超临界水在管内传热特性研究进展

唐 旭，陈海峰，陈 忠，徐愿坚，刘晓玲

(1.陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021；2.重庆市中药研究院，重庆 400065；3.中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714)

超临界水(Supercritical water ,SCW)因其特异的性质，已经在石油化工、化学反应工程、能源等工业中得到了广泛的应用。在实际中研究出超临界锅炉[1-2]与超临界水冷式核反应堆等传热技术，比传统传热效率提升了45%～50%[3]。自从2002 年在日本东京举行的第四代核反应堆国际会议，确定了超临界水冷堆是其中唯一的水冷反应堆堆型，人们对超临界水冷反应堆(Supercritical water cooled reactor, SCWR)重新产生了兴趣。与常规压水堆相比超临界水冷堆具有以下优势[4-5]：(1)系统简化、小型化：超临界压力下水无相变，采用直接循环，取消了蒸汽分离器、干燥器和再循环泵等设备，使装置流程简单化；(2)热效率高；(3)安全性好：超临界水不存在相变，无气流不稳定现象，降低堆芯烧毁现象。然而SCW在临界点附近热物性变化剧烈，其在通道内的流动和传热特性等与亚临界压力下存在较大差别，在某些特定操作参数下，一般传热、传热强化和传热恶化(Heat transfer deterioration ,HTD)均有可能出现，从而给换热通道的设计以及热工水力分析带来了巨大的挑战[6]。本文研究的主要目的是总结近年来国内外相关文献在圆管、环形管和棒束中对超临界水的传热研究，归纳质量流速、热流密度、压力、流动方向和几何形状对传热的影响，以及传热恶化原因，总结了改善传热的方法，为超临界水传热的研究人员提供参考。

1 超临界水的热物理特性

当水的温度和压力超过临界温度和临界压力时(Pc=22.1 MPa, Tc=374℃)，其所处状态称之为超临界状态。表1对比了水在常温环境、近临界和超临界物性，在超临界状态下水的物性发生剧烈变化，SCW兼具液体和气体大部分性质，气液两相的界面消失[7]。然而，SCW的热物理性质在临界点区域发生了急剧的非线性变化，如图1所示。在超临界压力范围下，临界点附近SCW的密度在急剧下降，有文献称这种变化是不连续的，流体体积急剧膨张从而可能引起浮力和流动热加速效应；导热系数也随之降低，导致传热过程的恶化；粘度显著下降，从而使流体速度或雷诺数显著增加;在临界压力区域，比热的波动异常剧烈，随着SCW比热的迅速直线升高，致使其传热过程中蓄热能力增强，流体与壁面的传热系数增大，对SCW传热过程是有增强作用；传热强化和传热恶化效应相互竞争，流动和传热过程异常复杂，因此两者都有可能发生[8-10]。

表1 水在常温环境、近临界和超临界物性对比

图1 不同压力和温度下水的物性参数的变化规律(A：密度B：导热系数C：粘度D：比热)

2 超临界水传热研究进展

2.1 操作参数对传热的影响

质量流速(G)、热流密度(q)和压力(P)以及倾斜角对SCW在通道内的传热有显著影响，已经在公开文献中得到了广泛的研究和介绍。本文将对不同操作参数对SCW传热的影响作简要的归纳。

2.1.1 质量流速

通常随着G的增加，通道内流体湍流强度增大，管壁边界厚度降低，促进了管壁和通道内流体进行热交换，提高壁面换热系数，SCW的传热同样遵从这一规律。徐峰等[11]实验研究了垂直上升管内SCW的传热特性，结果表明，传热系数随G的增大而增大。在之后的研究中，王为术等[12]和Wang等[13]众多研究者发现同结论。在此基础上，王建国等[14]、王飞等[15]和李永亮等[16]研究发现质量流速越低 ,管壁温度急速升高，传热系数迅速降低，发生HTD。当压力和热流密度保持不变时，提高质量流速可以延缓，甚至抑制HTD的发生。在实验研究过程，通常众多科研人员将热流密度和质量流速的比值(qG)紧密联系，把两者结合在一起进行讨论，作为判断传热恶化是否会发生的根据。

2.1.2 压力

在超临界压力下，压力对传热的影响随传热机制的不同而不同。王磊等[17]和赵萌等[18]实验研究表明当流体温度高于临界温度时，压力对SCW传热的影响很小；当流体温度处于临界温度附近时，压力变化主要引起水的密度、比热容和导热系数等热物性异常剧烈波动，进而导致HTD。潘杰等[19]进一步研究结果表明，压力变化引起HTD是由流体物性引起。在此基础上，Li等[20]和Gang等[21]研究表明，在相同的热流密度和质量流密度条件下，23 MPa的HTD比25 MPa的HTD发生得更早、更严重。Wang等[13]通过实验和模拟相结合，验证了上述结论。因此，压力对SCW传热的影响是由其物性的剧烈变化引起，但物性的异常突变只在临界区域附近非常明显，所以压力对SCW传热只在超临界点前后有明显作用。

2.1.3 热流密度

热流密度是影响SCW传热特性的一个重要因素。吴刚等[22]、徐维晖等[23]、Zhu等[24]和Wang等[25]众多研究者发现，在保持其他操作参数恒定时，随着q的增加管壁温度迅速升高，传热系数降低，有传热强化向HTD转变。所以热流密度的大小对传热影响很大，优化热流密度参数，可以改善传热，降低壁温，抑制HTD。

此外，不同倾斜度对SCW流动的换热特性也有影响，张鑫等[26]实验研究倾斜度θ=5°～45°时对SCW传热的影响。结果表明，不同倾斜角度下测得的内壁面温度和传热系数的值差异很小，二者几乎不受倾斜角度的影响。然而Taklifi等[27]实验发现，在亚临界条件下，倾角对水换热的影响比超临界条件下更大，倾角为20°似乎是亚临界流动换热最佳角度，但对于SCW流动倾角为5°或45°似乎换热效果更好。目前对于倾斜度对SCW换热影响研究较少，需更多实验来验证。

2.2 流动方向

许多研究表明，流动方向对传热有影响，很大程度上取决于热流密度与质量流量的比值。Yu等[28]对水平管内SCW的换热特性与倾斜角度为20℃的向上倾斜管内SCW的换热特性进行了比较，实验结果发现，当热焓大于1400KJ/Kg时，在水平管的上表面发生传热恶化，而在倾斜管的上表面没有观察到热传导的恶化；在给定qG条件下，水平管和倾斜管底表面的传热基本一致。在高qG条件下，倾斜管顶面传热性能优于水平管顶面，水平管顶面传热性能较差，表明浮力效应会导致上下表面的传热特性有明显差异。Zhao等[29]比较了向下流动和向上流动SCW的传热系数,研究发现，在低热流密度下，向上流动的传热系数比向下流动的传热热系数高50%，但在中高热流密度下则相反，这是由于壁面附近湍流强度减弱所致。Wang等[13]对SCW在垂直向上和向下流动传热进行了实验和数值研究，得出同样结论，气流方向的影响很大程度上取决于qG的比值，在高qG比下，向下流动的传热比向上流动的传热增强很多。Yang等[30]得到同样结论。从上述分析可以看出，流动方向对换热的影响是复杂的。

2.3 几何结构

对比不同几何结构对SCW传热的影响，研究很少，还需要更多实验结果来验证，文中就现有的文献进行总结。Jeremy Licht等[31]通过实验研究圆形和方形环形流道的传热性能，结果表明，在低热流密度和正常换热条件下，圆形环形流道的换热从比方形小2%～10%；在高热流密度和变质条件下，圆形的换热比方形大6%～25%。Gang等[21]通过实验对环形间隙为4 mm和6 mm换热进行对比，研究发现，在相似的流动条件下，6mm间隙环形通道的换热系数大于4mm间隙环形通道的换热系数，在低热流质比条件下，6mm间隙的换热系数高于4mm间隙的换热系数，当qG比高时，这种差异会变小。Li等[32-33]SCW为测试介质，在管道、环空和棒束中进行了一系列传热实验。结果表明，在三种通道中，环空的换热性能最差，杆束的流动换热性能比管和环空换热更有效和稳定，有利于改善SCW的传热。因此，采用合适的几何结构，可有效提高换热系数，增强换热。

2.4 传热恶化

超临界压力下HTD的研究越来越受到人们的关注。HTD现象最早由Shitsman[34]在垂直向上管的传热实验中发现，随着热流密度的增加，传热效率逐渐减弱，直至出现热阻。Li等[32]众多研究者均在不同实验参数下也发现传热恶化。在超临界压力下存在两种类型的HTD。第一种类型发生在低质量流速和高热流密度时，流体温度远低于伪临界温度。这种恶化通常出现在试验段的入口区域，主要是由浮力引起的。第二种情况发生在整体温度接近准临界温度时，可能出现在通道的任何部分，热加速被认为是造成这种恶化的原因。其原因可能是：(1)热物理性质的剧烈变化，从图1知，当流体温度远高于临界温度时，其比热迅速下降，导热系数也随之下降，从而导致传热恶化，而粘性减小，热边界层变薄，传热增强，两者相互竞争。当传热恶化作用大于传热增强作用时，就会发生HTD。(2)由于径向或轴向的密度分布不均匀而产生压力差，导致浮力对传热影响较大。当靠近壁面的浮力很强时，速度变缓，湍流被抑制，因而传热减少。然而，目前对于传热恶化原因和机理需要更多实验数据和理论相结合研究。

2.5 强化传热方法

为了进一步强化传热，许多研究者主要是通过在壁面上使用网格垫片、缠绕丝、定位格架和带螺旋肋片等各种强化传热技术，破坏附在壁面上的高温阻塞层，从而抑制超临界压力下流体的传热恶化。许多挺等[35]通过实验研究定位格架对棒束内流动传热影响，结果表明，定位格架的面积阻塞比对格架下游传热系数衰减规律有很大影响；在超临界压力和拟临界压力条件下，定位格架下游传热系数衰减规律也有较大的差异。王汉等[36]和胡振枭等[37]对带绕丝定位的2×2棒束实验本体进行SCW传热实验研究发现，与不带格架的棒束对比，绕丝具有强化传热的作用，由于绕丝的搅混作用，流道下游的传热恶化得到抑制。朱海雁等[38]与光滑方环形通道内的实验数据对比发现：在相同热工参数条件下，带肋片方环形通道内换热系数比光滑方环形通道高，螺旋肋片对SCW条件下的传热有较大的改善作用。以上所述方法，均能在一定程度上增强换热，抑制HTD，但增强程度取决于流动条件和实验参数。因此，在将这些改进方法应用实践之前，我们还需要有统一的标椎去衡量。

3 结论与展望

结合国内外文献可知，SCW的传热特性在临界点附近变化异常，主要因为各种工况在临界点物性变化剧烈，导致传热恶变和传热强化效应相互竞争，流动和传热过程异常复杂，因此两者都有可能发生产生。文中对质量流速、压力、热流密度、流体流动方向和几何结构对SCW传热特性影响进行了讨论与归纳。压力对SCW传热的影响较小，而热流密度和质量流速影响较大，我们可通过改变几何结构和使用网格垫片、缠绕丝、定位格架和带螺旋肋片等改善传热，抑制了HTD的发生。未来应进一步加强SCW在不同几何结构下传热的基础性实验研究，深入研究SCW传热机制，为超临界水冷式反应堆广泛应用提供技术支撑。