非能動余熱排出系統換熱器管外流動組織及其對換熱能力影響分析

非能動余熱排出系統換熱器管外流動組織及其對換熱能力影響分析

宋宇，趙加清，李曉偉，李笑天，吳莘馨

(清華大學 核能與新能源技術研究院，先進核能技術協同創新中心，

先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京100084)

摘要：對非能動余熱排出系統的換熱器管外對流換熱進行數值分析，比較組織流道和不組織流道時換熱器管束外部的流動分布的差異和換熱能力的大小，數值計算結果表明，組織流道可優化換熱器管外的流動，提高換熱器的換熱能力。比較分析無流道、有流道和流道出現縫隙對換熱能力、阻力和出口溫度等的影響。分析結果表明，組織流道會使換熱能力增加約20%，阻力增加約1倍；當流道出現縫隙時，單縫隙對換熱器的換熱能力影響不大，多縫隙會損失一部分換熱量。

關鍵詞：自然循環；換熱器；余熱；熱工水力；換熱量

中圖分類號：TL334 文獻標志碼：A

收稿日期：2014-06-25;修回日期：2014-12-25

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51006061)；清華大學自主科研項目資助(20151080376)

作者簡介：宋宇(1985—)，女，遼寧沈陽人，助理研究員，博士，核能科學與工程專業

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2004

Flow Organization around Heat Exchanger Tube and Its Influence

on Heat Exchange Capability in Passive Residual Heat Removal System

SONG Yu, ZHAO Jia-qing, LI Xiao-wei, LI Xiao-tian, WU Xin-xin

(InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,CollaborativeInnovationCenter

ofAdvancedNuclearEnergyTechnology,KeyLaboratoryofAdvancedReactorEngineeringand

SafetyofMinistryofEducation,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:The convective heat transfer was studied around the heat exchanger tube in the passive residual heat removal system. The flow difference and heat exchange capability were compared around the tubes with and without baffle. The numerical results show that the baffle can optimize the flow inside the heat exchanger tube and improve heat exchange capability. The heat exchange capability, flow resistance and outlet temperature were investigated for the cases without baffle, with baffle and when the baffle has gaps respectively. The results show that the baffle can increase the heat exchange capability by 20% and double the flow resistance. The single gap has little effect on the heat exchange capability, while multi-gap will result in losing some amount of heat transfer rate in heat exchange.

Key words：natural circulation; heat exchanger; residual heat; thermo-hydraulics; heat transfer rate

余熱排出系統是核電站核島的關鍵系統之一，主要功能是在反應堆事故或正常停堆時排出堆芯的剩余發熱，是專屬安全設施。余熱排出系統換熱器是余熱排出系統的重要設備，其換熱能力、安全性和可靠性影響余熱排出系統安全功能的實現[1-3]。非能動余熱排出系統利用自然對流驅動的方式排出反應堆剩余發熱，可大幅提高核反應堆的安全性[4-8]。AP1000的非能動余熱排出系統換熱器為C型管換熱器，位于換料水箱內。非能動余熱排出系統投入后，利用換料水箱內水自然循環帶走熱量。薛若軍等[9]對AP1000非能動余熱排出系統自然循環水-水換熱器的簡化模型進行了流動和傳熱分析，得出數值計算中添加湍流模型更為合理，C型管換熱器是最優的結構方案。薛若軍等[10]進一步對AP1000中余熱排出系統換熱器所在的換料水箱進行了非穩態的流動和換熱分析，分析表明，彎管區擾流和回流現象明顯，增加了流體的擾動，換熱效果更好。本文研究的換熱器換熱機理與AP1000非能動余熱排出系統換熱器類似，均為管式自然對流水-水換熱器，但本文中的換熱器傳熱管結構與AP1000略有不同。本文通過軟件Fluent對某反應堆余熱排出系統換熱器簡化模型進行數值模擬，定量分析換熱器的整體換熱能力，比較組織流道與不組織流道兩種情況下換熱器換熱能力的大小，分析當組織流道的擋板出現縫隙時對換熱器各項性能的影響，對換熱器的結構設計提出優化方案。

1模型及網格劃分

本文研究的換熱器為傾斜布置的自然對流水-水換熱器，管側由管箱和傳熱管組成，管內為120 ℃的熱流體，殼側截面為傾斜矩形結構，與豎直方向成10°角，傳熱管束的軸線與矩形截面垂直，靠近右側的外殼。換熱器的入(下部)、出(上部)口布置在左側的外殼上，假設換熱器的傳熱管無限長，可將三維的換熱器簡化為二維模型(圖1)。

通過數值計算對換熱器的流動和傳熱進行分析，傳熱管管壁和外殼設置無滑移壁面邊界條件，入、出口為壓力邊界條件，管外流體溫度為25 ℃，傳熱管內流體溫度為120 ℃，湍流模型選取k-ε模型，自然對流換熱計算的流體密度采用Boussinesq近似，即除動量方程的浮力項外，其他方程中的密度均看作常數。

圖1　換熱器二維結構圖 Fig.1　Two-dimensional model of heat exchanger

圖2　傳熱管附近的邊界層網格(網格2) Fig.2　Mesh near heat exchanger tube (mesh 2)

模型劃分為非結構化網格，傳熱管附近加邊界層網格以更好地模擬壁面附近的流動(圖2)。選擇3種不同密度的網格進行網格無關性分析，網格1、2、3的單元數分別為162 123、245 434、572 149。圖3為網格無關性分析，即3種網格計算的換熱量分別占網格3計算的換熱量的百分比，從圖3可看出，當網格的密度超過網格2時，隨網格加密，換熱量變化不大，故本文選擇網格2作為計算網格。

圖3　網格無關性分析 Fig.3　Analysis of grid independence

2數值計算結果

圖4為計算得到的換熱器管束附近流體的溫度場和速度場分布，可看出，25 ℃的冷水從外殼下方的入口吸入，在自然對流提升力的作用下向上流動，冷水在上升過程中帶走傳熱管內熱流體的熱量，溫度上升。冷流體在上升過程中有一部分流體直接從入口管束右側上升至傳熱管中部，由于換熱不均勻，靠近出口側的管束附近出現局部溫度高點。

圖4　傳熱管附近流體溫度(a)和速度(b)的分布 Fig.4　Temperature (a) and velocity (b) distributions around heat exchanger tube

圖5為中部(第7、8、9排)傳熱管附近流體的溫度分布，由于在本模型中，入、出口位于外殼的同一側，冷流體在提升力的作用下向上流動，靠近入、出口側的流動速度較大，遠離入、出口側的流動速度略小，導致靠近入、出口側的傳熱管的換熱效果較遠離入、出口側的傳熱管的換熱效果好。

圖5　中部傳熱管附近流體的溫度分布 Fig.5　Temperature distribution around middle heat exchanger tube

圖6為下部、上部傳熱管附近流體的速度場分布，可看出，由于傳熱管附近的冷流體被加熱，冷流體在被加熱流體提升力的作用下，從下端的入口被吸入，并在提升力的作用下向右上方流動，由于慣性和阻力共同作用，部分流體運動到下部傳熱管束右上方，在外殼右壁面的作用下沿壁面流動。此時，傳熱管提升力的方向為流體的左上方，流體在提升力的作用下向左上方運動，與主流流體混合后一起流過傳熱管束。被加熱的管外流體向上運動至出口，由于裹挾作用使流體在入口和出口附近形成漩渦，并引起出口部分流體倒流，漩渦運動會損失一部分流體熱量，此處熱量的消耗會使自然對流換熱過程的提升力略有降低。此時，換熱器出口流量為3.241 kg/s，出口平均溫度為44 ℃。

圖6　下部(a)、上部(b)傳熱管附近流體的速度場分布 Fig.6　Velocity distributions around lower (a) and upper (b) heat exchanger tube

此種管式換熱器的優點是結構簡單緊湊，安裝方便。但從數值分析結果可看出，由于非換熱區的漩渦運動會損失一部分動能，一方面降低主流體通過管道時的流速，進而降低自然對流換熱系數，影響換熱性能；另一方面導致出口流體溫度降低，降低自然對流的提升力，影響總換熱量。同時，由于入口和出口在換熱器外殼的側面，部分流體不通過傳熱管區域，對換熱無幫助，也會影響換熱器的換熱性能。

3帶導流板的換熱器的分析

上文結構的換熱器由于旁流和耗散降低了換熱器的換熱效率，故可考慮通過組織流道優化流體流動來提高換熱器的換熱性能。因此，本文對組織流道情況下換熱器的換熱性能進行分析。在傳熱管附近添加導流板，并與入、出口連接在一起，形成導流通道，圖7為帶導流板的換熱器結構。

圖8為帶導流板時傳熱管附近流體的溫度和速度分布，可看出，導流板內流體溫度分布較均勻，未出現局部溫度分布不均的情況，冷流體在導流板的作用下全部通過傳熱管束，換熱較均勻。不同排的管束附近流體速度基本一致，與不帶導流板的情況相比，下部管道有更好的換熱效果。此時流體最大速度為1.29×10-1m/s，較不帶導流板時增大約25%。

圖7　帶導流板的換熱器結構 Fig.7　Structure of heat exchanger with baffle

圖8　帶導流板的傳熱管附近流體的 溫度(a)和速度(b)分布 Fig.8　Temperature (a) and velocity (b) distributions around heat exchanger tube with baffle

圖9為帶導流板時下部、上部傳熱管附近的速度場分布，可看出，冷流體被吸入后，在入口附近導流板的轉彎處發生分離，在右導流板的作用下迅速調整方向，沿導流板的壁面向上運動，流體有效地通過入口附近的傳熱管束，冷流體流動的平均速度約為6.5×10-2m/s。冷流體在出口附近的轉彎處發生分離，由于分離區域較小，未形成明顯漩渦。此時，換熱器出口流量為5.177 kg/s，平均溫度為41.1 ℃。

圖9　帶導流板時下部 (a)、上部 (b)傳熱管附近流體的速度分布 Fig.9　Velocity distribution around lower (a) and upper (b) heat exchanger tube with baffle

4導流板開縫的研究

根據導流板上可能存在的縫隙結構建立3種換熱器結構的物理模型，假設縫隙的寬度為10 mm，入口附近的左右縫隙稱為下縫隙，出口附近的左右縫隙稱為上縫隙，則建立僅有下縫隙(結構1)、僅有上縫隙(結構2)和上下均有縫隙(結構3)3種物理模型。

圖10為計算得到的結構1下縫隙附近的流體速度分布，可看出，有部分流體從左側縫隙被吸入與上升流體混合，并推動上升流體向遠離入口側移動，右側縫隙有流體從導流板內側流出。結構1中導流板的縫隙僅稍微影響了第1、2排管束的流量分布，對整體換熱器換熱能力影響不大。此時，出口流量為5.174 kg/s，平均溫度為41.1 ℃。

圖10　結構1下縫隙附近的速度分布 Fig.10　Velocity distribution near lower gap under the 1st structure

結構2的數值計算結果表明，上縫隙靠近出口側有輕微的流體溢出，遠離出口側有較弱的裹挾作用，較結構1的影響更小，對主流流動幾乎無影響。結構2的出口流量為5.175 kg/s，平均溫度為41.1 ℃。

結構3由于上下均有縫隙，在導流板外側區域形成自下而上的流動，圖11為結構3下縫隙和上縫隙附近的流場分布。由圖11a可看出，流向導流板外側的流體較多，左側縫隙的溢出流量為0.37 kg/s，約占出口流量的6.79%，右側縫隙的溢出流量為0.40 kg/s，約占出口流量的7.34%，溢出流體帶動附近的流體形成漩渦，耗散部分動能。由圖11b可看出，從下縫隙流出的流體從上縫隙流入，這部分流體沒有參加換熱，與換熱后的熱流體混合后會降低流體的平均溫度，降低自然對流的提升力。結構3的出口流量為5.45 kg/s，平均溫度為38.8 ℃。

5換熱能力和阻力分析

對無導流板、有導流板、導流板有縫隙的結構1、結構2和結構3的流動和換熱性能進行分析。圖12為5種情況下換熱器的出口流量、出口溫度和阻力及換熱量的對比。從圖12a可看出，無導流板時出口流量較小，這是由于無導流板時流體的耗散作用較大，結構3的出口流量較結構1和結構2的略有升高，這是由于一部分流體從下縫隙流出、上縫隙直接流入，這股流體未通過傳熱管，使總流動阻力減小、總流量增大。從圖12b可看出，無導流板時，出口平均溫度較高，換熱器的提升力較大，結構3的換熱器出口溫度較低，換熱器的提升力較小。從圖12c可看出，增加導流板后，換熱器的阻力增加約1倍，在自然循環驅動的系統設計中，這點需要考慮。從圖12d可看出，無導流板時換熱量較低，這主要是由于非傳熱管區域流體的耗散作用。添加導流板，組織流道后換熱器的換熱能力較不帶導流板條件下提升了約20%，僅有下縫隙和僅有上縫隙對換熱量影響均較小，這是因為當只有1處縫隙時，通過縫隙泄漏到外部空間的流體較少。當上下縫隙均存在時，從下部的間隙流出、從上部的間隙流入的流體流量為0.77 kg/s，占出口流量的14.13%，這部分流體未通過傳熱管，對換熱無幫助，同時，此部分流體與經過換熱的熱流體混合，降低了出口總流體的溫度，在一定程度上降低了提升力。因此，此時換熱器的換熱量較無縫隙時有較明顯的降低，約降低2.81%。

圖11　結構3下縫隙(a)、上縫隙(b)附近的速度分布 Fig.11　Velocity distributions near lower gap (a) and upper gap (b) under the 3rd structure

情況：1——無導流板；2——有導流板；3——導流板有縫隙的結構1；4——導流板有縫隙的結構2；5——導流板有縫隙的結構3 圖12　5種結構換熱器的出口流量(a)、出口溫度(b)、阻力(c)及換熱量(d)的對比 Fig.12　Comparison of outlet flow (a), outlet temperature (b), flow resistance (c) and heat transfer rate (d) for five structure heat exchangers

6結論

1) 對于本文研究的入出口方向與提升力方向有夾角，且流道橫截面積大于管束橫截面積的自然對流管式換熱器，導流板可有效地組織流道，使換熱更加均勻，有效地提高了換熱器的換熱能力。

2) 當導流板出現間隙時，若間隙只有1處(上部或下部)，對整體換熱器的換熱能力影響較??；若間隙有兩處，流體在導流板外部的兩縫隙間形成通路，換熱器的換熱能力會有較明顯的降低。

3) 在入出口方向與提升力方向不一致，且流道橫截面積大于管束橫截面積的換熱器設計過程中，建議通過添加導流板的方法組織流道，可在現有的結構條件下較大幅度地提高換熱能力，導流板在加工過程中應避免出現縫隙。

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