新型鈉水換熱器熱工計算

裴志勇+武志廣+許業(yè)強

摘 要 鈉和水作為介質(zhì)的換熱器是目前使用鈉介質(zhì)作為主熱傳輸?shù)碾娬娟P(guān)鍵設(shè)備之一，通過對采用的新型直流式鈉水換熱器換熱數(shù)學(xué)模型進行簡化，采用合理的傳熱計算關(guān)系式進行換熱器的傳熱計算，表明其滿足可行性要求。

關(guān)鍵詞 鈉水換熱器；兩相傳熱；直流式

中圖分類號 TK21 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0225-02

對于采用鈉介質(zhì)作為主熱傳輸介質(zhì)的快堆電站等，其必然涉及到鈉和水介質(zhì)的換熱，利用鈉-水換熱器將鈉介質(zhì)的熱量傳遞到水介質(zhì)，并通過汽輪機將熱能轉(zhuǎn)換為動能用于發(fā)電。而鈉和水換熱涉及到在發(fā)生泄漏情況下的鈉和水的反應(yīng)問題，當(dāng)介質(zhì)的很小泄漏都將會因為劇烈的鈉水反應(yīng)引起溫度和壓力的急劇升高而出現(xiàn)嚴重后果，造成泄漏的擴大和蔓延，對換熱器管束造成破壞。因此必須要進行預(yù)防并提高其安全性。

1 鈉水換熱器簡介

目前的鈉水換熱器主要的結(jié)構(gòu)形式為固定管板式換熱器，換熱管形式主要有直管式、螺旋管式、蛇形管式等等。但是由于材料、設(shè)計、制造等各方面造成的缺陷而導(dǎo)致?lián)Q熱器在運行過程中發(fā)生失效，從而產(chǎn)生嚴重后果的事故屢有發(fā)生，因此其設(shè)備本身的可靠性和安全性越來越引起學(xué)者重視。本文針對鈉水介質(zhì)的隔離邊界的薄弱環(huán)節(jié)——換熱管束，進行了結(jié)構(gòu)改進，增強其本身的安全可靠性。

鈉水換熱器采用固定管板式，換熱管采用直管式結(jié)構(gòu)，其中鈉介質(zhì)在管外流動，水/蒸汽介質(zhì)在換熱管內(nèi)流動，流動方向與鈉相反。

為提高其安全性，換熱管采用雙層管結(jié)構(gòu)，換熱管徑向分為兩層，結(jié)構(gòu)材料相同，為保證其傳熱效率和降低設(shè)備的換熱面積，內(nèi)外管采用緊貼方式，從而減小其換熱管的熱阻。換熱管結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

2 鈉水換熱器熱工計算

2.1 鈉水換熱器設(shè)計輸入

本文針對某一型號進行了鈉水換熱器的熱工基數(shù)按，其工計算設(shè)計輸入見表1。

2.2 熱工計算數(shù)學(xué)模型

2.2.1 基本假設(shè)

鈉水換熱器采用直管式結(jié)構(gòu)，殼程為鈉，管程為水/蒸汽，鈉和水/蒸汽逆向流動。在進行熱工水力特性數(shù)值計算時，作了如下基本假設(shè)：

1）工質(zhì)的流動是一維的，即工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和水力學(xué)狀態(tài)在同一截面上，具有相同的狀態(tài)參數(shù)。

2）忽略工質(zhì)的軸向?qū)帷?/p>

3）水在管內(nèi)均勻分配，即每根換熱管內(nèi)流量、傳熱量參數(shù)和過程均相同。

4）鈉在管間沿管束高度均勻分布。

2.2.2 換熱區(qū)劃分

目前，關(guān)于直流式管內(nèi)沸騰傳熱換熱計算中，由于存在兩相傳熱，需要進行分區(qū)計算，分為以下區(qū)段進行計算：

預(yù)熱區(qū)、表面沸騰區(qū)、泡核沸騰區(qū)、換熱惡化區(qū)、蒸汽過熱區(qū)[ 1 ]。

2.2.3 傳熱模型

1）鈉側(cè)換熱。鈉在殼程單相流動，考慮換熱管束的排列方式，這里采用俄羅斯推薦的換熱關(guān)系式。

2）水側(cè)換熱。水側(cè)換熱涉及到由單相水到汽水混合再到單相蒸汽的轉(zhuǎn)變過程，根據(jù)其傳熱機理的不同，沿管束長度進行分區(qū)計算。根據(jù)傳熱工況分為預(yù)熱區(qū)、表面沸騰區(qū)、泡核沸騰區(qū)、換熱惡化區(qū)及蒸汽過熱區(qū)。其中，預(yù)熱區(qū)為單相水對流換熱區(qū)，單相流體在管內(nèi)強迫對流的換熱系數(shù)計算公式有Dittus-Boilter、Seider-Tate、米海耶夫、格尼林斯基等公式。這里采用Seider-Tate[ 2 ]計算關(guān)系式。表面沸騰區(qū)的換熱系數(shù)計算公式主要有Jens-Lottes、Thom、修正的Chen公式等。泡核沸騰區(qū)段的傳熱系數(shù)計算公式有Chen公式、Rphsenow、大容積沸騰計算公式等。換熱惡化區(qū)采用Miropolskiy公式。蒸汽過熱區(qū)為蒸汽單相換熱，主要的傳熱系數(shù)計算公式同預(yù)熱區(qū)。

3）污垢熱阻。污垢熱阻是指由于管壁積垢而產(chǎn)生的熱阻，主要與傳熱管材料及運行水質(zhì)等因素有關(guān)。由補水帶入的雜質(zhì)和回路中的腐蝕產(chǎn)物進入蒸汽發(fā)生器后，絕大部分會滯留下來，因而蒸汽發(fā)生器工作一段時間后會在傳熱管表面沉積一定厚度的污垢，由于熱導(dǎo)率很小，會產(chǎn)生很大的熱阻。而在一回路側(cè)，由于冷卻劑通常保持很高的清潔度，產(chǎn)生的污垢熱阻一般可忽略不計。目前，工程計算中有以下3種考慮污垢影響的方法[3]：（1）減小對流傳熱系數(shù)，以考慮相應(yīng)側(cè)污垢的影響；（2）列出專項，采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)。這是一種常用的方法，污垢熱阻的大小一般在2.6×103-5.2×103m2K/W之間；（3）在計算傳熱系數(shù)時，不計污垢熱阻，而在確定產(chǎn)熱面積時，引入一個考慮了污垢影響的安全系數(shù)。這個系數(shù)通常與堵管裕量、熱流計算誤差等因素綜合考慮，一般可取10%左右。

3 計算結(jié)果

由于換熱器在安裝空間的限制，要求設(shè)備高度小于4.1m。為此，設(shè)計對比了不同的換熱管束數(shù)量，以滿足其安裝要求。根據(jù)上述介紹的換熱器結(jié)構(gòu)形式和計算模型，針對設(shè)計工況進行了熱工計算，計算結(jié)果見表2。

由上述計算結(jié)果可見，隨換熱管數(shù)量增加，其換熱管長度減小，設(shè)備總高也減小，在換熱管數(shù)量≥721根時，設(shè)備空間要求可以滿足。但是考慮到隨著換熱管數(shù)量的增加，換熱管與管板連接接頭數(shù)量增加，由于此處結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性而容易導(dǎo)致泄漏，故連接接頭數(shù)量越少其設(shè)備的安全性越高。故從上表數(shù)據(jù)，針對其熱功率和空間要求，其換熱管數(shù)量選取721根。

4 結(jié)論

鈉水換熱器由于運行環(huán)境惡劣易發(fā)生事故，其安全可靠運行決定了電站的安全性和經(jīng)濟性。本文采用了新型的鈉水換熱器結(jié)構(gòu)并進行了兩相熱工設(shè)計計算。通過對換熱器的熱工計算分析，可以得到：在該新型結(jié)構(gòu)下的設(shè)計結(jié)果滿足其傳熱性能和空間限制要求。

參考文獻

[1]黃承懋.鍋爐水動力學(xué)及鍋內(nèi)傳熱[M].北京：機械工業(yè)出版社，1984：101-102.

[2]J.M.DELHAYE， M .G IO T ，etc. “Thermohydraulics of Two-Phase Systems for Industrial Design and Nuclear Engineering”， Hemisphere publishing Corporation，1981.

[3]賈寶山，等.核能動力裝置設(shè)計與優(yōu)化原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.