，首先要对实验的各个装置进行预热(保护气体罐除外)。(2)将保护气体充入液态钠储存罐当中，再施加一定的压力将液态钠送入到实验冋路当中，直到上联箱中所显示的液位符合要求才停止输送，将液态钠储存罐的阀门关紧。(3)在液态钠输送完毕以后，

4、将电磁动力泵开启。在电磁动力泵的驱动下，液态金属钠会依次通过流量计、冋热装置外壳、预热装置、实验段、上联箱、冋热装置管，最后又冋到电磁动力泵，形成一个完整的循环。图1.实验整体设计图图2.实验段设计图1.2实验段设计实验段的设计如图2所示。实验段的主要组成有加热装置、套管、联箱以及多个热电偶组成。用套管将加热装置包裹住，形成环形通道，然后在通道的进出口位置分别设置3个加热部件，保证套管与加热装置为同一个圆心。实验段的外围有一层厚度为50cm的保温棉，在保温棉的外面还要用电加热金属丝进行缠绕，将保温

5、棉缠绕严实，尽量保持实验段的热量。在实验段当中，加热装置的半径为3mm、长度为1.4m,具冇加热功能的部分总长度为lm,以加热装置顶端为起点，加热的功率为4000W。其主要包括加热电阻丝、内部填充物以及两层外壳，在外壳的间隔当中还设置有8根热电偶，热电偶安装从距加热装置底端4cm的位置开始进行，每隔0.5cm设置一个。以热电偶所测得温度为依据就可以计算出加热装置外表面的温度。在通道内部加装一个额外的热电偶，用于测量流体的温度。1.3实验数据的精确度控制对于进出U压力差的测量误差控制在&p

6、USmn

7、;0.5KPa、质量流量的测量误差控制在±0.5kg/h、温度的测量误差控制在±0.5°C、电压的测量误差控制在±0.001V、电流的测量误差控制在±0.5A。2数据处理过程2.1流动特性计算公式液态金属钠的流动特性与普通水的流动特性有一些不同，所以不能直接使用水的流动特性分析方法。在本实验当中，对于液态金属钠流动特性的研究需要用到以下公式：其中，ΔP是指总的压降；ΔPa指的是加速消耗产生的压降；ΔPel指

8、的是位置升高消耗所产生的压降；ΔPc指的是形态阻力所产生压降；ΔPf指的是摩擦消耗所产生的压降;G是指流体的质量流密度；ρl是指进U的流体的密度；ρ2是指出UI段流体的密度；Δh是指测量点的高度差；v是通道内部流体的流动速度；f是指摩檫的阻力系数；Dc是指当量直径；L是指通道的长度；Re是指雷诺数；γ是指流体的黏度。2.2换热特性计算公式换热特性研究所需要用到的公式如下：其中，η是指加热装置的加热效率；Cp是定压热容；T2是出

9、口端流体的温度；T1是进U端流体的温度；U是加热装置两端的电压；I则是通过加热装置的电流；Tw是加热装置外表面的温度；Tm是加热装置热电偶的测量温度；q是加热装置的热流密度；r是加热装置的半径；di是加热装置外壳的内直径；dO是加热装置外壳的总直径；λ是加热装置外壳的传热系数；丨是加热装置的有效加热长度；h是对流传热的系数;Tf是流体的温度；Nu是努塞尔数;λf是流体的传热系数；a是流体的扩散系数。3实验数据分析3.1流动特性分析根据公式计算出的结果与实