馮預(yù)恒，王一新，趙 勇，周志偉，楊紅義

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆工程部，北京 102413)

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)的中間熱交換器(IHX)是一、二回路的邊界，一回路主冷卻系統(tǒng)的冷卻劑鈉通過(guò)IHX將熱量傳遞給二回路，并將放射性鈉隔離在一回路內(nèi)。CEFR共布置4臺(tái)IHX，處于一回路外熱池內(nèi)。IHX體積龐大，內(nèi)部布置數(shù)百根換熱管，如使用傳統(tǒng)三維整體建模方法，計(jì)算量大且難以完成。因此IHX整體三維數(shù)值模擬很少使用。一般采用一、二維的方法，如單管換熱模型，在確定換熱管換熱面積和冷卻劑流量的條件下，通過(guò)數(shù)次迭代計(jì)算出換熱管的換熱系數(shù)，以此確定換熱量。

傳統(tǒng)計(jì)算方法有兩點(diǎn)假設(shè)：1) 所有進(jìn)入IHX的流量皆完成充分換熱，且貢獻(xiàn)相同；2) 換熱面積即是換熱管的總面積之和，不考慮換熱管布置等因素的影響。以上假設(shè)對(duì)回路式布置的IHX影響不大，但對(duì)于快堆一回路池式一體化布局，其IHX內(nèi)為彎式換熱管，若流體不考慮矢量方向，設(shè)備忽略換熱管位置，則極大降低了IHX的計(jì)算精度。因此，在工程上采用提高計(jì)算的保守性來(lái)保證設(shè)備的安全。

本工作采用大型通用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件CFX對(duì)CEFR一回路IHX一次側(cè)的1/6進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)模擬。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

IHX[1]主要由管束、壓力室、排放室、中心管、屏蔽部件和保護(hù)套組成。換熱管束被焊接在上、下兩塊管板上，沿直線管段在管束的軸向高度上安裝有定位帶。殼體結(jié)構(gòu)及換熱管布置示于圖1、2。IHX的主要設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1。

圖1 IHX殼體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 換熱管布置示意圖

表1 IHX的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

IHX內(nèi)由換熱管和固定拉桿組成，其中，換熱管513根，固定拉桿27根。換熱管和固定拉桿均有補(bǔ)償性彎曲段，用以補(bǔ)償換熱管、固定拉桿和內(nèi)筒體之間的熱膨脹差。彎曲段以環(huán)排方式進(jìn)行管束的安裝。沿直管段在管束的軸向高度上安裝有定位帶，它由平板帶和波紋帶組成并焊在拉桿上，其作用是減少換熱管的振動(dòng)。換熱管的主要參數(shù)列于表2。

表2 換熱管的主要參數(shù)

本工作模擬1/6 IHX一次側(cè)，驗(yàn)證其在額定運(yùn)行工況下的換熱能力： 1) IHX的出口溫度是否高于354 ℃；2) 研究IHX出口處的流體分布，驗(yàn)證此處的溫度測(cè)點(diǎn)布置是否合理；3) 研究進(jìn)、口處流體的分布，為熱池計(jì)算提供更精確的三維出口邊界條件；4) 根據(jù)IHX內(nèi)的溫度分布，為系統(tǒng)程序提供精準(zhǔn)的換熱管熱工流體參數(shù)；5) 以此模型的穩(wěn)態(tài)計(jì)算為基礎(chǔ)，為模擬IHX換熱管泄漏作技術(shù)準(zhǔn)備。

2 模型和邊界條件

2.1 模型

圖3 IHX一次側(cè)1/6模型

IHX一次側(cè)1/6模型示于圖3。IHX內(nèi)的換熱管和固定拉桿共9環(huán)，最內(nèi)環(huán)36根，從內(nèi)向外，每環(huán)增加6根。IHX的換熱管設(shè)計(jì)非常特別，每環(huán)的換熱管長(zhǎng)度相同，中部設(shè)計(jì)成同軸彎曲，每環(huán)的各根換熱管彎曲并設(shè)計(jì)成同環(huán)面。由內(nèi)環(huán)向外環(huán)，彎曲度逐漸減小，具體結(jié)構(gòu)示于圖4。

圖4 換熱管結(jié)構(gòu)

IHX一次側(cè)入口開(kāi)有189個(gè)φ50 mm的開(kāi)孔，孔間距75 mm。出口開(kāi)有231個(gè)φ50 mm的開(kāi)孔，孔間距75 mm。模型的進(jìn)口為32個(gè)，出口為39個(gè)，即進(jìn)、出口分別比實(shí)際情況多0.5個(gè)開(kāi)孔。為節(jié)省模型的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目，IHX的定位帶被省略。計(jì)算采用k-ε湍流模型，壁面對(duì)紊流的影響采用標(biāo)準(zhǔn)情況，考慮重力的影響，各流量下流道內(nèi)初始流速以理論計(jì)算為準(zhǔn)。其他輸入和模型選擇默認(rèn)值。在模擬計(jì)算時(shí)，采用光滑壁面，自動(dòng)生成四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時(shí)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和流動(dòng)間隙處采用密集網(wǎng)格。在保證計(jì)算精度的前提下，采用網(wǎng)格一體化、模型分區(qū)等技術(shù)，并盡量減少網(wǎng)格數(shù)量。

2.2 邊界條件

1) 入口邊界條件

選擇距離IHX一次側(cè)入口200 mm為計(jì)算的入口邊界。入口流量為78.95 kg/s，入口鈉溫為515 ℃。

2) 出口邊界條件

選擇距離IHX一次側(cè)出口下方和外方200 mm處為計(jì)算的出口邊界。

3) 傳熱管條件

傳熱管的壁厚被簡(jiǎn)化，壁面加熱系數(shù)取自IHX熱工計(jì)算說(shuō)明書。壁面溫度的溫降從入口(514 ℃)到出口(310 ℃)簡(jiǎn)化為均勻線性變化。

4) 傳熱管一次側(cè)管壁傳熱系數(shù)

計(jì)算說(shuō)明書取值6.1 kW/(m2·℃)，本工作取值5 kW/(m2·℃)。

5) 物性參數(shù)

流質(zhì)為鈉，流體內(nèi)壓力為常壓。為真實(shí)模擬額定工況下冷池的流動(dòng)及溫度的影響，各物性參數(shù)皆隨溫度而改變。液態(tài)鈉的密度ρ、黏度μ、比熱容c、導(dǎo)熱系數(shù)λ具體計(jì)算公式如下。

ρ=16.018 5(59.356 6-7.750 4×

10-3(1.8t+32)-0.287 2×10-6(1.8t+

32)2+0.060 3×10-9(1.8t+32)3)

μ=0.123 5ρ1/3exp(697ρ/1.8t)t≤500 ℃

c=41.86(0.389 352-1.105 99×

10-4(1.8t)+3.411 78×10-8(1.8t)2)

λ=1.729 58(54.306-1.878×10-2(1.8t+

32)+2.091 4×10-6(1.8t+32)3)

式中，t為材料的溫度。

計(jì)算區(qū)域外邊界假設(shè)為絕熱，即未考慮換熱器殼體與冷、熱池間的換熱。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 IHX一次側(cè)溫度分布

IHX一次側(cè)溫度分布示于圖5。一回路內(nèi)515 ℃的高溫鈉進(jìn)入IHX，在換熱管壁外被冷卻為356 ℃。沿著低溫鈉流動(dòng)方向，一次側(cè)溫度分布由高到低，在彎管段冷卻效果最好。主要冷卻工作段在下管段,根據(jù)其效率可分為5部分。

圖5 IHX換熱管溫度分布

1) 入口腔室

515 ℃的高溫鈉在進(jìn)入入口腔室后被冷卻，部分沿?fù)Q熱管下沉，進(jìn)入IHX。剩余大部分繼續(xù)在入口腔室內(nèi)向前流動(dòng)，進(jìn)入IHX內(nèi)圈換熱管，這導(dǎo)致入口腔室內(nèi)部溫度低于外部區(qū)域溫度。入口腔室平均溫降為6 ℃。

2) 上段直管區(qū)

上段直管區(qū)是IHX的三大工作區(qū)之一。上段直管總長(zhǎng)0.77 m，熱鈉在換熱管壁外向下流動(dòng)并冷卻，在此區(qū)域鈉溫下降約21 ℃。

3) 中部彎管區(qū)

彎管區(qū)水平高度1.074 m，進(jìn)入彎管段后，熱鈉被迅速冷卻，平均溫降40 ℃。彎管區(qū)的冷卻效率較直管區(qū)平均提高35%。

4) 下段直管區(qū)

下段直管總長(zhǎng)1.23 m，是IHX的主要工作區(qū)，一次鈉平均溫降達(dá)83 ℃，占整體溫降的50%。一次鈉流出此區(qū)域后，IHX內(nèi)的平均鈉溫已與冷池的平均溫度基本相同，為360 ℃左右。

5) 出口腔室

出口腔室總長(zhǎng)0.425 m，比入口腔室略大。在其外殼體，由上至下均勻開(kāi)有39個(gè)φ50 mm的開(kāi)孔。鈉流出下段直管區(qū)進(jìn)入底部出口腔室后，大部分流體在管道縫隙間繼續(xù)向下流動(dòng)，只有部分冷鈉從出口腔室的上排開(kāi)孔流出。

出口腔室內(nèi)的徑向溫度分布為外冷、內(nèi)熱，與入口腔室的溫度分布相反，液態(tài)鈉在出口腔室的平均溫降為9 ℃。

3.2 IHX一次側(cè)速度分布

IHX一次側(cè)速度分布示于圖6。流體在進(jìn)入IHX后，其速度分布基本規(guī)律與換熱管保持一致，但各段間、軸向和周向的速度分布各有特點(diǎn)。

圖6 IHX一次測(cè)流場(chǎng)

1) IHX一次側(cè)軸向分布

因一回路流體流經(jīng)換熱管外側(cè)，傳熱管對(duì)流動(dòng)的影響非常大，流體的流動(dòng)方向與傳熱管基本保持一致。只是流經(jīng)下彎管段時(shí)，在流動(dòng)慣性的作用下，流體旋轉(zhuǎn)的角度略小于傳熱管。

2) IHX一次側(cè)周向分布

外殼體與最外排換熱管間的流速明顯高于9排傳熱管間的區(qū)域，因流體的進(jìn)、出口在此區(qū)域，且流動(dòng)行程相對(duì)最短，形阻較其他區(qū)域小。

3) 入口腔室

在入口腔室的外殼體開(kāi)有32個(gè)φ50 mm的開(kāi)孔，每個(gè)開(kāi)孔的流量基本相同，但流動(dòng)方向由上至下存在較大差異。通過(guò)最上層開(kāi)孔進(jìn)入入口腔室的流體，流動(dòng)方向存在一向上40°的仰角，并在外殼體和最外3層換熱管上部之間形成一漩渦。在漩渦區(qū)鈉溫較高,降低了換熱器入口腔室內(nèi)的換熱效率。通過(guò)中部開(kāi)孔的流體，流動(dòng)方向基本與開(kāi)孔垂直。通過(guò)下3排開(kāi)孔的流體，進(jìn)入入口腔室后流動(dòng)方向改變90°,向下流出入口腔室進(jìn)入換熱器的上直管區(qū)。在入口腔室區(qū)域，60%的流體的流動(dòng)方向與換熱管垂直，即管間的橫向繞流是入口腔室的主要特點(diǎn)。

4) 出口腔室

IHX一次側(cè)出口流場(chǎng)示于圖7。流體進(jìn)入出口腔室后繼續(xù)沿?fù)Q熱管方向流動(dòng)，最終在換熱器底部流動(dòng)方向改變90°，大部分流體從最下兩排開(kāi)孔流出IHX，這與傳統(tǒng)觀點(diǎn)完全不同。因IHX一次側(cè)各出口的流量分配由流體的體積力決定，因此，在布置IHX一次側(cè)出口流量和溫度測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮出口腔室的流動(dòng)特點(diǎn)。

圖7 IHX一次側(cè)出口流場(chǎng)

4 結(jié)論

本工作應(yīng)用CFX程序計(jì)算獲得了IHX一次側(cè)速度場(chǎng)、換熱管束各部分的詳細(xì)溫度分布及變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，出口鈉溫低于354 ℃，與俄羅斯提供的計(jì)算結(jié)果較一致，IHX可滿足設(shè)計(jì)要求，在CEFR滿功率運(yùn)行時(shí)，IHX可將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給二回路，保證主熱傳輸系統(tǒng)的正常工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆最終安全分析報(bào)告[R]. 北京：中國(guó)原子能科學(xué)研究院，2008.