硝酸鹽自然循環(huán)回路空冷塔性能分析

林 超 蔡創(chuàng)雄 王 凱 何兆忠 陳 堃

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

硝酸鹽自然循環(huán)回路空冷塔性能分析

林 超1,2蔡創(chuàng)雄1王 凱1何兆忠1陳 堃1

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

硝酸鹽自然循環(huán)回路(Nitrate Natural Circulation Loop, NNCL)是先進(jìn)熔鹽堆非能動衰變熱排出系統(tǒng)的實驗回路，目的是獲得自然循環(huán)下回路的傳熱、阻力等特性，驗證計算分析方法的正確性等。本文采用RNG (Renormalization Group) k-ε湍流模型、增強壁面函數(shù)和SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)算法，對硝酸鹽自然循環(huán)回路空冷塔部分的對流換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。計算結(jié)果表明：空冷換熱器旁路漏流對換熱有較大影響，可以通過旁路擋板增強換熱能力，三層旁路擋板的設(shè)計能將換熱能力提升近一倍。

空冷塔，強迫通風(fēng)，自然通風(fēng)，計算流體力學(xué)方法，旁路擋板，增強換熱

硝酸鹽自然循環(huán)回路(Nitrate Natural Circulation Loop, NNCL)是釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)[1](Thorium-based Molten Salt Reactor, TMSR)專項的實驗平臺，如圖1所示，主要用來研究直接反應(yīng)堆輔助冷卻系統(tǒng)(Direct Reactor Auxiliary Cooling System, DRACS)的流動、換熱等特性。DRACS是熔鹽冷卻堆安全系統(tǒng)的重要組成部分[2]，它是事故條件下排出堆芯衰變熱的有效手段，這套系統(tǒng)無需外部動力和控制設(shè)備支持，極大地提高了系統(tǒng)運行的可靠性[3]。硝酸鹽自然循環(huán)回路將為DRACS的設(shè)計和改進(jìn)提供依據(jù)。

圖1 硝酸鹽自然循環(huán)回路示意圖Fig.1 Layout of the nitrate natural circulation loop.

硝酸鹽自然循環(huán)回路主要由加熱器、熔鹽池、熔鹽儲罐、熱交換器(Draft Heat Exchanger, DHX and Natural Draft Heat Exchanger, NDHX)、空冷塔、膨脹罐和連接管道等組成。依靠熱流段和冷流段的流體密度差產(chǎn)生的驅(qū)動壓頭來驅(qū)動回路中熔鹽的自然循環(huán)，從而將熱量通過循環(huán)系統(tǒng)帶到空冷塔中，再由空氣自然對流排入大氣。熱量必須通過NDHX換熱器進(jìn)入大氣，故NDHX換熱器管外空氣的流動及傳熱特性對回路有重要影響。實際空冷塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用NDHX換熱器缺乏通用的傳熱經(jīng)驗公式，難以滿足精確設(shè)計計算的需求。本文采用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)數(shù)值模擬的方法對空冷塔性能展開研究，使用ICEMCFD (The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)軟件建立空冷塔網(wǎng)格，F(xiàn)LUENT軟件計算空冷塔內(nèi)結(jié)構(gòu)對換熱的影響，提出旁路擋板的優(yōu)化設(shè)計，并擬合適用于NDHX換熱器的換熱關(guān)系式，為后續(xù)回路系統(tǒng)分析做基礎(chǔ)。

1 物理模型

空冷塔高為6.85 m，其中進(jìn)風(fēng)段0.3 m，出風(fēng)段5.3 m。進(jìn)出口直徑為0.538 m，風(fēng)箱截面為矩形，尺寸0.6 m×0.6 m，換熱器位于風(fēng)箱中部。換熱器共15根管束，6管程。每管程有效管長0.4 m，管徑0.025 m。模型忽略連接支撐結(jié)構(gòu)及實驗測量儀表。忽略蛇形管彎管段，將其等效為叉排管束。這樣簡化一方面減少了空氣所受擾動，使平均對流換熱系數(shù)下降；另一方面，忽略了換熱能力較低的彎管段，使平均對流換熱系數(shù)上升，兩方面影響相互抵消，由簡化引起的平均對流換熱系數(shù)偏差不超過10%。且減少的傳熱面積作為換熱余量，防止壞管、堵管后導(dǎo)致?lián)Q熱面積不足?？绽渌?shù)值計算模型如圖2所示，叉排管束結(jié)構(gòu)取ST=64 mm，SL=50 mm，D=25mm (圖2(b))?？諝鈴牡撞窟M(jìn)入，流經(jīng)風(fēng)箱，被NDHX換熱器加熱，再從頂部流出。

2 數(shù)值模型

2.1 網(wǎng)格劃分

采用ICEM生成六面體結(jié)構(gòu)分區(qū)域網(wǎng)格，見圖3。風(fēng)箱與進(jìn)出風(fēng)管用Interface連接。換熱管管壁添加邊界層，第一場層厚度0.3 mm，增長率1.2，邊界層層數(shù)為8層[4]。網(wǎng)格數(shù)量為530萬。其中網(wǎng)格的主要質(zhì)量指標(biāo)如表1所示。

為獲得一個網(wǎng)格無關(guān)解，選擇網(wǎng)格數(shù)410萬和660萬，考察網(wǎng)格數(shù)量對解的影響，以出口溫度、壓降為判定值。結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)量變化對結(jié)果無明顯影響。

圖3 空冷塔計算網(wǎng)格(a) 風(fēng)箱整體網(wǎng)格，(b) 叉排管束網(wǎng)格放大圖Fig.3 Mesh of the air cooling tower. (a) Mesh of overall bellow, (b) Mesh of staggered tube bundles enlarged view

表1 網(wǎng)格質(zhì)量分布Table 1 Distribution of the mesh quality.

2.2 邊界條件

空氣物性來源于文獻(xiàn)[5]，使用ORIGIN軟件擬合溫度相關(guān)的物性多項式植入FLUENT程序。操作壓力為一個大氣壓，設(shè)置-y方向9.81 m·s-2的重力加速。邊界條件設(shè)置見表2。

表2 邊界條件設(shè)置Table 2 Boundary conditions setting.

2.3 控制方程及求解方法

以“聚焦實戰(zhàn)、服務(wù)作戰(zhàn)、保障打贏”為目標(biāo)，由上至下進(jìn)一步明確各職能單位的職能定位，逐步形成職責(zé)明確、高效運轉(zhuǎn)的裝備保障組織體系。裝備發(fā)展部，既是中央軍委在裝備工作方面的參謀機(jī)關(guān)，也是戰(zhàn)區(qū)、軍種裝備部門及聯(lián)勤部隊的指導(dǎo)機(jī)關(guān)。軍以下聯(lián)勤保障單位是具體實施裝備保障的主體力量，統(tǒng)一由地區(qū)聯(lián)勤保障中心領(lǐng)導(dǎo)，主要承擔(dān)領(lǐng)導(dǎo)管理所屬裝備保障力量、組織所屬區(qū)域一體化聯(lián)合裝備保障工作。戰(zhàn)區(qū)裝備部門在戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合參謀部領(lǐng)導(dǎo)下負(fù)責(zé)戰(zhàn)區(qū)一體化聯(lián)合作戰(zhàn)裝備保障的組織協(xié)調(diào)工作，同時具備戰(zhàn)時指揮調(diào)控功能。

控制方程的通用形式：

當(dāng)φ取不同的變量時，方程分別代表了連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和k-ε方程；Γφ和Sφ分別代表擴(kuò)散系數(shù)和源項。

強迫通風(fēng)湍流模型選用RNG (Renormalization Group) k-ε[6]，增強壁面函數(shù)[7]（滿足y+＜5）。使用SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)算法，壓力離散格式選擇Body Force Weighted，其余動量、湍動能和耗散率的離散選用二階迎風(fēng)格式。

自然通風(fēng)計算中擴(kuò)展空冷塔外計算域[8]，設(shè)置空冷塔入口下方和出口上方的兩個相對大的區(qū)域，呈“I”形。下部區(qū)域為高1.5 m、半徑1 m的圓柱型區(qū)域；上部區(qū)域為高3 m、半徑2 m的圓柱型區(qū)域。采用瞬態(tài)計算方法，選用RNG k-ε湍流模型[9]，設(shè)置表2所示邊界條件，設(shè)定時間步長0.001 s。初始條件：風(fēng)冷塔內(nèi)溫度與叉排管束壁溫相等，外部空氣溫度為293 K。其余設(shè)置與強迫對流一致。

3 計算結(jié)果分析

3.1 模型驗證

針對本文所述結(jié)構(gòu)(ST=64 mm，SL=50 mm，D=25mm)的叉排管束，適用的茹卡烏斯卡斯傳熱關(guān)系式如表3所示[10]。

表3 叉排管束傳熱系數(shù)關(guān)系式Table 3 Heat transfer coefficients for array of tubes.

其中，取管束中最大流速來計算Ref數(shù)，見式(2)、(3)，定性溫度取進(jìn)出口平均溫度Tf=(Ti+To)/2。

式中，Ti和To是進(jìn)入和離開管束的流體溫度；傳熱溫差取對數(shù)平均溫差ΔTlm[5]。

式中，Ts為管壁溫度。經(jīng)驗關(guān)系式計算中先用Ti取空氣物性，求得To。重新計算Tf溫度下的空氣物性。重復(fù)迭代直到To偏差小于0.1%。

采用網(wǎng)格及FLUENT設(shè)置，先對理想叉排管束（無旁路漏流，符合茹卡烏斯卡斯傳熱關(guān)系式的叉排管束）計算以驗證模型設(shè)置正確性。FLUENT模擬結(jié)果與經(jīng)驗關(guān)系式計算結(jié)果相符，最大誤差4.6%，最小誤差2% (圖4)，能滿足計算要求。

圖4 傳熱經(jīng)驗公式與模擬結(jié)果對比Fig.4 Comparison of empirical formula and simulation.

3.2 強迫通風(fēng)

圖5為壁溫550 K強迫通風(fēng)時，不同空氣流量下空冷塔中心截面速度分布。從圖5中可以看出，有部分空氣通過換熱器旁路流道，未得到充分加熱，且旁路的空氣流速較大?？諝饬鬟^旁路流道，造成漏流，不利于對流傳熱。Nu數(shù)及總換熱功率均低于理想叉排管束，并且空氣流量越大，兩流道流動阻力差距越大，該偏差越明顯，如圖6所示。

圖5 不同空氣流量的速度場 (a) 0.125 kg·s-1，(b) 1.0 kg·s-1Fig.5 Velocity field at different air flow rates. (a) 0.125 kg·s-1, (b) 1.0 kg·s-1

圖6 有無旁路計算結(jié)果對比Fig.6 Comparison of that with and without by-pass.

3.3 自然通風(fēng)

圖7為自然通風(fēng)叉排管束管壁面溫度550 K時，空冷塔中心截面內(nèi)溫度場和速度場。從圖7(a)中可以看出，在浮力作用下冷空氣被吸入空冷塔，經(jīng)過換熱器管束后溫度升高，然后流出空冷塔；從圖7(b)可以看出，自然對流同樣存在旁路漏流的情況。

圖7 自然通風(fēng)溫度場(a)和速度場(b)Fig.7 Temperature distribution (a) and velocity distribution (b) of natural convection.

空冷塔自然通風(fēng)穩(wěn)定進(jìn)風(fēng)量、出口截面平均溫度、換熱功率隨換熱管管壁溫度而增加(表4)。

表4 不同管壁溫度計算結(jié)果Table 4 Calculation results for different tube temperature.

3.4 旁路擋板

通過以上分析，旁路漏流會降低空冷換熱器的性能，而空冷塔必須能夠?qū)⒒芈返臒崃考皶r排出。本文建議采用安裝旁路擋板的方法來增強其換熱性能。圖8為兩層和三層旁路擋板結(jié)構(gòu)圖。每塊擋板面積為0.168 m2。圖9為自然通風(fēng)空冷塔內(nèi)跡線，在無旁路擋板時，大量空氣通過旁路流走，沒有流經(jīng)管束區(qū)。而在旁路擋板作用下，空氣變向后再次流入管束區(qū)，提高了空氣對管束的沖刷作用，增強了換熱能力。另一方面造成空氣流速的變化，增加了漩渦流動區(qū)，增大了流動阻力。

圖8 旁路擋板結(jié)構(gòu)圖(a) 2層擋板，(b) 3層擋板Fig.8 By-pass damper structure. (a) 2-layer damper, (b) 3-layer damper

圖9 自然通風(fēng)風(fēng)箱內(nèi)跡線圖(a) 無擋板，(b) 3層擋板Fig.9 Pathlines in air box. (a) No damper, (b) 3-layer damper

經(jīng)計算表明：風(fēng)冷換熱器殼側(cè)換熱系數(shù)隨擋板數(shù)量和面積而增加，與文獻(xiàn)所述一致[11]，圖10為安裝旁路擋板后強迫通風(fēng)換熱Nu數(shù)隨Re數(shù)變化。考慮空冷塔內(nèi)部空間及換熱需求，空冷塔采用3層擋板結(jié)構(gòu)。FLUENT計算求得Nu(Re,Pr)，參考茹卡烏斯卡斯傳熱關(guān)系式形式，擬合強迫通風(fēng)換熱關(guān)系式，見表5。

圖10 殼側(cè)換熱Nu數(shù)變化Fig.10 Shell side heat transfer coefficient changes.

表5 強迫通風(fēng)換熱關(guān)系式Table 5 Forced ventilation heat exchange equations.

對自然通風(fēng)，有明顯旁路漏流，采用三層旁路擋板設(shè)計。旁路擋板增強換熱性能的會增大流動阻力，給自然對流傳熱帶來負(fù)面影響。表6為管壁溫度550 K時，有無擋板的自然通風(fēng)計算結(jié)果對比?？梢钥闯觯喊惭b擋板后，空氣在擋板作用下折回管束，流動阻力增大，空冷塔風(fēng)箱進(jìn)出口壓降增大，流量減小。其中ΔPf為空冷塔風(fēng)箱進(jìn)出口的壓力差。

而換熱功率明顯上升，說明擋板對換熱能力的提升作用要強于阻力的增加作用。其他壁面溫度工況，亦有相同結(jié)論，并且自然通風(fēng)Nu數(shù)隨壁溫增加。安裝擋板，壁面溫度500-700 K，Nu數(shù)數(shù)值為27-30。

表6 自然通風(fēng)計算結(jié)果Table 6 Calculation results of natural ventilation.

4 結(jié)語

本文采用CFD方法對硝酸鹽自然循環(huán)回路空冷塔強迫通風(fēng)換熱、自然通風(fēng)換熱進(jìn)行數(shù)值模擬。計算結(jié)果表明風(fēng)冷換熱器旁路漏流對換熱有較大影響，增加旁路擋板能增強換熱性能?？绽渌Q熱器設(shè)計時應(yīng)考慮旁路漏流對換熱的影響，必要時增加旁路擋板的設(shè)計。三層擋板設(shè)計就能滿足空冷設(shè)計需求。

本文還對強迫通風(fēng)各種工況進(jìn)行了模擬計算，擬合強迫通風(fēng)傳熱關(guān)系式。對自然通風(fēng)模擬表明了旁路擋板對換熱能力的提升作用要強于阻力的增加作用，亦能增強自然通風(fēng)換熱性能。計算求得的傳熱關(guān)系可作為后續(xù)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)。

1 江綿恒, 徐洪杰, 戴志敏. 未來先進(jìn)核裂變能——TMSR核能系統(tǒng)[J]. 中國科學(xué)院院刊, 2012, 27(3): 366-374 JIANG Mianheng, XU Hongjie, DAI Zhimin. Advanced fission energy program-TMSR nuclear energy system[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2012, 27(3): 366-374

2 Qualls A L, Cetiner M S, Wilson Jr T L. Advanced high-temperature reactor dynamic system model development[G]. ORNL/TM-2012/174

3 Zhou T, Peng C H, Wang Z H, et al. Application of grey model on analyzing the passive natural circulation residual heat removal system of HTR-10[J]. Nuclear Science and Techniques, 2008, 19: 308-313

4 霍海娥, 敬成君, 霍海波, 等. 網(wǎng)格劃分對叉排管束摩擦阻力系數(shù)的影響[J]. 制冷與空調(diào), 2013, 27(4): 319-324 HUO Hai’e, JING Chengjun, HUO Haibo, et al. Effect of mesh form on the friction coefficient of flow transversely eroding staggered tube bundles[J]. Refrigeration and Air Conditioning, 2013, 27(4): 319-324

5 Incropera F P, Dewitt D P, Bergman T L, 等. 葛新石, 葉宏, 譯. 傳熱和傳質(zhì)基本原理[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012 Incropera F P, Dewitt D P, Bergman T L, et al. GE Xinshi, YE Hong, translated. Fundamentals of heat and mass transfer[M]. Beijing: Kluwer Academic Publishers, 2012

6 Zhang B, Shan J Q, Jiang J. Simulation of heat transfer of supercritical water in obstacle-bearing vertical tube[J]. Nuclear Science and Techniques, 2010, 21: 241-245

7 劉敏珊, 楊帆, 董其伍, 等. 流體橫掠管束模擬中壁面函數(shù)影響研究[J]. 熱能動力工程, 2010, 25(5): 497-501 LIU Minshan, YANG Fan, DONG Qiwu, et al. Study of the influence of wall surface functions in simulating a fluid laterally sweeping a tube bundle[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2010, 25(5): 497-501

8 王涵. 復(fù)雜條件下通道內(nèi)自然對流換熱的數(shù)值模擬[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010 WANG Han. Numerical simulation of the natural convection in channels under complex conditions[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2010

9 李曉偉, 張麗, 吳莘馨, 等. 高溫氣冷堆余熱排出系統(tǒng)空冷塔內(nèi)流場數(shù)值計算[J]. 核動力工程, 2011, 32(3): 58-62 LI Xiaowei, ZHANG Li, WU Xinxin, et al. Numerical simulation of flow field in cooling tower of passive residual heat removal system of HTGR[J]. Nuclear Power Engineering, 2011, 32(3): 58-62

10 Zukauskas A A, 著. 馬昌文, 居滋泉, 肖宏才, 譯. 換熱器內(nèi)的對流傳熱[M]. 北京: 北京科學(xué)出版社, 1986 Zukauskas A A. MA Changwen, JU Ziquan, XIAO Hongcai, translated. Convection heat transfer in the heat exchanger[M]. Beijing: Beijing Science Press, 1986

11 楊建鋒, 陳貴冬, 曾敏王, 等. 旁路擋板對連續(xù)螺旋折流板換熱器殼側(cè)流動換熱影響的數(shù)值模擬研究[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2013, 34(8): 1530-1533 YANG Jianfeng, CHEN Guidong, ZENG Minwang, et al. Effects of by-pass damper on shell side flow and heat transfer performance of a heat exchanger with continuous helical baffles[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2013, 34(8): 1530-1533

CLCTL364

Performance analysis of the air cooling tower for nitrate natural circulation loop

LIN Chao1,2CAI Chuangxiong1WANG Kai1HE Zhaozhong1CHEN Kun1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Nitrate natural convection loop (NNCL) was designed to study the heat transfer behavior and corrosion behavior of direct reactor auxiliary cooling system (DRACS). DRACS is residual heat removal system of Advanced High-Temperature Reactor (AHTR) whilst the air cooling tower is the ultimate heat sink of DRACS. The structure of salt-to-air heat exchanger and the design of cooling tower are important in determining performance. Purpose: The aim is to study the performance on air cooling tower of nitrate natural convection loop, and finalize the optimization design. Methods: Based on the FLUENT software and structure model of the cooling tower, numerical simulations are carried out to study the heat transfer performance of NNCL. Results: The results show that the by-pass flow will reduce the heat transfer ability. The capacity of heat transfer can be enhanced by installing of the by-pass damper, and 3-layer by-pass damper can increase the capacity of heat transfer by as much as 100%. Conclusion: Numerical simulation can provide some basis for optimizing heat transfer performance of the air cooling tower, and increase the by-pass damper design is necessary to effectively avoid the by-pass flow of air heat exchanger.

Air cooling tower, Forced air circulation, Natural air circulation, Computational fluid dynamics (CFD), By-pass dampers, Enhanced heat transfer

TL364

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120601

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(No.XDA02050100)資助

林超，男，1989年出生，2012年畢業(yè)于南華大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域為反應(yīng)堆熱工水力

陳堃，E-mail: chenkun@sinap.ac.cn

2014-08-25，

2014-10-11