翅片管钠-空气热交换器的换热过程分析方法

摘要

一种用于翅片管钠‑空气热交换器的换热过程分析方法，该方法包括：对翅片管钠‑空气热交换器进行建模，以获得热交换器模型；对热交换器模型进行网格化划分，以生成网格化模型；选择计算模型以及与计算模型相适应的算法；以及利用该算法对网格化模型进行计算，以获得热交换器的温度场状态和/或流场状态；其中，对翅片管钠‑空气热交换器进行建模包括：对翅片管钠‑空气热交换器的翅片换热管束进行建模，将翅片换热管束的每一根换热管的翅片建模为等效的多孔介质模型。根据本发明的热交换器的换热过程分析方法在对热交换器的建模过程中对热交换器的结构进行了相关简化，通过简化结构能够使得建模过程简单化，由此有利于换热过程分析的计算。

说明书

技术领域

本发明涉及核技术领域，具体涉及一种用于快堆的冷却系统的换热分析方法。

背景技术

钠冷快堆相对于传统的压水堆可将铀资源的利用率最大化，因此得到了更加广泛的应用。快堆系统的安全性和可靠性越来越受到人们的重视。非能动安全保护措施作为第四代核技术的关键考虑因素，能够有效降低堆芯融毁的概率。

非能动余热排出的基本原理是自然循环，即利用流体的重力、惯性、自然对流、扩散、蒸发、冷凝等原理来在事故工况时将堆芯余热排出。非能动余热排出系统的设置能够简化专用安全设施，减少相关设备和部件，同时减少人员干预而可能产生的误动作，改善人机关系，提高核电站的固有安全性。

钠冷快堆在全厂失电、三回路给水泵损坏以及地震等事故工况下，由事故余热排出系统将将堆芯余热排入大气。事故余热排出系统是池式钠冷快堆最重要的专用安全设施之一，是实现反应堆在事故工况下余热排出安全功能的主要手段。

在事故余热排出系统的钠-空气热交换器的总体结构设计已经初步确定的情况下，需要进一步考虑设备的性能是否能够满足要求，也就是需要对钠-空气热交换器的性能以及相关参数进行评估。因此，需要提供一种能够对钠-空气热交换器的工作性能进行评估的有效方法。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的用于翅片管钠-空气热交换器的换热过程分析方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于翅片管钠-空气热交换器的换热过程分析方法，该换热过程分析方法包括以下步骤：

对翅片管钠-空气热交换器进行建模，以获得热交换器模型；

对热交换器模型进行网格化划分，以生成网格化模型；

选择计算模型以及与所述计算模型相适应的算法；以及

利用所述算法对网格化模型进行计算，以获得热交换器的温度场状态和/或流场状态；

其中，对翅片管钠-空气热交换器进行建模包括：对翅片管钠-空气热交换器的翅片换热管束进行建模，将翅片换热管束的每一根换热管的翅片建模为等效的多孔介质模型。

通过根据本发明的换热过程分析方法能够对热交换器的整个换热过程进行仿真分析，获得热交换器的换热功率、阻力、温度场以及流场的分布状态，为热交换器的换热面积的设计和/或改进提供依据，同时能够对热交换器的换热效果进行验证。根据本发明的热交换器的换热过程分析方法在对热交换器的建模过程中对热交换器的结构进行了相关简化，通过简化结构能够使得建模过程简单化，由此有利于换热过程分析的计算。进一步地，还可以通过该换热过程分析方法确定不同的换热管之间的温差以及每个换热管的出口处是否出现局部冷点，为热交换器的结构优化提供依据。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明的翅片管钠-空气热交换器的结构示意图；

图2是根据本发明的用于翅片管钠-空气热交换器的换热过程分析方法的流程图；

图3a是根据本发明的换热管的原始模型图；

图3b是根据本发明的简化换热管模型图；

图4a是空气流沿横向方向的速度与压力损失之间的关系式及关系图；

图4b是空气流沿竖向方向的速度与压力损失之间的关系式及关系图；

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

以下首先对根据本发明的换热过程分析方法所应用的翅片管钠-空气热交换器的结构进行简要说明。如图1所示，该翅片管钠-空气热交换器10包括限定换热器的换热空间的壳体12、设置在壳体12内的上部的第一集流器14、设置在壳体12内的下部的第二集流器16以及设置在第一集流器14和第二集流器16之间的翅片换热管束18，翅片换热管束18可以包括若干根换热管，每一根换热管均与第一集流器14和第二集流器16流体连通。在第一集流器14上设置有与其流体连通的液钠入口管路142，用于将钠回路中高温液态钠引入热交换器10内，在下集流管16上设置有与其流体连通的液钠出口管路162，用于将经过冷却的液态钠再次输送回钠回路中。壳体12通常设置成圆筒状，第一集流器14和第二集流器16设置成圆环状，并且在第一集流器14和第二集流器16上分别设置有若干出口管接口和若干进口管接口，以便在第一集流器14和第二集流器16之间设置包括若干换热管的翅片换热管束18。在此可以根据热交换器10的处理能力确定翅片换热管束18的换热管的数量，比如可以设置包括300-500根换热管的翅片换热管束18。第一集流器14和第二集流器16可以分别通过第一支架144和第二支架164固定地支撑在壳体12的内壁上。在壳体12的底部设置有空气进口风门20，同时在壳体12的顶部设置有空气出口风门22，以便对进入壳体12内的空气的流速和流量进行控制。进一步地，在壳体12的内腔的轴向中心位置处设置有气流分配器24，通过气流分配器24能够对从进口风门20进入的空气流进行引导，以使空气流能够与翅片换热管束18的每根换热管充分接触和换热。

在工作过程中，钠回路中的高温液钠通过液钠入口管路142进入热交换器10的第一集流器14内，通过第一集流器14将高温液钠分配至翅片换热管束18的每一根换热管内，高温液钠沿着换热管流动至第二集流器16。在高温液钠沿着翅片换热管束18的换热管流动的过程中，低温空气从进口风门20进入壳体12的内部，并沿着从进口风门20朝向出口风门22的方向流动，低温空气在流动过程中受到气流分配器24的引导，以与翅片换热管束18的每根换热管的翅片更好地接触，从而进行换热。由此，使得高温液钠在翅片换热管束18的换热管内流动过程中，热量通过翅片传递至与高温液钠的流动方向基本相反地运动的空气，从而实现高温液钠的降温，并通过第二集流器16集流后从液钠出口管路162流回至钠回路。同时，经过热交换后的空气以高温气体的状态从出口风门22排出到壳体12的外部。

在钠-空气热交换器10的设计初期阶段已经基本确定了翅片换热管束18的布管圆直径、换热管根数、换热管长度等基本结构参数。但是热交换器的设备性能是否能够满足要求，例如在考虑流体三维效应后设备的换热功率是否能够达到要求，进口风门处的换热管出口处是否会出现局部冷点，换热管束之间的温差会不会存在过大现象，这些问题都会对热交换器的换热效率产生影响，因此都需要开展温度场分析以进行进一步的验证。

本发明则提供一种用于翅片管钠-空气热交换器的换热过程分析方法，通过该换热过程分析方法能够对热交换器的整个换热过程进行仿真分析，获得热交换器的换热功率、阻力、温度场以及流场的分布状态，为热交换器的换热面积的设计和/或改进提供依据，同时能够对热交换器的换热效果进行验证。此外还可以通过该换热过程分析方法确定不同的换热管之间的温差以及每个换热管的出口处是否出现局部冷点，为热交换器的结构优化提供依据。进一步地，根据本发明的热交换器的换热过程分析方法在对热交换器的建模过程中对热交换器的结构进行了相关简化，通过简化结构能够使得建模过程简单化，由此有利于换热过程分析的计算。

如图2所示，示出根据本发明的用于翅片管钠-空气热交换器的换热过程分析方法的流程图。该换热过程分析方法包括以下步骤：

S1、对翅片管钠-空气热交换器进行建模，以获得热交换器模型；S2、对热交换器模型进行网格化划分，以生成网格化模型；S3、选择计算模型以及与所述计算模型相适应的算法；以及，S4、利用所述算法对网格化模型进行计算，以获得热交换器的温度场状态和/或流场状态。

在此，对翅片管钠-空气热交换器进行建模包括：对翅片管钠-空气热交换器的翅片换热管束进行建模，将翅片换热管束的每一根换热管的翅片建模为等效的多孔介质模型。

在进行翅片管钠-空气热交换器的三维温度场流场分析计算之前，首先需要对流动区域的几何形状进行定义和创建。创建几何模型是进行计算流体模拟分析的基础，建立良好的几何模型既可准确地反应所要研究的物理对象，又能够方便地进行下一步的网格划分工作。

因此，根据本发明的用于翅片管钠-空气热交换器的换热过程分析方法首先包括建模步骤，即，对翅片管钠-空气热交换器10进行建模，以获得热交换器模型，即热交换器10的几何模型。

在实际生产中，翅片管钠-空气热交换器10主要包括以下部件：壳体12、第一集流器14、第二集流器16、翅片换热管束18、液钠入口管路142、液钠出口管路162、气流分配器24、支承第一集流器14的第一支架144、支承第二集流器16的第二支架164、支承翅片换热管束18的管束支架(附图中未示出)、进口风门20、出口风门22以及漏钠接收盘(附图中未示出)等部件。如果将热交换器10的上述全部部件进行1：1几何建模，则将会大大增加后续网格划分的工作量，也会增加网格的数量，进而导致温度场计算的难度增大。在此进行热交换器几何建模的目的是为了分析热交换器内部的温度场及流场，因此在进行热交换器几何建模时可以根据翅片管钠-空气热交换器10的流动换热特点对其结构进行相应的简化。在此，可以将翅片管钠-空气热交换器10的几何模型简化为包括：壳体12、设置在壳体12内的上部的第一集流器14、设置在第一集流器14上并且与其流体连通的液钠入口管路142、设置在壳体14内的下部的第二集流器16、设置在第二集流器16上并且与其流体连通的液钠出口管路162、流体连通地设置在第一集流器14与第二集流器16之间的翅片换热管束18、设置在壳体12的底部的进口风门20、设置在壳体12的顶部的出口风门22以及设置在进口风门20与出口风门22之间用于引导空气流的气流分配器24，其它部件可以在建模过程中忽略。通过对翅片管钠-空气热交换器10的几何模型进行简化，以便简化建模过程，减小后期需要处理的数据量。

进一步地，在根据本发明的用于翅片管钠-空气热交换器10的换热过程分析方法中，将翅片换热管束18中的每一根换热管的散热翅片的几何模型等效地替换为多孔介质的几何模型。即，对翅片管钠-空气热交换器10进行建模可以包括：对翅片管钠-空气热交换器10的翅片换热管束18进行建模，将翅片换热管束18的每一根换热管的翅片建模为等效的多孔介质模型。钠冷热堆的翅片管钠-空气热交换器10的体积通常较大，其高度约为13m，直径约为6m，其翅片换热管的尺寸相对于整个设备的尺寸来说比较小，翅片的厚度为大约1mm，相邻翅片之间的间距为大约5mm。如果按照精细建模及网格划分方式，则仅是翅片换热管的网格数量要以亿计。网格数量过多，将会严重影响计算时间，也会影响计算精度。

为了解决这一问题，将换热管的多层螺旋锯齿形翅片和/或圆环形翅片等效为多孔介质进行处理，将换热管及其附近部分分为四个等效区域。如附图3a所示，示出换热管的原始模型图，该换热管模型182包括管壁区域1822、位于管壁区域1822内部的液钠区域1824、位于管壁区域1822外部的翅片区域1826以及位于翅片区域1826外部的空气区域1828，由于每一根换热管均包括多层螺旋锯齿形翅片和/或多个圆环形翅片，因此，换热管模型182的翅片区域1826将会包括若干个翅片模型。为了减少网格数量，简化模型，将换热管的模型简化为如图3b所示的简化换热管模型184，该简化换热管模型184从内到外依次包括液钠区域1844、换热管的管壁区域1842、多孔介质区域1846以及空气区域1848。这里主要是对翅片进行了简化，将其简化为多孔介质，由此在网格划分时能够减少网格的数量。

基于以上说明，根据本发明的用于翅片管钠-空气热交换器10的换热过程分析方法将翅片换热管束18的换热管的模型设置为包括换热管的管壁模型、位于管壁模型内部的液钠模型、位于管壁模型外部的多孔介质模型以及位于多孔介质模型外部的空气模型。通过将翅片换热管束18的换热管的换热翅片的模型简化为多孔介质模型，由此能够大大减少换热翅片的网格数量，便于对换热管模型的后续模拟和分析处理。

接着对简化后的热交换器模型进行网格划分，以生成网格化模型。通过网格划分将翅片管钠-空气热交换器10的几何模型划分成小的网格，便于几何模型的后续计算机处理。对热交换器模型进行网格划分可以包括采用多面体网格对热交换器模型进行划分，以获得若干多面体模型，以及，按照计算域对所述若干多面体模型进行合并处理。按照计算域对若干多面体模型进行合并处理这可以包括：对属于同一计算域的多个多面体模型执行布尔操作；以及根据布尔操作将所述多个多面体模型合并为一个合成多面体模型。

在此考虑到热交换器10的几何模型具有复杂的内部结构，按照计算域通过多面体网格对热交换器10的模型进行网格划分，对属于同一计算域的多个多面体网格进行布尔操作，将其合并成一个多面体网格模型，从而便于边界条件的选取和设定。在将所有能够合并的多面体网格合并完成之后，可以对合并后的多面体网格几何体按照计算域进行命名。比如在对一根换热管进行多面体网格划分过程中，由于换热管具有较长长度，有可能将同一根换热管划分到多个网格内，此时则可以通过布尔操作将同一根换热管的多个网格合并到同一个多面体网格内，由此便于模型的后续处理或运算。

采用多面体网格对热交换器模型进行划分可以包括以下步骤：首先，对热交换器模型进行面网格处理，以获得热交换器模型的面网格；接着，将热交换器模型的面网格进行重构，以获得高质量的重构面网格；设定生成所述多面体网格的单元尺寸；以及读入所述高质量的重构面网格以生成多面体网格模型。

由于多面体网格的生成通常会受到表面网格的影响，因此可以借助于Star-CCM+仿真软件的高效便捷的面网格生成能力，对导入到Star-CCM+中的几何模型进行面网格的重构，以生成高质量的重构面网格，在Fluent Meshing软件中读入所生成的高质量重构面网格，设定生成多面体网格所需的单元尺寸，从而生成热交换器10的多面体网格模型。

接着，在对热交换器10进行建模完成之后，进行计算模型的选择。在Fluent软件中，Standard k-ε模型是应用最为广泛的湍流模型，其计算量适中，有较多数据积累和比较高的精度，因此在根据本发明的用于翅片管钠-空气热交换器的换热过程分析方法中考虑使用Standard k-ε模型。

在确定所选用的计算模型之后，确定该计算模型的边界条件。在此，以进口风门20处的空气的流动速度为入口边界条件，并且以出口风门22处的空气的压力为出口边界条件，进行翅片管钠-空气热交换器10的温度场分析。

进一步地，选择与上述计算模型相适应的算法利用上述计算模型对网格化的几何模型进行计算，以获得所述热交换器的温度场和/或流场状态。在此，采用SIMPLE算法进行翅片管钠-空气热交换器的三维温度场的求解。另外，还可以通过上述算法对热交换器的换热功率以及流动阻力进行计算。

在根据本发明的用于翅片管钠-空气热交换器10的换热过程分析方法中，还包括计算空气流穿过多孔介质模型流动的压力损失。通过以下式(1)计算空气流穿过所述多孔介质模型流动的压力损失：

其中，s

通过以下步骤获取多孔介质模型的粘性阻力系数α和多孔介质模型的惯性阻力系数C

首先，建立换热管的局部三维模型，比如可以建立换热管的直线型三维模型，即以换热管的直线段部分为样本建立模型。然后，模拟以不同流速的空气对换热管的局部三维模型进行横掠冲刷和顺流冲刷，即使得空气流沿横向方向和竖向方向冲刷局部三维模型，以获得不同的压力损失结果，也就是，获取不同流速的空气流在横向方向和竖向方向上的速度和压力损失。在此需要说明的是，横掠冲刷指的是空气流沿着与换热管模型中的液钠模型的流动方向垂直的方向流动，即横向方向与液钠模型的流动方向垂直；相应地，顺流冲刷指的是空气流沿着与换热管模型中的液钠模型的流动方向平行的方向流动，即竖向方向与液钠模型的流动方向大致平行。接着，将所述压力损失的结果拟合为速度和压降的关系式，也就是，将所获取的沿横向方向和竖向方向的速度和压力损失拟合为速度与压力损失的二次多项式，如图4a和4b所示，图4a示出空气流沿横向方向的速度与压力损失之间的关系式及关系图，即空气流对换热管的局部三维模型进行横掠冲刷时速度与压降之间的关系式及关系图；图4b示出空气流沿竖向方向的速度与压力损失之间的关系式及关系图，即空气流对换热管的局部三维模型进行顺流冲刷时速度与压降之间的关系式及关系图。最后，基于所获取的二次多项式以及上述流动压力损失的表达式(1)获得多孔介质的粘性阻力系数α和惯性阻力系数C

通过获取多孔介质的粘性阻力系数α和惯性阻力系数C

根据本发明的用于翅片管钠-空气热交换器的换热过程分析方法还可以通过分析模型以确定不同的换热管之间的温差以及每个换热管的出口处是否出现局部冷点，为热交换器的结构优化提供依据。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。