埋管熱沉冷卻效果下降的實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬

埋管熱沉冷卻效果下降的實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬

1系統(tǒng)的運(yùn)行過程2009年春季，在廢物探測(cè)和物理研究方面取得了很大進(jìn)展，并對(duì)長(zhǎng)脈沖反射器的運(yùn)行和控制進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)脈沖反射器的運(yùn)行，長(zhǎng)脈沖反射器為60秒。在此階段,最大的等離子體加熱功率能達(dá)到10MW,但是在偏濾器靶板上的熱流不會(huì)超過4MW?m-2。主動(dòng)冷卻系統(tǒng)是等離子體沉積在偏濾器上的熱量傳輸?shù)窖b置外的唯一途徑。傳統(tǒng)的方法是將冷卻水管與熱沉通過釬焊的方法聯(lián)接在一起,這樣焊接接觸面的大小是影響冷卻效果的主要因素。如果拋開冷卻管與熱沉之間的釬焊,將冷卻通道直接開在熱沉上,可使冷卻介質(zhì)直接流過熱沉上的通道,熱量可以沿冷卻通道全方位傳遞給冷卻介質(zhì)。EAST裝置上選擇鉻鋯銅作為偏濾器熱沉材料,選擇鉻青銅作為部分第一壁熱沉材料。在上一輪實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中,除了偏濾器附近躲在熱沉背后的18處連接水管被等離子體擊穿引起冷卻系統(tǒng)泄漏外,熱沉本身材料問題引起微量泄漏也一直困擾著主動(dòng)冷卻系統(tǒng)。兩處泄漏都由鉻青銅材料產(chǎn)生,這可能是由于長(zhǎng)期的烘烤和冷卻使鉻青銅材料在熱疲勞下更容易產(chǎn)生細(xì)小裂紋并且擴(kuò)散導(dǎo)致的。在最近一輪內(nèi)部部件升級(jí)維護(hù)中,對(duì)偏濾器附件連接水管采用石墨瓦防護(hù),對(duì)全部鉻青銅材料熱沉冷卻通道內(nèi)部采用埋管結(jié)構(gòu)處理。2壓裂管和高溫真空壓苦管的制備2.1殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加埋管打壓脹管工藝是用超過工作壓力的壓力對(duì)銅管進(jìn)行超壓處理,使銅管發(fā)生彈塑性變形,卸除壓力后會(huì)保留殘余應(yīng)力,工作時(shí)殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力疊加,使銅管應(yīng)力分布趨于均勻,提高銅管與熱沉之間的接觸。在熱沉溫度升高過程中,依靠殘余應(yīng)力彌補(bǔ)熱沉熱膨脹導(dǎo)致的熱沉與銅管之間的間隙。圖1是ANSYS軟件計(jì)算模擬的200atm水壓脹管后熱沉和銅管應(yīng)力分布,紫銅的屈服極限在33MPa,圖中管材最低應(yīng)力為37MPa,能保證銅管發(fā)生彈塑性變形。實(shí)際操作中銅管內(nèi)打壓280atm。2.2溶加時(shí)效技術(shù)高溫真空釬焊埋管工藝難點(diǎn)在于熱處理工藝,以往真空釬焊時(shí)由于冷卻速度不夠迅速,而使材料本身抗拉強(qiáng)度和硬度性能下降很多。鉻青銅的強(qiáng)化主要是通過固溶加時(shí)效工藝來實(shí)現(xiàn)。鉻青銅的最佳固溶溫度為980℃,保溫半小時(shí)后高壓氣淬,冷卻速度不低于1℃?s-1,可以使Cr來不及析出而保留在銅內(nèi),從而形成過飽和固溶體。較好的時(shí)效溫度為470℃,保溫4h,隨爐冷卻至200℃出爐,空氣冷卻至室溫。熱沉試件的升溫時(shí)間和速度,可根據(jù)設(shè)備的具體情況而定。但980℃(0.5h)固溶溫度、1℃?s-1氣淬速度和470℃(4h)的彌散退火要求需要保證。目前,采用真空高壓氣淬爐已能滿足此工藝要求。3參加實(shí)驗(yàn)測(cè)試3.1熱設(shè)計(jì)中冷卻系統(tǒng)的傳熱參數(shù)所有實(shí)驗(yàn)件要求尺寸相同,在相同加熱源條件下,換熱效果可以通過冷卻通道內(nèi)水流帶走的熱量來衡量,由?Q=cm?T,對(duì)于換熱效果的比較可以轉(zhuǎn)化為比較進(jìn)出口水溫溫差。3.2熱沉實(shí)驗(yàn)熱棒加熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案如圖2所示。采用直接電加熱方式,直接將金屬加熱塊覆蓋在熱沉實(shí)驗(yàn)件端面,將多根加熱棒均勻插入加熱塊中加熱;通過溫度控制器控制金屬塊表面溫度,溫度控制器通過溫度傳感器測(cè)量加熱塊表面溫度,當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)停止加熱,當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時(shí)啟動(dòng)加熱,從而達(dá)到恒溫目的。3.3熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)EAST裝置實(shí)驗(yàn)過程中,熱沉在真空室內(nèi)需要通過內(nèi)部冷卻通道進(jìn)行烘烤和冷卻過程,埋管脹管技術(shù)可能會(huì)由于多次熱循環(huán)后引起熱沉換熱性能下降,應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行熱疲勞實(shí)驗(yàn)來比較實(shí)驗(yàn)前后換熱性能差別。熱循環(huán)過程如下:采用真空爐加熱實(shí)驗(yàn)件,升溫速度60～80℃?h-1,溫度到250℃后保溫0.5h,為防止銅表面氧化,隨爐通水冷卻實(shí)驗(yàn)件到室溫,該流程為一次熱循環(huán)?？紤]到熱沉冷卻結(jié)構(gòu)在未來三年中烘烤冷卻熱循環(huán)不會(huì)超過15次,熱疲勞實(shí)驗(yàn)實(shí)際熱循環(huán)20次。3.4比脹件染色經(jīng)過大小30余次測(cè)試,主要實(shí)驗(yàn)工況數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。由于光孔件不存在接觸熱阻,因此換熱效果最好,進(jìn)出口溫差始終最高;焊接件由于大部分管壁與熱沉完全彌合,因此也不存在接觸熱阻,但由于釬焊工藝開槽,使得焊接件的接觸面積有所減小,因此換熱效果比光孔件略差,但比脹管件好。在熱端溫度100℃,流量0.2～0.8m3?h-1時(shí),焊接件與光孔件換熱效果差別在15%以內(nèi)。本次實(shí)驗(yàn)的脹管件與光孔件相比存在10%尺寸誤差,考慮工件尺寸誤差,在熱端溫度200℃,冷卻水流量0.1～0.6m3?h-1范圍內(nèi),換熱效果預(yù)計(jì)差別在20%左右。真空熱疲勞實(shí)驗(yàn)后,脹管熱沉實(shí)驗(yàn)件的換熱效率與原實(shí)驗(yàn)件比稍微有所下降,實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)下降值為1.7%～4.3%,平均3.1%。因熱疲勞實(shí)驗(yàn)放在最后,這時(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)加熱塊與熱沉之間接觸熱阻已經(jīng)優(yōu)化,故該實(shí)驗(yàn)結(jié)果不與先前實(shí)驗(yàn)結(jié)果比教。從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建來看,采用溫控儀和大功率電熱棒組合方式的加熱平臺(tái)效果較好。不過,加熱塊與熱沉之間由于直接面接觸,存在一定的接觸熱阻,可以通過抹導(dǎo)熱硅脂來減小。最后,采用溫控儀和大功率電熱棒組合方式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)達(dá)到了測(cè)試要求。4實(shí)驗(yàn)對(duì)象的數(shù)值模擬4.1zing-模型考慮到熱沉回路彎管的流動(dòng)特點(diǎn),本次模擬采用了修正湍流模型Realizableκ-ε模型。在Realizableκ-ε模型中,湍動(dòng)粘度計(jì)算式中的系數(shù)Cu不是常數(shù),而與應(yīng)變率有關(guān)。Realizableκ-ε模型中關(guān)于κ和ε的輸運(yùn)方程如下:其中,式3中,μt與Cu按下式計(jì)算:4.2數(shù)值模擬網(wǎng)格依據(jù)實(shí)驗(yàn)件的設(shè)計(jì)要求,數(shù)值模擬的計(jì)算模型設(shè)計(jì)如圖4所示。在數(shù)值模擬過程中,恒溫?zé)嵩唇o熱沉提供熱量。將恒溫?zé)嵩丛O(shè)為100℃的水,冷卻的常溫水從冷卻回路流過,不斷帶走熱沉上的熱量,最終恒溫?zé)嵩?、熱沉和冷卻水三者達(dá)到熱平衡。計(jì)算過程中同時(shí)考慮到了熱沉表面的熱對(duì)流和熱輻射,但結(jié)果顯示對(duì)流和輻射對(duì)計(jì)算的結(jié)果影響不大。本次模擬的網(wǎng)格如圖5所示。由于管道內(nèi)壁是冷卻水和熱沉換熱的關(guān)鍵區(qū)域,這部分區(qū)域?qū)τ?jì)算結(jié)果的精度有很大的影響,因此對(duì)管道內(nèi)流道劃分了邊界層(0.1mm×1.05mm×10mm),以提高壁面區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量。熱沉表面使用混合網(wǎng)格,貼近管道部分網(wǎng)劃分比較密,整個(gè)計(jì)算模型采用掃掠網(wǎng)格,最小網(wǎng)格單元2.309510×10-11m3,最大網(wǎng)格單元1.429571×10-8m3,網(wǎng)格單元總數(shù)4107748。數(shù)值模擬的邊界條件列于表1中。為了比較光孔和埋管兩種熱沉的換熱效率,在數(shù)值模擬過程中使用殼層導(dǎo)熱方法來模擬脹管條件下的接觸熱阻。4.3體積流量對(duì)傳熱穩(wěn)定性的影響結(jié)果模擬的對(duì)比結(jié)果對(duì)于熱沉的溫度分布具有一定的基礎(chǔ)數(shù)值模擬了冷卻回路在不同體積流量下熱沉與回路的冷卻效果,結(jié)果列于表2中。從表2中可以明顯看出,在相同條件下,光孔的冷卻回路進(jìn)出口溫差要高于脹管回路的進(jìn)出口溫差,隨著體積流量的增大,進(jìn)出口溫差呈下降趨勢(shì),下降的幅度不斷減小,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致;進(jìn)出口壓力降隨著體積流量的增加而增加,與實(shí)驗(yàn)情況一致。圖6是不同體積流量下數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,光孔件數(shù)值模擬的進(jìn)出口溫差要略大于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)出口溫差值,但是變化趨勢(shì)一致,基本上是吻合的;脹管件數(shù)值模擬的進(jìn)出口溫差與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本一致,吻合度比較高。圖7是數(shù)值模擬的等值云圖,顯示了熱沉表面的溫度分布。對(duì)熱沉不同冷卻結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬以及與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,可以看出,在相同冷卻水體積流量下,光孔件熱沉的傳熱效率要高于脹管的傳熱效率;光孔件熱沉條件下,數(shù)值模擬的結(jié)果略大于實(shí)驗(yàn)的值,但是變化趨勢(shì)基本一致;埋管熱沉條件下,數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合的比較好,但數(shù)值模擬中的殼層傳熱對(duì)結(jié)果影響比較大,需要綜合考慮材料的屬性以及材料之間的間隙。5原型測(cè)試5.1加熱棒管線接線的加工根據(jù)實(shí)驗(yàn)件在測(cè)試過程中對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化,原型件實(shí)驗(yàn)方案采用實(shí)驗(yàn)件實(shí)驗(yàn)方案。測(cè)試前的主要工作包括:a.安裝加熱棒,加熱棒插入在加熱塊上均布的孔中;b.將加熱棒電源線按荷載三相均勻分布的原則連接到接線柱上;c.加熱塊上表面覆蓋石棉絕熱材料,減小熱量從上表面散失量;d.由于實(shí)驗(yàn)件上表面呈弧形,盡管加熱塊配合面是按照實(shí)驗(yàn)件上的弧面尺寸加工的,但仍有間隙存在。因此,自制金屬導(dǎo)熱膩?zhàn)泳鶆蛱畛渑浜厦骈g隙,以減小該位置的熱阻效應(yīng);e.待實(shí)驗(yàn)件和加熱塊配合好后,通過C型夾具夾緊,以防止間隙松動(dòng);f.最后,連接溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),準(zhǔn)備開始實(shí)驗(yàn)。5.2溫度測(cè)量結(jié)果經(jīng)過10余次測(cè)試,主要實(shí)驗(yàn)工況數(shù)據(jù)對(duì)比如圖8所示。在所測(cè)工況范圍內(nèi),焊接件和脹管件的換熱性能總的差別在10%～23%范圍。其中,對(duì)較小水流量(0.3m3?h-1),加熱塊表面溫度150℃,最大差別在10%左右;對(duì)較大流量(0.5m3?h-1),加熱塊表面溫度200℃,最大差別約23%。在測(cè)量溫度范圍內(nèi),存在一個(gè)閥值,小于該值,脹管件傳熱效率略優(yōu)于焊接件,這可能是焊接件由于工藝原因在水管位置切掉了部分熱沉,使得接觸面積減小,導(dǎo)致傳熱效率同比下降。大于該值則焊接件的傳熱效率將優(yōu)于脹管件。對(duì)所測(cè)工況,當(dāng)水流量為0.3m3?h-1時(shí),該閥值約120℃,當(dāng)水流量增加到0.5m3?h-1時(shí),該閥值下降到75℃左右。6溫度下的熱沉過程隨著流量增大和加熱源溫度升高,焊接件和脹管件換熱性能差別將呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。由于目前加熱手段限制,更高加熱源的換熱效果需通過軟件計(jì)算模擬。從高場(chǎng)側(cè)原型脹管件實(shí)驗(yàn)中加熱塊表面溫度200℃(熱沉溫度到175℃)時(shí),在水流量0.5m3?h-1下能穩(wěn)