考虑不可凝气体影响的大型独立热管的长期被动余热移除特性

《Energy Conversion and Management》：Long-term passive residual heat removal characteristics of a large separate heat pipe considering the effect of non-condensable gas

核废料池被动冷却系统中非冷凝气体（NCG）对分离热管（SHP）性能的影响及改进策略研究。通过设计带蛇形鳍片铝扁管冷凝段和胶囊型板蒸发器的SHP，开展94小时长期运行实验，揭示NCG质量与启动时间、传热速率的关联规律，提出基于初始真空度的衰减预测模型和真空预抽、周期抽气等控制策略。实验表明当NCG质量<131.4g时传热速率达107.2kW，相比传统水冷净化系统年节能690622kWh。

　　

作者：庄长、陈振涛、白博峰

中国西安交通大学多相流动力工程国家重点实验室，西安 710049

摘要

作为核能系统中的被动冷却装置，分离式热管（SHP）能够有效去除乏燃料产生的衰变热，防止乏燃料池发生事故、沸腾、干燥甚至熔化。然而，在大型SHP中，不可凝气体（NCG）的不可避免存在和积累会显著降低传热性能，威胁系统的长期稳定性和效率。为了解决这个问题，本研究提出了一种新型SHP，其冷凝器采用蛇形翅片铝平管，蒸发器采用胶囊型板。实验研究了NCG对启动和传热性能的影响，包括一个持续94小时的长期运行实验。结果表明，较高的NCG含量会延长SHP达到稳态运行所需的时间。当NCG质量小于131.4克时，测得的传热率为107.2千瓦。通过引入衰减因子，提出了一种基于初始真空度、待机时间和运行时间的经验相关性来预测性能退化。在此基础上，提出了适当的运行策略，如启动前抽真空和定期抽真空，以减轻NCG引起的性能退化。对于一个衰变热负荷为6540千瓦的商业核电站，与燃料池冷却和净化（PTR）系统相比，SHP系统每年可减少690,622千瓦时的能耗。这些发现为在被动冷却系统中部署大型SHP提供了有力支持。

引言

核能发电作为一种高效且清洁的能源获取方式，已被广泛采用。然而，福岛核事故暴露了极端灾难条件下的一些安全问题[1]。当发生长期停电时，压水反应堆（PWR）中的燃料池冷却和净化系统（PTR）无法去除剩余的衰变热，导致乏燃料无法冷却[2]。因此，近年来独立于电源的被动冷却技术受到了关注。分离式热管（SHP）由于其灵活的布局和简单的结构，非常适合大热负荷和小温差的条件，被认为是实现这一目标的最有前景的技术之一[3][4]。此外，SHP越来越多地应用于各种领域，包括电子设备冷却[5]、航空航天工业[6]和建筑能效[7]。Areva公司于2008年首次提出了SHP方案，传热率为0.5兆瓦，并在2016年将其提高到1.25兆瓦。然而，冷侧安装了风扇，表明其并非完全被动运行[8]。国内外学者对SHP用于乏燃料池（SFP）的被动余热去除进行了大量研究，主要包括SHP设计、稳态和瞬态特性以及相变传热机制[9][10]。近年来，影响SHP性能的因素，如传热元件结构、布局位置、工作介质类型、热源和环境温度、填充比例、布局距离以及不可凝气体（NCG）等受到了相当多的关注[11][12]。

在实际工程应用中，观察到NCG对热管（HP）性能的影响比其他因素更为明显。NCG是一种在SHP正常工作范围内始终保持气态的气体。最常见的NCG包括空气、氮气、氧气和二氧化碳，因为工作介质是水。目前，已有大量研究探讨了NCG对不同类型HP的影响。对于两相封闭热虹吸管（TPCT），Enke等人[13]建立了数学模型来分析NCG对启动阶段温度和密度分布的影响，并创新性地提出了一种通过冷凝段末端温度变化率来检测NCG含量的方法。此外，NCG对不同倾角和声速限制下的TPCT性能有显著影响[14][15]。对于环路热管（LHP），He等人[16]以氮气作为NCG，系统研究了不同热负荷、循环频率、散热器温度和NCG库存的影响，结果表明温度滞后是一种常见现象，并观察到了特殊的温度振荡。Yang等人[17]提出了利用热电冷却器（TEC）来控制LHP的运行，可以显著减少由NCG引起的温度上升、温度超调和振荡等不利现象。此外，Senjaya等人[18][19]系统研究了NCG对振荡热管（OHP）的影响，发现NCG会导致驱动力下降，但传热性能的下降幅度小于其他类型的HP。上述结果表明，对于不同类型的HP，NCG会导致性能退化，甚至故障。因此，研究NCG对HP性能的影响具有重要意义。

对于具有不同传热元件结构的冷凝器，NCG对SHP传热性能的影响存在差异。在被动余热去除系统（PRHRS）中，使用倾角为60°的环形翅片管，实验结果表明，在12千帕压力下，NCG占据了一部分冷凝器空间，导致传热率最多下降79%[20]。在名为中间热交换环路（IHEL）的实验设施中，平行直管显示传热率对初始NCG含量（0%至10%）不敏感[21]。此外，SHP的启动特性也受到NCG的影响。Cao等人[22]研究了NCG对启停性能的影响，结果表明，随着NCG含量的增加，SHP的启动时间延长，当NCG超过0.47%时，会发生启动故障。相反，NCG对停止性能的影响较小。目前，主要采用添加额外结构来减少NCG对性能的负面影响。基于在冷凝器末端收集到的最大NCG量，Wang等人[23]提出在相关位置安装一个气体储罐来收集NCG。Zhang等人[24]认为大量NCG滞留在冷凝器管中间，导致有效传热面积减少，因此他们在冷凝器头部提出了一个孔板来改善传热性能。

核电站被动安全系统最关键的能力是在无需人工干预的情况下保持长期稳定运行。然而，SHP在低于大气压的条件下运行，很难完全防止外界空气进入SHP；随着时间的推移，NCG含量会增加，从而导致性能退化甚至故障。当前的研究集中在使用商业软件分析不同事故条件下被动安全系统的可靠性，主要关注反应堆和安全壳[25][26][27]。对于不同类型的HP，一些学者关注其在除雪领域的长期热性能[28]。几乎没有任何与SHP相关的研究，只有Hiroyuki等人[29]研究了一种用于电子设备冷却的LHP（结构类似于SHP），该系统在一定泄漏率下可以保持长期运行。与核电站PRHRS的大型SHP相比，规模差异至少有三个数量级，因此存在显著的跨尺度效应。

在这项研究中，提出了一种新型大型SHP，旨在减轻NCG对传热性能的衰减。建立了一个全面的性能测试系统，详细探讨了NCG对启动和传热性能的影响。此外，还分析了实验过程中的长期冷却特性，拟合了NCG质量与待机时间之间的相关公式，并揭示了传热率、运行时间和初始真空度之间的关系。在此基础上，预测了SHP在长期待机和运行条件下的性能变化趋势，并提出了相应的控制策略，以实现长期稳定和高性能运行。根据SFP的实际冷却需求，本研究认为SHP系统在节能和降低成本方面具有巨大潜力。

部分摘录

分离式热管和实验系统

在核电站SFP被动冷却的SHP应用场景中，蒸发器浸入SFP中，而冷凝器位于烟囱中。液态工作介质在蒸发器中发生相变以吸收SFP的热量，蒸汽工作介质在冷凝器中凝结以释放热量。通过上升管和下降管的连接形成一个封闭的自然循环回路，由密度差和高度差驱动。

NCG对启动性能的影响

当SFP温度超过阈值时，本研究中的SHP被充满液体并随后启动，前提是使用真空泵达到目标真空度。SHP稳定所需的时间越短，其启动性能越好，可以有效防止SFP温度进一步升高。因此，本研究实验研究了不同NCG质量对启动性能的影响。

结论

实验研究了不同NCG含量下大型SHP的启动和传热特性。建立了预测模型来分析长期传热性能，并提出了相应的运行策略。主要结论如下：

(1) 工作介质的过热度和蒸发器的压力差是评估NCG对SHP启动性能影响的关键指标。

作者贡献声明

庄长：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，数据管理，概念化。陈振涛：研究，正式分析，数据管理。白博峰：验证，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了陕西省三秦学者创新团队的支持。