非能動分離式換熱器設計

袁萬朋，盧 川，盧佳鑫，周 杰

(1.中國人民解放軍海軍裝備部駐沈陽地區軍事代表局駐哈爾濱地區第二軍事代表室，哈爾濱150001；2.中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術國家重點實驗室，成都 610213；3.哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，哈爾濱 150001)

自熱管問世以來，以其諸多的突出優點，被廣泛應用.隨著應用的進一步深入和換熱器大型化的發展，如：在化工、電廠、煉鐵、電站等部門，需從每小時數十萬甚至數百萬標準立方米的煙氣中回收熱量，兩種流體之間絕對不允許相互滲漏[1].以往的換熱器在總體布置和輔助循環設備等方面都受限于宇航、化工、冶金等多個領域.同樣，人們已熟悉的整體式熱管換熱器也存在著需要很大空間及難以避免的相互滲漏等問題，而分離式熱管恰恰能夠解決以上問題.在核工程中，非能動意味著很高的可靠性，非能動設備往往無需人的參與就能正常工作.分離式熱管具有非能動、傳熱能力強、冷熱流體可完全隔離，極適合用于核動力工程中.蒸發段和冷凝段是分開的，這是分離式熱管區別于普通單管式熱管的最鮮明的特征，通過蒸汽上升管和液體下降管連通起來，形成一個自然循環回路[2-5].

1 非能動換熱器總體設計

1.1 總體布局設計

換熱器冷熱源均采用水浴、熱源溫度不高于100 ℃，為分離式熱管用于反應堆的余熱排出、低溫余熱回收等作出探索性研究.設計換熱功率在2 000 W左右.制作好的熱交換器將有兩個水箱，分別為冷水箱和熱水箱，冷水箱的位置將高于熱水箱，冷、熱兩個水箱內的水分別作為分離式熱管的冷源和熱源[6].實驗時，熱水箱充入一定量的水，使用電熱管加熱，熱水箱的水溫根據電熱管的通斷來控制，通過觀察冷水箱水溫的升高程度和速度來檢測熱交換器的性能.如圖1所示.

圖1 分離式熱管結構示意圖

非能動熱交換器的設計任務主要有：選定工作介質；選定傳熱管材料以及尺寸；計算蒸發段管外對流換熱系數；計算蒸發段管內沸騰換熱系數；計算冷凝段管內凝結換熱系數；計算冷凝段管外對流換熱系數；校核分離式熱管的傳熱極限；校核分離式熱管的強度[7]；根據設計溫度及功率計算循環回路總阻力，由此確定最佳工作狀態下分離式熱管的最小高度差.

1.2 分離式熱管管殼材質的確定

與工作介質水相容的材料有銅和經化學處理的碳鋼兩種.從導熱性看，銅的導熱系數最高，但是價格昂貴，且與碳鋼相比，結構強度不高，與水箱的連接問題不易解決；考慮到不銹鋼的耐腐蝕性特點突出，不僅傳熱管內壁與純水相容性較好，管外壁長期裸露于濕空氣中也不易生銹，雖然其導熱系數較低，但本熱交換器的熱流密度不大，管壁熱阻對傳熱效果影響不大；另一方面，不銹鋼管與氨、有機工作介質等均相容，不銹鋼管的使用為將來用水以外的工作介質做實驗提供可能.因此，本換熱器中熱管選用不銹鋼作為殼體材料.考慮到傳熱面積以及導管的連接問題，最終選定外徑32 mm、壁厚2 mm的不銹鋼管.

2 非能動熱交換器的傳熱計算

2.1 熱交換器熱量傳遞

在設計時，以余熱排出為目的，首先假設一個傳熱功率以及熱源溫度，根據熱量的傳遞路徑依次計算各傳熱環節的熱阻，根據熱阻及功率可算出各環節所需溫度勢，最終可以定出在保證功率前提下冷匯水的溫度上限.計算過程中有必要使用多次迭代.設計過程中以保證實際功率不低于設計功率為原則.熱交換器的傳熱計算以溫度為線索，按照熱量的傳遞路徑依次計算各環節熱阻或者換熱系數，最后得到所需冷源的最高水溫.

2.2 蒸發管段換熱計算

2.2.1 蒸發管段對流換熱計算

為了使設計簡化，在此選擇自然對流換熱形式，這對分離式熱管的研究沒有影響，且更為接近反應堆余熱排出的實際情況.大空間自然對流換熱用以下特征數關聯式計算[4]：

Nu=C(GrPr)n=Cran

(1)

其中：u、Pr、Gr和Ra分別為努塞爾數、普朗特數、格拉曉夫數和瑞利數.格拉曉夫數表示作用在流體上的浮升力，即自然對流條件下的驅動力和黏性力的相對大??；由于分離式熱管內工作介質為飽和狀態，所以其壁溫可認為恒定，在選擇適用條件時用恒壁溫情況.非能動熱交換器熱量流程見圖2.

圖2 非能動熱交換器熱量流程圖

2.2.2 蒸發管段沸騰傳熱計算

由于分離式熱管內流體的流動是靠自然驅動壓頭流動，其流量較小，流速較低，因此返回到蒸發段的液體是過冷或者飽和的，但它的存在很短暫，故可以不考慮它們對流動及傳熱的影響[8].因為用水浴加熱且導管尺寸與本設計相近的研究成果尚無.故在計算過程中選擇由羅森諾于1952年根據對流類比模型提出來的公式計算.

(2)

其中:qw為壁面處的熱流密度，W·m-2；ηl為飽和液體的動力黏度，Pa·s；γ為液體在飽和蒸汽界面上的表面張力，N·m-1；Cwl按照加熱面材質與液體種類的組合選取的經驗常數，對于水—不銹鋼組合，Cwl=0.013 0，n=1.0.

2.3 冷凝段管內凝結計算

來自蒸發段的蒸汽在冷凝段自上而下流動，與管壁發生凝結換熱，冷凝成液體經液體下降管回到蒸發段[9].假定不存在不凝性氣體，可以認為這是—種豎直管內的液-汽并流的凝結換熱過程，可以按照Nusselt膜狀層流凝結理論計算.

(3)

其中:hL為管內平均凝結換熱系數，W.(m2·℃)-1;L為冷凝段有效高度，m；ηl為液體動力黏度，Pa·s;r為汽化潛熱，kJ·kg-1；考慮到流下來的液膜具有少量過冷液，而且因為存在一定的對流傳熱，膜內溫度并非嚴格線性，因而應對上式略作修正，羅森諾提議把汽化潛熱改為r′=r+0.68cp(tsat-tw)，cpl表示液體定壓比熱容.

3 分離式熱管循環回路阻力計算

分離式熱管循環回路總阻力包括摩擦阻力和局部阻力，具體是蒸發段摩擦阻力、蒸汽上升管和冷凝液下降管的摩擦阻力和局部阻力、冷凝段摩擦阻力.對該熱交換器進行條件假設：

1) 當工作狀態為最佳時，熱端出口處蒸汽干度為1，冷端段出口處干度為0；

2) 蒸發段和冷凝段均是均勻受熱，沿傳熱管軸線方向熱流密度不變；

3) 冷凝回流液在蒸發段入口處為飽和狀態.

4) 忽略各傳熱管傳熱能力的差別.

3.1 蒸發段兩相摩擦阻力計算

對于蒸發兩相摩擦阻力計算

(4)

其中：Xvt為兩相流參數；Rev為汽相雷諾數；x為質量含氣率；ρv、ρl分別為汽相、液相密度，kg·m-3；μl、μv分別為液相、汽相動力黏度，Pa·s.

3.2 蒸汽上升管及冷凝液下降管阻力計算

在設計過程中，對蒸汽上升管及冷凝液下降管摩擦阻力計算以最佳工作狀態為標準，所以蒸汽上升管以及冷凝液下降管內均為單相流動，摩擦阻力壓降用以下方法計算：

(5)

其中：ΔP為阻力壓降，Pa；l為沿程管長度，m；v為工作介質流速，m·s-1.

在對蒸汽上升管及冷凝液下降管局部阻力計算時采用以下局部阻力的計算式.

(6)

其中：ζ為局部阻力系數.

設計傳熱管的組合形式如圖3所示，按靠外的傳熱管計算.工作介質循環一次，蒸汽和冷凝液都需要經過4個90°彎頭、4個三通.每個90°彎頭局部阻力系數為0.5，每個三通的局部阻力系數為1.5.流速按照直管處的平均速度計算.

圖3 傳熱管組合結構圖

3.3 冷凝段兩相摩擦阻力計算

冷凝段摩擦阻力的計算方法與蒸發段的相同.本設計中由于冷凝段管根數、結構尺寸、流量、熱流密度等均與蒸發段相同，故冷凝段的局部阻力壓降可認為與蒸發段相同.

4 最小高度差的確定

4.1 最小高度差的意義

最小高度差指的是在最佳工作狀態下，使循環驅動壓力等于循環回路阻力時所需要的冷熱段高度差.分離式熱管蒸發段與冷凝段的高度差即圖3中的H，H必須要大于最小高度差，否則工作介質不能正常循環，影響換熱效果.雖然有最小高度差的限制，分離式熱管的高度差也不能太大，太大的將使循環驅動壓力過大，導致蒸發段出口處蒸汽帶水，因而可能減少干蒸汽流量，使傳熱效率降低.最佳高度差應該通過實驗獲得，本次設計將使冷熱段高度差可調，以便研究高度差對分離式熱管的影響.

4.2 回路驅動壓頭

分離式熱管循環回路中循環動力是由密度差所提供的，即下降管系統與上升管系統中工作介質密度差[8-12].

在本設計中，可認為分離式熱管的蒸發段與冷凝段內工作介質蒸汽處于同一飽和溫度下，兩相的密度變化均甚微[13-14].通常認為兩段的熱流密度和熱流量相同，因此在蒸發段與冷凝段內質量含氣率、截面含氣率的變化情況相同，循環驅動壓頭主要產生于冷凝段下面的冷凝液導管.循環驅動壓力計算公式為：

sqd=(ρl-ρg)gH

(7)

其中：sqd為循環驅動壓力，Pa；H為分離式熱管高度差，m；ρl、ρg分別為工作溫度對應飽和狀態下的液體和蒸汽密度，kg·m-3.

本設計中冷、熱段傳熱管結構尺寸相同，熱流密度相同，屬于特殊情況，通常情況下，熱端與冷端結構不相同，導致了兩段的重位壓頭也不同，因此，有必要計算各自的重位壓頭.

假設不考慮循環回路的熱量損失，單純地認為蒸發端出口處含氣率為ε0，冷凝端出口處截面含氣率為0，其循環驅動壓頭為[15]

(8)

其中：εi為蒸發段第i小段的截面含氣率；εj為冷凝段第j小段的截面含氣率.

5 結 論

本文對非能動熱交換器作了比較全面的設計.設計過程中先假定熱源溫度和熱源需要被帶走的功率，按照熱交換器的常規設計方法，根據熱量的傳遞路徑依次計算各傳熱途徑的熱阻，其中有管外自然對流換熱、管內相變換熱、管壁導熱.分離式熱管內工質的流動屬于自然循環，因而有必要對循環回路阻力和循環驅動壓力進行計算，也就涉及到單相和兩相流動阻力的計算.針對計算結果得到以下結論：

1) 通過對分離式換熱器整體熱計算，在假設熱源水的溫度為90 ℃時，得到了該分離式換熱器熱功率為2 000 W，工作溫度為70 ℃.

2) 傳熱管的尺寸為0.4 m、外徑為32 mm、壁厚2 mm；蒸發段傳熱管根數為4根，冷凝段傳熱管束結構尺寸與蒸發段相同.冷源溫度上限40 ℃.工作溫度70 ℃時聲速極限是24 128 W，最小高度差6 mm.

3) 通過計算該分離式換熱器熱參數為：蒸發段管外對流換熱系數852.75 W/(m2·℃) ,蒸發段管內沸騰換熱系數2 314.29 W/(m2·℃),冷凝段管內凝結換熱系數1 162.32 W/(m2·℃),冷凝段管外對流換熱系數734.65 W/(m2·℃).