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核空气净化系统过滤小室内气流均匀性的实验研究12江锋，杨使，叶王遂生（清华大学核能技术设计研宄院，北京100084）须满足要求文摘：在核反应堆中，防止放射性尘埃随空气泄漏的核空气净化系统的小室内气流如果不均匀，会导致系统效率检测失效，造成严重后果。该文介绍了小室内气流流场均匀性的实验研究过程：实验台的搭建。所研究的工况及测量手段等。针对有3台过滤器的过滤小室，对不同工况和整流器整流角下的流场均匀性进行了分析，得出如下结论：1）没有整流器时，过滤器的整流效果很好：没有过滤器的小室气流很不均匀，仅有一级过滤器的气流均匀性已有明显改观，经两级过滤器后的气流则很均匀；2）整流器对流场的整流作用明显，而且必然能找到满足气流均匀性的整流角；3）整流器对有两级过滤器的气流影响很小。
941：A核空气净化系统的主要任务是通过安装在过滤器小室内的中效过滤器和高效空气粒子（high efficientparticleair，HEPA）过滤器的高效除尘作用，把反应堆排风气体中带放射性的颗粒过滤掉，使排出的气体中的放射性水平低于国家标准限值，以保护周围人员的安全及环境不被污染在核空气净化系统投入运行前，必须进行现场检测由于检测工况与实际运行工况有区别，要求检测工况下经过HEPA过滤器的气流场必须均匀，否则将会使验收的系统总效率不能反映真实效率。美国核空气处理系统测试标准（ASMEN510-1989第8.6.2节）对过滤器排架断面上的流速均匀性作出了明确规定：断面上某点的取样速度不应超过断面平均速度的±过滤器小室内部结构比较复杂，通过各个HEPA过滤器的流速分布可能很不均匀为了使气流的均匀性达到验收标准，在设计中通常凭经验估算过滤器小室入风口到HEPA过滤器之间的距离，但对建筑面积有限的反应堆来说，不可能无限制地大小室规模如果均匀性实测结果达不到验收标准，则需采取其他补救措施，从而加了工程的复杂性本文从实验和理论计算两方面着手，总结出过滤小室关键结构参数对小室流场均匀性的影响，为核空气净化系统设计人员和调试人员提供了可靠的依据，可大大减少设计时的盲目性，减少系统的调试工作量1实验系统1.1过滤小室结构介绍过滤小室横断面的结构尺寸取决于系统处理风量：每台HEPA过滤器设计风量一定，当系统所需处理的风量一定时，HEPA过滤器台数即确定，从而确定了其断面结构尺寸。当系统有2或3台过滤器时，将过滤器排成一排；有4台或6台时，排成两排各种情况下的结构尺寸均有固定的设计要求其中，有3台HEPA过滤器的小室截面的高宽比*大，其气流流场*难达到均匀。在相同的小室长度下，只要这种结构的小室能够满足气流均匀性要求，其他结构的小室必然也能满足要求1.2实验台结构介绍为了使实验台能尽量模拟实际的过滤小室，使二者具有相同的流场分布，以便从实验结果可直接推广到工程应用中，在确定实验台结构时使用了相似理论所研究的流体介质为气体，主要受力为惯性力和粘性力，根据相似理论，采用Reynolds模型律搭建实验台，即模型和原型的雷诺数相等。可推，其中1.3工况实际运行工况只有一种，即沿气流方向先后有中效和HEPA两级过滤器，实验则分3种工况：1）无过滤器工况；2循环水设备）仅有HEPA过滤器的检测工况；3）有两级过滤器的运行工况对工况2）、3）又可细分为加整流器与不加整流器2种状况1.4测量对于三维流场，如果要有很高的测量精度，必须使用特殊的仪器和测量方法。囿于本实验的性质和规模，不可能达到这一步。采用传统的工程测量手段，使用比托管和微压差计、热线风速仪测量考虑到本项研究的主要目的，流场测点选取在HEPA过滤器排架上游断面20mm处，其位置和名称参见和为了尽量消除测量方法测量仪器以及紊流本身的紊动特性造成的测量误差，对每个工况均进行了3~5次采样，*后取平均值为实测值。为得到实验台的实际运行风量，还用等面积分环法测绘了风管内的流速分布2实验结果分析2.1断面流速分布图分析是4m长小室无过滤器工况下测量断面上的流速分布图。从中可以看出，在没有过滤器时，空气流量大部分集中在中间过滤器处，基本与入口管道在同一高度上这点可以用射流理论很好地解释。同时，可以看出，通过处于下面过滤器位置处通孔的空气比通过上面的多，因为入口管道的轴心并不是在中间过滤器的中心处，而是略偏下侧。
2.2工况对比1994遍5图mV则6！分游意olalE1姑onicishin图过滤小室无整流器时不同是4m过滤小室在3种工况下测量断面中心轴线上的二维流速分布对比图从中可以看出，没有过滤器时的速度分布是*不均匀的：通过中间过滤器位置处通孔的流量占了绝大部分，通过上下两台过滤器的很少。在检测工况下，分布己较前者均匀而运行工况下，流速分布己很均匀，不仅通过各台过滤器的流量大致相等，而且每台过滤器上的流速分布也较均匀。
在表1中对3种工况下气流均匀性进行了比较，进一步分析它们的均匀性气流均匀性是指通过3台过滤器的流量之间的均匀性首先给出了3种工况下通过A，B，C过滤器的平均流速，然后对这些平均流速取平均，该平均值-即是断面上的平均流速再分析通过各过滤器的平均流速偏离-的程度，并定义了不均匀度，其中，*大的W即为该工况seo优化的*大不均匀度Wax，各工况所需比较的就是WLx该值越大，表示该工况下的流速越不均匀如果WL能满足小于2（%的要求，则表示流场的均匀度满足小室的验收要求在检测工况下，WU略微超过了20%，这说明取4m长为过滤器小室的*大长度是比较正确的。而运行工况下，这个值就远远小于20%，表示此时流场己经很均匀了。没有安装过滤器的工况流场*不均匀，Wiax高达79%. 2.3整流器对过滤小室流场的影响2.3.1整流器对检测工况下流场的影响在表2和中给出了26m过滤小室检测工况下不同整流角T时断面上流速v随测点高度H的分布表1不同工况下断面流速和不均匀度工况v/（ms-'）10（XW过滤器A过滤器B过滤器C平均值过滤器A过滤器B过滤器C*大值运行1.751.851.711.771.224.443.224.44检测1.642. 47表2不同整流角a的断面流速分布和不均匀度T/（。）-v/（msi）10W过滤器A过滤器B过滤器C平均值过滤器A过滤器B过滤器C*大值大致可分为几个阶段A从凸形二均流心凹形‘二次断面流速分布对比。从图中可以发现，流速分bookmark10由这些数据可见：1）整流器的分流作用很明显，T很小时就能很好地分流，使流场分布均匀，使流场*均匀的T约在10左右。2）随着T的加，分流作用逐渐加强，流场渐呈凹形趋势。在T达到1孓左右时，这种趋势达到极端。3）T再大时，分流的大部分流体继续向上下移动，到达小室的安装排架上下两端，在内部形成更复杂的旋涡，导致内部气流更紊乱，通过中间过滤器的流量又开始加，从整体上导致气流又趋均匀，流形从凹形转向凸形，出现了二次均流现象综上所述，T对检测工况下的小室流场的影响均流关于*佳T的选择，作者认为：只要小室的长度在一定范围内，安装整流器并且用很小的角度（约在10左右）就可以使流场很均匀对于小室比较短的情况，当45时，小室内的气流己经形成很复杂的旋涡，能使HEPA过滤器排架断面流速分布从凹形再趋均匀，出现了二次均流现象虽然此时WL可能满足验收标准，甚至很小，但同时整流器对整个系统的压头及检测粒子的浓度均会造成损失，故不推荐使甩2.3.2整流器对运行工况下流场的影响是运行工况下无整流器与装有整流器时的布曲线几乎重合，即对于运行工况，是否安装整流器对流形并不产生什么影响这说明，运行工况下影响流场均匀性的主要因素是两级过滤器的均流作用，而非整流器的分流作用。
3结论为了保证效率检测的有效性，核空气净化系统的过滤小室里的流场必须均匀出于系统设计和系统调试的需要，有必要研究不同过滤小室的结构参数下的流场均匀性的问题经过多次实验和对比，可以得到如下结论：未加整流器时，无过滤器的工况流场*不均匀，大部分空气均从中间过滤器位置处通过，4m小室此工况下的*大不均匀度Wax为79.47%，气流很不均匀；运行工况下的WL为4.44%，流场分布明显呈均匀状态；检测工况下的流场介于两者之间，Wax为24.38%，比20%略大各工况按不均匀度从大到小排序为：无过滤器工况、检测工况运行工况。
安装整流器后，小室内的气流场有明显改善。当整流角度T比较小时气流就己经很均匀，但在*佳T之后，随着T的加，通过上下过滤器分流的流量逐渐大，经过中间过滤器的逐渐减少，WU反而逐渐大总体来说，只要安装了整流器，必然能找到满足Wax<20%的整流角范围。
运行工况下，整流器安装前后气流场都很均匀，而且流速分布形状无变化，故此工况下整流器对小室气流场影响很小林中华，叶隧生，齐文峰，等。低温核供热站核空气净化系统的调试、检漏与现场实验。环境工程科研论文汇编。北京：中国环境科学出版社，1991.周谟仁。流体力学。北京：中国建筑工业出版谭天佑，梁凤珍。工业通风除尘技术。北京：中国建筑工业出版社，1988. 2基金项目：国家“八六三”高技术项目（863-514-）2）
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