一種緊急釋熱裝置的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐(二)—Tokamak(托卡馬克)裝置雙回路冷卻水系統(tǒng)冷卻水箱設(shè)計(jì)研究

0引言

文獻(xiàn)[1]提出Tokamak(托卡馬克)裝置的冷卻水系統(tǒng)采用制冷裝置冷卻降溫的方案,文獻(xiàn)[2]對(duì)其水冷系統(tǒng)采用單、雙回路即工藝側(cè)冷卻水和冷源側(cè)冷凍水回路做出對(duì)比分析,指出雙回路優(yōu)于單回路。本文對(duì)雙回路水冷系統(tǒng)的水箱及混水設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。

試驗(yàn)室由單層廠房改造,現(xiàn)場(chǎng)安裝條件有限,冷卻水系統(tǒng)的設(shè)備除制冷裝置外,冷卻水箱、循環(huán)水泵4臺(tái)及純水機(jī)組放置在長(zhǎng)11.8 m、寬1.85 m、高9.45 m的區(qū)域內(nèi),冷卻水箱與循環(huán)水泵、制冷裝置、純水機(jī)組通過(guò)管道連接,設(shè)計(jì)時(shí)考慮冷卻水箱、循環(huán)水泵、制冷裝置、純水機(jī)組及其連接的管道布置,給管道及設(shè)備檢修留出一定的空間。

1冷卻水水箱與冷卻水管路形式

1.1冷卻水箱的作用

冷卻水箱具備以下功能:1)存儲(chǔ)足夠量的水,以供試驗(yàn)時(shí)裝置使用,緩解水源供水不足問(wèn)題;2)降低試驗(yàn)裝置試驗(yàn)時(shí)釋放熱量引起的溫升,保證水溫上升小于2℃,減小制冷裝置的容量,為制冷裝置和試驗(yàn)裝置提供相對(duì)穩(wěn)定的進(jìn)水溫度,維持制冷裝置正常運(yùn)行;3)純化水的儲(chǔ)水箱,純水機(jī)組通過(guò)水箱向冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水;4)避免制冷裝置側(cè)與試驗(yàn)裝置側(cè)冷卻水壓力相互干擾從而引起流量變化。冷卻水箱實(shí)際是集儲(chǔ)水、蓄熱緩沖溫升、分解壓力干擾功能于一 體的裝置。

1.2冷卻水箱容量的確定

文獻(xiàn)[1]指出,水箱容積足夠大,供水箱儲(chǔ)存足夠容量的水,水就可以蓄存足夠的熱量。放熱量一定、容量足夠的水還可以吸收熱量從而降低水溫,避免冷卻水溫過(guò)高和水溫波動(dòng),為制冷裝置和試驗(yàn)裝置提供相對(duì)恒定的進(jìn)水溫度,有效解決制冷裝置工作狀態(tài)不穩(wěn)定和試驗(yàn)裝置冷卻問(wèn)題。

對(duì)于試驗(yàn)裝置有:

對(duì)于冷卻水有:

Q2=cρVΔt          (2)

式中:Q1為試驗(yàn)裝置向冷卻水的總放熱量;Qi為試驗(yàn)裝置向冷卻水的瞬時(shí)放熱量;Q2為冷卻水的總吸熱量;c為水的比熱容,c=4186.8 J/(kg.℃)^[3];q為冷卻裝置的冷卻水質(zhì)量流量;Δti為試驗(yàn)裝置的冷卻水進(jìn)、出水溫差;t_outi為試驗(yàn)裝置的冷卻水出水瞬時(shí)溫度;t_ini為試驗(yàn)裝置的冷卻水進(jìn)水瞬時(shí)溫度;ρ為水的密度;V為冷卻水系統(tǒng)的水容量;Δt為冷卻水系統(tǒng)水的溫升。

試驗(yàn)裝置釋放熱量51.84MJ,選用的制冷裝置進(jìn)水允許變化溫度±2℃,為保證制冷裝置和試驗(yàn)裝置的進(jìn)水溫度,以2℃溫升計(jì)算51.84 MJ熱量冷卻水容量為6190.89 L。由于冷凍水、冷卻水管路充滿水,經(jīng)計(jì)算管道內(nèi)水容量為2254.38L,水箱容量至少3936.51 L。依據(jù)文獻(xiàn)[4-5],水箱容積為4.0 m3最接近該值。

2冷卻水箱設(shè)計(jì)

2.1水箱的冷卻水接管

依據(jù)冷熱分層原理,冷卻水混合時(shí)僅允許其發(fā)生在水箱頂部和上部,冷卻水回水管、冷凍水回水管設(shè)置在水箱頂部,冷卻水供水管與冷凍水供水接管位于水箱底部,如圖1所示。

2.2冷卻水混水設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置側(cè)冷卻水與制冷裝置側(cè)冷凍水混合均勻才能實(shí)現(xiàn):溫升2 ℃時(shí)6190.89 L的水蓄熱51.84 MJ。因此,混合均勻是冷卻水混水設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.2.1通過(guò)外部攪拌裝置實(shí)現(xiàn)流體混合均勻

通過(guò)在水箱頂部設(shè)置攪拌裝置,使得流體內(nèi)部劇烈擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)均勻混合。此方法比較簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),存在問(wèn)題:1)水箱依據(jù)文獻(xiàn)[4-5]設(shè)計(jì)選用時(shí)是一種靜置裝置,設(shè)置攪拌裝置會(huì)引起額外的荷載和振動(dòng),需對(duì)文獻(xiàn)[4-5]水箱進(jìn)行加固設(shè)計(jì);2)消耗額外電能;3)流體流動(dòng)時(shí)水泵提供的壓能和動(dòng)能沒(méi)有利用;4)需要額外的投資。

2.2.2利用流體能量實(shí)現(xiàn)混合均勻

試驗(yàn)裝置側(cè)冷卻水與制冷裝置側(cè)冷凍水均配置循環(huán)水泵,循環(huán)水具有一定的壓能和動(dòng)能,利用水自身壓能和動(dòng)能實(shí)現(xiàn)混合。通過(guò)施加外界條件,增加水流在水箱、管道內(nèi)的流程,在流動(dòng)的路徑上施加各種擾動(dòng)措施。工程中的流動(dòng)多為湍流,利用湍流自身擾動(dòng)、施加外部條件使水流發(fā)生飛濺、撞擊、水躍、繞流等,均可實(shí)現(xiàn)混合。

2.2.2.1 兩股流體撞擊飛濺混合

制冷裝置側(cè)冷凍水流量56 m3/h ;主管選用D133×4無(wú)縫鋼管,流速為1.27 m/s,相應(yīng)的雷諾數(shù)為85 219(20℃ ,水的運(yùn)動(dòng)粘度1.011 ×10^-6 m2/s^[6])。試驗(yàn)裝置側(cè)冷卻水流量16.8 m³/h;主管變徑至D76×6.5時(shí),流速為1.25 m/s,雷諾數(shù)為156 803。經(jīng)過(guò)計(jì)算兩管口中心正對(duì),間距為0.4 m時(shí),距兩管出口中點(diǎn)下約0.126 m發(fā)生水流交匯引起水流撞擊。在水流交匯處的下方約0.03 m設(shè)置一直徑D300厚度5 mm水平圓盤(pán),水流撞擊后由圓盤(pán)向四周均勻布水,后跌入圓筒底部水池。圓筒選用D500×9無(wú)縫鋼管,兩水管中心位于同一高度。

2.2.2.2 流體水躍混合

混合后的冷卻水流量72.8 m³/h;經(jīng)過(guò)突縮進(jìn)入D109×4.5的管道,流速為2.58 m/s,相應(yīng)的雷諾數(shù)為254805。水流跌落在水槽平板上,形成水躍,同時(shí)發(fā)生混合。為使流動(dòng)能持續(xù)發(fā)生,不出現(xiàn)斷流或空化現(xiàn)象,圖2中1-1斷面與2-2斷面之間流動(dòng)應(yīng)滿足流體力學(xué)連續(xù)性方程和能量方程。

連續(xù)方程:

A₁U₁=A₂U₂ (3)

能量方程:

式中:A₁、A₂為斷面1-1、2-2的橫截面積;U₁、U₂為斷面1-1、2-2的水流速度;Z₁、Z₂ 為斷面1-1、2-2的高程 ;P₁、P₂ 為斷面1-1、2-2的水的靜壓強(qiáng);P₁為斷面1-1、2-2之間水流的阻力;ρ為水的密度;g為重力加速度,g=9.807 m/s²;ζ為局部阻力系數(shù)。

使用管道連接水箱內(nèi)部與混水罐使其壓力相等,則有P₁=P₂ ,斷面1-1處流速0.11m/s,ζ按照文獻(xiàn)[6]的公式計(jì)算值為0.466 4,經(jīng)計(jì)算Z₁-Z₂即高差為0.501 m即可滿足連續(xù)流動(dòng)。斷面1-1管道D500×9流速0.11 m/s時(shí),流動(dòng)比摩阻0.28 pa/m,流動(dòng)的沿程阻力可以忽略。斷面2-2處管道D109×4.5內(nèi)的流動(dòng)比摩阻796.41pa/m,按最大長(zhǎng)度0.5m計(jì)算水阻力為796.41pa(0.08mH₂O),將計(jì)算Z₁-Z₂值修正0.08m,即高差0.581 m。進(jìn)入突縮后的直段設(shè)計(jì)為0.4 m,混水罐內(nèi)設(shè)計(jì)水位0.2 m。

2.2.2.3 圓管管束擾流混合

冷卻水跌落水盤(pán)后連接矩型水槽,水槽采用不銹鋼板制作,形成明渠流動(dòng),采用水力最優(yōu)矩形斷面即底寬為水深的2倍,依據(jù)文獻(xiàn)[6]明渠均勻流基本公式,經(jīng)過(guò)試算,水力坡度即坡度為37%時(shí),矩形斷 面底寬150 mm,水深75 mm,相應(yīng)的流速為1.80 m/s。水槽斷面尺寸選用150 mm× 150 mm。

流體掠過(guò)管束換熱時(shí),擾動(dòng)越強(qiáng)換熱系數(shù)越大,同樣外界擾動(dòng)越強(qiáng)流體混合效果越顯著。流速1.80 m/s時(shí),依據(jù)文獻(xiàn)[7],雷諾數(shù)大于200 000時(shí)才能形成紊流邊界層,此時(shí)管道直徑112.49 mm,在水槽內(nèi)無(wú)法形成管束。退而求其次,將雷諾數(shù)在500~200 000湍流狀態(tài)^[7]視為混合工況,結(jié)合文獻(xiàn)[8-9]布置成等間距的三角叉排管束且管間距大于圓管直徑的1.25倍,經(jīng)過(guò)試算,選用圓管外徑為10 mm,管間距S為圓管直徑2倍,相應(yīng)的雷諾數(shù)177 780,三角叉排管束擾動(dòng),水槽內(nèi)水流實(shí)現(xiàn)混合。水槽內(nèi)三角叉排管束布置如圖3所示。

2.2.2.4 水槽明渠壅水

通過(guò)水壅也可以實(shí)現(xiàn)流動(dòng)擾動(dòng)混合,明渠流動(dòng)水壅及水壅高度無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算,可在方形水槽末端設(shè)置擋水板,通過(guò)調(diào)節(jié)擋水板的高度,觀察水位上升的高度是否穩(wěn)定及水流不溢出水槽來(lái)確定。

2.3水箱設(shè)計(jì)

上已述及,水箱容積初選4.0 m3左右,標(biāo)準(zhǔn)水箱的規(guī)格為2 m×2 m×1m(內(nèi)部尺寸),現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法放置,選用文獻(xiàn)[4]中的非標(biāo)準(zhǔn)組合式不銹鋼板矩形水箱作為蓄熱混水水箱,初選水箱內(nèi)部寬1.0m、長(zhǎng)1.5 m、高3.0 m。為增加水在水箱內(nèi)的流程在水箱內(nèi)設(shè)置2道隔板,將水箱分為3個(gè)體積相等的隔倉(cāng),加強(qiáng)擾動(dòng)的同時(shí),阻隔冷卻水因?qū)α髁鲃?dòng)引起的水溫傳播,防止高溫水被吸入水泵進(jìn)入制冷裝置或試驗(yàn)裝置。跌水盤(pán)及矩形水槽設(shè)置在水箱上部,設(shè)置的隔板可以支撐上部的跌水盤(pán)及矩形水槽。上部經(jīng)過(guò)跌水盤(pán)和水槽混合過(guò)的冷卻水先進(jìn)入混合倉(cāng)1,通過(guò)設(shè)置在底部的孔板進(jìn)入混合倉(cāng)2,由混合倉(cāng)2通過(guò)設(shè)置在頂部的孔板進(jìn)入均流倉(cāng),流動(dòng)過(guò)程如圖4所示。左側(cè)隔板頂部孔板設(shè)置D12圓孔407個(gè),流速為0.439 3m/s,11行37列布置;底部孔板設(shè)置D10圓孔333個(gè),流速為0.7732m/s,孔縱向間距25mm,橫向50mm,9行33列布置。

水箱內(nèi)水深2.624 m達(dá)到最小容量的需求,不滿足安裝要求,水箱的壁板模數(shù)最小0.5 m,將水箱的高度增至3.5 m。

3其他

3.1跌水盤(pán)的受力及其厚度

依據(jù)文獻(xiàn)[7]恒定總流動(dòng)量方程,取圖2中2-2至3-3之間流體作為控制體,計(jì)算跌水盤(pán)的承受力為120.96 N,按其作用的最小作用面積直徑100mm的圓計(jì)算壓力為15 401.54 pa,相當(dāng)于1.54 mH₂O,跌水盤(pán)尺寸與水箱最小壁板尺寸接近,選用與水箱側(cè)壁板同厚不銹鋼板滿足強(qiáng)度要求。

3.2水箱內(nèi)的水質(zhì)問(wèn)題

上述以消耗流體的動(dòng)能和壓能為代價(jià),通過(guò)施加不同外部條件使冷熱流體擾動(dòng)以增強(qiáng)混合,由于水箱為開(kāi)式,流體擾動(dòng)混合時(shí)與大氣接觸,劇烈擾動(dòng)也使得空氣中的氣體容易進(jìn)入水中,從而影響水質(zhì)。由于水箱的密閉性差,無(wú)法通過(guò)充入稀有氣體隔絕空氣,采取由純水機(jī)組的原水泵抽取水箱中的水再次進(jìn)入純水機(jī)組純化的方式保持水質(zhì)。

3.3水箱隔板受力平衡問(wèn)題

水箱隔板的厚度與水箱側(cè)壁板厚度相同,滿水時(shí)隔板不受力,注水時(shí)為解決混合倉(cāng)2與均流倉(cāng)一側(cè)充水一側(cè)未充水引起水箱隔板受力不均衡的問(wèn)題,在水箱底部設(shè)置帶球門(mén)連通管,注水時(shí)打開(kāi),不注水時(shí)關(guān)閉。

3.4 水箱隔板、跌水盤(pán)及水槽與水箱主體連接

水箱隔板豎向兩邊折邊20 mm,采用焊接的方式與水箱連接;跌水盤(pán)及水槽用水箱隔板支撐,用5#角鋼與水箱主體焊接。水箱底板、側(cè)板、頂板厚度分別為3.0、2.5、1.5 mm,材質(zhì)為s30408。在水箱底部按照文獻(xiàn)[4]技術(shù)要求預(yù)留D89×4.5、D133×4.5帶法蘭的管道接口,頂部預(yù)留DN108×4帶法蘭的管道接口,接口中心正對(duì)跌水盤(pán)中心。頂部檢修口盡量靠近跌水盤(pán)以方便檢修。水箱內(nèi)頂部橫斷面如圖5所示。其他附件及基礎(chǔ)按照文獻(xiàn)[4]執(zhí)行,這里不再贅述。

4調(diào)試與運(yùn)行

上述施加外部條件對(duì)流體擾動(dòng)的技術(shù)措施中,除混水罐至水箱段的管路能相對(duì)準(zhǔn)確地計(jì)算外,混水罐內(nèi)圓盤(pán)位置、水躍、管束擾流時(shí)水面躍升高度及管束擾流時(shí)水阻力、水壅穩(wěn)定高度均不能準(zhǔn)確計(jì)算,需由設(shè)計(jì)者和施工者共同配合通過(guò)試驗(yàn)確定。試驗(yàn)在管路和水箱清洗時(shí)進(jìn)行,調(diào)試時(shí),水箱頂蓋暫不安裝,經(jīng)過(guò)調(diào)試得到結(jié)論如下:

1)圓盤(pán)保持水平,混水罐內(nèi)圓盤(pán)位置均在兩管軸心線下約178mm時(shí)混合劇烈,向四周穩(wěn)定均勻補(bǔ)水。

2)管束擾流時(shí)水面躍升高度在6~9 mm,圓管管束高度100 m時(shí)能保證水流未淹沒(méi)管束。

3)水流由跌水盤(pán)進(jìn)入水槽時(shí),存在液面高度,導(dǎo)致實(shí)際水力坡變大,當(dāng)水槽坡度為約31%時(shí),水流較為穩(wěn)定。

4)水流流經(jīng)管束時(shí),形成的水阻消耗了動(dòng)力,須調(diào)整管束后水槽的坡度。

5)在水槽的最后端設(shè)置豎向擋板,當(dāng)管束后的水槽坡度調(diào)整至約50%時(shí),水槽末端能夠形成穩(wěn)定的水壅現(xiàn)象,水壅高度約為70 mm,之后形成較為穩(wěn) 定的閘下出流,相應(yīng)的閘寬約130 mm,高度約98 mm。

5 結(jié)論

1)在水箱內(nèi)外,通過(guò)施加外部條件以消耗流體動(dòng)能和壓能促使流體擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)均勻混水,可以蓄熱降低水溫和水溫波動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)裝置的正常冷卻和制冷裝置的正常運(yùn)行,冷卻效果詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

2)采用消耗流體動(dòng)能和壓能促使流體擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)均勻混水的同時(shí),冷凍水和冷卻水的管路壓力未受到干擾。

本文所述Tokamak(托卡馬克)裝置雙回路冷卻水系統(tǒng)冷卻水箱設(shè)計(jì)已建成并投入順利使用,該技術(shù)已獲得專(zhuān)利授權(quán),專(zhuān)利號(hào):CN202322353372.X^[10]。

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2024年第14期第11篇