核動(dòng)力廠用高效緊湊換熱器方案分析

王曉和 張后龍 張義光

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.杭州沈氏節(jié)能科技股份有限公司，浙江 杭州 311612）

0 引言

壓水堆核動(dòng)力廠的發(fā)電過程是從核能、熱能、機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，其中，熱能的正確管理對(duì)核動(dòng)力廠安全至關(guān)重要，因此，核動(dòng)力廠中設(shè)置了大量的換熱器， 用于調(diào)節(jié)和保證系統(tǒng)內(nèi)的工作介質(zhì)達(dá)到所需的特定溫度。 換熱器形式多樣，但在核動(dòng)力廠，除個(gè)別系統(tǒng)使用少量板式換熱器外，幾乎只采用結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、 但換熱效果一般且體積龐大的傳統(tǒng)管殼式換熱器， 這不利于核動(dòng)力廠布置方案優(yōu)化和整體小型化設(shè)計(jì)，也不利于提高核動(dòng)力廠的建造經(jīng)濟(jì)性。余熱排出系統(tǒng)用換熱器（余熱排出熱交換器）是核動(dòng)力廠最重要的換熱設(shè)備之一， 本文以某核動(dòng)力廠該換熱器為原型，提出一種高效緊湊的換熱器結(jié)構(gòu)方案，該方案具有可行性，并且能夠提高核動(dòng)力廠經(jīng)濟(jì)性，采用該方案可以推進(jìn)核動(dòng)力廠小型化設(shè)計(jì)向前發(fā)展。

1 核動(dòng)力廠余熱排出熱交換器

余熱導(dǎo)出是核動(dòng)力廠的三道安全屏障之一，余熱排出熱交換器作為余熱排出系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是在反應(yīng)堆停堆時(shí)導(dǎo)出反應(yīng)堆持續(xù)釋放的衰變熱，保證反應(yīng)堆的冷卻。從EPR、M310、AP1000 到“華龍一號(hào)”， 余熱排出熱交換器一直沿用管殼式結(jié)構(gòu)，設(shè)備體積較大，不利于廠房布置和優(yōu)化。

表1為某核動(dòng)力廠余熱排出熱交換器的設(shè)計(jì)參數(shù)和尺寸參數(shù)，本文以此參數(shù)為原型，設(shè)計(jì)了一種高效緊湊的換熱器。

表1 新型高效緊湊式余熱排出熱交換器設(shè)計(jì)輸入表

2 高效緊湊換熱器方案

新型高效緊湊式余熱排出熱交換器采用印刷電路板式微通道（PCHE）結(jié)構(gòu)，冷熱流體分別通過微通道后進(jìn)行熱量交換，以達(dá)到堆芯余熱排出的目的。 綜合考慮熱負(fù)荷大小和微通道結(jié)構(gòu)的加工可行性， 采用4 個(gè)2.65MW 的不銹鋼熱交換器單元并聯(lián)， 設(shè)備尺寸長×寬×高為2.56 m×2.09 m×1.96 m，總質(zhì)量約5 000 kg，體積為原換熱器的1/3，質(zhì)量為原換熱器的1/4，具體方案見圖1。

圖1 高效緊湊熱交換器方案圖

3 換熱器流量分配方案優(yōu)化

由傳熱基本方程：Δ可知，在溫度和壓力一定的情況下，定壓比熱容和熱交換器達(dá)到相同熱負(fù)荷時(shí)溫差是相同的，四個(gè)2.65 MW 的熱交換器能否達(dá)到10.6 MW 的功率，關(guān)鍵因素在于并聯(lián)管路的流量分配情況。 熱交換器并聯(lián)時(shí)，集合器分配到各個(gè)熱交換器的流量相同時(shí)，四個(gè)2.65 MW 的熱交換器即能達(dá)到10.65 MW 的熱負(fù)荷。 為此，對(duì)換熱器的流量分配方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 前處理及求解

采用ANSYS-FLUENT 進(jìn)行仿真模擬， 以冷側(cè)管為例， 考察冷側(cè)主管分配到4 個(gè)支管流量的均勻度，研究集合器流量分配形式對(duì)流量分配的均勻性影響。網(wǎng)格采用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格，近壁面邊界層區(qū)域進(jìn)行壁面函數(shù)+處理。 計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)ε 湍流模型。 邊界條件設(shè)置流量250 t/h， 進(jìn)口壓力1.2 MPa， 進(jìn)口溫度35℃。當(dāng)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程的殘差達(dá)到10，能量方程的殘差達(dá)到10時(shí)，則認(rèn)為計(jì)算收斂。

3.2 方案優(yōu)化

為了得到最均勻的分配方式， 進(jìn)行三種不同分配管形式進(jìn)行模擬。如圖2 所示，方案1，B 管和C 管不深入集合器；方案2，B 管和C 管伸入集合器內(nèi)部75 mm；方案3，B 管和C 管伸入集合器內(nèi)部150 mm。

圖2 方案示意圖

4 結(jié)果及討論

由速度分布圖3 至圖5 可知，三個(gè)方案的速度場(chǎng)分布情況基本一致， 四個(gè)支管中，B 管和C 管的速度場(chǎng)較為接近，A 管和D 管的速度場(chǎng)較為接近。 B、C 兩管伸入集合器內(nèi)長度不同，導(dǎo)致流場(chǎng)產(chǎn)生差異、流量分配不同。

圖3 方案1 速度分布圖

圖5 方案3 速度分布圖

提取三個(gè)方案計(jì)算的各管內(nèi)流量值并繪制成圖6所示的流量對(duì)比圖，可以看出方案3 的結(jié)構(gòu)阻止了介質(zhì)直接進(jìn)入B 管道和C 管道，平衡了四個(gè)管道的局部阻力，從而保證了流量分配的均勻性。

圖4 方案2 速度分布圖

圖6 三個(gè)方案速度分布對(duì)比

5 結(jié)語

經(jīng)過理論計(jì)算、方案設(shè)計(jì)和仿真分析，得到以下結(jié)論：

（1）方案3 能保證分配到單個(gè)模塊的流量接近相同的，流量分配均勻時(shí)，四個(gè)并聯(lián)2.65 MW 的換熱器能達(dá)到10.6 MW 的換熱功率。

（2）并聯(lián)方案使得換熱器后期維護(hù)更加方便，在各種極端工況下如果出現(xiàn)問題， 不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)換熱模塊報(bào)廢，大大減小了設(shè)備的損耗率。

（3）并聯(lián)集成的PCHE 換熱器體積可達(dá)原設(shè)備的1/3、質(zhì)量可達(dá)原設(shè)備的1/4、造價(jià)可達(dá)原設(shè)備的1/2，契合核動(dòng)力廠小型化設(shè)計(jì)理念，有利于推動(dòng)核動(dòng)力廠小型化的設(shè)計(jì)發(fā)展。