主回路熱交換器熱工計算

殷保穩

摘? 要：HTHP試驗回路是CARR應用平臺的一項極其重要的研究內容，主回路系統是其中一個非常重要的系統，本論文介紹了主回路系統中主回路熱交換器的類型和用途。通過熱工計算和方案比較確定了最佳設計方案：主回路冷卻水出口溫度T2=311.62℃，二回路冷卻水出口溫度t2=113.38℃，平均溫度△tm=209.11℃，U型換熱管φ27×3mm，外套管φ38×3mm，換熱腔組件數n=6，總傳熱面積S=1.53m2，換熱段長度L=2×1.51m。設計的套管式換熱器滿足換熱和相關設計標準的要求。

關鍵詞：主回路? 系統? 熱交換器? 熱工計算

中圖分類號：TK172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）07（b）-0088-03

Abstract： The HTHP test loop is an extremely important research content of the CARR application platform. The main loop system is one of the very important systems. This paper introduces the types and uses of the main loop heat exchanger in the main loop system. The best design plan was determined through thermal calculation and program comparison： the cooling water outlet temperature of the main circuit T2=311.62℃， the cooling water outlet temperature of the second circuit t2=113.38℃， the average temperature △tm=209.11℃， U-shaped heat exchange tube φ27 ×3mm， outer tube φ38×3mm， number of heat exchange chamber components n=6， total heat transfer area S=1.53m2， length of heat exchange section L=2×1.51m. The designed tube heat exchanger meets the requirements of heat exchange and related design standards.

Key Words： Main circuit; System; Heat exchanger; Thermal calculation

主回路熱交換器作為瞬態綜合試驗回路的主回路系統中重要的非標設備，在正常運行工況下，主回路冷卻水通過主循環泵送入輻照裝置內，將試驗燃料組件產生的熱量帶出，再流經主熱交換器，將燃料棒束產生熱量傳給二回路冷卻水，經冷卻后的主回路冷卻水再返回主回路管道系統，循環使用。

主回路系統組成包括：主回路熱交換器、輻照裝置、試驗燃料組件、主回路過濾器和主循環泵等。主回路熱交換器是主回路系統的關鍵非標設備，通過調節流量實現出口溫度調節，使主回路運行參數控制在要求范圍。

1? 設備描述

主回路換熱器為立式套管式換熱器，換熱主體由若干個套管式換熱器并聯組成，其具有密封性好，承受高壓;單管程單殼程嚴格逆流換熱，溫差大，傳熱面積小，效果好;結構簡單，制造安裝和維修方便，安全可靠且經濟性好等優點。溫度高的一次水經一次側入口聯箱分流后，流經各U形換熱管內，再經一次側出口聯箱流入一次側主管道系統;二次冷卻水由二次側入口分配器經分流后，流經換熱管與套管環隙，再經二次側出口分配器流入二次側主管道系統。一次冷卻水和二次冷卻水的換熱方式為單管程單殼程完全逆流換熱。

2? 主要設計參數

見表1所示。

3? 熱工計算與方案優化

熱工計算需要綜合考慮傳熱學、流體力學和換熱器結構等知識進行設計和計算。總體的熱工計算思路是將熱工計算劃分為三個板塊;（1）出口溫度和平均溫差的計算;（2）總傳熱系數的計算;（3）傳熱面積和換熱管長度計算（詳見圖1）。

3.1 出口溫度和平均溫差的計算

采用迭代計算和Matlab編程的最小二乘法樣條曲線擬合的方法，先設定兩側流體定性溫度的初始值，查相關手冊得到水的物性，再根據式（1）中的熱量衡算方程求出兩側出口溫度，若兩次求得的溫度滿足此條件，則確定出口溫度，進而求得對數平均溫差;否則，將求得的出口溫度和入口溫度進行算術平均后，再通過最小二乘法確定流體物性，如此循環迭代，直至結果收斂。

利用迭代法和Matlab編程及最小二乘法計算主回路和二回路冷卻水出口溫度T2 和t2、密度ρ1和ρ2、比熱Cp1和Cp2、黏度μ1和μ2及導熱系數λ1和λ2。

3.2 總傳熱系數的計算

總傳熱系數是一個多參數互相關聯影響的參數，包括流體物性、流動狀態、操作條件和換熱器結構等，其值的確定涉及到換熱器的優化問題，需要考慮一次側、二次側對流傳熱系數，管壁導熱系數和兩側流體污垢熱阻。