新型鈉水換熱器熱工計算

裴志勇+武志廣+許業強

摘 要 鈉和水作為介質的換熱器是目前使用鈉介質作為主熱傳輸的電站關鍵設備之一，通過對采用的新型直流式鈉水換熱器換熱數學模型進行簡化，采用合理的傳熱計算關系式進行換熱器的傳熱計算，表明其滿足可行性要求。

關鍵詞 鈉水換熱器；兩相傳熱；直流式

中圖分類號 TK21 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0225-02

對于采用鈉介質作為主熱傳輸介質的快堆電站等，其必然涉及到鈉和水介質的換熱，利用鈉-水換熱器將鈉介質的熱量傳遞到水介質，并通過汽輪機將熱能轉換為動能用于發電。而鈉和水換熱涉及到在發生泄漏情況下的鈉和水的反應問題，當介質的很小泄漏都將會因為劇烈的鈉水反應引起溫度和壓力的急劇升高而出現嚴重后果，造成泄漏的擴大和蔓延，對換熱器管束造成破壞。因此必須要進行預防并提高其安全性。

1 鈉水換熱器簡介

目前的鈉水換熱器主要的結構形式為固定管板式換熱器，換熱管形式主要有直管式、螺旋管式、蛇形管式等等。但是由于材料、設計、制造等各方面造成的缺陷而導致換熱器在運行過程中發生失效，從而產生嚴重后果的事故屢有發生，因此其設備本身的可靠性和安全性越來越引起學者重視。本文針對鈉水介質的隔離邊界的薄弱環節——換熱管束，進行了結構改進，增強其本身的安全可靠性。

鈉水換熱器采用固定管板式，換熱管采用直管式結構，其中鈉介質在管外流動，水/蒸汽介質在換熱管內流動，流動方向與鈉相反。

為提高其安全性，換熱管采用雙層管結構，換熱管徑向分為兩層，結構材料相同，為保證其傳熱效率和降低設備的換熱面積，內外管采用緊貼方式，從而減小其換熱管的熱阻。換熱管結構簡圖見圖1。

2 鈉水換熱器熱工計算

2.1 鈉水換熱器設計輸入

本文針對某一型號進行了鈉水換熱器的熱工基數按，其工計算設計輸入見表1。

2.2 熱工計算數學模型

2.2.1 基本假設

鈉水換熱器采用直管式結構，殼程為鈉，管程為水/蒸汽，鈉和水/蒸汽逆向流動。在進行熱工水力特性數值計算時，作了如下基本假設：

1）工質的流動是一維的，即工質的熱力學狀態和水力學狀態在同一截面上，具有相同的狀態參數。

2）忽略工質的軸向導熱。

3）水在管內均勻分配，即每根換熱管內流量、傳熱量參數和過程均相同。

4）鈉在管間沿管束高度均勻分布。

2.2.2 換熱區劃分

目前，關于直流式管內沸騰傳熱換熱計算中，由于存在兩相傳熱，需要進行分區計算，分為以下區段進行計算：

預熱區、表面沸騰區、泡核沸騰區、換熱惡化區、蒸汽過熱區[ 1 ]。

2.2.3 傳熱模型

1）鈉側換熱。鈉在殼程單相流動，考慮換熱管束的排列方式，這里采用俄羅斯推薦的換熱關系式。

2）水側換熱。水側換熱涉及到由單相水到汽水混合再到單相蒸汽的轉變過程，根據其傳熱機理的不同，沿管束長度進行分區計算。根據傳熱工況分為預熱區、表面沸騰區、泡核沸騰區、換熱惡化區及蒸汽過熱區。其中，預熱區為單相水對流換熱區，單相流體在管內強迫對流的換熱系數計算公式有Dittus-Boilter、Seider-Tate、米海耶夫、格尼林斯基等公式。這里采用Seider-Tate[ 2 ]計算關系式。表面沸騰區的換熱系數計算公式主要有Jens-Lottes、Thom、修正的Chen公式等。泡核沸騰區段的傳熱系數計算公式有Chen公式、Rphsenow、大容積沸騰計算公式等。換熱惡化區采用Miropolskiy公式。蒸汽過熱區為蒸汽單相換熱，主要的傳熱系數計算公式同預熱區。

3）污垢熱阻。污垢熱阻是指由于管壁積垢而產生的熱阻，主要與傳熱管材料及運行水質等因素有關。由補水帶入的雜質和回路中的腐蝕產物進入蒸汽發生器后，絕大部分會滯留下來，因而蒸汽發生器工作一段時間后會在傳熱管表面沉積一定厚度的污垢，由于熱導率很小，會產生很大的熱阻。而在一回路側，由于冷卻劑通常保持很高的清潔度，產生的污垢熱阻一般可忽略不計。目前，工程計算中有以下3種考慮污垢影響的方法[3]：（1）減小對流傳熱系數，以考慮相應側污垢的影響；（2）列出專項，采用經驗數據。這是一種常用的方法，污垢熱阻的大小一般在2.6×103-5.2×103m2K/W之間；（3）在計算傳熱系數時，不計污垢熱阻，而在確定產熱面積時，引入一個考慮了污垢影響的安全系數。這個系數通常與堵管裕量、熱流計算誤差等因素綜合考慮，一般可取10%左右。

3 計算結果

由于換熱器在安裝空間的限制，要求設備高度小于4.1m。為此，設計對比了不同的換熱管束數量，以滿足其安裝要求。根據上述介紹的換熱器結構形式和計算模型，針對設計工況進行了熱工計算，計算結果見表2。

由上述計算結果可見，隨換熱管數量增加，其換熱管長度減小，設備總高也減小，在換熱管數量≥721根時，設備空間要求可以滿足。但是考慮到隨著換熱管數量的增加，換熱管與管板連接接頭數量增加，由于此處結構的不連續性而容易導致泄漏，故連接接頭數量越少其設備的安全性越高。故從上表數據，針對其熱功率和空間要求，其換熱管數量選取721根。

4 結論

鈉水換熱器由于運行環境惡劣易發生事故，其安全可靠運行決定了電站的安全性和經濟性。本文采用了新型的鈉水換熱器結構并進行了兩相熱工設計計算。通過對換熱器的熱工計算分析，可以得到：在該新型結構下的設計結果滿足其傳熱性能和空間限制要求。

參考文獻

[1]黃承懋.鍋爐水動力學及鍋內傳熱[M].北京：機械工業出版社，1984：101-102.

[2]J.M.DELHAYE， M .G IO T ，etc. “Thermohydraulics of Two-Phase Systems for Industrial Design and Nuclear Engineering”， Hemisphere publishing Corporation，1981.

[3]賈寶山，等.核能動力裝置設計與優化原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010.