高温气冷堆中间换热器层流边界层的传热特性分析

为提高高温气冷堆中间换热器的换热效率,对中间换热器单元流道的层流流动边界层及热边界层进行了理论计算和模拟分析。利用幂次多项式速度分布的方法,对流道内的层流流动边界层和热边界层进行计算,结果表明,三次式的速度分布更为接近Blasius精确解,也更为符合数值模拟的结果。同时,结合不同位置的温度分布,可发现上、下边界层的相遇会使流动进入泊肃叶的抛物线形式,边界层理论继而不再适用。通过模拟还发现,氦气的进口温度和出口压力对于层流边界层的换热基本无影响;恒定热流密度下,壁面温度的变化分为明显的边界层区和泊肃叶区,在这两个区域壁面温度呈线性变化。     

粗糙元对高温气冷堆中间换热器强化传热性能的影响

为提高高温气冷堆中间换热器的换热效率,通过增加人为粗糙元的方式,对强化传热的效果进行CFD模拟分析,比较粗糙元管道和光滑管道,分别从流场分布、轴向速度、横向速度、湍动能、温度场及壁面传热系数等方面,进行粗糙元对强化传热性能影响的初步探究。结果表明,人为粗糙元的存在会破坏湍流边界层的黏性底层,增强横向扰动,大幅提高对流换热的效率。同时,人为粗糙元会降低主流的轴向速度,增大沿程阻力。因此,通过这项初步探究可为以后设计出具有最佳传热效率的粗糙元流道,提供必要的理论支持。     

氦气杂质对中间换热器材料的影响初探

中间换热器是高温气冷堆氦气透平间接循环和高温工艺热应用的关键部件.中间换热器属于一回路压力边界,它将堆芯出口温度达900～1 000 ℃氦气的热量传递给二回路氦气,此外还承受一、二回路氦气压差,因此,目前能够用于中间换热器的耐热金属材料非常有限.高温气冷堆一、二回路氦气中含有H_2、H_2O、CO、CH_4等杂质,在高温下,氦气杂质对中间换热器材料的影响主要是氧化、碳化和脱碳,降低材料的机械性能,其影响不可忽视.对于中间换热器设计,现有规范的温度范围需扩展,氦气杂质对材料强度的影响也需考虑.     

板式换热器在CARR中的应用

着重介绍了CARR工程中重水换热器、主换热器的选型及设计过程。通过安全性和经济性等方面的对比,可以看出板式换热器比套管式换热器更具有优越性。板式换热器在系统中的应用对今后的设计具有一定的参考价值。     

机翼型微通道高效紧凑换热器流动换热特性

超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环系统是第4代反应堆采用的新型高效热能转化系统,系统采用微通道高效紧凑换热器作为高低温回热器,其流动换热特性对整体系统热能转化效率有着显著影响。本文采用数值模拟方法,以S-CO₂为流动工质,建立机翼型翼片结构的换热器模型,研究翼片的不同间距对流动换热性能的影响。研究结果表明,交错排列翼片的综合流动换热性能优于翼片并排布置,翼片交错间距为左右间距一半时,增加左右间距,换热器流动换热性能更好。将机翼型微通道换热器与折线型微通道换热器模拟结果进行对比分析表明,机翼型微通道换热器在压降仅为折线型微通道换热器54.174%的情况下,换热性能提升了25.67%。     

套管管束式换热器的阻力特性和流量分配研究

对套管管束式换热器一次侧并联流道的阻力特性进行了研究.研究的目的是确定套管管束式换热器一次侧并联流道的阻力特性,找出流量分配的规律,通过对流量分配进行优化,解决套管管束式换热器的优化设计问题.研究方法是按照相似准则制造试验本体,建造试验台架并进行试验.试验验证了计算模型的正确性,得到了减小管间距可提高总传热系数的结果.     

连续螺旋折流板换热器传热与阻力性能实验研究

对连续螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器壳侧的传热性能及阻力性能进行了实验研究,得出了壳侧阻力和换热的关联式,并将其和非连续螺旋折流板换热器进行了比较.研究发现,在壳侧流速较大时,连续螺旋折流板换热器的传热性能优于弓型折流板换热器和非连续螺旋折流板换热器.     

板式换热器放射性去污实践探索

核电站反应堆和乏燃料水池冷却处理系统(PTR)及设备冷却水系统(RRI)中使用的板式换热器,结构复杂,运行过程中放射性热点易淤积在导流函道及沟槽等死角位置,放射性去污难度较大,业内以作为放射性固体废物处理为主。板式换热器作为高价值专用设备,大量污染报废给成本管控和放射性废物最小化管理带来了较大的压力。针对上述问题,红沿河核电厂实践探索了“放射性污染板式换热器去污方法”,采用“化学去污+泡沫去污+可剥离膜去污”分段去污方法开展试验,经去污后的换热器表面污染水平均小于0.4 Bq/cm²,4个阶段累计去污率约为99.80%,193片放射性污染板式换热器全部实现复用。     

应用二维激光测速系统和可视化技术研究换热器流动和阻力特性

介绍了应用二维频移激光测速系统对低温供热堆换热器流场的实验研究结果,测量了换热器模型三段流动进出口截面内的二维平均速度和湍流度分布;用总压-速度法和静压-流量法分别测定了随雷诺数变化的阻力系数特性;以氩离子激光器作片光源对添加在流体中的示踪粒子得到的可视化照片清楚地显示了流场的平均流动特性。结果表明,本实验中采用的管-壳式换热器系统存在着自模拟现象;总压-速度法同静压-流量法得到的结果差别很小;用可视化技术和激光测速得到的平均流动图是一致的,为进一步改善换热器的结构提供了依据。     

板式换热器在研究堆重水系统中的应用

重水换热器是目前正在建造的两座研究堆中重水冷却系统的重要设备.对两座研究堆中的重水换热器在选型及设计方面进行了优化,通过对比可看出,板式换热器较套管式换热器在安全性和经济性等方面更具优越性.板式换热器在重水系统中的应用对研究堆的设计具有一定的参考价值.     

Heat Transfer Characteristic of Airfoil Microchannel Efficient and Compact Heat Exchanger

Supercritical carbon dioxide (S-CO₂) Brayton cycle system is a new type of high-efficiency energy conversion system used in the fourth generation reactor. The microchannel efficient and compact heat exchanger is used in the system as high or low temperature recuperators. Besides, heat transfer performance and flow characteristics of heat exchanger have significant impacts on the overall energy conversion efficiency of the system. In this paper, the heat exchanger model of airfoil structure was established and the CFD method was used to study the influence of different spacing of fins on the overall heat transfer characteristics with S-CO₂ as the working fluid. The results show that the convective heat transfer performance of interlaced fins is better than that of side-by-side arrangement. When the interlaced spacing is half of the parallel spacing, the comprehensive performance of heat exchanger is better with the increase of the parallel spacing. The results of airfoil microchannel heat exchanger were compared with those of the Z-shaped microchannel heat exchanger, which shows that the pressure drop of airfoil microchannel heat exchanger is only 54.174% of the Z-shaped microchannel heat exchanger when the heat transfer capacity increases by 25.67%.     

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。     

Flow and Heat Transfer Characteristics of Swordfish Fin Microchannel

The supercritical carbon dioxide Brayton cycle is a new generation of thermal cycle used in the fourth generation of nuclear energy. As a high or low temperature recuperator of supercritical carbon dioxide Brayton cycle, the thermal hydraulic characteristics of the compact microchannel heat exchanger directly affect the power cycle efficiency. Reducing flow resistance of the temperature recuperator while maintaining high heat transfer efficiency is an important research for microchannel heat exchanger optimization design. The swordfish fin microchannel design considering bionics theory can significantly reduce the flow resistance. In this work, the swordfish fin heat exchanger model was established with supercritical carbon dioxide fluid as the flow medium. The effect of swordfish fin design with different arrangements on heat transfer characteristics was analyzed by three-dimensional numerical simulation. At the same time, the thermal hydraulic characteristics of swordfish fin design were compared with those of traditional commercial Z-shaped microchannel heat exchanger. The results show that under the same Reynolds number, the Nusselt number of the swordfish fin microchannel is twice as much as that of the Z-shaped microchannel, but the pressure drop is only half of that. Therefore, the thermal hydraulic performance of swordfish fin microchannel heat exchanger is obviously better than that of Z-shaped heat exchanger. It is obtained from optimization analysis that the optimal pitches for swordfish fin design is that the L_a＝8 mm along the flow direction, and the L_b＝6 mm perpendicular to the flow direction.     

杆式支撑换热器换热的数值模拟

采用数值模拟方法研究杆式支撑换热器．可以克服实验研究方式的不足。利用相似理论确定数值模拟模型,分析了各结构参数变化对换热器传热和流动性能的影响．利用最小二乘法．进一步回归出杆式支撑换热器层流下的传热和流动阻力的准数关联式．设计,建造了一套可变结构参数的杆式支撑换热器热模实验装置．在壳程单排管间布杆或双排管间布杆、不同流速和不同折流栅结构参数情况下测得了100个实验值．将实验测量值和计算值进行了比较。结果表明：数值模拟计算的Nu值和△p值与实验测量值吻合很好,由实验数据回归得到的传热和流动阻力无因次准数关系式与数值模拟程序计算得到的准数关系式也吻合较好．显示出数值模拟方式进行换热器研究的显著优点.     

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。     

快堆钠-空气热交换器翅片管传热及阻力特性试验研究

钠-空气热交换器是钠冷快堆事故余热排出系统的重要设备之一,与外界环境一起构成事故下反应堆余热的最终热阱。由于钠-空气热交换器的换热管采用垂直布置的翅片管结构,空气在不同位置处冲刷换热管的流速以及角度不同,导致其传热特性及阻力特性与传统翅片管换热器有很大不同。本文以钠-空气热交换器工程设计需求为研究背景,设计了两种试验件分别进行空气冲刷角度为90°和30°时翅片管束传热与流动阻力特性试验研究。试验结果表明：对于相同管排,空气冲刷角度为90°时的翅片管的换热系数及阻力系数明显大于空气冲刷角度为30°时的翅片管;对于相同空气冲刷角度下的不同换热管排,第2排翅片管的换热系数最大。本文研究为钠-空气热交换器的设计及优化提供了理论依据。     

Experimental Study on Heat Transfer and Resistance Characteristics for Finned Tube of Fast Reactor Sodium-air Heat Exchanger

Sodium-air heat exchanger is one of the important equipment in the decay heat removal system of sodium-cooled fast reactor, which together with the external environment constitutes the final heat trap for the residual heat of a reactor. Due to the vertically arranged finned tube structure adopted by the heat exchanger tubes of the sodium-air heat exchanger and the difference of the flow direction and velocity of the air at the different positions, the heat transfer and resistance characteristics are very different from of traditional finned tube heat exchanger. In this paper, based on the engineering design requirements of sodium-air heat exchanger, two kinds of experimental specimens were designed to study the heat transfer and flow resistance characteristics of finned tube bundles with air flow angles of 90° and 30°. The experimental results show that the heat transfer and resistance coefficients of the same finned tube with air flow angles of 90° are significantly greater than those of the finned tube with air flow angles of 30°. For the same air flow direction, the second finned tube has the largest heat transfer coefficient. The research provides a theoretical basis for the design and optimization of sodium-air heat exchanger.     

自然循环换热器壳侧传热及流动的数值模拟

为分析换热器的求解模型和内部结构的不同对传热和流动特性的影响,用等效自然循环换热器的模型进行多种变换。用Fluent软件对等效模型进行非稳态数值模拟,研究其传热和流动特性。通过比较分析不同模型的温度场和流场的变化,对该换热器的传热过程和自然对流情况有较深刻的认识。结果表明：自然循环换热器的传热管内外温差较大,且流动较复杂,选用湍流模型计算更为合理;传热管位置的不对称性,引起左右两侧传热和流动的不对称性,使得流体相互影响,增强了自然对流作用;传热管的形状由直管变为C型弯管,结构的复杂性在一定程度上增强了流体温度分布和流动的不规则性,使得湍流强度增加,致使换热效果得到改善。