非能动余热排出空气热交换器换热特性研究

摘要

作为第四代反应堆堆型之一的熔盐堆，其非能动余热排出系统在导出衰变热、降低燃料盐温度、确保排盐罐安全方面起着重要作用。自然通风式空气热交换器是该余热排出系统与大气环境之间的换热设备，其作用是将系统中的热量排入大气环境中，保证系统能够安全可靠地运行。该空气热交换器在运行过程中不需要人为操作以及其他外界动力的支持，具有良好的非能动特性。
　　本文通过实验的方法研究了不锈钢光管、不锈钢翅片管、不锈钢-铝复合翅片管以及铜-铝复合翅片管的换热特性，其中，管外侧为空气自然对流换热，管内侧为水蒸汽凝结换热。实验结果表明，在自然对流条件下，翅片管的换热功率明显高于光管的换热功率，而翅片管材料以及管内凝结换热系数的变化对翅片管换热能力的影响很小。在此基础上设计了一个自然通风式空气热交换器，该空气热交换器主要包含一个翅片管束和一个风筒。其中，翅片管束被放置于风筒底部，通过风筒的抽吸作用使管束外空气的自然循环流动加快，从而强化了空气侧的换热能力。
　　针对所设计的空气热交换器，通过计算流体力学软件ANSYS FLUENT对其在设计工况下的稳态换热特性进行了数值模拟研究，并分析了空气流速、环境温度、翅片管布置方式、翅片管间距、翅片管材料、翅片节距以及翅片高度等因素对其换热特性的影响，从局部和整体的角度明确了空气与翅片管束间的自然对流换热过程，为空气热交换器的进一步优化提供了参考。
　　通过对整个非能动余热排出系统进行建模，进一步研究了所设计的空气热交换器在非能动余热排出系统运行过程中的瞬态换热特性，并分析了环境温度、翅片管数量以及风筒高度对其瞬态换热特性的影响。结果表明，该空气热交换器能够满足系统在不同工况下的排热需求，环境温度、翅片管数量以及风筒高度对其排热功率的影响在系统运行的初始阶段比较明显。随着运行时间的不断增加，通过空气热交换器的自发调节，这些影响逐渐变得很小，但是在调节过程中汽包中的峰值压力变化较大，在实际的运行过程中应避免其超过系统的可承受压力，以免造成余热排出系统的损坏。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 非能动余热排出热交换器研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 光管和翅片管的换热特性研究

2.1 实验装置

2.2 实验步骤

2.3 数据处理方法

2.4 实验结果分析

2.5 本章小结

第3章 空气热交换器设计

3.1 熔盐堆非能动余热排出系统介绍

3.2 空气热交换器初始设计参数选取

3.3 设计计算过程

3.4 设计结果

3.5 本章小结

第4章 空气热交换器稳态换热特性研究

4.1 稳态换热特性数值模拟的模型描述

4.2 网格独立性和模型验证

4.3 空气热交换器稳态换热特性的计算结果与分析

4.4 本章小结

第5章 空气热交换器瞬态换热特性研究

5.1 熔盐堆非能动余热排出系统数学模型

5.2 空气热交换器瞬态换热特性的计算方法

5.3 空气热交换器瞬态换热特性的计算结果与分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录A