1實驗研究與分析1.1實驗系統在非能動余熱排出方案中，蒸汽發生器中產生的蒸汽依靠自然循環進入余熱排出換熱器，在換熱管內壁面上冷凝，凝結下來的水流回蒸汽發生器。換熱管外側的換熱形式為自然對流換熱和沸騰換熱。

因為管內凝結換熱系數遠大于管外側自然對流換熱系數，必須提高換熱管外側的自然對流換熱系數，從而提高換熱管的整體傳熱特性。為了確定整體針翅管、多孔管、低肋管和光滑管的換熱特性，設計如圖1所示的實驗裝置。

實驗裝置的實驗段高于鍋爐出口，整個實驗系統為全自然循環。鍋爐內產生的飽和蒸汽進入實驗段并在實驗管內冷凝成水，凝結水由鍋爐底部流回鍋爐。實驗通過測量單位時間內凝結液產量的方法確定實驗管的換熱量。為了確定實驗管外壁面的溫度和水箱內冷卻水的平均溫度，在實驗管上焊接了5對鎳鉻-鎳硅熱電偶，在水箱內設置了3對銅-康銅熱電偶。實驗中所采用的整體針翅管、低肋管的結構圖如所示。

各實驗管的主要結構參數見（其中整體針翅管的翅片間距為2.6mm）。

1.2管外單相自然對流及核態沸騰的實驗研究在余熱排出系統投入運行初期，換料水箱內的水溫較低，此時余熱排出換熱器的主要換熱形式為單相自然對流和過冷沸騰。反應堆緊急停堆后，反應堆的剩余功率在相當長的時間內維持在滿功率的7附近，蒸汽發生器內的蒸汽壓力和溫度等參數亦相對穩定。然而換料水箱內的水溫隨時間變化而增加，直至產生穩定的核態沸騰。

在實驗中始終使換熱管入口處的蒸汽壓力保持在一個定值（表壓力0.14MPa），而水箱內的冷卻水由常溫變化到沸點。實驗中發現，隨著冷卻水溫度的不斷增加，換熱管壁面的溫度也在增加。通過實驗，得出了管外側換熱系數隨傳熱溫差變化的關系曲線以及換熱管總傳熱系數隨傳熱溫差變化的關系曲線。

由實驗曲線看出，隨著傳熱溫差的不斷減小，管外側換熱系數和總傳熱系數逐漸增大：當傳熱溫差在25～75℃時，各換熱管的外側傳熱系數和總傳熱系數上升的速率比較慢，這是因為在這個溫差區域，換熱管外側的換熱形式主要是單相自然對流，傳熱溫差增加的趨勢比較慢。在該區域內，低肋管的傳熱特性優于其他換熱管，因為低肋管的管外有效換熱面積大于其他換熱管，同時管上的肋片增強了壁面附近流體的擾動。當傳熱溫差在20℃直至換熱管表面產生飽和核態沸騰，換熱管外側換熱系數和總傳熱系數急速增加，且各換熱管的換熱系數相近，因為實驗管的外壁溫在100℃附近，且隨著箱內冷卻水溫度的不斷增加，換熱管的外壁溫也是增加的，這時換熱管外側的換熱主要是過冷沸騰，因此在過冷沸騰區各換熱管的換熱（中國換熱器行業發展）特性相近。從曲線圖中也可以看出，在過冷沸騰為主導的區域內，多孔管也有著與低肋管相似的特性，但在單相對流區，其換熱系數小于低肋管。

1.3核態沸騰實驗因為管壁面附著的氣體和實驗管內的氣體將影響實驗的精度和實驗的復現性，所以在實驗開始前對實驗管表面和實驗系統內部進行除氣，除去實驗裝置中的不凝性氣體，然后檢查測量系統的工作狀況。接著利用蒸汽加熱冷卻水箱內的冷卻水直至產生穩定的核態沸騰，然后調節電加熱鍋爐的加熱功率使鍋爐內壓力維持在一個穩定值，待穩定后記錄此時換熱管壁面的溫度及凝結液量。然后調節鍋爐電加熱功率使鍋爐內蒸汽壓力達到下一個實驗點，待實驗穩定后記錄此時換熱管壁面的溫度及凝結液量。重復上述實驗過程，完成實驗。通過處理實驗數據，得出了如所示的實驗結果。

可以看出，在核態沸騰狀態下，整體針翅管多孔管的管外熱流密度隨管壁面過熱度的變化趨勢相近，且都比光管與低肋管的熱流密度高，約是光管（壁厚1.5mm）的2倍，是低肋管的1.6倍。這是因為當換熱管壁面產生劇烈的核態沸騰時，整體針翅管和多孔管壁面的汽化核心數目多于光管，同時密集的針翅和小孔抑制了大蒸汽泡的形成，使得壁面附近流體的擾動劇烈；此外，整體針翅管針翅的存在增大了管外側換熱面積，使得換熱管外表面的過熱度較小，管外熱流密度大于光管和低肋管。

2結論通過實驗研究，對比分析了幾種換熱管在自然對流、過冷沸騰及核態沸騰狀態下的換熱特性，得出了如下結論：1）整體針翅管的有效換熱面積大于其他結構的換熱管，細小的針翅增強了壁面流體的擾動，因此在沸騰區整體針翅管的換熱特性優于其他換熱管；2）合理的翅化壁面能夠提高換熱管在單相自然對流和核態沸騰狀態下的換熱系數，實現換熱設備小型化。