摘 要：針對Tokamak（托卡馬克）裝置緊急向冷卻水釋放的熱量，提出采用水箱存水蓄熱降溫的設計方案，并以水箱連接試驗裝置冷卻水回路和制冷側冷凍水回路，依據試驗裝置工作進水水溫和制冷裝置工作進水水溫允許變化范圍，計算出水箱蓄水量。利用冷卻水、冷凍水回路流體的壓能和動能混合冷卻水和冷凍水，并對混合的流動過程施加湍流擾動、撞擊，將管內流動轉化為明渠流動，利用水力現象水躍、管束繞流和水壅促使其擾動達到混水效果，為降低制冷裝置制冷量提供條件，保證Tokamak（托卡馬克）裝置冷卻水系統(tǒng)正常運行。

關鍵詞：冷卻水；冷凍水；雷諾數；水箱

中圖分類號：TL33" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0050-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.011

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、雙回路即工藝側冷卻水和冷源側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)的水箱及混水設計方案進行介紹。

試驗室由單層廠房改造，現場安裝條件有限，冷卻水系統(tǒng)的設備除制冷裝置外，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，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）避免制冷裝置側與試驗裝置側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。

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=4 186.8 J/（kg·℃）[3]；q為冷卻裝置的冷卻水質量流量；Δti為試驗裝置的冷卻水進、出水溫差；touti為試驗裝置的冷卻水出水瞬時溫度；tini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51.84 MJ，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6 190.89 L。由于冷凍水、冷卻水管路充滿水，經計算管道內水容量為2 254.38 L，水箱容量至少3 936.51 L。依據文獻[4-5]，水箱容積為4.0 m3最接近該值。

2" " 冷卻水箱設計

2.1" " 水箱的冷卻水接管

依據冷熱分層原理，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" " 冷卻水混水設計

試驗裝置側冷卻水與制冷裝置側冷凍水混合均勻才能實現：溫升2 ℃時6 190.89 L的水蓄熱51.84 MJ。因此，混合均勻是冷卻水混水設計的關鍵。

2.2.1" " 通過外部攪拌裝置實現流體混合均勻

通過在水箱頂部設置攪拌裝置，使得流體內部劇烈擾動實現均勻混合。此方法比較簡單，容易實現，存在問題：1）水箱依據文獻[4-5]設計選用時是一種靜置裝置，設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" " 利用流體能量實現混合均勻

試驗裝置側冷卻水與制冷裝置側冷凍水均配置循環(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混合。通過施加外界條件，增加水流在水箱、管道內的流程，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，均可實現混合。

2.2.2.1" " 兩股流體撞擊飛濺混合

制冷裝置側冷凍水流量56 m3/h；主管選用D133×4無縫鋼管，流速為1.27 m/s，相應的雷諾數為85 219（20 ℃，水的運動粘度1.011×10-6 m2/s[6]）。試驗裝置側冷卻水流量16.8 m3/h；主管變徑至D76×6.5時，流速為1.25 m/s，雷諾數為156 803。經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；經過突縮進入D109×4.5的管道，流速為2.58 m/s，相應的雷諾數為254 805。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，不出現斷流或空化現象，圖2中1-1斷面與2-2斷面之間流動應滿足流體力學連續(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；Pl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。

使用管道連接水箱內部與混水罐使其壓力相等，則有P1=P2，斷面1-1處流速0.11 m/s，ζ按照文獻[6]的公式計算值為0.466 4，經計算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內的流動比摩阻796.41 Pa/m，按最大長度0.5 m計算水阻力為796.41 Pa（0.08 mH2O），將計算Z1-Z2值修正0.08 m，即高差0.581 m。進入突縮后的直段設計為0.4 m，混水罐內設計水位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，依據文獻[6]明渠均勻流基本公式，經過試算，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，依據文獻[7]，雷諾數大于200 000時才能形成紊流邊界層，此時管道直徑112.49 mm，在水槽內無法形成管束。退而求其次，將雷諾數在500～200 000湍流狀態(tài)[7]視為混合工況，結合文獻[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，相應的雷諾數177 780，三角叉排管束擾動，水槽內水流實現混合。水槽內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置擋水板，通過調節(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×1 m（內部尺寸），現場無法放置，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，初選水箱內部寬1.0 m、長1.5 m、高3.0 m。為增加水在水箱內的流程在水箱內設置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，阻隔冷卻水因對流流動引起的水溫傳播，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置在水箱上部，設置的隔板可以支撐上部的跌水盤及矩形水槽。上部經過跌水盤和水槽混合過的冷卻水先進入混合倉1，通過設置在底部的孔板進入混合倉2，由混合倉2通過設置在頂部的孔板進入均流倉，流動過程如圖4所示。左側隔板頂部孔板設置D12圓孔407個，流速為0.439 3 m/s，11行37列布置；底部孔板設置D10圓孔333個，流速為0.773 2 m/s，孔縱向間距25 mm，橫向50 mm，9行33列布置。

水箱內水深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100 mm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，選用與水箱側壁板同厚不銹鋼板滿足強度要求。

3.2" " 水箱內的水質問題

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。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。

3.3" " 水箱隔板受力平衡問題

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

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、側板、頂板厚度分別為3.0、2.5、1.5 mm，材質為S30408。在水箱底部按照文獻[4]技術要求預留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。水箱內頂部橫斷面如圖5所示。其他附件及基礎按照文獻[4]執(zhí)行，這里不再贅述。

4" " 調試與運行

上述施加外部條件對流體擾動的技術措施中，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，調試時，水箱頂蓋暫不安裝，經過調試得到結論如下：

1）圓盤保持水平，混水罐內圓盤位置均在兩管軸心線下約178 mm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）水流流經管束時，形成的水阻消耗了動力，須調整管束后水槽的坡度。

5）在水槽的最后端設置豎向擋板，當管束后的水槽坡度調整至約50‰時，水槽末端能夠形成穩(wěn)定的水壅現象，水壅高度約為70 mm，之后形成較為穩(wěn)定的閘下出流，相應的閘寬約130 mm，高度約98 mm。

5" " 結論

1）在水箱內外，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均勻混水，可以蓄熱降低水溫和水溫波動從而實現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)冷卻水箱設計已建成并投入順利使用，該技術已獲得專利授權，專利號：CN202322353372.X[10]。

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[10] 王爭利，李星，王潔，等.一種用于TOKAMAK試驗裝置的外部混水裝置：CN202322353372.X[P].2024-02-20.

收稿日期：2024-04-01

作者簡介：王爭利（1982—），男，陜西西安人，工程師，注冊設備公用設備工程師（暖通空調），研究方向：工業(yè)設備工藝冷卻。

通信作者：李星（1980—），男，陜西西安人，工程師，研究方向：工業(yè)設備工藝冷卻。