一种紧急释热装置的冷却水系统设计研究与实践(二)—Tokamak(托卡马克)装置双回路冷却水系统冷却水箱设计研究

0引言

文献[1]提出Tokamak(托卡马克)装置的冷却水系统采用制冷装置冷却降温的方案,文献[2]对其水冷系统采用单、双回路即工艺侧冷却水和冷源侧冷冻水回路做出对比分析,指出双回路优于单回路。本文对双回路水冷系统的水箱及混水设计方案进行介绍。

试验室由单层厂房改造,现场安装条件有限,冷却水系统的设备除制冷装置外,冷却水箱、循环水泵4台及纯水机组放置在长11.8 m、宽1.85 m、高9.45 m的区域内,冷却水箱与循环水泵、制冷装置、纯水机组通过管道连接,设计时考虑冷却水箱、循环水泵、制冷装置、纯水机组及其连接的管道布置,给管道及设备检修留出一定的空间。

1冷却水水箱与冷却水管路形式

1.1冷却水箱的作用

冷却水箱具备以下功能:1)存储足够量的水,以供试验时装置使用,缓解水源供水不足问题;2)降低试验装置试验时释放热量引起的温升,保证水温上升小于2℃,减小制冷装置的容量,为制冷装置和试验装置提供相对稳定的进水温度,维持制冷装置正常运行;3)纯化水的储水箱,纯水机组通过水箱向冷却水系统补水;4)避免制冷装置侧与试验装置侧冷却水压力相互干扰从而引起流量变化。冷却水箱实际是集储水、蓄热缓冲温升、分解压力干扰功能于一 体的装置。

1.2冷却水箱容量的确定

文献[1]指出,水箱容积足够大,供水箱储存足够容量的水,水就可以蓄存足够的热量。放热量一定、容量足够的水还可以吸收热量从而降低水温,避免冷却水温过高和水温波动,为制冷装置和试验装置提供相对恒定的进水温度,有效解决制冷装置工作状态不稳定和试验装置冷却问题。

对于试验装置有:

对于冷却水有:

Q2=cρVΔt          (2)

式中:Q1为试验装置向冷却水的总放热量;Qi为试验装置向冷却水的瞬时放热量;Q2为冷却水的总吸热量;c为水的比热容,c=4186.8 J/(kg.℃)^[3];q为冷却装置的冷却水质量流量;Δti为试验装置的冷却水进、出水温差;t_outi为试验装置的冷却水出水瞬时温度;t_ini为试验装置的冷却水进水瞬时温度;ρ为水的密度;V为冷却水系统的水容量;Δt为冷却水系统水的温升。

试验装置释放热量51.84MJ,选用的制冷装置进水允许变化温度±2℃,为保证制冷装置和试验装置的进水温度,以2℃温升计算51.84 MJ热量冷却水容量为6190.89 L。由于冷冻水、冷却水管路充满水,经计算管道内水容量为2254.38L,水箱容量至少3936.51 L。依据文献[4-5],水箱容积为4.0 m3最接近该值。

2冷却水箱设计

2.1水箱的冷却水接管

依据冷热分层原理,冷却水混合时仅允许其发生在水箱顶部和上部,冷却水回水管、冷冻水回水管设置在水箱顶部,冷却水供水管与冷冻水供水接管位于水箱底部,如图1所示。

2.2冷却水混水设计

试验装置侧冷却水与制冷装置侧冷冻水混合均匀才能实现:温升2 ℃时6190.89 L的水蓄热51.84 MJ。因此,混合均匀是冷却水混水设计的关键。

2.2.1通过外部搅拌装置实现流体混合均匀

通过在水箱顶部设置搅拌装置,使得流体内部剧烈扰动实现均匀混合。此方法比较简单,容易实现,存在问题:1)水箱依据文献[4-5]设计选用时是一种静置装置,设置搅拌装置会引起额外的荷载和振动,需对文献[4-5]水箱进行加固设计;2)消耗额外电能;3)流体流动时水泵提供的压能和动能没有利用;4)需要额外的投资。

2.2.2利用流体能量实现混合均匀

试验装置侧冷却水与制冷装置侧冷冻水均配置循环水泵,循环水具有一定的压能和动能,利用水自身压能和动能实现混合。通过施加外界条件,增加水流在水箱、管道内的流程,在流动的路径上施加各种扰动措施。工程中的流动多为湍流,利用湍流自身扰动、施加外部条件使水流发生飞溅、撞击、水跃、绕流等,均可实现混合。

2.2.2.1 两股流体撞击飞溅混合

制冷装置侧冷冻水流量56 m3/h ;主管选用D133×4无缝钢管,流速为1.27 m/s,相应的雷诺数为85 219(20℃ ,水的运动粘度1.011 ×10^-6 m2/s^[6])。试验装置侧冷却水流量16.8 m³/h;主管变径至D76×6.5时,流速为1.25 m/s,雷诺数为156 803。经过计算两管口中心正对,间距为0.4 m时,距两管出口中点下约0.126 m发生水流交汇引起水流撞击。在水流交汇处的下方约0.03 m设置一直径D300厚度5 mm水平圆盘,水流撞击后由圆盘向四周均匀布水,后跌入圆筒底部水池。圆筒选用D500×9无缝钢管,两水管中心位于同一高度。

2.2.2.2 流体水跃混合

混合后的冷却水流量72.8 m³/h;经过突缩进入D109×4.5的管道,流速为2.58 m/s,相应的雷诺数为254805。水流跌落在水槽平板上,形成水跃,同时发生混合。为使流动能持续发生,不出现断流或空化现象,图2中1-1断面与2-2断面之间流动应满足流体力学连续性方程和能量方程。

连续方程:

A₁U₁=A₂U₂ (3)

能量方程:

式中:A₁、A₂为断面1-1、2-2的横截面积;U₁、U₂为断面1-1、2-2的水流速度;Z₁、Z₂ 为断面1-1、2-2的高程 ;P₁、P₂ 为断面1-1、2-2的水的静压强;P₁为断面1-1、2-2之间水流的阻力;ρ为水的密度;g为重力加速度,g=9.807 m/s²;ζ为局部阻力系数。

使用管道连接水箱内部与混水罐使其压力相等,则有P₁=P₂ ,断面1-1处流速0.11m/s,ζ按照文献[6]的公式计算值为0.466 4,经计算Z₁-Z₂即高差为0.501 m即可满足连续流动。断面1-1管道D500×9流速0.11 m/s时,流动比摩阻0.28 pa/m,流动的沿程阻力可以忽略。断面2-2处管道D109×4.5内的流动比摩阻796.41pa/m,按最大长度0.5m计算水阻力为796.41pa(0.08mH₂O),将计算Z₁-Z₂值修正0.08m,即高差0.581 m。进入突缩后的直段设计为0.4 m,混水罐内设计水位0.2 m。

2.2.2.3 圆管管束扰流混合

冷却水跌落水盘后连接矩型水槽,水槽采用不锈钢板制作,形成明渠流动,采用水力最优矩形断面即底宽为水深的2倍,依据文献[6]明渠均匀流基本公式,经过试算,水力坡度即坡度为37%时,矩形断 面底宽150 mm,水深75 mm,相应的流速为1.80 m/s。水槽断面尺寸选用150 mm× 150 mm。

流体掠过管束换热时,扰动越强换热系数越大,同样外界扰动越强流体混合效果越显著。流速1.80 m/s时,依据文献[7],雷诺数大于200 000时才能形成紊流边界层,此时管道直径112.49 mm,在水槽内无法形成管束。退而求其次,将雷诺数在500~200 000湍流状态^[7]视为混合工况,结合文献[8-9]布置成等间距的三角叉排管束且管间距大于圆管直径的1.25倍,经过试算,选用圆管外径为10 mm,管间距S为圆管直径2倍,相应的雷诺数177 780,三角叉排管束扰动,水槽内水流实现混合。水槽内三角叉排管束布置如图3所示。

2.2.2.4 水槽明渠壅水

通过水壅也可以实现流动扰动混合,明渠流动水壅及水壅高度无法准确计算,可在方形水槽末端设置挡水板,通过调节挡水板的高度,观察水位上升的高度是否稳定及水流不溢出水槽来确定。

2.3水箱设计

上已述及,水箱容积初选4.0 m3左右,标准水箱的规格为2 m×2 m×1m(内部尺寸),现场无法放置,选用文献[4]中的非标准组合式不锈钢板矩形水箱作为蓄热混水水箱,初选水箱内部宽1.0m、长1.5 m、高3.0 m。为增加水在水箱内的流程在水箱内设置2道隔板,将水箱分为3个体积相等的隔仓,加强扰动的同时,阻隔冷却水因对流流动引起的水温传播,防止高温水被吸入水泵进入制冷装置或试验装置。跌水盘及矩形水槽设置在水箱上部,设置的隔板可以支撑上部的跌水盘及矩形水槽。上部经过跌水盘和水槽混合过的冷却水先进入混合仓1,通过设置在底部的孔板进入混合仓2,由混合仓2通过设置在顶部的孔板进入均流仓,流动过程如图4所示。左侧隔板顶部孔板设置D12圆孔407个,流速为0.439 3m/s,11行37列布置;底部孔板设置D10圆孔333个,流速为0.7732m/s,孔纵向间距25mm,横向50mm,9行33列布置。

水箱内水深2.624 m达到最小容量的需求,不满足安装要求,水箱的壁板模数最小0.5 m,将水箱的高度增至3.5 m。

3其他

3.1跌水盘的受力及其厚度

依据文献[7]恒定总流动量方程,取图2中2-2至3-3之间流体作为控制体,计算跌水盘的承受力为120.96 N,按其作用的最小作用面积直径100mm的圆计算压力为15 401.54 pa,相当于1.54 mH₂O,跌水盘尺寸与水箱最小壁板尺寸接近,选用与水箱侧壁板同厚不锈钢板满足强度要求。

3.2水箱内的水质问题

上述以消耗流体的动能和压能为代价,通过施加不同外部条件使冷热流体扰动以增强混合,由于水箱为开式,流体扰动混合时与大气接触,剧烈扰动也使得空气中的气体容易进入水中,从而影响水质。由于水箱的密闭性差,无法通过充入稀有气体隔绝空气,采取由纯水机组的原水泵抽取水箱中的水再次进入纯水机组纯化的方式保持水质。

3.3水箱隔板受力平衡问题

水箱隔板的厚度与水箱侧壁板厚度相同,满水时隔板不受力,注水时为解决混合仓2与均流仓一侧充水一侧未充水引起水箱隔板受力不均衡的问题,在水箱底部设置带球门连通管,注水时打开,不注水时关闭。

3.4 水箱隔板、跌水盘及水槽与水箱主体连接

水箱隔板竖向两边折边20 mm,采用焊接的方式与水箱连接;跌水盘及水槽用水箱隔板支撑,用5#角钢与水箱主体焊接。水箱底板、侧板、顶板厚度分别为3.0、2.5、1.5 mm,材质为s30408。在水箱底部按照文献[4]技术要求预留D89×4.5、D133×4.5带法兰的管道接口,顶部预留DN108×4带法兰的管道接口,接口中心正对跌水盘中心。顶部检修口尽量靠近跌水盘以方便检修。水箱内顶部横断面如图5所示。其他附件及基础按照文献[4]执行,这里不再赘述。

4调试与运行

上述施加外部条件对流体扰动的技术措施中,除混水罐至水箱段的管路能相对准确地计算外,混水罐内圆盘位置、水跃、管束扰流时水面跃升高度及管束扰流时水阻力、水壅稳定高度均不能准确计算,需由设计者和施工者共同配合通过试验确定。试验在管路和水箱清洗时进行,调试时,水箱顶盖暂不安装,经过调试得到结论如下:

1)圆盘保持水平,混水罐内圆盘位置均在两管轴心线下约178mm时混合剧烈,向四周稳定均匀补水。

2)管束扰流时水面跃升高度在6~9 mm,圆管管束高度100 m时能保证水流未淹没管束。

3)水流由跌水盘进入水槽时,存在液面高度,导致实际水力坡变大,当水槽坡度为约31%时,水流较为稳定。

4)水流流经管束时,形成的水阻消耗了动力,须调整管束后水槽的坡度。

5)在水槽的最后端设置竖向挡板,当管束后的水槽坡度调整至约50%时,水槽末端能够形成稳定的水壅现象,水壅高度约为70 mm,之后形成较为稳 定的闸下出流,相应的闸宽约130 mm,高度约98 mm。

5 结论

1)在水箱内外,通过施加外部条件以消耗流体动能和压能促使流体扰动实现均匀混水,可以蓄热降低水温和水温波动从而实现试验装置的正常冷却和制冷装置的正常运行,冷却效果详见文献[1]。

2)采用消耗流体动能和压能促使流体扰动实现均匀混水的同时,冷冻水和冷却水的管路压力未受到干扰。

本文所述Tokamak(托卡马克)装置双回路冷却水系统冷却水箱设计已建成并投入顺利使用,该技术已获得专利授权,专利号:CN202322353372.X^[10]。

[参考文献]

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[10] 王争利,李星,王洁,等.一种用于TOKAMAK试验装置的外部混水装置:CN202322353372.X[P].2024-02-20.

2024年第14期第11篇