熔盐—熔盐板（翅）式换热器数值模拟研究

发布时间：2020-08-20 08:13

【摘要】：在我国经济高速发展的背景下,能源短缺和环境污染问题不断凸显。资源消耗少、发电能力强的清洁能源——核能是目前大力发展的电力项目。传统铀基核电面临铀资源日益趋紧的窘迫局面,为此中国科学院战略先导专项钍基熔盐堆系统开展了以钍作为核燃料的熔盐反应堆研究。目前正在进行2MW液态燃料钍基熔盐堆系统(TMSR-LF1)的设计研发,其中熔盐-熔盐换热器(热侧FLiBe盐,冷侧FLi NaK盐)是实现能量转移的关键设备。为提高双熔盐换热器的紧凑度和热工水力性能,本论文对板式及板翅式的热工特性开展数值模拟研究,为设计板式及板翅式换热器提供参考。首先根据TMSR-LF1的设计要求和相关国家行业标准对板片和翅片型式进行设计和改进并开展仿真计算,以优化其传热或流动特性。主要设计构建了人字形、平行、竖直三种波纹板片型式和矩形、流线型、改进流线型三种翅片型式。对各个型式的数值研究结果展开对比分析,并通过压降、单侧对流换热系数及换热性能综合指标三种评价方法对这些型式进行评价。论文还从工程实用性的角度探索换热器流致振动问题的分析方法,基于中科院上海高等研究院熔盐-空气管壳式换热器实验平台,对该实验模型开展双向流固耦合仿真研究。并通过实验验证数值模拟方法的合理性与可行性,为将来板式或板翅式换热器中流致振动问题的工程应用提供计算方法。当冷热两侧熔盐入口温度833-923K,入口流速0.3-0.5m/s时,可得到如下结论:所有6种型式中,翅片式压降比板式大2~3倍左右,而换热系数增加约35%;流线型翅片单侧对流换热系数最高,换热器整体最为紧凑;竖直波纹板压损最小,且适用于高流速工况;综合评价换热性能指标,竖直波纹板最高,比排在第二的人字形波纹板平均提高约17%,比板翅式平均指标高了43%左右。与相同换热系数的管壳式换热器相比,板翅式换热器压降约为其1/4,板式换热器则仅为1/10不到。采用双向流固耦合方法模拟得到的换热管加速度值与实验测得的数据随时间变化的关系曲线吻合良好,误差范围为-12%~15%,说明单管双向流固耦合方法分析换热器流致振动问题是可行的。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172
【图文】：

示意图,熔盐,示意图

技术作为核燃料的反应堆系统。世界上钍的储量可达铀的三至四倍，我国境内钍的矿藏尤其丰富，若能将钍基燃料堆研制成功，可解决国内未来数千年的能源需求。且钍铀循环过程中易裂变核较难分离浓缩，不易制成核武器，这种堆型运行过程中易于保证核不扩散的要求。为解决上述问题，世界各国关于第四代堆型的科研竞争日趋激烈，各类实验堆、示范堆相继建成。中科院上海应用物理研究所承担的钍基核能战略先导专项开展熔盐堆及其小型模块化堆的研究。图 1.1 是熔盐堆系统整体结构示意图。一回路核裂变产生的能量经由冷却剂带出，通过双熔盐换热器将热量传递给二回路熔盐，然后在熔盐-氦气换热器中继续传热给三回路，最终推动氦气轮机做功完成发电，实现核能-热能-机械能-电能的转变。其中，一回路换热器保证了核岛热量的疏散，使其稳定运行在一定温度工况下，是核电站功率控制的重要部件；同时，它还是一回路承压设备，是保证一回路完整性，防止熔盐泄漏的重要部件。因此，换热器是核能热功转换系统中的关键设备。

示意图,人字形波纹板,换热器结构,示意图

十九世纪末期，德国科学家发明了通过宽大的光滑板片进行热量传递的热交换器。而后经历了半个多世纪的发展和改进，到二十世纪上半叶，将多片由机床轧制而成的薄金属板组装起来，研制成功了更为成熟、更具实用性的板式换热器。在随后的工业生产中，换热能力强、结构简单、易于加工制造、板片组合灵活多变等优点使其获得了十分广泛的应用。人们把板式、板翅式、螺旋板式以及板壳式换热器统一归为紧凑式换热器[6]。板式换热器型式多样，根据组装方式的不同通常可将其分为拆卸式、半焊接式、全焊接式和板壳式等。不同的板片型式其热工水力性能也存在差异，经过众多专家学者的分析研究，人字形波纹板受到了业界的一致认可。人字形波纹板换热器整体结构非常简单，所用零部件总数少，且不同的板片型式间均可相互通用，可根据不同的热负荷需求灵活调整换热板数量，示意图如图 1.2。来自冷热两个回路不同温度的流体在板片两侧交互逆流流动，通过仅 0.6~1.2mm 厚的薄金属板进行热量传递。

全焊接,板式换热器,结构示意图

第 1 章绪论在改进板片结构型式的同时必须考虑其抗压能力，一般的做法是使用密封垫圈防止流体泄漏。国家标准 GB16409-1996《板式换热器》中给出了几种常见的垫片材料，例如丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、氟橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等，这些材料的扯断强度均达到 10MPa 以上。普通的密封垫圈耐高温和耐流体腐蚀的能力较差，对于熔盐堆系统来说，这一问题更加凸显。因此只能采用半焊接或全焊接型式的板式换热器。全焊接板式换热器结构原理如图 1.3 所示。

【参考文献】