CEFR中间热交换器一次侧数值模拟

2014-08-08冯预恒王一新周志伟杨红义

原子能科学技术 2014年7期

冯预恒，王一新，赵勇，周志伟，杨红义

(中国原子能科学研究院中国实验快堆工程部，北京 102413)

中国实验快堆(CEFR)的中间热交换器(IHX)是一、二回路的边界，一回路主冷却系统的冷却剂钠通过IHX将热量传递给二回路，并将放射性钠隔离在一回路内。CEFR共布置4台IHX，处于一回路外热池内。IHX体积庞大，内部布置数百根换热管，如使用传统三维整体建模方法，计算量大且难以完成。因此IHX整体三维数值模拟很少使用。一般采用一、二维的方法，如单管换热模型，在确定换热管换热面积和冷却剂流量的条件下，通过数次迭代计算出换热管的换热系数，以此确定换热量。

传统计算方法有两点假设：1) 所有进入IHX的流量皆完成充分换热，且贡献相同；2) 换热面积即是换热管的总面积之和，不考虑换热管布置等因素的影响。以上假设对回路式布置的IHX影响不大，但对于快堆一回路池式一体化布局，其IHX内为弯式换热管，若流体不考虑矢量方向，设备忽略换热管位置，则极大降低了IHX的计算精度。因此，在工程上采用提高计算的保守性来保证设备的安全。

本工作采用大型通用商业计算流体力学(CFD)软件CFX对CEFR一回路IHX一次侧的1/6进行三维稳态模拟。

1 设备简介

IHX[1]主要由管束、压力室、排放室、中心管、屏蔽部件和保护套组成。换热管束被焊接在上、下两块管板上，沿直线管段在管束的轴向高度上安装有定位带。壳体结构及换热管布置示于图1、2。IHX的主要设计参数列于表1。

图1 IHX壳体结构示意图

图2 换热管布置示意图

表1 IHX的主要设计参数

IHX内由换热管和固定拉杆组成，其中，换热管513根，固定拉杆27根。换热管和固定拉杆均有补偿性弯曲段，用以补偿换热管、固定拉杆和内筒体之间的热膨胀差。弯曲段以环排方式进行管束的安装。沿直管段在管束的轴向高度上安装有定位带，它由平板带和波纹带组成并焊在拉杆上，其作用是减少换热管的振动。换热管的主要参数列于表2。

表2 换热管的主要参数

本工作模拟1/6 IHX一次侧，验证其在额定运行工况下的换热能力： 1) IHX的出口温度是否高于354 ℃；2) 研究IHX出口处的流体分布，验证此处的温度测点布置是否合理；3) 研究进、口处流体的分布，为热池计算提供更精确的三维出口边界条件；4) 根据IHX内的温度分布，为系统程序提供精准的换热管热工流体参数；5) 以此模型的稳态计算为基础，为模拟IHX换热管泄漏作技术准备。

2 模型和边界条件

2.1 模型

图3 IHX一次侧1/6模型

IHX一次侧1/6模型示于图3。IHX内的换热管和固定拉杆共9环，最内环36根，从内向外，每环增加6根。IHX的换热管设计非常特别，每环的换热管长度相同，中部设计成同轴弯曲，每环的各根换热管弯曲并设计成同环面。由内环向外环，弯曲度逐渐减小，具体结构示于图4。

图4 换热管结构

IHX一次侧入口开有189个φ50 mm的开孔，孔间距75 mm。出口开有231个φ50 mm的开孔，孔间距75 mm。模型的进口为32个，出口为39个，即进、出口分别比实际情况多0.5个开孔。为节省模型的计算网格数目，IHX的定位带被省略。计算采用k-ε湍流模型，壁面对紊流的影响采用标准情况，考虑重力的影响，各流量下流道内初始流速以理论计算为准。其他输入和模型选择默认值。在模拟计算时，采用光滑壁面，自动生成四面体非结构化网格，同时在结构复杂和流动间隙处采用密集网格。在保证计算精度的前提下，采用网格一体化、模型分区等技术，并尽量减少网格数量。

2.2 边界条件

1) 入口边界条件

选择距离IHX一次侧入口200 mm为计算的入口边界。入口流量为78.95 kg/s，入口钠温为515 ℃。

2) 出口边界条件

选择距离IHX一次侧出口下方和外方200 mm处为计算的出口边界。

3) 传热管条件

传热管的壁厚被简化，壁面加热系数取自IHX热工计算说明书。壁面温度的温降从入口(514 ℃)到出口(310 ℃)简化为均匀线性变化。

4) 传热管一次侧管壁传热系数

计算说明书取值6.1 kW/(m2·℃)，本工作取值5 kW/(m2·℃)。

5) 物性参数

流质为钠，流体内压力为常压。为真实模拟额定工况下冷池的流动及温度的影响，各物性参数皆随温度而改变。液态钠的密度ρ、黏度μ、比热容c、导热系数λ具体计算公式如下。

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为材料的温度。

计算区域外边界假设为绝热，即未考虑换热器壳体与冷、热池间的换热。

3 计算结果及分析

3.1 IHX一次侧温度分布

IHX一次侧温度分布示于图5。一回路内515 ℃的高温钠进入IHX，在换热管壁外被冷却为356 ℃。沿着低温钠流动方向，一次侧温度分布由高到低，在弯管段冷却效果最好。主要冷却工作段在下管段,根据其效率可分为5部分。

图5 IHX换热管温度分布

1) 入口腔室

515 ℃的高温钠在进入入口腔室后被冷却，部分沿换热管下沉，进入IHX。剩余大部分继续在入口腔室内向前流动，进入IHX内圈换热管，这导致入口腔室内部温度低于外部区域温度。入口腔室平均温降为6 ℃。

2) 上段直管区

上段直管区是IHX的三大工作区之一。上段直管总长0.77 m，热钠在换热管壁外向下流动并冷却，在此区域钠温下降约21 ℃。

3) 中部弯管区

弯管区水平高度1.074 m，进入弯管段后，热钠被迅速冷却，平均温降40 ℃。弯管区的冷却效率较直管区平均提高35%。

4) 下段直管区

下段直管总长1.23 m，是IHX的主要工作区，一次钠平均温降达83 ℃，占整体温降的50%。一次钠流出此区域后，IHX内的平均钠温已与冷池的平均温度基本相同，为360 ℃左右。

5) 出口腔室

出口腔室总长0.425 m，比入口腔室略大。在其外壳体，由上至下均匀开有39个φ50 mm的开孔。钠流出下段直管区进入底部出口腔室后，大部分流体在管道缝隙间继续向下流动，只有部分冷钠从出口腔室的上排开孔流出。

出口腔室内的径向温度分布为外冷、内热，与入口腔室的温度分布相反，液态钠在出口腔室的平均温降为9 ℃。

3.2 IHX一次侧速度分布

IHX一次侧速度分布示于图6。流体在进入IHX后，其速度分布基本规律与换热管保持一致，但各段间、轴向和周向的速度分布各有特点。

图6 IHX一次测流场

1) IHX一次侧轴向分布

因一回路流体流经换热管外侧，传热管对流动的影响非常大，流体的流动方向与传热管基本保持一致。只是流经下弯管段时，在流动惯性的作用下，流体旋转的角度略小于传热管。

2) IHX一次侧周向分布

外壳体与最外排换热管间的流速明显高于9排传热管间的区域，因流体的进、出口在此区域，且流动行程相对最短，形阻较其他区域小。

3) 入口腔室

在入口腔室的外壳体开有32个φ50 mm的开孔，每个开孔的流量基本相同，但流动方向由上至下存在较大差异。通过最上层开孔进入入口腔室的流体，流动方向存在一向上40°的仰角，并在外壳体和最外3层换热管上部之间形成一漩涡。在漩涡区钠温较高,降低了换热器入口腔室内的换热效率。通过中部开孔的流体，流动方向基本与开孔垂直。通过下3排开孔的流体，进入入口腔室后流动方向改变90°,向下流出入口腔室进入换热器的上直管区。在入口腔室区域，60%的流体的流动方向与换热管垂直，即管间的横向绕流是入口腔室的主要特点。

4) 出口腔室

IHX一次侧出口流场示于图7。流体进入出口腔室后继续沿换热管方向流动，最终在换热器底部流动方向改变90°，大部分流体从最下两排开孔流出IHX，这与传统观点完全不同。因IHX一次侧各出口的流量分配由流体的体积力决定，因此，在布置IHX一次侧出口流量和温度测点时，应考虑出口腔室的流动特点。