快堆冷池獨立熱交換器熱工水力模擬

成書豪

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京102413)

中國實驗快堆非能動余熱排出系統采用兩套布置在熱池的獨立熱交換器-空氣熱交換器系統排出余熱，CFR600 因其更大的余熱量排出需求以及考慮到DHX 的熱池布置方式缺少對盒間流的冷卻手段，在此基礎上于冷池另設計了兩套相互獨立的PDRAC。

近幾十年來，國內外針對鈉作為工質的熱工水力研究取得很大進展[1-3]。在此基礎上，我國對CEFR 及CFR600 的DHX 部件及余熱排出系統或鈉工質的自然循環特性進行了計算研究，但針對CFR600 冷池DHX 布置開展的熱工水力計算研究還不多。本文的工作即為針對CFR600 中該設計DHX 的備用工況的自然循環熱工水力特性的三維模型數值模擬研究。

1 系統描述

DHX 是提供鈉池一回路鈉和獨立熱交換器——空氣熱交換器(AHX)回路二次鈉換熱區域的部件，形成包含堆芯到DHX、DHX 到AHX、AHX 到大氣的三條耦合的自然循環，完成堆芯余熱的排出。CFR600 的冷池DHX 為逆流垂直式殼管型熱交換器，它由換熱腔、換熱管束、加強環、導流筒、DHX 支承及支承座和管板組件組成。

DHX 支承向熱池吸熱，筒內則向DHX 管側放熱，形成換熱殼體內外溫度差，產生自然循環，自然循環形成時如圖1 所示，液鈉從導流筒外部流進DHX 區域，向上流動至DHX 入口窗進入換熱區域，而后通過換熱管束與DHX-AHX 鈉回路換熱后向出口窗流出，通過導流筒內壁面離開DHX 區域。在自然循環過程中，導流筒起著分流的作用，其設計對維持穩定的自然循環具有較大意義。

圖1 DHX 自然循環

2 模型和邊界條件

2.1 模型

計算所涉及的1/4 冷池上半部模型如圖2 所示。模型選擇模擬其中一條環路在冷池上半部分中的流動，模型取冷池上板上表面處為z=0 的基準高度面，其中模型的中間熱交換器出口部分及泵支承部分包括了z=0 以下的流域，模型的中間熱交換器含1860 個50mm 直徑的圓孔，孔間距62.5mm；冷池流體域減去了壓力管在冷池上半部分的模型，但沒有考慮管本身內部流體，其流域最上部z=3265mm。計算采用realizable k-ε 湍流模型、標準壁面函數，考慮重力影響，其他輸入選擇默認，計算采用自動生成的四面體非結構化網格。

圖2 冷池上半部總模型

2.2 邊界條件

邊界條件設置列于表1。

表1 模型涉及的邊界條件

3 計算結果及分析

3.1 模型溫度分布

DHX 一次側流域總體溫度分布:

DHX 流域溫度分布示于圖3，所取橫截面M1 為由過模型原點和DHX 中線組成的平面截取DHX 流體域部分所得，另有橫截面M2 過DHX 中線與M1 相互垂直，由于二者的溫度分布幾乎一致，故只選取M1 為例。而由M1 和M2 溫度分布一致可知在備用工況下形成的自然循環對DHX 周向影響是均勻的。備用工況下，一回路鈉經IHX 冷卻后溫度降至355℃，此時正常運行的一回路流量僅有很少一部分流入流出DHX 流域參與自然循環，此時DHX 內的自然循環主要由與熱池高溫液態鈉接觸的DHX 支承壁面作為熱源，而擁有少量流量的DHX 二次側換熱管束(模型中簡化為單獨由換熱腔換熱)作為冷源，冷源和熱源之間通過DHX 入口窗和出口窗進行熱量和物質交換。除去圖中DHX 支承處固體區域及接近高溫壁面附近較薄的液鈉區域外，圖中最高溫處溫度約達440℃，位于DHX 頂部區域，最低溫度達328℃，位于DHX 換熱區域的最底端。這與一回路冷池鈉的主流溫度355℃均有較大的差距，說明在備用工況下研究DHX 自然循環特性時，DHX 支承與熱池的接觸吸熱以及向來自二次側冷源的放熱是不可忽略的，且二者在DHX 自然循環中發揮主要的作用。

圖3 DHX 流域橫截面M1 溫度分布云圖

3.2 模型速度分布

模型總速度分布示于圖4，圖4 所取截面為以模型原點z 軸為軸線，以DHX 軸線距圓心距離6425mm 為半徑所畫圓柱面截取模型所得截面。圖中主要流量集中在冷池一回路主流道中，DHX 流域內相比一回路主流量而言其流量很小，除一回路主流道外，僅在導流筒內外區域分布較高流量，導流筒附近速度分布如圖5 所示。

圖4 模型總速度矢量分布云圖

圖5 導流筒流量分布放大圖

圖5 是由圖4 導流筒部分放大而得，圖5 顯示，受IHX 出口液鈉流量影響，導流筒外壁靠近IHX 出口處速度明顯高于遠離IHX 出口處，且不論內外壁，靠近IHX 出口處速度方向指向DHX 流域，而遠離IHX 出口處速度方向則相反。導流筒的存在本身是為DHX 流域和一回路之間的流量交換分為壁外的DHX流域入口和壁內的DHX 流域出口，而備用工況下由于DHX 換熱功率較低，一回路流量相比DHX 內部自然循環流量大得多，故此時導流筒附近區域流量分布呈現出明顯受一回路流量影響的特點。

4 結論

本工作應用fluent 程序計算獲得了備用工況下含DHX 一次側部分的冷池上半部流域速度場及溫度分布。計算結果表明在備用工況下DHX 支承與熱池鈉的換熱和DHX 二次側的換熱是影響冷池DHX 自然循環特性的主要因素，此時的DHX 自然循環流量相比一回路主流量非常小，對此時冷池一回路的換熱和流動影響很小。由此可見，在備用工況下，冷池DHX 在其設計工作參數下工作時，其存在不會對正常的一回路流動產生影響，符合備用工況下對冷池DHX 的設計要求。