基于轴向预热器的蒸汽发生器强化传热研究

本文基于轴向预热器对蒸汽发生器(SG)的强化传热效果以及强化传热机理进行了系统地分析研究。研究结果表明,在相同的热负荷下,加装轴向预热器后,蒸汽压力提高了接近4.3%。若原型SG单纯靠增加传热面积来达到此效果,需要增加29.6%的传热面积。轴向预热器对自然循环SG的强化传热效果明显。另外,为深入探明加装轴向预热器的强化传热机理,对原型SG以及加装轴向预热器的SG在对称面上的空泡份额、不同高度截面上的空泡份额、对称面上的焓值分布、不同高度截面上的焓值分布、二次侧的流线分布进行了系统地比较分析研究。上述研究结果将为基于轴向预热器的自然循环SG设计奠定良好的理论基础。     

冷凝器强化传热特性分析

分析了影响冷凝器总传热系数的主要因素 ,阐述了管壁污垢系数对冷凝器传热性能的影响。提出了冷凝器强化传热的关键问题在于管外 ,增加管外侧传热系数会使冷凝器的效率大幅度提高。对冷凝器中采用螺纹槽管强化传热的方法进行了分析 ,提出了采用低翅片管或在螺纹槽管外侧采用适当的强化传热手段可以使冷凝器的传热效率得到提高。     

铅铋冷却快堆堵流事故下堵块参数对流动传热的影响

铅铋冷却快堆是第四代核能系统之一,其具有许多运行与安全性优势。但铅铋冷却快堆在运行过程中,堆芯结构材料会受到铅铋合金冷却剂的腐蚀作用,腐蚀产物在堆内堆积可能会引发堵流事故,从而导致包壳传热恶化,并影响冷却剂的流动传热效果。通过对铅铋冷却快堆单盒燃料组件建模,使用商用计算流体力学软件STAR-CCM+对不同堵块参数下的5个堵流事故工况开展了计算分析。通过对事故后包壳内壁面温度、子通道中心温度的轴向发展和堵块周围流场的轴向速度分布进行对比分析,获得了各种堵块参数对堵流事故后传热恶化、流场性质的不同影响规律。     

带轴向预热器的高效蒸汽发生器设计技术

文章对带轴向预热器的高效蒸汽发生器设计技术进行了详细的介绍。主要包括轴向预热器的强化传热机理、因轴向预热器的引入导致蒸汽发生器局部结构变化的设计原则,包括:给水环设计、双层套筒设计、管束纵隔板设计、管子支承板设计、排污管设计以及阻力件设计等。同时对带轴向预热器的蒸汽发生器热工水力计算流程进行了讨论。     

单侧带有周期性分布纵向涡发生器的矩形窄通道内传热强化的实验研究

在换热表面上周期性地安装粗糙元可以使流动区域产生漩涡从而增强换热。对单侧带有周期性分布纵向涡发生器的矩形窄通道内的强化传热进行了实验研究,得出了Re在3×103～2×104的范围内不同流动方向(顺流、逆流)条件下纵向涡发生器对流动与换热特性的影响规律。结果表明:纵向涡发生器对换热有较好的强化作用,同时通道的阻力略有增加。在3种不同比较准则(相同泵功率、相同压降及相同流量)条件下,顺流强化效果均略好于逆流。     

水基磁性流体池沸腾传热强化的实验研究

通过水和水基磁性流体池沸腾传热的对比实验,确定了水基磁性流体强化沸腾传热的效果,并进行了机理分析。实验结果显示,热流密度相同时,水基磁性流体的沸腾换热系数比水至少增强2倍,施加磁场可进一步强化沸腾传热,增强倍数可超过5倍。通过分析磁场对磁性流体中沸腾汽泡的影响,认为施加磁场有使汽泡脱离直径减小,生长速度加快和脱离频率增加的作用。     

肋片对圆环通道内超临界水传热特性影响的数值分析

以计算流体力学(CFD)商业软件CFX为计算平台,对圆环通道内超临界水(SCW)的传热特性进行数值模拟。通过对几种湍流模型的对比,选取对超临界条件适用性相对较好的SST模型进行计算;比较光滑圆环通道与带肋片圆环通道内的壁温分布及传热系数的变化;研究肋片形状、高度、间距及宽度等因素对传热特性的影响。结果表明:圆环通道内肋片的存在会导致局部传热强化;在本文计算的尺寸范围内,肋片形状和宽度对传热的影响很小;一定范围内,增加肋片高度以及减小肋片间距都有利于传热强化。     

纵向涡对窄间隙矩形通道内流动边界层作用特性研究

利用纵向涡发生器(LVG)产生纵向涡(LV)强化传热的机理主要是基于对边界层的削薄和破坏。由于LV作用距离远,结构简单,安装高度低,对于具有窄间隙通道的换热结构,LV强化传热有着较强的应用价值。本文应用相位多普勒粒径分析仪对LV作用下的窄间隙矩形通道内速度场分布进行了测量。实验结果表明,LV可以有效地削薄和破坏流动边界层厚度;LV对边界层的削薄和破坏可以对传热起到强化的作用;CFD数值模拟结果表明,剪切应力模型(SST)以对LV作用下窄间隙矩形通道内的速度场进行有效地模拟。     

控制棒驱动机构传热机理与隔热套性能研究

控制棒驱动机构(CRDM)依靠强制冷却措施维持工作温度。本文针对CRDM复杂的轴向传热机理,基于冷热侧流动的假设建立热虹吸自然对流分析模型,计算得到轴向温度分布及隔热套内径与热虹吸传热量之间的关系曲线;同时进行验证试验,测量不同情况下CRDM内外轴向温度分布和总散热量。通过分析和试验对比证明:基于假设的分析模型能模拟实际情况,热虹吸传质传热是CRDM轴向传热的主要途径,设置隔热套能有效抑制热虹吸、减少散热量。     

同轴型热虹吸系统轴向传热特性实验研究

对一种用于冷中子源系统的自然循环进行了轴向传热特性研究,建立了以氟里昂为工质的同轴型热虹吸管传热实验系统。研究表明:同轴型热虹吸系统可强化轴向热传输能力,其传热工况有过冷沸腾流动振荡工况、稳定工况和烧干工况3类。在低功率区,过冷沸腾和携带机制造成启动过程的两相流振荡;进入稳定工况区后,系统具有自调适能力,能够维持恒定的循环质量流率;在高功率区,蒸发器烧干产生传热极限。本研究显示出同轴型热虹吸系统的动力特性与普通自然循环系统有明显区别,其循环机制与普通热虹吸系统有本质区别。     

欠热条件下非能动余热排出热交换器传热试验数值模拟

针对大型先进压水堆非能动余热排出热交换器设计和安全分析计算模型存在的重要缺陷,以AP1000的非能动余热排出热交换器为原型,采用3根C型管进行了非能动余热排出热交换器传热试验。然后采用流体计算软件对欠热试验工况进行了数值模拟,通过多次计算得到了传热管外传热计算可采用的传热关系式,选取的传热模型下的计算结果与试验结果符合较好。利用传热模型验证了AP1000的设计工况,发现AP1000非能动余热排出热交换器的设计能带走堆芯余热。本文研究可为大型先进压水堆设计和安全分析提供技术支撑。     

中间换热器的传热和阻力特性

中间换热器在高温气冷堆氦气透平间接循环发电系统中是耦合高温气冷堆和氦气透平的关键部件,承担着将高温气冷堆中高温氦气的能量传递到氦气透平回路的任务.中间换热器给氦气透平的设计和运行维护带来方便,但它的传热与阻力性能不可避免地影响循环效率,因此,中间换热器的设计和选型需综合考虑传热效率、压力损失、材料性能和紧凑度等因素.本文介绍了印制板式换热器(PCHE)的主要特点,分析了它在间接循环系统中应用的可行性,重点研究了该中间换热器的传热和流动阻力特性,以及影响PCHE换热效率和压力损失的主要因素.在此基础上,提出了优化中间换热器传热和阻力特性的途径和方法.     

高热流密度电加热元件

本文论述了用于液态金属钠热工水力性能研究的高热流密度模拟电加热元件的结构特点、材料选择、热电偶设置及其他与棒束传热实验研究有关的问题。     

非能动余热排出热交换器半液位换热性能研究

非能动余热排出热交换器（PRHR HX）是先进反应堆非能动堆芯余热排出系统的关键设备之一,置于内置换料水箱中。水箱内水蒸发或水箱泄漏等故障失水后液位降低,PRHR HX与管外水传热面积和管外流场均发生变化,导致堆芯非能动余热排出能力下降。为分析半液位下PRHR HX换热性能,建立半液位PRHR HX实验装置和数值计算模型,获得稳态和瞬态升温过程的换热量、温度分布和流场特性。实验结果表明,稳态沸腾换热阶段半液位结构的总换热量较全液位时的下降12%～22%,仍具有较强的换热能力。瞬态升温过程中管外换热模式从纯单相对流换热开始,先后逐渐出现局部过冷沸腾和局部饱和沸腾,并最终迅速由局部饱和沸腾转变为全管长饱和沸腾。水箱内逐渐升温过程中出现显著的热分层现象,结合数值模拟分析发现此时管外流体在高度上呈现多层回流流动结构。     

高温钠热管传热性能试验研究

为获得高温钠热管传热性能,开展真空条件下钠热管启动性能和等温性能试验,获得了钠热管真空条件下启动速度与等温性能数据;开展强制冷却工况条件下传热性能试验,获得了钠热管声速限特性与试验工况下的最大传热功率。经试验验证,所研制高温钠热管在真空条件下,580 ℃时完全启动,启动用时20 min,轴向壁面温差低于11 ℃,等温性能良好;钠热管传热功率在工作温度为500～650 ℃时受声速极限限制,在650 ℃以上受携带极限限制;在750 ℃和850 ℃时,测得热管最大散热功率分别为4.78 kW与8.02 kW,对应的最大轴向热流密度分别为1.51 kW/cm²与2.53 kW/cm²。试验结果表明,所研制钠热管具有较强传热能力,可满足热管式核反应堆等工程应用需求。     

非能动余热排出系统换热器管外流动组织及其对换热能力影响分析

对非能动余热排出系统的换热器管外对流换热进行数值分析,比较组织流道和不组织流道时换热器管束外部的流动分布的差异和换热能力的大小,数值计算结果表明,组织流道可优化换热器管外的流动,提高换热器的换热能力。比较分析无流道、有流道和流道出现缝隙对换热能力、阻力和出口温度等的影响。分析结果表明,组织流道会使换热能力增加约20%,阻力增加约1倍;当流道出现缝隙时,单缝隙对换热器的换热能力影响不大,多缝隙会损失一部分换热量。     

非能动余热排出热交换器数值模拟

用FLUENT软件对AP1000非能动余热排出热交换器进行非稳态数值模拟,研究其传热和流动特性。通过比较分析同一时刻不同位置温度场和流场的分布,以及不同时刻同一位置温度场和流场的变化,对该热交换器的传热过程和自然对流情况有了较深刻的认识,有助于分析其自然循环能力,为非能动余热排出系统的有效运行提供参考。     

Fundamental Experiment of Potassium Heat Exchanger Using Principle of Heat Pipe

Abstract

In order to provide compact and reliable sodium equipments including a steam generator, performance tests are conducted with a potassium heat exchanger, which is featured by the separate construction of primary and secondary coolant systems. A small amount of potassium plays a role as an intermediate media of heat transportation between these two coolant systems. Heat is transfered by evaporation and condensation of potassium on the surfaces of the primary and the secondary coolant pipings, respectively. The tests are performed in the temperature range of 200-300°C and the maximum heat transfer reaches 1.3 kW (heat transfer rate at the primary heating source: 8.6 W/cm² at 300°C). The experimental results are analyzed by using Langmuir's and Schrage's equations and close agreement between experiment and theory is obtained.     

Evaluation of Heat Transfer Augmentation in a Nanofluid-Cooled Microchannel Heat Sink

Present investigation deals with appraising heat transfer enhancement of single phase microchannel heat sink (MCHS) by ultra fine Cu particle incorporation in base coolant fluid. The particle diameter is of nanometer size and base fluid in combination of nanoparticles is called nanofluid. Governing equations for fluid flow and heat transfer are based on well established “porous medium model” and accordingly, modified Darcy equation and two-equation model are employed. Appropriate equations for both fluid flow and heat transfer are derived and cast into dimensionless form. Velocity profile is obtained analytically and in order to solve conjugate heat transfer problem a combined analytical–numerical approach is employed. For heat transfer analysis, thermal dispersion model is adopted and latest proposed model for effective thermal conductivity – which considers the salient effect of interfacial shells between particles and base fluid – is integrated into model. The effects of dispersed particles concentration, thermal dispersion coefficient and Reynolds number are investigated on thermal fields and on thermal performance of MCHS. Additionally, the impact of turbulent heat transfer on heat transfer enhancement is considered.     

液态金属高温热管传热极限研究

热管作为一种高效可靠、可进行长距离传热的非能动设备,在核能领域有着广泛的应用。本文针对工质为钠、充液量为158 g与208 g的毛细驱动热管,对其传热极限开展实验和理论研究。实验方面,设计搭建了高温热管传热极限测试分析实验平台,研究了液态金属高温热管在不同水平倾角和不同加热功率下传热功率的变化。理论方面,验证了连续流动极限与夹带极限理论模型的正确性,总结了两种极限的发生规律。研究发现,热管连续流动极限影响热管的启动;由于水平夹角较大时转变温度较高,因此大角度下的热管更容易发生连续流动极限,小角度下经验模型的预测误差在6.58%以内,大角度下误差超过28%。夹带极限发生时热管蒸发段温度骤升且冷凝段温度出现波动,热管倾角越大夹带极限越容易发生,经验模型在不同角度下均存在误差,大角度下误差超过100%。本文总结了连续流动极限与夹带极限的发生规律,为先进核反应堆系统中热管的设计提供参考。