加速器驱动次临界系统（ADS）堆芯冷却系统换热优化
发布时间：2022-07-11 17:14
核能是解决当前能源问题的主要途径之一,具有技术成熟与燃料储量丰富两大优势,但同时也面临核废料处理难题。目前普遍采用的“一次通过”处理方法虽然简单,但却存在巨大的能源浪费,更为严重的是未经处理的核素将长期对人类社会和自然环境构成潜在威胁,而采用分离嬗变技术的加速器驱动次临界系统（ADS）可有效解决这一问题。堆芯冷却系统是ADS的重要组成部分,其冷却性能直接关系到ADS的安全性和经济性。该系统包括三个回路：铅铋合金回路（一回路）、氦气回路（二回路）以及冷却水回路（三回路）。其中铅铋合金为堆芯冷却剂,氦气回路实现热功转换,而冷却水主要是将余热带走,一、二回路之间通过主换热器换热,二、三回路之间通过冷却器换热。本文希望通过对该系统的换热过程进行优化研究,以获得提高冷却系统性能的方法。传统热力学分析将热源视为恒温（热容无穷大）,没有考虑工质有限热容流率对系统性能的影响,使得优化结果存在一定局限性。为了考察工质有限热容流率对系统性能的影响,论文首先以传热系数和换热面积为无穷大的理想换热器（换热能力无穷大）为对象进行了研究,以排除换热器的换热能力对系统性能的影响。研究过程中将三个回路在温熵图上综合考...
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
图目录
表目录
符号表
1 绪论
1.1 选题背景及意义
1.1.1 核废料的处理
1.1.2 分离嬗变技术与ADS方案的提出
1.1.3 ADS基本原理与结构
1.1.4 课题研究的意义
1.2 ADS及其堆芯冷却系统研究现状
1.2.1 ADS国内外研究进展
1.2.2 ADS堆芯冷却系统研究现状
1.2.3 热力循环系统及其部件的优化与传热强化研究现状
1.3 本文研究对象
1.4 ADS热力循环系统优化面临的问题
1.5 主要研究内容与预期目标
2 热力循环系统整体研究
2.1 热流型热源与温度型热源模型的提出
2.2 热力循环的温熵图分析法
2.2.1 工质吸放热过程在温熵图上的表示与平均温度
2.2.2 换热过程在温熵图上的表示
2.3 高压比无回热型氦气循环方案的提出
2.3.1 提高氦气循环效率的两种措施的对比
2.3.2 高压比无回热型氦气循环方案的可行性分析
2.4 理想换热器时三个回路的整体研究
2.4.1 系统目标参数的确定
2.4.2 理想换热器假设
2.4.3 理想顺流工况下系统目标参数的求解
2.4.4 理想逆流工况下系统目标参数求解
2.4.5 自由参数对目标参数影响分析
2.5 实际换热器时系统目标参数求解
2.5.1 实际顺流工况下系统目标参数求解
2.5.2 实际逆流工况下系统目标参数求解
2.5.3 实际换热器时目标参数的统一表达
2.6 热力循环系统不可逆性分析
2.6.1 换热器内冷热流体换热时的净熵增求解
2.6.2 反应堆内铅铋合金与热流型热源稳态换热时的熵增求解
2.6.3 粘性耗散引起的熵增求解
2.6.4 系统总传热不可逆熵增求解
2.6.5 关于总传热不可逆熵增与系统性能一致性的讨论
2.7 小结
3 基于温度场匹配方法求解换热器传热系数
3.1 指数型边界条件下平行平板间流道内Nu通用表达式推导
3.2 相邻流道间温度场匹配原理提出
3.3 针对具体流动情况按照温度场匹配原理求解总Nusselt数
3.3.1 柱塞流时总Nu求解
3.3.2 层流时总Nu求解
3.4 小结
4 基于净输出功的换热优化
4.1 优化问题的存在性分析及其目标参数——净输出功的确定
4.2 优化问题的限制条件及其划分
4.3 换热器模型的选定与工质物性参数的确定
4.4 逆流工况热容流率相等时问题的简化
4.5 范宁摩擦系数f及Nu的确定
4.5.1 范宁摩擦系数f的确定
4.5.2 Nu的确定
4.5.3 f与Nu在全部Re范围内拟合
4.6 换热器流道高度给定时的最优热容流率与最优净输出功求解
4.6.1 层流假设下最优工况点求解
4.6.2 三回路均达到充分发展湍流时最优工况点求解
4.6.3 湍流与层流均存在时最优工况点求解
4.7 换热器流道高度的优化问题研究
4.7.1 各回路流道高度独立变化时的优化问题研究
4.7.2 换热器流道高度互补时的优化问题研究
4.8 热载荷对最优净效率的影响分析
4.9 其它因素对最优净输出功的影响分析
4.10 讨论
4.11 小结
5 基于热短路效应的换热部件改进与优化
5.1 常规换热器功耗与热阻不同优现象
5.2 热管型换热器解决方案的提出
5.3 热管的“热短路”效应
5.3.1 一维相变流动模型及其边界层解
5.3.2 热短路效应形成机理及实验验证
5.4 热短路效应在换热器上的应用
5.4.1 应用热短路效应分析热管作用下的换热问题
5.4.2 热管型换热器功耗与热阻的同优性
5.5 小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 不足与展望
参考文献
攻读博士期间发表的论文
攻读博士期间申请和已授权的专利
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于启明星1#的ADS嬗变研究[J]. 曹健,史永谦,夏普,吴小波,朱庆福,张巍. 原子能科学技术. 2012(10)
[2]世界上第一座加速器驱动的核反应堆投入运行[J]. 高宣. 现代物理知识. 2012(03)
[3]微观状态数与可用(火积)的关系[J]. 程雪涛,梁新刚. 科学通报. 2012(14)
[4]加速器驱动的次临界系统散裂靶热工水力研究[J]. 张尧立,崔鹏飞,肖思聪,杨永伟,周志伟. 原子能科学技术. 2012(05)
[5]未来先进核裂变能——TMSR核能系统[J]. 江绵恒,徐洪杰,戴志敏. 中国科学院院刊. 2012(03)
[6]未来先进核裂变能——ADS嬗变系统[J]. 詹文龙,徐瑚珊. 中国科学院院刊. 2012(03)
[7]后福岛时期我国核电的发展[J]. 叶奇蓁. 中国电机工程学报. 2012(11)
[8]快堆核燃料循环模式的经济性评价[J]. 胡平,赵福宇,严舟,李冲. 核动力工程. 2012(01)
[9]微型燃气轮机CW原表面回热器芯体内传热及阻力特性分析[J]. 桂小红,闫润生,程言君,梁世强. 热能动力工程. 2011(05)
[10]加强ADS技术研究 促进核能大规模可持续发展[J]. 夏海鸿,罗璋琳,赵志祥. 现代物理知识. 2011(04)
博士论文
[1]换热器的热力学分析与优化设计[D]. 郭江峰.山东大学 2011
[2]空气—水介质板式换热器流动与传热特性研究[D]. 吴华新.哈尔滨工程大学 2009
[3]钠冷快堆嬗变研究[D]. 胡赟.清华大学 2009
[4]火积及其在传热优化中的应用[D]. 程新广.清华大学 2004
[5]MOX燃料模块快堆嬗变研究[D]. 周培德.中国原子能科学研究院 2001
硕士论文
[1]加速驱动次临界系统（ADS）原理验证装置的热工水力分析[D]. 刘展.上海交通大学 2010
本文编号：3658558
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
图目录
表目录
符号表
1 绪论
1.1 选题背景及意义
1.1.1 核废料的处理
1.1.2 分离嬗变技术与ADS方案的提出
1.1.3 ADS基本原理与结构
1.1.4 课题研究的意义
1.2 ADS及其堆芯冷却系统研究现状
1.2.1 ADS国内外研究进展
1.2.2 ADS堆芯冷却系统研究现状
1.2.3 热力循环系统及其部件的优化与传热强化研究现状
1.3 本文研究对象
1.4 ADS热力循环系统优化面临的问题
1.5 主要研究内容与预期目标
2 热力循环系统整体研究
2.1 热流型热源与温度型热源模型的提出
2.2 热力循环的温熵图分析法
2.2.1 工质吸放热过程在温熵图上的表示与平均温度
2.2.2 换热过程在温熵图上的表示
2.3 高压比无回热型氦气循环方案的提出
2.3.1 提高氦气循环效率的两种措施的对比
2.3.2 高压比无回热型氦气循环方案的可行性分析
2.4 理想换热器时三个回路的整体研究
2.4.1 系统目标参数的确定
2.4.2 理想换热器假设
2.4.3 理想顺流工况下系统目标参数的求解
2.4.4 理想逆流工况下系统目标参数求解
2.4.5 自由参数对目标参数影响分析
2.5 实际换热器时系统目标参数求解
2.5.1 实际顺流工况下系统目标参数求解
2.5.2 实际逆流工况下系统目标参数求解
2.5.3 实际换热器时目标参数的统一表达
2.6 热力循环系统不可逆性分析
2.6.1 换热器内冷热流体换热时的净熵增求解
2.6.2 反应堆内铅铋合金与热流型热源稳态换热时的熵增求解
2.6.3 粘性耗散引起的熵增求解
2.6.4 系统总传热不可逆熵增求解
2.6.5 关于总传热不可逆熵增与系统性能一致性的讨论
2.7 小结
3 基于温度场匹配方法求解换热器传热系数
3.1 指数型边界条件下平行平板间流道内Nu通用表达式推导
3.2 相邻流道间温度场匹配原理提出
3.3 针对具体流动情况按照温度场匹配原理求解总Nusselt数
3.3.1 柱塞流时总Nu求解
3.3.2 层流时总Nu求解
3.4 小结
4 基于净输出功的换热优化
4.1 优化问题的存在性分析及其目标参数——净输出功的确定
4.2 优化问题的限制条件及其划分
4.3 换热器模型的选定与工质物性参数的确定
4.4 逆流工况热容流率相等时问题的简化
4.5 范宁摩擦系数f及Nu的确定
4.5.1 范宁摩擦系数f的确定
4.5.2 Nu的确定
4.5.3 f与Nu在全部Re范围内拟合
4.6 换热器流道高度给定时的最优热容流率与最优净输出功求解
4.6.1 层流假设下最优工况点求解
4.6.2 三回路均达到充分发展湍流时最优工况点求解
4.6.3 湍流与层流均存在时最优工况点求解
4.7 换热器流道高度的优化问题研究
4.7.1 各回路流道高度独立变化时的优化问题研究
4.7.2 换热器流道高度互补时的优化问题研究
4.8 热载荷对最优净效率的影响分析
4.9 其它因素对最优净输出功的影响分析
4.10 讨论
4.11 小结
5 基于热短路效应的换热部件改进与优化
5.1 常规换热器功耗与热阻不同优现象
5.2 热管型换热器解决方案的提出
5.3 热管的“热短路”效应
5.3.1 一维相变流动模型及其边界层解
5.3.2 热短路效应形成机理及实验验证
5.4 热短路效应在换热器上的应用
5.4.1 应用热短路效应分析热管作用下的换热问题
5.4.2 热管型换热器功耗与热阻的同优性
5.5 小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 不足与展望
参考文献
攻读博士期间发表的论文
攻读博士期间申请和已授权的专利
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于启明星1#的ADS嬗变研究[J]. 曹健,史永谦,夏普,吴小波,朱庆福,张巍. 原子能科学技术. 2012(10)
[2]世界上第一座加速器驱动的核反应堆投入运行[J]. 高宣. 现代物理知识. 2012(03)
[3]微观状态数与可用(火积)的关系[J]. 程雪涛,梁新刚. 科学通报. 2012(14)
[4]加速器驱动的次临界系统散裂靶热工水力研究[J]. 张尧立,崔鹏飞,肖思聪,杨永伟,周志伟. 原子能科学技术. 2012(05)
[5]未来先进核裂变能——TMSR核能系统[J]. 江绵恒,徐洪杰,戴志敏. 中国科学院院刊. 2012(03)
[6]未来先进核裂变能——ADS嬗变系统[J]. 詹文龙,徐瑚珊. 中国科学院院刊. 2012(03)
[7]后福岛时期我国核电的发展[J]. 叶奇蓁. 中国电机工程学报. 2012(11)
[8]快堆核燃料循环模式的经济性评价[J]. 胡平,赵福宇,严舟,李冲. 核动力工程. 2012(01)
[9]微型燃气轮机CW原表面回热器芯体内传热及阻力特性分析[J]. 桂小红,闫润生,程言君,梁世强. 热能动力工程. 2011(05)
[10]加强ADS技术研究 促进核能大规模可持续发展[J]. 夏海鸿,罗璋琳,赵志祥. 现代物理知识. 2011(04)
博士论文
[1]换热器的热力学分析与优化设计[D]. 郭江峰.山东大学 2011
[2]空气—水介质板式换热器流动与传热特性研究[D]. 吴华新.哈尔滨工程大学 2009
[3]钠冷快堆嬗变研究[D]. 胡赟.清华大学 2009
[4]火积及其在传热优化中的应用[D]. 程新广.清华大学 2004
[5]MOX燃料模块快堆嬗变研究[D]. 周培德.中国原子能科学研究院 2001
硕士论文
[1]加速驱动次临界系统（ADS）原理验证装置的热工水力分析[D]. 刘展.上海交通大学 2010
本文编号：3658558
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/3658558.html
