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%。     

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.     

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。     

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.     

千瓦级2 K超流氦板翅式换热器初步设计优化

本文采用分布参数法对1 000 W@2 K低温系统配套的50 g/s流量2 K换热器进行了设计计算。利用加权系数法提出了换热器综合优化指标,随后采用遗传算法进行优化,并根据工程需要从多个侧重点对换热器进行优化,获得了一系列优化方案,从中选择了侧重换热效率的方案作为初步设计结果。在该结果的基础上,进一步采用了CFD数值仿真校核,验证了初步设计结果的准确性。优化后换热器的换热效率为844%,压降为22216 Pa,体积为0022 1 m3。     

自然循环换热器壳侧传热及流动的数值模拟

为分析换热器的求解模型和内部结构的不同对传热和流动特性的影响,用等效自然循环换热器的模型进行多种变换。用Fluent软件对等效模型进行非稳态数值模拟,研究其传热和流动特性。通过比较分析不同模型的温度场和流场的变化,对该换热器的传热过程和自然对流情况有较深刻的认识。结果表明：自然循环换热器的传热管内外温差较大,且流动较复杂,选用湍流模型计算更为合理;传热管位置的不对称性,引起左右两侧传热和流动的不对称性,使得流体相互影响,增强了自然对流作用;传热管的形状由直管变为C型弯管,结构的复杂性在一定程度上增强了流体温度分布和流动的不规则性,使得湍流强度增加,致使换热效果得到改善。     

EAST阻性换热器多物理场耦合模拟计算

阻性换热器是EAST高温超导(HTS)电流引线的重要组成部分,目前有三头螺旋翅片和叠片两种结构形式,为了比较这两种阻性换热器的优劣,对它们的热工水力性能进行了多物理场耦合模拟计算,计算结果表明:两种阻性换热器在换热性能方面基本相当,均可满足快速换热的要求,但叠片换热器的流动阻力远小于三头螺旋翅片换热器的。实际运行过程中,三头螺旋翅片换热器中氮冷却回路的压力控制较为困难,经常需人工调节控制阀阀门,而叠片换热器中氮冷却回路的压力控制则较为简单,不需经常调节。因此,叠片式结构较三头螺旋翅片式结构更适合应用在EAST阻性换热器中。     

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。     

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.     

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。     

非能动余热排出热交换器半液位换热性能研究

非能动余热排出热交换器（PRHR HX）是先进反应堆非能动堆芯余热排出系统的关键设备之一,置于内置换料水箱中。水箱内水蒸发或水箱泄漏等故障失水后液位降低,PRHR HX与管外水传热面积和管外流场均发生变化,导致堆芯非能动余热排出能力下降。为分析半液位下PRHR HX换热性能,建立半液位PRHR HX实验装置和数值计算模型,获得稳态和瞬态升温过程的换热量、温度分布和流场特性。实验结果表明,稳态沸腾换热阶段半液位结构的总换热量较全液位时的下降12%～22%,仍具有较强的换热能力。瞬态升温过程中管外换热模式从纯单相对流换热开始,先后逐渐出现局部过冷沸腾和局部饱和沸腾,并最终迅速由局部饱和沸腾转变为全管长饱和沸腾。水箱内逐渐升温过程中出现显著的热分层现象,结合数值模拟分析发现此时管外流体在高度上呈现多层回流流动结构。     

超临界二氧化碳在印刷电路板式换热器内的流动换热特性研究

印刷电路板式换热器（PCHE）是一种微通道换热器，具有换热效率高、耐高温、耐高压等优势，可广泛应用于海洋工程、核能、光热发电等领域。本文采用数值模拟的方法，计算了跨拟临界点超临界二氧化碳（SCO₂）在印刷电路板式换热器内的流动换热特性。结果表明：SCO₂流体温度达到拟临界温度时，流通截面内流体温度分布最均匀，因为此时流体的有效导热系数最大；SCO₂侧对流换热热阻在总热阻中占比最大，其次为导热热阻，水侧对流换热热阻最小；采用等效厚度法计算得到的导热热阻偏大；雷诺数越大，在拟临界温度附近换热强化的程度越大。     

Study of steam, helium and supercritical CO2 turbine power generations in prototype fusion power reactor

Power generation systems such as steam turbine cycle, helium turbine cycle and supercritical CO₂ (S-CO₂) turbine cycle are examined for the prototype nuclear fusion reactor. Their achievable cycle thermal efficiencies are revealed to be 40%, 34% and 42% levels for the heat source outlet coolant temperature of 480 °C, respectively, if no other restriction is imposed. In the current technology, however, low temperature divertor heat source is included. In this actual case, the steam turbine system and the S-CO₂ turbine system were compared in the light of cycle efficiency and plant cost. The values of cycle efficiency were 37.7% and 36.4% for the steam cycle and S-CO₂ cycle, respectively. The construction cost was estimated by means of component volume. The volume became 16,590 m³ and 7240 m³ for the steam turbine system and S-CO₂ turbine system, respectively. In addition, separation of permeated tritium from the coolant is much easier in S-CO₂ than in H₂O. Therefore, the S-CO₂ turbine system is recommended to the fusion reactor system than the steam turbine system.     

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。     

ADS的液态LBE-氦气换热器优化

基于遗传算法,分别以火积耗散数和总成本为目标函数,对ADS的液态LBE-氦气换热器进行多参数优化。结果表明,两种优化方法使换热器有效度分别提高10.5%和3.8%,总成本分别降低5.9%和27.0%,但优化过程分别以增加传热面积和牺牲传热性能为代价。综合对比两种优化方法得到的换热器性能、成本消耗、收益等因素,发现以火积耗散数为目标函数的优化方法更具优势。     

紧凑换热器的多孔介质模型化

由于使用板翅、棒束、填料等，使用紧凑换热器中的流动是三维的，在求解Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程以得到流体的速度、温度分布时，很难确定流动的边界条件和初始条件，无法进行数值模拟。通过引入多孔介质和分布阻力的概念，可以建立紧凑换热器多孔模型，本文提出建立此模型的基本前提和方法。     

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。     

杆式支撑换热器换热的数值模拟

采用数值模拟方法研究杆式支撑换热器．可以克服实验研究方式的不足。利用相似理论确定数值模拟模型,分析了各结构参数变化对换热器传热和流动性能的影响．利用最小二乘法．进一步回归出杆式支撑换热器层流下的传热和流动阻力的准数关联式．设计,建造了一套可变结构参数的杆式支撑换热器热模实验装置．在壳程单排管间布杆或双排管间布杆、不同流速和不同折流栅结构参数情况下测得了100个实验值．将实验测量值和计算值进行了比较。结果表明：数值模拟计算的Nu值和△p值与实验测量值吻合很好,由实验数据回归得到的传热和流动阻力无因次准数关系式与数值模拟程序计算得到的准数关系式也吻合较好．显示出数值模拟方式进行换热器研究的显著优点.     

板式换热器在研究堆重水系统中的应用

重水换热器是目前正在建造的两座研究堆中重水冷却系统的重要设备.对两座研究堆中的重水换热器在选型及设计方面进行了优化,通过对比可看出,板式换热器较套管式换热器在安全性和经济性等方面更具优越性.板式换热器在重水系统中的应用对研究堆的设计具有一定的参考价值.     

高温氦氙气体微通道回热器的传热流动特性分析

以氦氙气体作为工质的闭式布雷顿循环系统是大功率空间热电转换目前最可行的技术方案。高温氦氙气体回热器是闭式布雷顿循环系统的关键部件,其性能明显影响系统发电效率、系统发射质量以及系统布置的紧凑性。本文采用计算流体力学和传统理论分析方法,针对高温氦氙气体微通道的结构及成型工艺选择、工作温度与回热器回热度的关系、流量与性能参数的关系等进行了研究。研究结果表明,采用精雕工艺作为微通道的成型工艺可在不降低回热器换热性能的前提下降低压降40%,减少质量17%。在设计参数条件下,微通道之间设置联通通道不会增加换热能力。回热器回热度随流量的增加而减小,且存在拐点,对于拟研制回热器的设计参数,设计流量应不高于0.24 g/s。回热器结构合理性用单位压降和温降条件下换热面积与功率的比值来判断,降低雷诺数能有效提高回热器的结构合理性。