快堆钠-空气热交换器翅片管传热及阻力特性试验研究

钠-空气热交换器是钠冷快堆事故余热排出系统的重要设备之一，与外界环境一起构成事故下反应堆余热的最终热阱。由于钠-空气热交换器的换热管采用垂直布置的翅片管结构，空气在不同位置处冲刷换热管的流速以及角度不同，导致其传热特性及阻力特性与传统翅片管换热器有很大不同。本文以钠-空气热交换器工程设计需求为研究背景，设计了两种试验件分别进行空气冲刷角度为90°和30°时翅片管束传热与流动阻力特性试验研究。试验结果表明：对于相同管排，空气冲刷角度为90°时的翅片管的换热系数及阻力系数明显大于空气冲刷角度为30°时的翅片管；对于相同空气冲刷角度下的不同换热管排，第2排翅片管的换热系数最大。本文研究为钠-空气热交换器的设计及优化提供了理论依据。     

Flow and Heat Transfer Characteristics of Swordfish Fin Microchannel

The supercritical carbon dioxide Brayton cycle is a new generation of thermal cycle used in the fourth generation of nuclear energy. As a high or low temperature recuperator of supercritical carbon dioxide Brayton cycle, the thermal hydraulic characteristics of the compact microchannel heat exchanger directly affect the power cycle efficiency. Reducing flow resistance of the temperature recuperator while maintaining high heat transfer efficiency is an important research for microchannel heat exchanger optimization design. The swordfish fin microchannel design considering bionics theory can significantly reduce the flow resistance. In this work, the swordfish fin heat exchanger model was established with supercritical carbon dioxide fluid as the flow medium. The effect of swordfish fin design with different arrangements on heat transfer characteristics was analyzed by three-dimensional numerical simulation. At the same time, the thermal hydraulic characteristics of swordfish fin design were compared with those of traditional commercial Z-shaped microchannel heat exchanger. The results show that under the same Reynolds number, the Nusselt number of the swordfish fin microchannel is twice as much as that of the Z-shaped microchannel, but the pressure drop is only half of that. Therefore, the thermal hydraulic performance of swordfish fin microchannel heat exchanger is obviously better than that of Z-shaped heat exchanger. It is obtained from optimization analysis that the optimal pitches for swordfish fin design is that the L_a＝8 mm along the flow direction, and the L_b＝6 mm perpendicular to the flow direction.     

螺旋管内单相及沸腾的强化换热与阻力特性实验

实验研究了三维内肋螺旋管内单相及沸腾的强化换热与阻力性能。单相对流换热实验采用光滑螺旋管和两种不同结构尺寸的三维内肋螺旋管。与光滑螺旋管相比,在测试的流动范围内．两种三维内肋管的平均换热系数增加了71％和103％．平均阻力增加了90％和140％;曲率δ=0．0605、测试段长0．58m的三维内微肋螺旋管内流动沸腾换热实验结果表明：在不同质量流速、热流密度工况下,三维内微肋螺旋管的平均换热系数比光滑螺旋管增加40％到120％．阻力增加18％到119％。     

波浪管内流场与传热及阻力特性数值模拟

参照波浪管单管换热的实验数据,选用Fluent软件中的不同湍流模型和壁面处理方法,对波浪管换热器的换热系数和压降进行计算,通过比较计算结果,确定可用于波浪管内流动传热特性模拟的计算方法。在此基础上,进一步分析流体在波浪管内部的流场结构和传热特性。分析结果表明：RNG k-ε模型配合增强壁面处理方法得到的计算结果与实验值最为接近;与直管相比,波浪管的换热系数和阻力系数的增加幅度在低Re下较大,而在高Re下较小,其中换热系数和阻力系数增加幅度最大的位置均出现在各弧段交接处,即曲率反向的位置。计算结果可为强化传热管设计及其优化提供支撑。     

超临界CO2在螺旋管中的流动换热特性研究

超临界蒸发器应用到核电中，可大幅提高机组的热效率。超临界压力流体的热物性在准临界温度附近变化非常剧烈，会对其流动和换热产生很大的影响。研究超临界压力流体在螺旋管内的流动和换热规律，有利于对超临界螺旋管蒸发器的设计。本文采用RNG k-ε和SST k-ω模型对超临界CO₂在螺旋管中的流动换热情况进行了数值模拟，发现SST k-ω模型模拟结果与实验结果符合得更好。基于此模型，分析了不同进口质量流速及不同热流密度对管壁温和换热系数的影响，发现随着质量流速的减小、热流密度的增加，峰值向远离h_pc的一侧偏移。最后讨论并分析了周向壁温和换热系数的分布情况，发现壁温在φ＝315°处最高，需在实验操作或实际运行中加以监控，以保障螺旋管蒸发器的安全运行。     

欠热条件下非能动余热排出热交换器传热试验数值模拟

针对大型先进压水堆非能动余热排出热交换器设计和安全分析计算模型存在的重要缺陷,以AP1000的非能动余热排出热交换器为原型,采用3根C型管进行了非能动余热排出热交换器传热试验。然后采用流体计算软件对欠热试验工况进行了数值模拟,通过多次计算得到了传热管外传热计算可采用的传热关系式,选取的传热模型下的计算结果与试验结果符合较好。利用传热模型验证了AP1000的设计工况,发现AP1000非能动余热排出热交换器的设计能带走堆芯余热。本文研究可为大型先进压水堆设计和安全分析提供技术支撑。     

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

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。     

箭鱼形翅片微通道流动换热特性研究

超临界二氧化碳布雷顿循环是第4代核能采用的新一代热能循环系统。紧凑式微通道换热器作为超临界二氧化碳布雷顿循环的高低温回热器，其流动换热特性直接影响整体热电转化的效率。降低回热器的流动阻力，同时维持较高的换热效率是微通道换热器优化设计的重要研究内容。箭鱼形翅片微通道设计借鉴仿生学原理，理论上可显著降低流动阻力。本文以超临界二氧化碳为流动工质，建立箭鱼形翅片换热器的模型并进行三维数值模拟，分析不同排列下的箭鱼形翅片设计对换热器流动换热特性的影响。同时对箭鱼形翅片设计与传统商用折线形微通道换热器流动换热特性进行对比分析。研究分析表明，在相同雷诺数下，箭鱼形翅片微通道的努塞尔数为折线形流道的2倍，而压降仅为其1/2，所以箭鱼形翅片微通道换热器的流动换热特性明显优于折线形换热器。通过优化分析，发现箭鱼形翅片设计最优的排列间距为沿流动方向的翅片间距L_a＝8 mm，垂直于流动方向的翅片间距L_b＝6 mm。     

Friction Pressure Drop and Heat Transfer Coefficient of Two-Phase Flow in Helically Coiled Tube Once-Through Steam Generator for Integrated Type Marine Water Reactor

Two-phase friction pressure drop and heat transfer coefficients in a once-through steam generator with helically coiled tubes were investigated with the model test rig of an integrated type marine water reactor. As the dimensions of the heat transfer tubes and the thermal-fluid conditions are almost the same as those of real reactors, the data applicable directly to the real reactor design were obtained. As to the friction pressure drop, modified Kozeki's prediction which is based on the experimental data by Kozeki for coiled tubes, agreed the best with the experimental data. Modified Martinelli-Nelson's prediction which is based on Martinelli-Nelson's multiplier using Ito's equation for single-phase flow in coiled tube, agreed within 30%. The effect of coiled tube on the average heat transfer coefficients at boiling region were small, and the predictions for straight tube could also be applied to coiled tube. Schrock-Grossman's correlation agreed well with the experimental data at the pressures of lower than 3.5 MPa. It was suggested that dryout should be occurred at the quality of greater than 90% within the conditions of this report.     

中间换热器的传热和阻力特性

中间换热器在高温气冷堆氦气透平间接循环发电系统中是耦合高温气冷堆和氦气透平的关键部件,承担着将高温气冷堆中高温氦气的能量传递到氦气透平回路的任务.中间换热器给氦气透平的设计和运行维护带来方便,但它的传热与阻力性能不可避免地影响循环效率,因此,中间换热器的设计和选型需综合考虑传热效率、压力损失、材料性能和紧凑度等因素.本文介绍了印制板式换热器(PCHE)的主要特点,分析了它在间接循环系统中应用的可行性,重点研究了该中间换热器的传热和流动阻力特性,以及影响PCHE换热效率和压力损失的主要因素.在此基础上,提出了优化中间换热器传热和阻力特性的途径和方法.     

扁管单相对流换热实验研究

本文以单相水为介质,对结构尺寸不同的3种扁管的换热与阻力特性进行了实验研究。并根据工程实际的需要,选用适当的方法对扁管在实验范围内的强化换热效率指标进行评价,确定了扁管的最佳工作区域。结果表明,扁管的管内换热系数明显高于光圆管的,换热系数最高可达光圆管的2.62倍,在换热面积和泵功率相同情况下,扁管最佳工作区域的换热量最高可达光圆管的2.2倍。     

单头螺纹槽管管内紊流对流换热

以水为工质，进行了适合于船舶换热器使用的螺纹槽管管内紊流对流换热和阻力特性的实验研究，同时还讨论了旋流对换热的影响以及影响旋流强度和强化换热效果的因素，分析了变物性对螺纹槽管阻力特性的影响。     

翅片管熔盐对流传热特性研究

高温熔盐在熔盐堆和太阳能等能源领域有广泛的应用前景。为研究熔盐在强化换热管中的强化传热效果,本文基于三元硝酸盐KNO_3-NaNO_2-NaNO_3(摩尔分数比为53%-40%-7%)与导热油的对流传热实验装置,根据相似理论使用导热油代替熔盐,对翅片换热管湍流区的对流传热特性开展了测量,流体雷诺数(Re)变化范围10 000-60 000。通过威尔逊分离法获得翅片管中湍流区的对流传热系数(ho)和努赛尔数(Nu),基于实验数据与Dittus-Boelter公式,拟合翅片管湍流区的对流传热关联式,实验数据与拟合公式的误差在-7.1%-7.5%之间。与传统对流传热关联式Dittus-Boelter公式对比进行强化传热效果评估,结果表明,翅片管的强化传热效果为光滑管的2.32-3.63倍。     

斜微肋扁管单相对流换热实验研究

以单相水为介质,对肋高或结构尺寸不同的4种斜微肋扁管的换热与阻力特性进行了实验研究,并根据工程实际需要,选用适当的方法对斜微肋扁管在实验范围内的强化换热效率指标进行评价,确定了斜微肋扁管的最佳工作区域。结果表明：斜微肋扁管的管内换热系数明显高于光管,换热系数最高可达光管的5.9倍,在换热面积和泵功率相同的情况下,斜微肋扁管最佳工作区域的平均换热量均可达光管的3倍以上。     

反应堆直接安注结构热工影响分析

建立了反应堆压力容器直接安注的实验模型,进行传热和流动实验。实验对比研究了文丘里管和直管两种不同安注管结构下压力容器不同区域的流动混合、传热系数以及相应的温度变化,并通过可视化实验对比验证了不同安注模型的流场,对不同结构下安注管的阻力特性进行了分析。研究结果表明,不同安注管在流动阻力上存在较大差异。研究结果为反应堆压力容器安注管的设计选择提供了重要依据。     

针翅管传热与压降特性研究

以润滑油为换热介质,对整体针翅管传热与阻力特性进行了理论分析与试验研究,研究结果可为针翅管的优化设计提供参考。在换热介质纵向冲刷换热管的条件下,对不同针翅长度的3种整体针翅管与光管进行了传热与阻力试验。结果表明：整体针翅管对润滑油换热具有很好的强化能力,在本试验范围内,整体针翅管对油流体扰动强烈,换热强度是同条件下光管的2~6倍;针翅长度是影响针翅管压降的主要因素,在雷诺数达300时,压降曲线出现转折。     

液态金属高温热管传热极限研究

热管作为一种高效可靠、可进行长距离传热的非能动设备,在核能领域有着广泛的应用。本文针对工质为钠、充液量为158 g与208 g的毛细驱动热管,对其传热极限开展实验和理论研究。实验方面,设计搭建了高温热管传热极限测试分析实验平台,研究了液态金属高温热管在不同水平倾角和不同加热功率下传热功率的变化。理论方面,验证了连续流动极限与夹带极限理论模型的正确性,总结了两种极限的发生规律。研究发现,热管连续流动极限影响热管的启动;由于水平夹角较大时转变温度较高,因此大角度下的热管更容易发生连续流动极限,小角度下经验模型的预测误差在6.58%以内,大角度下误差超过28%。夹带极限发生时热管蒸发段温度骤升且冷凝段温度出现波动,热管倾角越大夹带极限越容易发生,经验模型在不同角度下均存在误差,大角度下误差超过100%。本文总结了连续流动极限与夹带极限的发生规律,为先进核反应堆系统中热管的设计提供参考。     

竖直和水平圆管换热器在内热源液池内的两相换热特性

针对溶液堆整体模拟试验模型的结构尺寸和运行工况,建立了内热源液池内自然对流和鼓泡驱动同时作用下竖直和水平圆管换热器的两相流动和换热模型,进行了相应的数值模拟计算.数值计算得到不同加热强度和鼓泡流量下的对流换热性能,与相应试验结果进行了比较分析.利用相似理论和量纲分析,推导了内热源液池内两相流动换热的无因次准则关系式,根据数值计算结果总结出换热Nu数的经验关系式.最后,分析比较了竖直和水平圆管换热器的两相对流换热特性,为溶液堆内换热器设计和布置提供理论参考.     

机翼型微通道高效紧凑换热器流动换热特性

超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环系统是第4代反应堆采用的新型高效热能转化系统，系统采用微通道高效紧凑换热器作为高低温回热器，其流动换热特性对整体系统热能转化效率有着显著影响。本文采用数值模拟方法，以S-CO₂为流动工质，建立机翼型翼片结构的换热器模型，研究翼片的不同间距对流动换热性能的影响。研究结果表明，交错排列翼片的综合流动换热性能优于翼片并排布置，翼片交错间距为左右间距一半时，增加左右间距，换热器流动换热性能更好。将机翼型微通道换热器与折线型微通道换热器模拟结果进行对比分析表明，机翼型微通道换热器在压降仅为折线型微通道换热器54.174%的情况下，换热性能提升了25.67%。     

Heat Transfer Characteristic of Airfoil Microchannel Efficient and Compact Heat Exchanger

Supercritical carbon dioxide (S-CO₂) Brayton cycle system is a new type of high-efficiency energy conversion system used in the fourth generation reactor. The microchannel efficient and compact heat exchanger is used in the system as high or low temperature recuperators. Besides, heat transfer performance and flow characteristics of heat exchanger have significant impacts on the overall energy conversion efficiency of the system. In this paper, the heat exchanger model of airfoil structure was established and the CFD method was used to study the influence of different spacing of fins on the overall heat transfer characteristics with S-CO₂ as the working fluid. The results show that the convective heat transfer performance of interlaced fins is better than that of side-by-side arrangement. When the interlaced spacing is half of the parallel spacing, the comprehensive performance of heat exchanger is better with the increase of the parallel spacing. The results of airfoil microchannel heat exchanger were compared with those of the Z-shaped microchannel heat exchanger, which shows that the pressure drop of airfoil microchannel heat exchanger is only 54.174% of the Z-shaped microchannel heat exchanger when the heat transfer capacity increases by 25.67%.