综述：关于被动余热回收系统中垂直管及管束上饱和池沸腾传热的参数化研究

《Annals of Nuclear Energy》：A parametric review of saturated pool boiling heat transfer over vertical tubes and tube bundles for passive residual heat removal systems

　　

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  对垂直管及管束上的饱和池沸腾现象进行了综述。
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  阐述了不同排列方式对传热性能的影响差异。
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  分析了影响传热性能的关键参数。
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  指出了该领域与未来研究之间的差距。

引言

核电站能够提供稳定可靠的能源供应，为众多行业带来便利并推动经济增长。与燃煤或燃油发电厂相比，核电站的碳排放更少（Michaelides & Michaelides, 2020）。然而，切尔诺贝利和福岛等事故引发了人们对核安全问题的担忧。这些核事故的严重后果凸显了被动余热排出系统的重要性，这类系统已被广泛应用于各类核反应堆中（Schulz, 2006, Bae et al., 2021, Sun et al., 2017, Zhidong et al., 2023）。

不同的核反应堆采用了多种不同的被动余热排出系统设计。Na等人（2020）提出了一种用于集成小型模块化反应堆的被动余热排出系统，该系统以应急冷却罐作为衰变热缓冲装置。李等人（2021）对CPR1000型反应堆的被动余热排出系统进行了改进，通过结合水冷和风冷方式提升其在长时间停电情况下的运行能力。Kim等人（2014）发明了一种专利化的SMART反应堆应急冷却罐设计方案，该方案利用风冷式换热器将蒸发的水重新冷凝并送回应急冷却罐中。Lyu等人（2019）为双回路压水反应堆设计了一种“环境冷却方案”，该方案通过循环热管提升系统的可靠性并减小冷却塔的尺寸。Lv等人（2016）为双回路压水反应堆设计了一种长期使用的被动余热排出系统，该系统集成了蒸汽发生器、带有C型管道/盘管的应急冷却罐以及风冷式换热器，从而实现两相和单相自然循环，并将冷却时间延长至72小时以上。Sun等人（2017）研究了HPR1000第三代+压水反应堆，该反应堆配备有二级应急被动余热排出系统，以水冷罐作为最终热沉，在电站停电情况下仍能保证核心部件至少72小时的冷却效果。Zhang等人（2012）对比了压水反应堆中采用风冷和水冷的被动余热排出系统，发现在水电站停电期间，水冷方式在快速排出衰变热方面更为有效（Zhang et al., 2011, Zhang et al., 2012）。在压水反应堆中，水冷式被动余热排出系统依然占据主导地位（Aksan et al., 2009），尤其是在AP1000这类第三代反应堆中，其IRWST中的被动余热排出系统依靠自然循环来传递衰变热。其他一些先进代的核电站也采用被动余热排出系统来保障系统安全（Nagatsuka et al.,2023; Xue et al., 2025）。

目前来看，大多数被动余热排出系统都是由浸没在水池中的多排垂直管组成，热量通过饱和池沸腾过程进行传递，这一过程与核电站中的原理类似，如图1所示。垂直管因其结构简单、效率较高，且能够承受较高的压力和温度，因此被广泛选用。垂直管上的饱和池沸腾现象并不仅限于核应用领域（即被动余热排出系统），在其他工业过程中也有出现，比如工艺用换热器（Adinarayana et al, 2024）、核反应堆核心区域（Bersano et al., 2024）、蒸汽发生器（Trunov et al., 2008）、地热能利用系统（Li and Lai, 2015）、制冷领域（Lazarek and Black, 1982）以及热能储存系统（Du et al., 2021）。

如前文所述，垂直管上的池沸腾现象在许多工业设施中被广泛应用，尤其是在核电站中，用于在紧急情况下为反应堆核心提供冷却。鉴于此，有必要开展针对性的综述研究，整合现有零散的研究成果，全面了解这种重要的沸腾现象——即垂直管上的池沸腾现象。

虽然已有许多关于池沸腾现象的综述文章发表，但这些文章大多聚焦于平面表面、水平管以及水平管束的相关研究（Fadhala and Hameed, 2025, Moharana et al., 2022, Swain and Das, 2014, Mohanty and Das, 2017, Dadhich and Prajapati, 2019, Liang and Mudawar, 2019, Mehralizadeh et al., 2020）。而专门针对垂直管的综述研究则相对较少。据作者所知，仅有一篇综述文章（Liu et al., 2019）探讨了被动余热排出系统中的垂直管相关问题。Liu等人（2019）研究了核电站被动余热排出系统中垂直管外表面的传热基本机制，总结了现有的相关公式及其对应的传热性能表现。该文章还对影响垂直管及管束上池沸腾现象的各种参数进行了全面分析。尽管已有大量关于垂直管上池沸腾现象的综述论文，但由于流动特性和气泡脱离机制存在显著差异，水平管配置下的气泡动力学特征和传热性能无法直接应用于垂直管场景（Jung and Kim, 2016）。

本研究对影响垂直管及管束上饱和池沸腾传热的各类关键参数进行了深入分析。与以往的综述文章不同，本文专门聚焦于垂直管及管束上的饱和池沸腾传热现象。本文详细分析了影响传热性能的各种设计参数、表面处理方式以及运行条件，同时比较了不同类型垂直管的传热性能。此外，本文还指出了需要进一步研究的重点领域，并提出了优化先进反应堆及热排出系统设计与预测建模的建议，以此打造更高效的热能管理系统。各部分的贡献内容详见表1，本文的整体结构如图2所示。

本文的结构安排如下：

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  第一部分介绍了本综述的背景、研究动机以及目标。
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  第二部分探讨了由管子排列方式不同所带来的沸腾机制差异，尤其着重分析了垂直管与水平管之间的区别。
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  第三部分综述了关于单个垂直管及管束上饱和池沸腾现象的实验研究、数值模拟研究以及理论分析成果，重点分析了各种参数的影响。
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  第四部分总结了目前用于预测垂直管上饱和池沸腾现象的模型。
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  第五部分总结了本综述的主要研究发现，指出了当前研究中的不足之处，并提出了未来研究的方向建议。

各章节要点

沸腾曲线的基本原理

图3展示了沸腾曲线（Nukiyama, 1966）。该曲线反映了单位面积上的热流密度——即单位时间内传递的热能量——与壁面过热度（ΔT = T_wall ? T_sat）之间的关系，其中T_wall为被加热表面的温度，T_sat为液体的饱和温度。该曲线还划分出了池沸腾过程中的不同传热阶段，这些阶段共分为四个区域，每个区域都受不同的物理机制支配。

在壁面过热度较低的情况下（第一区域，即

由管子排列方式带来的沸腾差异

管子的排列方式取决于具体的应用场景。在制冷、化工以及石化行业所使用的换热器中，通常优先选择水平排列的管子。而在核工业领域，包括反应堆核心、被动余热排出系统、蒸汽发生器、满液式蒸发器以及壶式再沸器等设备中，则更倾向于使用垂直排列的管子。许多发电厂也会采用倾斜管式的换热器和锅炉。本节将对此进行阐述

运行参数的影响

本节探讨了运行参数对垂直管及管束上饱和核态池沸腾传热的影响。表3、表4和表5分别汇总了关于单个垂直管及管束上饱和核态池沸腾现象的研究成果。下文将对各类参数的影响进行详细分析。

在分析过程中，采用以下方法来确定传热系数，具体方法如下所述。

热量

预测模型

目前已有多种预测模型和相关公式被开发出来，用于估算不同实验条件下的垂直管及管束的沸腾传热系数，相关内容见表13。早期的相关公式，如Chun和Kang（1996）提出的公式，主要是基于半经验性的功率定律形式来描述热流密度。虽然这类模型简单易用，但其适用范围较为有限，仅适用于特定范围内的单管结构

本研究在被动余热排出系统中的应用价值与局限性

本综述在实际被动余热排出系统中的应用价值与局限性总结见表15。本文分析了在受控条件下进行的池沸腾实验结果，这些实验条件包括常压、去离子水以及稳态热流密度等，通过这些实验，本文深入了解了气泡动力学特性、沸腾传热系数、传热系数的提升机制，以及管子几何形状、管束结构以及表面特性对沸腾性能的影响。

研究结论总结

本文研究了多种因素如何影响被动余热排出系统以及垂直式换热器中所使用的单个垂直管和管束上的池沸腾现象。文章详细分析了几何结构、运行条件以及流体特性等因素对沸腾性能和气泡行为的影响。此外，本文还介绍了现有的经验公式，分析了这些公式的实验误差与精度，并评估了它们在不同工况下的适用性

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

Bibhu Bhusan Sha|Mihir Kumar Das