0引言

文獻[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[2]對其水冷系統(tǒng)采用單、雙回路即工藝側(cè)冷卻水和冷源側(cè)冷凍水回路做出對比分析,指出雙回路優(yōu)于單回路。本文對雙回路水冷系統(tǒng)的水箱及混水設(shè)計方案進行介紹。

試驗室由單層廠房改造,現(xiàn)場安裝條件有限,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臺及純水機組放置在長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、純水機組通過管道連接,設(shè)計時考慮冷卻水箱、循環(huán)水泵、制冷裝置、純水機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)存儲足夠量的水,以供試驗時裝置使用,緩解水源供水不足問題;2)降低試驗裝置試驗時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,為制冷裝置和試驗裝置提供相對穩(wěn)定的進水溫度,維持制冷裝置正常運行;3)純化水的儲水箱,純水機組通過水箱向冷卻水系統(tǒng)補水;4)避免制冷裝置側(cè)與試驗裝置側(cè)冷卻水壓力相互干擾從而引起流量變化。冷卻水箱實際是集儲水、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[1]指出,水箱容積足夠大,供水箱儲存足夠容量的水,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,避免冷卻水溫過高和水溫波動,為制冷裝置和試驗裝置提供相對恒定的進水溫度,有效解決制冷裝置工作狀態(tài)不穩(wěn)定和試驗裝置冷卻問題。

對于試驗裝置有:

對于冷卻水有:

Q2=cρVΔt          (2)

式中:Q1為試驗裝置向冷卻水的總放熱量;Qi為試驗裝置向冷卻水的瞬時放熱量;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為試驗裝置的冷卻水進、出水溫差;t_outi為試驗裝置的冷卻水出水瞬時溫度;t_ini為試驗裝置的冷卻水進水瞬時溫度;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。

試驗裝置釋放熱量51.84MJ,選用的制冷裝置進水允許變化溫度±2℃,為保證制冷裝置和試驗裝置的進水溫度,以2℃溫升計算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[4-5],水箱容積為4.0 m3最接近該值。

2冷卻水箱設(shè)計

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

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

2.2.1通過外部攪拌裝置實現(xiàn)流體混合均勻

通過在水箱頂部設(shè)置攪拌裝置,使得流體內(nèi)部劇烈擾動實現(xiàn)均勻混合。此方法比較簡單,容易實現(xiàn),存在問題:1)水箱依據(jù)文獻[4-5]設(shè)計選用時是一種靜置裝置,設(shè)置攪拌裝置會引起額外的荷載和振動,需對文獻[4-5]水箱進行加固設(shè)計;2)消耗額外電能;3)流體流動時水泵提供的壓能和動能沒有利用;4)需要額外的投資。

2.2.2利用流體能量實現(xiàn)混合均勻

試驗裝置側(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能,利用水自身壓能和動能實現(xiàn)混合。通過施加外界條件,增加水流在水箱、管道內(nèi)的流程,在流動的路徑上施加各種擾動措施。工程中的流動多為湍流,利用湍流自身擾動、施加外部條件使水流發(fā)生飛濺、撞擊、水躍、繞流等,均可實現(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℃ ,水的運動粘度1.011 ×10^-6 m2/s^[6])。試驗裝置側(cè)冷卻水流量16.8 m³/h;主管變徑至D76×6.5時,流速為1.25 m/s,雷諾數(shù)為156 803。經(jīng)過計算兩管口中心正對,間距為0.4 m時,距兩管出口中點下約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,水流撞擊后由圓盤向四周均勻布水,后跌入圓筒底部水池。圓筒選用D500×9無縫鋼管,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)過突縮進入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,同時發(fā)生混合。為使流動能持續(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斷面之間流動應(yīng)滿足流體力學連續(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;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[6]的公式計算值為0.466 4,經(jīng)計算Z₁-Z₂即高差為0.501 m即可滿足連續(xù)流動。斷面1-1管道D500×9流速0.11 m/s時,流動比摩阻0.28 pa/m,流動的沿程阻力可以忽略。斷面2-2處管道D109×4.5內(nèi)的流動比摩阻796.41pa/m,按最大長度0.5m計算水阻力為796.41pa(0.08mH₂O),將計算Z₁-Z₂值修正0.08m,即高差0.581 m。進入突縮后的直段設(shè)計為0.4 m,混水罐內(nèi)設(shè)計水位0.2 m。

2.2.2.3 圓管管束擾流混合

冷卻水跌落水盤后連接矩型水槽,水槽采用不銹鋼板制作,形成明渠流動,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[6]明渠均勻流基本公式,經(jīng)過試算,水力坡度即坡度為37%時,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。

流體掠過管束換熱時,擾動越強換熱系數(shù)越大,同樣外界擾動越強流體混合效果越顯著。流速1.80 m/s時,依據(jù)文獻[7],雷諾數(shù)大于200 000時才能形成紊流邊界層,此時管道直徑112.49 mm,在水槽內(nèi)無法形成管束。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[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,水槽內(nèi)水流實現(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

通過水壅也可以實現(xiàn)流動擾動混合,明渠流動水壅及水壅高度無法準確計算,可在方形水槽末端設(shè)置擋水板,通過調(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確定。

2.3水箱設(shè)計

上已述及,水箱容積初選4.0 m3左右,標準水箱的規(guī)格為2 m×2 m×1m(內(nèi)部尺寸),現(xiàn)場無法放置,選用文獻[4]中的非標準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個體積相等的隔倉,加強擾動的同時,阻隔冷卻水因?qū)α髁鲃右鸬乃疁貍鞑?防止高溫水被吸入水泵進入制冷裝置或試驗裝置。跌水盤及矩形水槽設(shè)置在水箱上部,設(shè)置的隔板可以支撐上部的跌水盤及矩形水槽。上部經(jīng)過跌水盤和水槽混合過的冷卻水先進入混合倉1,通過設(shè)置在底部的孔板進入混合倉2,由混合倉2通過設(shè)置在頂部的孔板進入均流倉,流動過程如圖4所示。左側(cè)隔板頂部孔板設(shè)置D12圓孔407個,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,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跌水盤的受力及其厚度

依據(jù)文獻[7]恒定總流動量方程,取圖2中2-2至3-3之間流體作為控制體,計算跌水盤的承受力為120.96 N,按其作用的最小作用面積直徑100mm的圓計算壓力為15 401.54 pa,相當于1.54 mH₂O,跌水盤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度要求。

3.2水箱內(nèi)的水質(zhì)問題

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

3.3水箱隔板受力平衡問題

水箱隔板的厚度與水箱側(cè)壁板厚度相同,滿水時隔板不受力,注水時為解決混合倉2與均流倉一側(cè)充水一側(cè)未充水引起水箱隔板受力不均衡的問題,在水箱底部設(shè)置帶球門連通管,注水時打開,不注水時關(guān)閉。

3.4 水箱隔板、跌水盤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[4]技術(shù)要求預留D89×4.5、D133×4.5帶法蘭的管道接口,頂部預留DN108×4帶法蘭的管道接口,接口中心正對跌水盤中心。頂部檢修口盡量靠近跌水盤以方便檢修。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[4]執(zhí)行,這里不再贅述。

4調(diào)試與運行

上述施加外部條件對流體擾動的技術(shù)措施中,除混水罐至水箱段的管路能相對準確地計算外,混水罐內(nèi)圓盤位置、水躍、管束擾流時水面躍升高度及管束擾流時水阻力、水壅穩(wěn)定高度均不能準確計算,需由設(shè)計者和施工者共同配合通過試驗確定。試驗在管路和水箱清洗時進行,調(diào)試時,水箱頂蓋暫不安裝,經(jīng)過調(diào)試得到結(jié)論如下:

1)圓盤保持水平,混水罐內(nèi)圓盤位置均在兩管軸心線下約178mm時混合劇烈,向四周穩(wěn)定均勻補水。

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

3)水流由跌水盤進入水槽時,存在液面高度,導致實際水力坡變大,當水槽坡度為約31%時,水流較為穩(wěn)定。

4)水流流經(jīng)管束時,形成的水阻消耗了動力,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,當管束后的水槽坡度調(diào)整至約50%時,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,通過施加外部條件以消耗流體動能和壓能促使流體擾動實現(xiàn)均勻混水,可以蓄熱降低水溫和水溫波動從而實現(xiàn)試驗裝置的正常冷卻和制冷裝置的正常運行,冷卻效果詳見文獻[1]。

2)采用消耗流體動能和壓能促使流體擾動實現(xiàn)均勻混水的同時,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)計已建成并投入順利使用,該技術(shù)已獲得專利授權(quán),專利號:CN202322353372.X^[10]。

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2024年第14期第11篇