基于固有频率分析的中间热交换器管束支撑设计

在进行示范快堆电站的中间热交换器(IHX)设计时,需考虑流致振动对管束的影响。在计算IHX换热管的固有频率时,空间弯管结构形式是一个技术难点。通过有限元方法,对中国实验快堆(CEFR)的IHX换热管固有频率进行了计算。通过对比分析,得到了合理的计算模型及其适用范围。通过敏感性分析,提出管束支撑方案的设计原则。     

CEFR中间热交换器管束结构形式对热应力影响的研究

中国实验快堆(CEFR)中间热交换器各层换热管和内套筒存在沿径向方向的温度梯度分布,导致不同层管束之间存在不同的轴向载荷。CEFR中间热交换器的换热管束采取增加空间补偿弯管段的设计方案,以降低设备的热应力。本文对不同管束结构(直管方案与弯管方案)的热应力进行计算。计算结果表明:最大应力出现在上管板区域,弯管模型的应力大于直管模型。经过分析换热管束的受力情况,补偿弯管段可以很好地平衡各层管束之间的轴向应力,但是因为补偿弯管段的切向位移较大,所以对于管板区会造成较大的切向力。     

非能动余热排出换热器冷凝换热性能研究

以浸没在高位水箱中的竖直管束为研究对象,对不同热负荷条件下竖直管束内冷凝换热特性进行研究,通过对比中心管与周围旁管的凝液增长率以及冷凝换热热阻,分析了中心管与旁管换热特性的差异,解释了低压条件下冷凝换热系数剧烈下降现象。将管束冷凝试验数据与已有单管试验数据对比发现,在相同蒸汽工况下,单管的冷凝换热系数与旁管的冷凝换热系数吻合较好,但远低于中心管的冷凝换热系数,说明中心管的换热性能相对于旁管确实得到了强化。通过对比换热系数的试验值与经典努塞尔理论和努塞尔修正理论的计算值发现,中心管的试验值与努塞尔修正理论计算值吻合较好,但旁管的偏差较大。     

核承压热交换器两相流流致振动现象研究

为保障核承压热交换器的安全运行,采用数值模拟以及软件计算相结合的方法,对核承压热交换器两相流流致振动现象及减振措施进行了探究。研究结果表明:基于流致振动发生机理,热交换器横流速度、固有频率、卡门旋涡脱落频率以及紊流抖振频率为重点分析因素;由公式得出流量、换热管直径、换热管壁厚、管束排列等对流致振动有直接影响,无支撑跨距是影响管束流致振动较大因素;最易发生流致振动的部位包括入口区域、出口区域、折流板缺口区域以及无支撑跨距大管束;设计中,应在流量、换热管直径、壁厚、无支撑跨距、管束排列及入口防冲挡板设置等方面优化,以减小流致振动危害。     

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。     

单相流体横向作用下传热管束间耦合振动数值模拟研究

换热管束作为蒸汽发生器的重要组成部分，其可靠程度直接影响到核电厂反应堆的安全运行。借鉴相关领域的研究提出并发展了一种具有较高精度的计算流体动力学（CFD）/计算结构动力学（CSD）耦合计算方法，对相邻管束间耦合振动现象开展了数值模拟研究。在时域和频域内分析了管阵的涡结构及相邻管束间振动响应规律。研究结果表明:漩涡在管束的上游产生、脱落并向下游逐渐发展，管束间大量的脱落涡的相互作用极大地丰富了流场中的涡脱频率；管束振动受管束固有频率和涡脱频率的共同影响；周围相邻管束的振动会对管束流体力波动及频率主导性产生显著影响，在一定程度上削弱升力波动；当相邻振动管束在同一排时，对管束的振动位移影响较为显著。      

有热管冷却的乏燃料池自然对流换热特性分析

将分离式热管作为长期非能动冷却系统应用CAP1400乏燃料池,分离式热管的蒸发端布置在乏燃料池四周。本文运用数值模拟方法对具有热管冷却的乏燃料池内温度场和流场特性进行数值分析,并研究布置在池内的各排蒸发管管外对流换热强度。研究表明：当能动型冷却系统停止工作后,仅靠该非能动冷却系统可成功带走池内衰变热并保证池内不沸腾;内排蒸发管束外侧的对流换热系数高于外排蒸发管束,可达到外排管束的1.05倍,蒸发管上、下端的对流换热系数较大,中间段对流换热系数最小。研究结果对分离式热管运用于乏燃料池具有一定参考意义。     

非能动余热排出换热器优化设计研究

以CFX为工具,对AP1000非能动余热排出换热器的管束结构进行改进,分析了管束结构对非能动余热排出换热器性能的影响。研究结果表明,在单相自然对流和轻度沸腾区,管束三角形排布时的换热系数明显优于现有设计,换热能力随着节距的减小而增强。为确保饱和沸腾区的换热性能,便于饱和沸腾区气泡自加热面的逸离,节距应不小于1.5do。     

含环向贯穿裂纹弯管的J积分研究

弯管是核级管道的重要组成部分,同时也是比较容易出现裂纹的部位,所以有必要开展含裂纹弯管的断裂力学分析研究,以确保核级管道的结构完整性.本文采用ABAQUS软件,应用三维弹塑性断裂力学有限元方法对含环向贯穿裂纹的弯管进行了研究,得到了含环向贯穿裂纹弯管的J积分的数值分析结果.计算结果表明,弯曲半径对J积分的影响与裂纹的位置无关,与裂纹的大小关系密切.弯曲半径对含小裂纹弯管的J积分的影响并不明显,对含较大裂纹弯管的J积分而言,J积分随着弯曲半径比Rb/R增大而减小.在末端转角相同的情况下,壁厚比R/t与J积分近似成线性关系,即可以通过线性插值的方法进行计算.     

非能动余热排出换热器池沸腾换热性能研究

以浸没在高位水箱中的竖直管束为研究对象,对不同热负荷条件下竖直管束的池沸腾换热特性进行研究,通过对比中心管与周围旁管外壁面过热度、凝液量的变化,分析了中心管与旁管换热特性的差异。实验结果表明,换热管束的换热能力明显优于单管,在相同热流密度条件下,管束沸腾换热系数可达到单管的1.2～1.5倍。与旁管相比,低热负荷条件下,中心管的换热能力优于旁管;高热负荷条件下,中心管的换热能力则不及旁管,在热流密度大于200 kW/m²时,旁管的沸腾换热系数相对于中心管提高了近7%,且从实验数据的变化趋势来看,旁管较中心管的沸腾换热能力有随热流密度增加而逐渐增大的趋势。     

Experimental Study on Heat Transfer and Resistance Characteristics for Finned Tube of Fast Reactor Sodium-air Heat Exchanger

Sodium-air heat exchanger is one of the important equipment in the decay heat removal system of sodium-cooled fast reactor, which together with the external environment constitutes the final heat trap for the residual heat of a reactor. Due to the vertically arranged finned tube structure adopted by the heat exchanger tubes of the sodium-air heat exchanger and the difference of the flow direction and velocity of the air at the different positions, the heat transfer and resistance characteristics are very different from of traditional finned tube heat exchanger. In this paper, based on the engineering design requirements of sodium-air heat exchanger, two kinds of experimental specimens were designed to study the heat transfer and flow resistance characteristics of finned tube bundles with air flow angles of 90° and 30°. The experimental results show that the heat transfer and resistance coefficients of the same finned tube with air flow angles of 90° are significantly greater than those of the finned tube with air flow angles of 30°. For the same air flow direction, the second finned tube has the largest heat transfer coefficient. The research provides a theoretical basis for the design and optimization of sodium-air heat exchanger.     

Analytical and experimental studies of tube/support interaction in multi-span heat exchanger tubes

Fretting damage of tubes in heat exchangers can be very costly and should be avoided. Information on vibratory responses and dynamic interaction between tubes and supports are prerequisites for understanding the relationship between frettingwear and tube vibration.A finite-element computation technique has been developed to predict the vibratory response and tube/support interaction of multi-span tubes.Experimental verficication of the computer prediction using a multi-span single tube apparatus has been performed in air and in water with clearance supports and with no-clearance supports. The natural frequencies, support impact forces and mid-span displacements of the experimental and analytical results were compared. The results are in fairly good agreement. An example is used to illustrate the application of the computation technique to a hypothetical heat exchanger tube. The life of the hypothetical heat exchanger tube is estimated based on the predicted support impact forces and existing wear data.     

不同管束布置方式下含有空气的蒸汽自然对流冷凝换热特性分析

为研究非能动安全壳冷却系统（PCCS）热交换器管束布置对自然对流条件下含有空气的蒸汽冷凝换热特性的影响,采用气体组分输运方程和冷凝模型耦合,对单管、单排到五排管束通道内冷凝换热过程进行数值研究。研究发现,管束区内存在由于管间高浓度空气层干扰使冷凝换热能力减弱的“抑制效应”,以及由于水蒸气壁面冷凝导致气体横向流动使壁面冷凝能力强化的“抽吸效应”。对不同管束结构下2种效应对冷凝换热的影响进行分析,结果表明,随着管束排数的增加,2种效应对冷凝换热的影响逐渐增强,导致冷凝管周向局部冷凝换热能力不均匀性增加,其中五排管束周向局部冷凝换热系数（HTC）最大值为单管的2.3倍,最小值仅为单管的44.7%。在双排、三排和四排管束中,正四边形布置管束的冷凝换热能力优于正三角形布置,而五排管束中,正三角形布置的冷凝换热能力更强。本研究可对PCCS热交换器管束布置优化提供参考。      

蒸汽发生器传热管面内流体弹性失稳分析

流体弹性失稳是蒸汽发生器内最严重的传热管流致振动机理,一旦发生就会使传热管发生大幅振动并快速失效。流体弹性失稳可能在U形传热管束的面内及面外两个方向发生,为研究面内及面外流体弹性失稳发生的先后顺序,通过将蒸汽发生器U形传热管防振条支撑假设为单向简支,即仅在传热管面外方向对U形管进行约束,建立了完整的U形管模型;计算了弯曲半径及防振条支撑数量对U形管面内外固有频率的影响,基于成熟的流体弹性失稳经验模型,得到了面内流体弹性失稳先于面外方向发生的条件。结果表明,对弯曲半径在0.5 m-1.75 m范围内的U形传热管,当其弯管段支撑点超过4 h,面内流体弹性失稳将先于面外方向发生。     

竖直管束外含空气蒸汽冷凝传热特性数值分析

采用STAR-CCM+软件对管束条件下含空气蒸汽冷凝开展了数值模拟研究。主要考察了3×3管束、管间距为2倍管径条件下不同传热管的局部场分布和流动传热特性。结果表明，在管束条件下，各传热管附近的空气层发生了重叠，形成了高空气浓度区。这一方面促进了气体的自然对流，提高了对流传热能力；另一方面增加了空气层厚度，抑制了冷凝传热。在管束结构的影响下，管束区域的浓度、温度和速度梯度均较单管有明显的差异，导致各传热管的局部传热系数沿轴向降低了50%以上，周向传热系数最大相差1.88倍。其中，轴向传热性能主要受浓度边界层发展的影响，周向传热性能主要受相邻传热管的影响。通过分析表面平均传热系数发现，各传热管较单管最大降低了9.06%。      

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。     

Thermal Performance Tests on a Sodium-to-Sodium Heat Exchanger

Thermal performance of a 3MW sodium-to-sodium intermediate heat exchanger (IHX) was evaluated under temperature conditions typical of a Fast Breeder Reactor IHX. A regenerative figure of eight loop was used with the heat exchanger at the cross over point, and a 500 kW heat source and an air cooled sink to maintain the desired test conditions. The overall heat transfer coefficient was found to vary from 4.02 to 4.87 kW/m²·K for Peclet numbers varying from 37 to 112.5 on the shell side and 44.4 to 133.5 on the tube side respectively. The Peclet numbers were representative of low turbulent regime in this case. While the overall heat transfer coefficient was found close to predictions using Lubarsky's correlation, it was somewhat lower than that predicted by later correlations of Spukunsky & Borishansky. The reasons for the lower overall heat transfer coefficient have been explained in terms of possible maldistribution of shell side flow in low turbulent regime reducing the effective heat transfer area and increased thermal contact resistance. Based on their findings the authors feel that heat transfer in a sodium-to-sodium heat exchanger at low Peclet numbers is expected to differ from that obtained with large Peclet numbers.     

Thermal hydraulic study on a high-temperature gas–gas heat exchanger with helically coiled tube bundles

An experimental study was carried out to investigate flow-induced vibration, heat transfer and pressure drop of helically coiled tubes of an intermediate heat exchanger (IHX) for the HTTR, using a full-size partial model and air as the fluid. The test model has 54 helically coiled tubes separated into three layer bundles, surrounding the center pipe. The vibration of the tube bundles was mainly at the center pipe, and the individual vibrations of the tube bundles were not significant under the operation conditions of the IHX. The heat transfer of the tube outside, due to forced convection, was obtained as a function of Re^0.51Pr^0.3, and the friction factor, depending on the tube arrangement, was proportional to Re^−0.14.     

螺旋管换热器传热管动力特性的试验及数值分析

介绍了模拟高温气冷堆蒸汽发生器螺旋式传热管的螺旋管动力特性试验模型;对单根螺旋管在不同支撑条件下的动力特性进行试验研究的方法;动力特性的一些规律;并用有限元方法对试验模型的固有频率进行了数据分析。由计算结果和试验结果比较看出,本文建立的有限元计算模型可对螺旋式传热管的固有频率进行有效的预测。