林 超 蔡創(chuàng)雄 王 凱 何兆忠 陳 堃

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

硝酸鹽自然循環(huán)回路空冷塔性能分析

林 超1,2蔡創(chuàng)雄1王 凱1何兆忠1陳 堃1

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

硝酸鹽自然循環(huán)回路(Nitrate Natural Circulation Loop, NNCL)是先進(jìn)熔鹽堆非能動(dòng)衰變熱排出系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)回路，目的是獲得自然循環(huán)下回路的傳熱、阻力等特性，驗(yàn)證計(jì)算分析方法的正確性等。本文采用RNG (Renormalization Group) k-ε湍流模型、增強(qiáng)壁面函數(shù)和SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)算法，對(duì)硝酸鹽自然循環(huán)回路空冷塔部分的對(duì)流換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。計(jì)算結(jié)果表明：空冷換熱器旁路漏流對(duì)換熱有較大影響，可以通過(guò)旁路擋板增強(qiáng)換熱能力，三層旁路擋板的設(shè)計(jì)能將換熱能力提升近一倍。

空冷塔，強(qiáng)迫通風(fēng)，自然通風(fēng)，計(jì)算流體力學(xué)方法，旁路擋板，增強(qiáng)換熱

硝酸鹽自然循環(huán)回路(Nitrate Natural Circulation Loop, NNCL)是釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)[1](Thorium-based Molten Salt Reactor, TMSR)專(zhuān)項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示，主要用來(lái)研究直接反應(yīng)堆輔助冷卻系統(tǒng)(Direct Reactor Auxiliary Cooling System, DRACS)的流動(dòng)、換熱等特性。DRACS是熔鹽冷卻堆安全系統(tǒng)的重要組成部分[2]，它是事故條件下排出堆芯衰變熱的有效手段，這套系統(tǒng)無(wú)需外部動(dòng)力和控制設(shè)備支持，極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[3]。硝酸鹽自然循環(huán)回路將為DRACS的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)。

圖1 硝酸鹽自然循環(huán)回路示意圖Fig.1 Layout of the nitrate natural circulation loop.

硝酸鹽自然循環(huán)回路主要由加熱器、熔鹽池、熔鹽儲(chǔ)罐、熱交換器(Draft Heat Exchanger, DHX and Natural Draft Heat Exchanger, NDHX)、空冷塔、膨脹罐和連接管道等組成。依靠熱流段和冷流段的流體密度差產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)壓頭來(lái)驅(qū)動(dòng)回路中熔鹽的自然循環(huán)，從而將熱量通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)帶到空冷塔中，再由空氣自然對(duì)流排入大氣。熱量必須通過(guò)NDHX換熱器進(jìn)入大氣，故NDHX換熱器管外空氣的流動(dòng)及傳熱特性對(duì)回路有重要影響。實(shí)際空冷塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用NDHX換熱器缺乏通用的傳熱經(jīng)驗(yàn)公式，難以滿足精確設(shè)計(jì)計(jì)算的需求。本文采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)數(shù)值模擬的方法對(duì)空冷塔性能展開(kāi)研究，使用ICEMCFD (The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)軟件建立空冷塔網(wǎng)格，F(xiàn)LUENT軟件計(jì)算空冷塔內(nèi)結(jié)構(gòu)對(duì)換熱的影響，提出旁路擋板的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并擬合適用于NDHX換熱器的換熱關(guān)系式，為后續(xù)回路系統(tǒng)分析做基礎(chǔ)。

1 物理模型

空冷塔高為6.85 m，其中進(jìn)風(fēng)段0.3 m，出風(fēng)段5.3 m。進(jìn)出口直徑為0.538 m，風(fēng)箱截面為矩形，尺寸0.6 m×0.6 m，換熱器位于風(fēng)箱中部。換熱器共15根管束，6管程。每管程有效管長(zhǎng)0.4 m，管徑0.025 m。模型忽略連接支撐結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x表。忽略蛇形管彎管段，將其等效為叉排管束。這樣簡(jiǎn)化一方面減少了空氣所受擾動(dòng)，使平均對(duì)流換熱系數(shù)下降；另一方面，忽略了換熱能力較低的彎管段，使平均對(duì)流換熱系數(shù)上升，兩方面影響相互抵消，由簡(jiǎn)化引起的平均對(duì)流換熱系數(shù)偏差不超過(guò)10%。且減少的傳熱面積作為換熱余量，防止壞管、堵管后導(dǎo)致?lián)Q熱面積不足?？绽渌?shù)值計(jì)算模型如圖2所示，叉排管束結(jié)構(gòu)取ST=64 mm，SL=50 mm，D=25mm (圖2(b))?？諝鈴牡撞窟M(jìn)入，流經(jīng)風(fēng)箱，被NDHX換熱器加熱，再?gòu)捻敳苛鞒觥?/p>

2 數(shù)值模型

2.1 網(wǎng)格劃分

采用ICEM生成六面體結(jié)構(gòu)分區(qū)域網(wǎng)格，見(jiàn)圖3。風(fēng)箱與進(jìn)出風(fēng)管用Interface連接。換熱管管壁添加邊界層，第一場(chǎng)層厚度0.3 mm，增長(zhǎng)率1.2，邊界層層數(shù)為8層[4]。網(wǎng)格數(shù)量為530萬(wàn)。其中網(wǎng)格的主要質(zhì)量指標(biāo)如表1所示。

為獲得一個(gè)網(wǎng)格無(wú)關(guān)解，選擇網(wǎng)格數(shù)410萬(wàn)和660萬(wàn)，考察網(wǎng)格數(shù)量對(duì)解的影響，以出口溫度、壓降為判定值。結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)量變化對(duì)結(jié)果無(wú)明顯影響。

圖3 空冷塔計(jì)算網(wǎng)格(a) 風(fēng)箱整體網(wǎng)格，(b) 叉排管束網(wǎng)格放大圖Fig.3 Mesh of the air cooling tower. (a) Mesh of overall bellow, (b) Mesh of staggered tube bundles enlarged view

表1 網(wǎng)格質(zhì)量分布Table 1 Distribution of the mesh quality.

2.2 邊界條件

空氣物性來(lái)源于文獻(xiàn)[5]，使用ORIGIN軟件擬合溫度相關(guān)的物性多項(xiàng)式植入FLUENT程序。操作壓力為一個(gè)大氣壓，設(shè)置-y方向9.81 m·s-2的重力加速。邊界條件設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 邊界條件設(shè)置Table 2 Boundary conditions setting.

2.3 控制方程及求解方法

以“聚焦實(shí)戰(zhàn)、服務(wù)作戰(zhàn)、保障打贏”為目標(biāo)，由上至下進(jìn)一步明確各職能單位的職能定位，逐步形成職責(zé)明確、高效運(yùn)轉(zhuǎn)的裝備保障組織體系。裝備發(fā)展部，既是中央軍委在裝備工作方面的參謀機(jī)關(guān)，也是戰(zhàn)區(qū)、軍種裝備部門(mén)及聯(lián)勤部隊(duì)的指導(dǎo)機(jī)關(guān)。軍以下聯(lián)勤保障單位是具體實(shí)施裝備保障的主體力量，統(tǒng)一由地區(qū)聯(lián)勤保障中心領(lǐng)導(dǎo)，主要承擔(dān)領(lǐng)導(dǎo)管理所屬裝備保障力量、組織所屬區(qū)域一體化聯(lián)合裝備保障工作。戰(zhàn)區(qū)裝備部門(mén)在戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合參謀部領(lǐng)導(dǎo)下負(fù)責(zé)戰(zhàn)區(qū)一體化聯(lián)合作戰(zhàn)裝備保障的組織協(xié)調(diào)工作，同時(shí)具備戰(zhàn)時(shí)指揮調(diào)控功能。

控制方程的通用形式：

當(dāng)φ取不同的變量時(shí)，方程分別代表了連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和k-ε方程；Γφ和Sφ分別代表擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)。

強(qiáng)迫通風(fēng)湍流模型選用RNG (Renormalization Group) k-ε[6]，增強(qiáng)壁面函數(shù)[7]（滿足y+＜5）。使用SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)算法，壓力離散格式選擇Body Force Weighted，其余動(dòng)量、湍動(dòng)能和耗散率的離散選用二階迎風(fēng)格式。

自然通風(fēng)計(jì)算中擴(kuò)展空冷塔外計(jì)算域[8]，設(shè)置空冷塔入口下方和出口上方的兩個(gè)相對(duì)大的區(qū)域，呈“I”形。下部區(qū)域?yàn)楦?.5 m、半徑1 m的圓柱型區(qū)域；上部區(qū)域?yàn)楦? m、半徑2 m的圓柱型區(qū)域。采用瞬態(tài)計(jì)算方法，選用RNG k-ε湍流模型[9]，設(shè)置表2所示邊界條件，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)0.001 s。初始條件：風(fēng)冷塔內(nèi)溫度與叉排管束壁溫相等，外部空氣溫度為293 K。其余設(shè)置與強(qiáng)迫對(duì)流一致。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 模型驗(yàn)證

針對(duì)本文所述結(jié)構(gòu)(ST=64 mm，SL=50 mm，D=25mm)的叉排管束，適用的茹卡烏斯卡斯傳熱關(guān)系式如表3所示[10]。

表3 叉排管束傳熱系數(shù)關(guān)系式Table 3 Heat transfer coefficients for array of tubes.

其中，取管束中最大流速來(lái)計(jì)算Ref數(shù)，見(jiàn)式(2)、(3)，定性溫度取進(jìn)出口平均溫度Tf=(Ti+To)/2。

式中，Ti和To是進(jìn)入和離開(kāi)管束的流體溫度；傳熱溫差取對(duì)數(shù)平均溫差ΔTlm[5]。

式中，Ts為管壁溫度。經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算中先用Ti取空氣物性，求得To。重新計(jì)算Tf溫度下的空氣物性。重復(fù)迭代直到To偏差小于0.1%。

采用網(wǎng)格及FLUENT設(shè)置，先對(duì)理想叉排管束（無(wú)旁路漏流，符合茹卡烏斯卡斯傳熱關(guān)系式的叉排管束）計(jì)算以驗(yàn)證模型設(shè)置正確性。FLUENT模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算結(jié)果相符，最大誤差4.6%，最小誤差2% (圖4)，能滿足計(jì)算要求。

圖4 傳熱經(jīng)驗(yàn)公式與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of empirical formula and simulation.

3.2 強(qiáng)迫通風(fēng)

圖5為壁溫550 K強(qiáng)迫通風(fēng)時(shí)，不同空氣流量下空冷塔中心截面速度分布。從圖5中可以看出，有部分空氣通過(guò)換熱器旁路流道，未得到充分加熱，且旁路的空氣流速較大?？諝饬鬟^(guò)旁路流道，造成漏流，不利于對(duì)流傳熱。Nu數(shù)及總換熱功率均低于理想叉排管束，并且空氣流量越大，兩流道流動(dòng)阻力差距越大，該偏差越明顯，如圖6所示。

圖5 不同空氣流量的速度場(chǎng) (a) 0.125 kg·s-1，(b) 1.0 kg·s-1Fig.5 Velocity field at different air flow rates. (a) 0.125 kg·s-1, (b) 1.0 kg·s-1

圖6 有無(wú)旁路計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of that with and without by-pass.

3.3 自然通風(fēng)

圖7為自然通風(fēng)叉排管束管壁面溫度550 K時(shí)，空冷塔中心截面內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。從圖7(a)中可以看出，在浮力作用下冷空氣被吸入空冷塔，經(jīng)過(guò)換熱器管束后溫度升高，然后流出空冷塔；從圖7(b)可以看出，自然對(duì)流同樣存在旁路漏流的情況。

圖7 自然通風(fēng)溫度場(chǎng)(a)和速度場(chǎng)(b)Fig.7 Temperature distribution (a) and velocity distribution (b) of natural convection.

空冷塔自然通風(fēng)穩(wěn)定進(jìn)風(fēng)量、出口截面平均溫度、換熱功率隨換熱管管壁溫度而增加(表4)。

表4 不同管壁溫度計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results for different tube temperature.

3.4 旁路擋板

通過(guò)以上分析，旁路漏流會(huì)降低空冷換熱器的性能，而空冷塔必須能夠?qū)⒒芈返臒崃考皶r(shí)排出。本文建議采用安裝旁路擋板的方法來(lái)增強(qiáng)其換熱性能。圖8為兩層和三層旁路擋板結(jié)構(gòu)圖。每塊擋板面積為0.168 m2。圖9為自然通風(fēng)空冷塔內(nèi)跡線，在無(wú)旁路擋板時(shí)，大量空氣通過(guò)旁路流走，沒(méi)有流經(jīng)管束區(qū)。而在旁路擋板作用下，空氣變向后再次流入管束區(qū)，提高了空氣對(duì)管束的沖刷作用，增強(qiáng)了換熱能力。另一方面造成空氣流速的變化，增加了漩渦流動(dòng)區(qū)，增大了流動(dòng)阻力。

圖8 旁路擋板結(jié)構(gòu)圖(a) 2層擋板，(b) 3層擋板Fig.8 By-pass damper structure. (a) 2-layer damper, (b) 3-layer damper

圖9 自然通風(fēng)風(fēng)箱內(nèi)跡線圖(a) 無(wú)擋板，(b) 3層擋板Fig.9 Pathlines in air box. (a) No damper, (b) 3-layer damper

經(jīng)計(jì)算表明：風(fēng)冷換熱器殼側(cè)換熱系數(shù)隨擋板數(shù)量和面積而增加，與文獻(xiàn)所述一致[11]，圖10為安裝旁路擋板后強(qiáng)迫通風(fēng)換熱Nu數(shù)隨Re數(shù)變化?？紤]空冷塔內(nèi)部空間及換熱需求，空冷塔采用3層擋板結(jié)構(gòu)。FLUENT計(jì)算求得Nu(Re,Pr)，參考茹卡烏斯卡斯傳熱關(guān)系式形式，擬合強(qiáng)迫通風(fēng)換熱關(guān)系式，見(jiàn)表5。

圖10 殼側(cè)換熱Nu數(shù)變化Fig.10 Shell side heat transfer coefficient changes.

表5 強(qiáng)迫通風(fēng)換熱關(guān)系式Table 5 Forced ventilation heat exchange equations.

對(duì)自然通風(fēng)，有明顯旁路漏流，采用三層旁路擋板設(shè)計(jì)。旁路擋板增強(qiáng)換熱性能的會(huì)增大流動(dòng)阻力，給自然對(duì)流傳熱帶來(lái)負(fù)面影響。表6為管壁溫度550 K時(shí)，有無(wú)擋板的自然通風(fēng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比?？梢钥闯觯喊惭b擋板后，空氣在擋板作用下折回管束，流動(dòng)阻力增大，空冷塔風(fēng)箱進(jìn)出口壓降增大，流量減小。其中ΔPf為空冷塔風(fēng)箱進(jìn)出口的壓力差。

而換熱功率明顯上升，說(shuō)明擋板對(duì)換熱能力的提升作用要強(qiáng)于阻力的增加作用。其他壁面溫度工況，亦有相同結(jié)論，并且自然通風(fēng)Nu數(shù)隨壁溫增加。安裝擋板，壁面溫度500-700 K，Nu數(shù)數(shù)值為27-30。

表6 自然通風(fēng)計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculation results of natural ventilation.

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用CFD方法對(duì)硝酸鹽自然循環(huán)回路空冷塔強(qiáng)迫通風(fēng)換熱、自然通風(fēng)換熱進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明風(fēng)冷換熱器旁路漏流對(duì)換熱有較大影響，增加旁路擋板能增強(qiáng)換熱性能。空冷塔換熱器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮旁路漏流對(duì)換熱的影響，必要時(shí)增加旁路擋板的設(shè)計(jì)。三層擋板設(shè)計(jì)就能滿足空冷設(shè)計(jì)需求。

本文還對(duì)強(qiáng)迫通風(fēng)各種工況進(jìn)行了模擬計(jì)算，擬合強(qiáng)迫通風(fēng)傳熱關(guān)系式。對(duì)自然通風(fēng)模擬表明了旁路擋板對(duì)換熱能力的提升作用要強(qiáng)于阻力的增加作用，亦能增強(qiáng)自然通風(fēng)換熱性能。計(jì)算求得的傳熱關(guān)系可作為后續(xù)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)。

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CLCTL364

Performance analysis of the air cooling tower for nitrate natural circulation loop

LIN Chao1,2CAI Chuangxiong1WANG Kai1HE Zhaozhong1CHEN Kun1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Nitrate natural convection loop (NNCL) was designed to study the heat transfer behavior and corrosion behavior of direct reactor auxiliary cooling system (DRACS). DRACS is residual heat removal system of Advanced High-Temperature Reactor (AHTR) whilst the air cooling tower is the ultimate heat sink of DRACS. The structure of salt-to-air heat exchanger and the design of cooling tower are important in determining performance. Purpose: The aim is to study the performance on air cooling tower of nitrate natural convection loop, and finalize the optimization design. Methods: Based on the FLUENT software and structure model of the cooling tower, numerical simulations are carried out to study the heat transfer performance of NNCL. Results: The results show that the by-pass flow will reduce the heat transfer ability. The capacity of heat transfer can be enhanced by installing of the by-pass damper, and 3-layer by-pass damper can increase the capacity of heat transfer by as much as 100%. Conclusion: Numerical simulation can provide some basis for optimizing heat transfer performance of the air cooling tower, and increase the by-pass damper design is necessary to effectively avoid the by-pass flow of air heat exchanger.

Air cooling tower, Forced air circulation, Natural air circulation, Computational fluid dynamics (CFD), By-pass dampers, Enhanced heat transfer

TL364

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120601

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(No.XDA02050100)資助

林超，男，1989年出生，2012年畢業(yè)于南華大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)榉磻?yīng)堆熱工水力

陳堃，E-mail: chenkun@sinap.ac.cn

2014-08-25，

2014-10-11