㊀第38卷ꎬ总第221期2020年5月ꎬ第3期
«节能技术»
ENERGYCONSERVATIONTECHNOLOGY
Vol 38ꎬSum No 221
May 2020ꎬNo 3㊀
气溶胶的喷淋去除特性实验研究
魏严凇1ꎬ田林涛2ꎬ谷海峰2ꎬ陈君岩2ꎬ于汇宇2
(1.中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究部ꎬ北京㊀102413ꎻ
2.哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室ꎬ黑龙江㊀哈尔滨㊀150001)
摘㊀要:当核电厂发生严重事故时ꎬ大量的放射性裂变产物会聚集在安全壳中ꎬ对外界的环境产生威胁ꎮ而安全壳喷淋系统可以通过喷淋液滴对安全壳内的气溶胶进行清除ꎮ为了研究喷淋液滴对气溶胶去除的影响ꎬ使用源项气溶胶行为特性实验平台ꎬ选择标准实心锥喷雾喷嘴进行喷淋实验ꎮ研究了喷淋液滴对不同粒径气
溶胶去除的影响以及不同工况下的液滴对各粒径气溶胶去除的影响ꎮ实验结果显示ꎬ喷淋液滴可以快速的去除容器内的气溶胶颗粒ꎻ对于同一喷嘴ꎬ随喷淋压力的升高产生的喷淋液滴索特中值粒径会变小ꎮ而液滴的索特中值粒径越小对气溶胶的去除速率越快ꎮ
关键词:严重事故ꎻ气溶胶ꎻ喷淋去除ꎻ喷嘴ꎻ液滴
中图分类号:TK124㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1002-6339(2020)03-0217-04
ExperimentalStudyontheRemovalCharacteristicsofAerosolby
SpraySystem
WEIYan-song1ꎬTIANLin-tao2ꎬGUHai-feng2ꎬCHENJun-yan2ꎬYUHui-yu2(1.DepartmentofReactorEngineeringTechnologyꎬChinaInstituteofAtomicEnergyꎬBeijing110136ꎬChinaꎻ2.FundamentalScienceonNuclearSafetyandSimulationTechnologyLaboratoryꎬHarbin150001ꎬChina)
reactor technology
Abstract:Whenaseriousaccidentoccursinanuclearpowerplantꎬalargeamountofradioactivefissionproductswillaccumulateinthecontainmentꎬposingathreattotheexternalenvironment.Thecontain ̄mentspraysystemcanremoveaerosolinsidethecontainmentbysprayingdroplets.Inordertostudytheinfluenceofspraydropletsonaerosolremovalꎬthesourceaerosolbehaviorcharacteristicexperimentplat ̄formwasusedtoselectastandardsolidconespraynozzleforsprayexperiment.Theeffectofspraydrop ̄letsontheremovalofaerosolswithdifferentparticlesizesandtheeffectofdropletsontheremovalofaerosolswithdifferentparticlesizesunderdifferentworkingconditionswerestudied.Theexperimentalre ̄sultsshowthatthespraydropletscanquicklyremovetheaerosolparticlesinthecontainerꎻforthesamenozzleꎬtheSautermeandiameterofthespraydropletsgenerate
dwiththeincreaseofthespraypressurewillbecomesmaller.ThesmallertheSautermeandiameterofthedropletsꎬthefastertheaerosolremovalrate.Keywords:severeaccidentꎻaerosolꎻsprayremovalꎻnozzleꎻdroplet
收稿日期㊀2020-01-10㊀㊀修订稿日期㊀2020-04-10
基金项目:国家自然科学基金资助项目(11705036)
作者简介:魏严凇(1983~)ꎬ男.硕士研究生ꎬ副研究员ꎬ现从事于反应堆安全和事故分析方向研究ꎮ
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㊀㊀随着当今时代的发展ꎬ能源紧缺成了社会上的一个焦点问题ꎮ而核能作为一种高效的清洁能源ꎬ可以在高效无污染的条件下解决能源紧缺的问题ꎮ核电厂通过使用核能进行发电ꎬ可以减少煤炭资源的使用保护我们生存的环境ꎬ同时能大大缓解资源紧缺的问题ꎮ但是核能在使用过程中必须注意安全问题ꎮ核电厂发生严重事故时ꎬ如一回路破口(即LOCA事件)ꎬ会有大量的裂变产物从一回路泄露到安全壳中[1]ꎮ进入到安全壳内的放射性裂变产物主要以气体和气溶胶的形式存在ꎬ它们在安全壳内会有聚集㊁迁移和沉
降等多种行为ꎬ这些行为会受到安全壳辅助安全设施的影响[2]ꎮ核电厂在发生严重事故时ꎬ安全壳内的温度和压力会迅速升高ꎬ此时通过启动安全喷淋系统对释放到安全壳内的高温高压的蒸汽进行冷凝ꎬ降温减压[3]ꎻ同时ꎬ由于喷淋液滴与安全壳内气空间中气溶胶的相互作用ꎬ可以去除安全壳内大部分的放射性气溶胶ꎮ由于喷淋装置同时具有抑制压力㊁降低温度和去除气溶胶的多重作用ꎬ在许多核动力装置中都设计了喷淋系统ꎮ喷淋系统对气溶胶的去除主要是通过喷淋液滴与气溶胶颗粒之间的相互作用完成的ꎮ主要包括机械力和电泳力的影响[4]ꎮ机械力主要包括液滴由于惯性碰撞㊁拦截和布郎扩散附着在液滴表面或内部被去除ꎮ而电泳力主要是由于喷淋液滴与安全壳内部环境相互作用产生的ꎮ主要包括由于液滴和气空间环境之间的温度差导致的热泳沉积以及液滴和气空间环境之间的浓度差造成的扩散泳沉积ꎮ目前国内外关于安全壳内气溶胶行为特性实验研究相对较少ꎮPorcheronE[6]使用TOSQAN装置研究了喷淋液滴对气溶胶去除的影响ꎬ得到了单液滴对气溶胶的去除效率ꎬ但是其实验过程中所使用的液滴相对较小ꎮAdadelCorno[7-8]进行了相关实验ꎬ研究了高压下喷淋液滴对气溶胶去除的影响ꎬ得到了喷淋压力与气溶胶衰减常数间的关系ꎬ但是其实验工况比较极限ꎬ与实际情况有较大的差异ꎮ本次实验主要对标准实心锥喷雾喷嘴雾化特性进行测量ꎮ并研究了喷淋液滴对不同粒径的TiO2气溶胶颗粒去除的影响ꎻ得到了不同喷嘴在不同喷淋工况下对气溶胶去除的效果ꎮ建立了相应的喷淋实验数据库并为喷淋系统的设计提供了一定的思路ꎮ
1㊀经验平台及实验方法
1.1㊀实验平台
本实验是常温常压实验ꎮ源项气溶胶行为特性实验平台(见图1)主要包括:主实验容器㊁源项气溶
胶配送系统㊁取样测量系统ꎬ喷淋系统以及污水处理
系统ꎮ主实验容器为长宽高为1mˑ1mˑ1.5m的
长方体容器ꎬ材料选用透明度较好的有机玻璃ꎬ可以
实时对容器内部环境进行可视化观察ꎻ源项气溶胶
配送系统主要由空气压缩机和气溶胶发生器㊁干燥
管以及相应的管路阀门组成ꎬ用于向容器内配送气
溶胶颗粒ꎻ取样测量系统主要由6mm的不锈钢管
组成ꎬ在容器顶部和正面布置ꎮ通过内外伸缩实现
对不同位置处的气溶胶进行取样ꎮ使用粒径谱仪对
容器内各位置处气溶胶分布进行测量[5]ꎮ喷淋系统主要是通过水箱进行水的供给ꎬ使用流量计和喷
嘴升降器来控制喷淋流量与喷淋覆盖面积ꎻ此外在
主实验容器上还装有温度计和压力表ꎬ对容器内部
的压力和温度进行实时测量ꎻ容器顶部安装鼓风机
在实验结束后将容器内部气体环境与外界空气环境
进行置换用以对容器内部残余的气溶胶进行清理ꎮ1.2㊀气溶胶的选择及测量
本次实验为非放射性实验ꎬ选择多分散TiO2颗
粒作为实验用气溶胶[9]ꎮTiO2为白粉末状颗粒ꎬ使用较为安全和方便ꎬ粉末质量㊁中值粒径㊁吸湿性等性质与实际核电厂中的放射性气溶胶也较为相似ꎮ测量得到TiO2粒径分布见图2ꎬ计数中位数粒径(CMD)为0.67μmꎮ使用TSI公司的TOPASSAG410气溶胶发生器向容器内部进行气溶胶的配送ꎮ通过取样测量的方式在不同时间对容器内部各个位置处的气溶胶进行取样测量ꎬ测量仪器使用基于白光源原理的Welas粒径谱仪
图1㊀实验装置
1.3㊀实验步骤
为了准确的得到气溶胶数量浓度随喷淋的变化ꎬ每次实验进行若干次喷淋ꎮ在气溶胶配送完毕之后ꎬ静置一段时间使容器内部气溶胶均匀分布ꎮ之后打开粒径谱仪对容器内中心位置处气溶胶进行取样测量ꎬ取样完成后进行第一次喷淋ꎬ喷淋时间为2minꎬ在喷淋结束后ꎬ再次对同一位置进行取样测
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图2㊀TiO2粒径分布
量ꎮ之后进行下一次喷淋ꎬ直至容器内部的气溶胶含量接近空气本底时停止喷淋ꎮ此时喷淋实验结束进行数据拷贝和分析ꎮ
2㊀实验结果及分析
2.1㊀喷嘴雾化特性的研究
喷淋实验中ꎬ不同类型的喷嘴有着不同的雾化
特征ꎮ同时相同喷嘴在不同的喷淋流量/压力下产
生的喷雾液滴也有较大的区别[10]ꎮ液滴的不同会对气溶胶的去除产生一定的影响ꎮ在本次实验中主要选择了标准实心锥喷雾喷嘴进行实验ꎬ选择GG㊁HH㊁EMP三种型号的喷嘴ꎮ并在喷淋实验之前使用基于光学透射法原理的HELOS-R粒度仪对所
选用的各个喷嘴喷淋雾化特性进行了测量ꎮ本次实验所选用的喷嘴的喷淋压力在0.05~5MPa之间ꎬ产生的喷淋液滴的索特中值粒径(SMD)在280~600μm之间ꎮ通过实验测量得到了不同喷嘴产生的喷淋液滴SMD与喷淋液压力之间的关系ꎬ如图3所示ꎮ对于本次实验所选用的喷嘴ꎬ喷淋产生的喷淋
液滴的索特中值粒径与压力呈反比的关系ꎬ随着压力的增大ꎬ其粒径逐渐减小ꎮ同时可以看到ꎬ对于标准实心锥喷雾喷嘴ꎬ当喷淋压力一定时ꎬ不同型号的喷嘴产生的喷淋液滴SMD也基本相同
图3㊀喷淋液滴索特中值粒径(SMD)与喷淋压力之间的关系
同时得到了标准实心圆锥型喷雾喷嘴喷淋流量与雾化液滴SMD之间的关系ꎬ见图4ꎮ随着喷淋流量的增大ꎬ雾化液滴SMD线性下降ꎮ因此可以通过差分的方法得到不同型号的喷嘴在实验所需流量下喷淋液滴的SMD
图4㊀喷淋液滴索特中值粒径(SMD)与喷淋流量之间的关系
2.2㊀喷淋液滴对气溶胶去除的影响
使用GG型号喷嘴在700L/h的流量下进行实验ꎬ此时喷淋液滴SMD为325μmꎬ喷嘴距离容器顶部距离为325cmꎮ整个实验过程经过14次喷淋ꎬ每次喷淋时间为2minꎬ总计1680sꎮ分别在每次喷淋前后进行取样测量ꎬ取样位置为容器内部中心位置ꎮ
对实验数据进行整理ꎬ得到每次喷淋结束后容器中心位置处气溶胶的数量浓度及粒径分布ꎬ见图5ꎮ喷淋开始前ꎬ即容器内部初始气溶胶数量浓度约为1.5ˑ105/cm3ꎬ图中 0 号线气溶胶粒径分布即为初始气溶胶粒径分布ꎮ第一次喷淋结束后ꎬ
容器内大于1μm的气溶胶颗粒迅速的减少ꎬ大于
2μm的气溶胶颗粒基本去除ꎻ第二次喷淋后ꎬ大于1μm的气溶胶颗粒基本已经完全去除ꎮ喷淋液滴对1μm以上的气溶胶的去除速率远远大于1μm以下的气溶胶颗粒ꎮ经过约14次喷淋后ꎬ容器内部的气溶胶数量浓度已沉降至约3ˑ103/cm3左右ꎬ此时喷淋液滴对容器内小于1μm的各粒径气溶胶的去除作用已经相对较低ꎬ因此结束实验ꎮ实验结束后所有粒径气溶胶的去除率皆在94%以上ꎬ大于
0.91μm的气溶胶颗粒被完全去除ꎮ
为了研究不同粒径气溶胶颗粒的去除速率ꎬ选
取0.2~1.5μm之间的数个粒径的气溶胶(0.25μm㊁0.32μm㊁ ㊁1.01μm㊁1.26μm)并得到了其数量浓度随喷淋时间的变化ꎬ如图6所示ꎮ由于每个粒径的气溶胶颗粒初始数量浓度并不相同ꎬ因而使用归一化数量浓度来表征各粒径气溶胶的衰
减速率ꎮ实验开始后1.01μm㊁1.26μm的气溶胶颗粒随喷淋的进行迅速下降ꎬ小于1μm粒径气溶
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图5㊀喷淋次数对气溶胶粒径分布的影响
胶的去除速率相对较慢ꎮ随着气溶胶粒径的增大ꎬ去除速率逐渐增大ꎮ同时得到了整个粒径谱CMD随时间的变化ꎮ前两次喷淋结束后ꎬ气溶胶CMD从
1.1μm迅速降低到0.9μm左右ꎬ之后随着喷淋的进行下降速度逐渐变慢ꎬ这也说明大于1μm的气溶胶颗粒的去除速率远快于1μm以下的气溶胶颗粒
图6㊀不同粒径气溶胶及其CMD随喷淋时间的变化
计算得到各粒径气溶胶的喷淋去除衰减常数ꎬ见图7ꎮ对于粒径为0.3~2μm的气溶胶颗粒ꎬ其衰减常数分布在0.001~0.012/s之间ꎬ远远大于相同粒径气溶胶颗粒的自然沉积衰减常数ꎮ小于
1μm的气溶胶颗粒衰减常数基本小于0.003/sꎬ当气溶胶粒径大于1μm后ꎬ衰减常数迅速上升ꎮ同时可以看到ꎬ随着气溶胶粒径的增大ꎬ其衰减常数呈先下降后上升的趋势ꎬ气溶胶最低穿透粒径为0.42μmꎮ当气溶胶颗粒小于0.1μm时ꎬ布郎扩散主导气溶胶的去除ꎮ气溶胶颗粒主要依靠无规则布朗运动扩散至液滴表面被液滴所去除ꎬ粒径越小ꎬ颗粒由于布朗扩散被液滴所捕捉的概率就越大ꎮ而对于粒径大于1μm的气溶胶颗粒ꎬ主要依靠扩散和拦截作用附着在液滴上被去除ꎬ颗粒越大ꎬ颗粒由于拦截和惯性碰撞被液滴所捕捉的几率就越大ꎮ本次实验所用气溶胶粒径主要分布0.3~2μm之间ꎮ因此ꎬ随着粒径的增大ꎬ衰减常数先减后增
图7㊀气溶胶衰减常数随粒径的变化
2.3㊀喷嘴特性对气溶胶去除的影响
使用HH型号喷嘴分别在200L/h㊁300L/h㊁
360L/h㊁400L/h㊁480L/h流量下进行实验ꎮ得到了不同喷淋流量下不同粒径气溶胶的衰减常数ꎬ如图8所示ꎮ对于确定粒径的气溶胶颗粒ꎬ喷嘴喷淋流量越大其衰减常数越大ꎮ这是由于对于同一型号喷嘴ꎬ随着喷淋流量的增大ꎬ液滴粒径逐渐减小ꎬ并且液滴数目以及液滴速度都会迅速增加ꎬ这些因素
的存在都有利于加强气溶胶颗粒与液滴间的相互作用ꎬ从而使得气溶胶颗粒更容易被喷淋液滴所去除ꎮ同时随着气溶胶颗粒的增大ꎬ其衰减常数皆呈先减小后增大的趋势ꎮ当流量为200L/h时ꎬ喷淋液滴SMD为390μmꎮ对于0.3~1.5μm的TiO2颗粒ꎬ衰减常数在0.0003~0.002/s之间ꎬ最低穿透粒径为0.5μmꎮ而当流量为480L/h时ꎬ此时液滴SMD约为180μmꎮ此时衰减常数分布在0.004~0.06/s
之间ꎬ并且此时最低穿透粒径在0.42μm附近ꎮ对比其它喷淋流量下的气溶胶最低穿透粒径ꎬ可以发现
随着喷淋流量的增加㊁液滴SMD的减小ꎬ最低穿透粒径也逐渐减小
图8㊀HH型喷嘴对气溶胶去除的影响
同样在GG型号喷嘴下进行喷淋实验ꎮ喷淋流量分别选择为400L/h㊁500L/h㊁700L/h㊁800L/hꎬ实验结果见图9ꎮ在低流量下ꎬ如流量为400L/h
(下转第234页)
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(上接第220页)
时ꎬ液滴SMD为467μmꎮ此时最低穿透粒径在0.6~0.7μm之间ꎬ但并不明显ꎮ所有粒径气溶胶衰减常数分布在在0.0006~0.002/s之间ꎻ而在高流量下ꎬ如喷淋流量为800L/h时ꎬ液滴SMD为310μmꎮ此时衰减常数分布在0.0012~0.018/s之间ꎮ而最低穿透粒径在0.3μm之前ꎮ实验结果规律与HH型号喷嘴基本一致ꎮ同时发现ꎬ当使用GG型号喷嘴时ꎬ当气溶胶颗粒粒径大于1μm时ꎬ衰减常数皆呈迅速上升
图9㊀GG型喷嘴对气溶胶去除的影响
3㊀结论
本文选择TiO2气溶胶ꎬ使用源项气溶胶行为特
性实验平台ꎬ通过一系列的实验ꎬ研究了喷淋液滴对安全壳内气溶胶去除的影响ꎬ得到了以下结论:
对于标准实心锥喷雾喷嘴ꎬ喷淋压力一定时ꎬ不同喷嘴雾化产生的喷淋液滴SMD基本相同ꎮ随着喷淋流量的增大ꎬ雾化液滴SMD以线性关系逐渐减小ꎻ
使用GG喷嘴在700L/h的喷流量下进行喷淋实验ꎬ喷淋4min后大于1μm的气溶胶基本去除完毕ꎻ喷淋约1680s后ꎬ容器内部气溶胶由1.5ˑ105/cm3衰减至3ˑ103/cm3ꎮ气溶胶衰减常数随粒径的增大而先减小后增大ꎬ其变化范围为0.001~0.013/sꎬ最低衰减常数对应0.43μm的气溶胶颗粒ꎻ
对于确定的标准实心锥喷雾喷嘴ꎬ随喷淋流量和喷淋压力的增大ꎬ气溶胶的去除速率逐渐变快ꎬ同时最低衰减常数对应气溶胶粒径逐渐变小ꎮ
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