主回路熱交換器熱工計算

殷保穩(wěn)

摘? 要：HTHP試驗(yàn)回路是CARR應(yīng)用平臺的一項極其重要的研究內(nèi)容，主回路系統(tǒng)是其中一個非常重要的系統(tǒng)，本論文介紹了主回路系統(tǒng)中主回路熱交換器的類型和用途。通過熱工計算和方案比較確定了最佳設(shè)計方案：主回路冷卻水出口溫度T2=311.62℃，二回路冷卻水出口溫度t2=113.38℃，平均溫度△tm=209.11℃，U型換熱管φ27×3mm，外套管φ38×3mm，換熱腔組件數(shù)n=6，總傳熱面積S=1.53m2，換熱段長度L=2×1.51m。設(shè)計的套管式換熱器滿足換熱和相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求。

關(guān)鍵詞：主回路? 系統(tǒng)? 熱交換器? 熱工計算

中圖分類號：TK172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）07（b）-0088-03

Abstract： The HTHP test loop is an extremely important research content of the CARR application platform. The main loop system is one of the very important systems. This paper introduces the types and uses of the main loop heat exchanger in the main loop system. The best design plan was determined through thermal calculation and program comparison： the cooling water outlet temperature of the main circuit T2=311.62℃， the cooling water outlet temperature of the second circuit t2=113.38℃， the average temperature △tm=209.11℃， U-shaped heat exchange tube φ27 ×3mm， outer tube φ38×3mm， number of heat exchange chamber components n=6， total heat transfer area S=1.53m2， length of heat exchange section L=2×1.51m. The designed tube heat exchanger meets the requirements of heat exchange and related design standards.

Key Words： Main circuit; System; Heat exchanger; Thermal calculation

主回路熱交換器作為瞬態(tài)綜合試驗(yàn)回路的主回路系統(tǒng)中重要的非標(biāo)設(shè)備，在正常運(yùn)行工況下，主回路冷卻水通過主循環(huán)泵送入輻照裝置內(nèi)，將試驗(yàn)燃料組件產(chǎn)生的熱量帶出，再流經(jīng)主熱交換器，將燃料棒束產(chǎn)生熱量傳給二回路冷卻水，經(jīng)冷卻后的主回路冷卻水再返回主回路管道系統(tǒng)，循環(huán)使用。

主回路系統(tǒng)組成包括：主回路熱交換器、輻照裝置、試驗(yàn)燃料組件、主回路過濾器和主循環(huán)泵等。主回路熱交換器是主回路系統(tǒng)的關(guān)鍵非標(biāo)設(shè)備，通過調(diào)節(jié)流量實(shí)現(xiàn)出口溫度調(diào)節(jié)，使主回路運(yùn)行參數(shù)控制在要求范圍。

1? 設(shè)備描述

主回路換熱器為立式套管式換熱器，換熱主體由若干個套管式換熱器并聯(lián)組成，其具有密封性好，承受高壓;單管程單殼程嚴(yán)格逆流換熱，溫差大，傳熱面積小，效果好;結(jié)構(gòu)簡單，制造安裝和維修方便，安全可靠且經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。溫度高的一次水經(jīng)一次側(cè)入口聯(lián)箱分流后，流經(jīng)各U形換熱管內(nèi)，再經(jīng)一次側(cè)出口聯(lián)箱流入一次側(cè)主管道系統(tǒng);二次冷卻水由二次側(cè)入口分配器經(jīng)分流后，流經(jīng)換熱管與套管環(huán)隙，再經(jīng)二次側(cè)出口分配器流入二次側(cè)主管道系統(tǒng)。一次冷卻水和二次冷卻水的換熱方式為單管程單殼程完全逆流換熱。

2? 主要設(shè)計參數(shù)

見表1所示。

3? 熱工計算與方案優(yōu)化

熱工計算需要綜合考慮傳熱學(xué)、流體力學(xué)和換熱器結(jié)構(gòu)等知識進(jìn)行設(shè)計和計算?？傮w的熱工計算思路是將熱工計算劃分為三個板塊;（1）出口溫度和平均溫差的計算;（2）總傳熱系數(shù)的計算;（3）傳熱面積和換熱管長度計算（詳見圖1）。

3.1 出口溫度和平均溫差的計算

采用迭代計算和Matlab編程的最小二乘法樣條曲線擬合的方法，先設(shè)定兩側(cè)流體定性溫度的初始值，查相關(guān)手冊得到水的物性，再根據(jù)式（1）中的熱量衡算方程求出兩側(cè)出口溫度，若兩次求得的溫度滿足此條件，則確定出口溫度，進(jìn)而求得對數(shù)平均溫差;否則，將求得的出口溫度和入口溫度進(jìn)行算術(shù)平均后，再通過最小二乘法確定流體物性，如此循環(huán)迭代，直至結(jié)果收斂。

利用迭代法和Matlab編程及最小二乘法計算主回路和二回路冷卻水出口溫度T2 和t2、密度ρ1和ρ2、比熱Cp1和Cp2、黏度μ1和μ2及導(dǎo)熱系數(shù)λ1和λ2。

3.2 總傳熱系數(shù)的計算

總傳熱系數(shù)是一個多參數(shù)互相關(guān)聯(lián)影響的參數(shù)，包括流體物性、流動狀態(tài)、操作條件和換熱器結(jié)構(gòu)等，其值的確定涉及到換熱器的優(yōu)化問題，需要考慮一次側(cè)、二次側(cè)對流傳熱系數(shù)，管壁導(dǎo)熱系數(shù)和兩側(cè)流體污垢熱阻。