非能动余热排出系统换热器管外流动组织及其对换热能力影响分析

宋宇，赵加清，李晓伟，李笑天，吴莘馨

(清华大学 核能与新能源技术研究院，先进核能技术协同创新中心，

先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京100084)

摘要：对非能动余热排出系统的换热器管外对流换热进行数值分析，比较组织流道和不组织流道时换热器管束外部的流动分布的差异和换热能力的大小，数值计算结果表明，组织流道可优化换热器管外的流动，提高换热器的换热能力。比较分析无流道、有流道和流道出现缝隙对换热能力、阻力和出口温度等的影响。分析结果表明，组织流道会使换热能力增加约20%，阻力增加约1倍；当流道出现缝隙时，单缝隙对换热器的换热能力影响不大，多缝隙会损失一部分换热量。

关键词：自然循环；换热器；余热；热工水力；换热量

中图分类号：TL334 文献标志码：A

收稿日期：2014-06-25;修回日期：2014-12-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51006061)；清华大学自主科研项目资助(20151080376)

作者简介：宋宇(1985—)，女，辽宁沈阳人，助理研究员，博士，核能科学与工程专业

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2004

Flow Organization around Heat Exchanger Tube and Its Influence

on Heat Exchange Capability in Passive Residual Heat Removal System

SONG Yu, ZHAO Jia-qing, LI Xiao-wei, LI Xiao-tian, WU Xin-xin

(InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,CollaborativeInnovationCenter

ofAdvancedNuclearEnergyTechnology,KeyLaboratoryofAdvancedReactorEngineeringand

SafetyofMinistryofEducation,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:The convective heat transfer was studied around the heat exchanger tube in the passive residual heat removal system. The flow difference and heat exchange capability were compared around the tubes with and without baffle. The numerical results show that the baffle can optimize the flow inside the heat exchanger tube and improve heat exchange capability. The heat exchange capability, flow resistance and outlet temperature were investigated for the cases without baffle, with baffle and when the baffle has gaps respectively. The results show that the baffle can increase the heat exchange capability by 20% and double the flow resistance. The single gap has little effect on the heat exchange capability, while multi-gap will result in losing some amount of heat transfer rate in heat exchange.

Key words：natural circulation; heat exchanger; residual heat; thermo-hydraulics; heat transfer rate

余热排出系统是核电站核岛的关键系统之一，主要功能是在反应堆事故或正常停堆时排出堆芯的剩余发热，是专属安全设施。余热排出系统换热器是余热排出系统的重要设备，其换热能力、安全性和可靠性影响余热排出系统安全功能的实现[1-3]。非能动余热排出系统利用自然对流驱动的方式排出反应堆剩余发热，可大幅提高核反应堆的安全性[4-8]。AP1000的非能动余热排出系统换热器为C型管换热器，位于换料水箱内。非能动余热排出系统投入后，利用换料水箱内水自然循环带走热量。薛若军等[9]对AP1000非能动余热排出系统自然循环水-水换热器的简化模型进行了流动和传热分析，得出数值计算中添加湍流模型更为合理，C型管换热器是最优的结构方案。薛若军等[10]进一步对AP1000中余热排出系统换热器所在的换料水箱进行了非稳态的流动和换热分析，分析表明，弯管区扰流和回流现象明显，增加了流体的扰动，换热效果更好。本文研究的换热器换热机理与AP1000非能动余热排出系统换热器类似，均为管式自然对流水-水换热器，但本文中的换热器传热管结构与AP1000略有不同。本文通过软件Fluent对某反应堆余热排出系统换热器简化模型进行数值模拟，定量分析换热器的整体换热能力，比较组织流道与不组织流道两种情况下换热器换热能力的大小，分析当组织流道的挡板出现缝隙时对换热器各项性能的影响，对换热器的结构设计提出优化方案。

1模型及网格划分

本文研究的换热器为倾斜布置的自然对流水-水换热器，管侧由管箱和传热管组成，管内为120 ℃的热流体，壳侧截面为倾斜矩形结构，与竖直方向成10°角，传热管束的轴线与矩形截面垂直，靠近右侧的外壳。换热器的入(下部)、出(上部)口布置在左侧的外壳上，假设换热器的传热管无限长，可将三维的换热器简化为二维模型(图1)。

通过数值计算对换热器的流动和传热进行分析，传热管管壁和外壳设置无滑移壁面边界条件，入、出口为压力边界条件，管外流体温度为25 ℃，传热管内流体温度为120 ℃，湍流模型选取k-ε模型，自然对流换热计算的流体密度采用Boussinesq近似，即除动量方程的浮力项外，其他方程中的密度均看作常数。

图1　换热器二维结构图 Fig.1　Two-dimensional model of heat exchanger

图2　传热管附近的边界层网格(网格2) Fig.2　Mesh near heat exchanger tube (mesh 2)

模型划分为非结构化网格，传热管附近加边界层网格以更好地模拟壁面附近的流动(图2)。选择3种不同密度的网格进行网格无关性分析，网格1、2、3的单元数分别为162 123、245 434、572 149。图3为网格无关性分析，即3种网格计算的换热量分别占网格3计算的换热量的百分比，从图3可看出，当网格的密度超过网格2时，随网格加密，换热量变化不大，故本文选择网格2作为计算网格。

图3　网格无关性分析 Fig.3　Analysis of grid independence

2数值计算结果

图4为计算得到的换热器管束附近流体的温度场和速度场分布，可看出，25 ℃的冷水从外壳下方的入口吸入，在自然对流提升力的作用下向上流动，冷水在上升过程中带走传热管内热流体的热量，温度上升。冷流体在上升过程中有一部分流体直接从入口管束右侧上升至传热管中部，由于换热不均匀，靠近出口侧的管束附近出现局部温度高点。

图4　传热管附近流体温度(a)和速度(b)的分布 Fig.4　Temperature (a) and velocity (b) distributions around heat exchanger tube

图5为中部(第7、8、9排)传热管附近流体的温度分布，由于在本模型中，入、出口位于外壳的同一侧，冷流体在提升力的作用下向上流动，靠近入、出口侧的流动速度较大，远离入、出口侧的流动速度略小，导致靠近入、出口侧的传热管的换热效果较远离入、出口侧的传热管的换热效果好。

图5　中部传热管附近流体的温度分布 Fig.5　Temperature distribution around middle heat exchanger tube

图6为下部、上部传热管附近流体的速度场分布，可看出，由于传热管附近的冷流体被加热，冷流体在被加热流体提升力的作用下，从下端的入口被吸入，并在提升力的作用下向右上方流动，由于惯性和阻力共同作用，部分流体运动到下部传热管束右上方，在外壳右壁面的作用下沿壁面流动。此时，传热管提升力的方向为流体的左上方，流体在提升力的作用下向左上方运动，与主流流体混合后一起流过传热管束。被加热的管外流体向上运动至出口，由于裹挟作用使流体在入口和出口附近形成漩涡，并引起出口部分流体倒流，漩涡运动会损失一部分流体热量，此处热量的消耗会使自然对流换热过程的提升力略有降低。此时，换热器出口流量为3.241 kg/s，出口平均温度为44 ℃。

图6　下部(a)、上部(b)传热管附近流体的速度场分布 Fig.6　Velocity distributions around lower (a) and upper (b) heat exchanger tube

此种管式换热器的优点是结构简单紧凑，安装方便。但从数值分析结果可看出，由于非换热区的漩涡运动会损失一部分动能，一方面降低主流体通过管道时的流速，进而降低自然对流换热系数，影响换热性能；另一方面导致出口流体温度降低，降低自然对流的提升力，影响总换热量。同时，由于入口和出口在换热器外壳的侧面，部分流体不通过传热管区域，对换热无帮助，也会影响换热器的换热性能。

3带导流板的换热器的分析

上文结构的换热器由于旁流和耗散降低了换热器的换热效率，故可考虑通过组织流道优化流体流动来提高换热器的换热性能。因此，本文对组织流道情况下换热器的换热性能进行分析。在传热管附近添加导流板，并与入、出口连接在一起，形成导流通道，图7为带导流板的换热器结构。

图8为带导流板时传热管附近流体的温度和速度分布，可看出，导流板内流体温度分布较均匀，未出现局部温度分布不均的情况，冷流体在导流板的作用下全部通过传热管束，换热较均匀。不同排的管束附近流体速度基本一致，与不带导流板的情况相比，下部管道有更好的换热效果。此时流体最大速度为1.29×10-1m/s，较不带导流板时增大约25%。

图7　带导流板的换热器结构 Fig.7　Structure of heat exchanger with baffle

图8　带导流板的传热管附近流体的 温度(a)和速度(b)分布 Fig.8　Temperature (a) and velocity (b) distributions around heat exchanger tube with baffle

图9为带导流板时下部、上部传热管附近的速度场分布，可看出，冷流体被吸入后，在入口附近导流板的转弯处发生分离，在右导流板的作用下迅速调整方向，沿导流板的壁面向上运动，流体有效地通过入口附近的传热管束，冷流体流动的平均速度约为6.5×10-2m/s。冷流体在出口附近的转弯处发生分离，由于分离区域较小，未形成明显漩涡。此时，换热器出口流量为5.177 kg/s，平均温度为41.1 ℃。

图9　带导流板时下部 (a)、上部 (b)传热管附近流体的速度分布 Fig.9　Velocity distribution around lower (a) and upper (b) heat exchanger tube with baffle

4导流板开缝的研究

根据导流板上可能存在的缝隙结构建立3种换热器结构的物理模型，假设缝隙的宽度为10 mm，入口附近的左右缝隙称为下缝隙，出口附近的左右缝隙称为上缝隙，则建立仅有下缝隙(结构1)、仅有上缝隙(结构2)和上下均有缝隙(结构3)3种物理模型。

图10为计算得到的结构1下缝隙附近的流体速度分布，可看出，有部分流体从左侧缝隙被吸入与上升流体混合，并推动上升流体向远离入口侧移动，右侧缝隙有流体从导流板内侧流出。结构1中导流板的缝隙仅稍微影响了第1、2排管束的流量分布，对整体换热器换热能力影响不大。此时，出口流量为5.174 kg/s，平均温度为41.1 ℃。

图10　结构1下缝隙附近的速度分布 Fig.10　Velocity distribution near lower gap under the 1st structure

结构2的数值计算结果表明，上缝隙靠近出口侧有轻微的流体溢出，远离出口侧有较弱的裹挟作用，较结构1的影响更小，对主流流动几乎无影响。结构2的出口流量为5.175 kg/s，平均温度为41.1 ℃。

结构3由于上下均有缝隙，在导流板外侧区域形成自下而上的流动，图11为结构3下缝隙和上缝隙附近的流场分布。由图11a可看出，流向导流板外侧的流体较多，左侧缝隙的溢出流量为0.37 kg/s，约占出口流量的6.79%，右侧缝隙的溢出流量为0.40 kg/s，约占出口流量的7.34%，溢出流体带动附近的流体形成漩涡，耗散部分动能。由图11b可看出，从下缝隙流出的流体从上缝隙流入，这部分流体没有参加换热，与换热后的热流体混合后会降低流体的平均温度，降低自然对流的提升力。结构3的出口流量为5.45 kg/s，平均温度为38.8 ℃。

5换热能力和阻力分析

对无导流板、有导流板、导流板有缝隙的结构1、结构2和结构3的流动和换热性能进行分析。图12为5种情况下换热器的出口流量、出口温度和阻力及换热量的对比。从图12a可看出，无导流板时出口流量较小，这是由于无导流板时流体的耗散作用较大，结构3的出口流量较结构1和结构2的略有升高，这是由于一部分流体从下缝隙流出、上缝隙直接流入，这股流体未通过传热管，使总流动阻力减小、总流量增大。从图12b可看出，无导流板时，出口平均温度较高，换热器的提升力较大，结构3的换热器出口温度较低，换热器的提升力较小。从图12c可看出，增加导流板后，换热器的阻力增加约1倍，在自然循环驱动的系统设计中，这点需要考虑。从图12d可看出，无导流板时换热量较低，这主要是由于非传热管区域流体的耗散作用。添加导流板，组织流道后换热器的换热能力较不带导流板条件下提升了约20%，仅有下缝隙和仅有上缝隙对换热量影响均较小，这是因为当只有1处缝隙时，通过缝隙泄漏到外部空间的流体较少。当上下缝隙均存在时，从下部的间隙流出、从上部的间隙流入的流体流量为0.77 kg/s，占出口流量的14.13%，这部分流体未通过传热管，对换热无帮助，同时，此部分流体与经过换热的热流体混合，降低了出口总流体的温度，在一定程度上降低了提升力。因此，此时换热器的换热量较无缝隙时有较明显的降低，约降低2.81%。

图11　结构3下缝隙(a)、上缝隙(b)附近的速度分布 Fig.11　Velocity distributions near lower gap (a) and upper gap (b) under the 3rd structure

情况：1——无导流板；2——有导流板；3——导流板有缝隙的结构1；4——导流板有缝隙的结构2；5——导流板有缝隙的结构3 图12　5种结构换热器的出口流量(a)、出口温度(b)、阻力(c)及换热量(d)的对比 Fig.12　Comparison of outlet flow (a), outlet temperature (b), flow resistance (c) and heat transfer rate (d) for five structure heat exchangers

6结论

1) 对于本文研究的入出口方向与提升力方向有夹角，且流道横截面积大于管束横截面积的自然对流管式换热器，导流板可有效地组织流道，使换热更加均匀，有效地提高了换热器的换热能力。

2) 当导流板出现间隙时，若间隙只有1处(上部或下部)，对整体换热器的换热能力影响较小；若间隙有两处，流体在导流板外部的两缝隙间形成通路，换热器的换热能力会有较明显的降低。

3) 在入出口方向与提升力方向不一致，且流道横截面积大于管束横截面积的换热器设计过程中，建议通过添加导流板的方法组织流道，可在现有的结构条件下较大幅度地提高换热能力，导流板在加工过程中应避免出现缝隙。

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