【摘要】：在我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下,能源短缺和環(huán)境污染問題不斷凸顯。資源消耗少、發(fā)電能力強(qiáng)的清潔能源——核能是目前大力發(fā)展的電力項(xiàng)目。傳統(tǒng)鈾基核電面臨鈾資源日益趨緊的窘迫局面,為此中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)釷基熔鹽堆系統(tǒng)開展了以釷作為核燃料的熔鹽反應(yīng)堆研究。目前正在進(jìn)行2MW液態(tài)燃料釷基熔鹽堆系統(tǒng)(TMSR-LF1)的設(shè)計(jì)研發(fā),其中熔鹽-熔鹽換熱器(熱側(cè)FLiBe鹽,冷側(cè)FLi NaK鹽)是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵設(shè)備。為提高雙熔鹽換熱器的緊湊度和熱工水力性能,本論文對(duì)板式及板翅式的熱工特性開展數(shù)值模擬研究,為設(shè)計(jì)板式及板翅式換熱器提供參考。首先根據(jù)TMSR-LF1的設(shè)計(jì)要求和相關(guān)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)板片和翅片型式進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)并開展仿真計(jì)算,以優(yōu)化其傳熱或流動(dòng)特性。主要設(shè)計(jì)構(gòu)建了人字形、平行、豎直三種波紋板片型式和矩形、流線型、改進(jìn)流線型三種翅片型式。對(duì)各個(gè)型式的數(shù)值研究結(jié)果展開對(duì)比分析,并通過壓降、單側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)及換熱性能綜合指標(biāo)三種評(píng)價(jià)方法對(duì)這些型式進(jìn)行評(píng)價(jià)。論文還從工程實(shí)用性的角度探索換熱器流致振動(dòng)問題的分析方法,基于中科院上海高等研究院熔鹽-空氣管殼式換熱器實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_展雙向流固耦合仿真研究。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的合理性與可行性,為將來板式或板翅式換熱器中流致振動(dòng)問題的工程應(yīng)用提供計(jì)算方法。當(dāng)冷熱兩側(cè)熔鹽入口溫度833-923K,入口流速0.3-0.5m/s時(shí),可得到如下結(jié)論:所有6種型式中,翅片式壓降比板式大2~3倍左右,而換熱系數(shù)增加約35%;流線型翅片單側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)最高,換熱器整體最為緊湊;豎直波紋板壓損最小,且適用于高流速工況;綜合評(píng)價(jià)換熱性能指標(biāo),豎直波紋板最高,比排在第二的人字形波紋板平均提高約17%,比板翅式平均指標(biāo)高了43%左右。與相同換熱系數(shù)的管殼式換熱器相比,板翅式換熱器壓降約為其1/4,板式換熱器則僅為1/10不到。采用雙向流固耦合方法模擬得到的換熱管加速度值與實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線吻合良好,誤差范圍為-12%~15%,說明單管雙向流固耦合方法分析換熱器流致振動(dòng)問題是可行的。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK172
【圖文】：

技術(shù)作為核燃料的反應(yīng)堆系統(tǒng)。世界上釷的儲(chǔ)量可達(dá)鈾的三至四倍，我國境內(nèi)釷的礦藏尤其豐富，若能將釷基燃料堆研制成功，可解決國內(nèi)未來數(shù)千年的能源需求。且釷鈾循環(huán)過程中易裂變核較難分離濃縮，不易制成核武器，這種堆型運(yùn)行過程中易于保證核不擴(kuò)散的要求。為解決上述問題，世界各國關(guān)于第四代堆型的科研競爭日趨激烈，各類實(shí)驗(yàn)堆、示范堆相繼建成。中科院上海應(yīng)用物理研究所承擔(dān)的釷基核能戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)開展熔鹽堆及其小型模塊化堆的研究。圖 1.1 是熔鹽堆系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。一回路核裂變產(chǎn)生的能量經(jīng)由冷卻劑帶出，通過雙熔鹽換熱器將熱量傳遞給二回路熔鹽，然后在熔鹽-氦氣換熱器中繼續(xù)傳熱給三回路，最終推動(dòng)氦氣輪機(jī)做功完成發(fā)電，實(shí)現(xiàn)核能-熱能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)變。其中，一回路換熱器保證了核島熱量的疏散，使其穩(wěn)定運(yùn)行在一定溫度工況下，是核電站功率控制的重要部件；同時(shí)，它還是一回路承壓設(shè)備，是保證一回路完整性，防止熔鹽泄漏的重要部件。因此，換熱器是核能熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。

十九世紀(jì)末期，德國科學(xué)家發(fā)明了通過寬大的光滑板片進(jìn)行熱量傳遞的熱交換器。而后經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展和改進(jìn)，到二十世紀(jì)上半葉，將多片由機(jī)床軋制而成的薄金屬板組裝起來，研制成功了更為成熟、更具實(shí)用性的板式換熱器。在隨后的工業(yè)生產(chǎn)中，換熱能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制造、板片組合靈活多變等優(yōu)點(diǎn)使其獲得了十分廣泛的應(yīng)用。人們把板式、板翅式、螺旋板式以及板殼式換熱器統(tǒng)一歸為緊湊式換熱器[6]。板式換熱器型式多樣，根據(jù)組裝方式的不同通常可將其分為拆卸式、半焊接式、全焊接式和板殼式等。不同的板片型式其熱工水力性能也存在差異，經(jīng)過眾多專家學(xué)者的分析研究，人字形波紋板受到了業(yè)界的一致認(rèn)可。人字形波紋板換熱器整體結(jié)構(gòu)非常簡單，所用零部件總數(shù)少，且不同的板片型式間均可相互通用，可根據(jù)不同的熱負(fù)荷需求靈活調(diào)整換熱板數(shù)量，示意圖如圖 1.2。來自冷熱兩個(gè)回路不同溫度的流體在板片兩側(cè)交互逆流流動(dòng)，通過僅 0.6~1.2mm 厚的薄金屬板進(jìn)行熱量傳遞。

第 1 章 緒論在改進(jìn)板片結(jié)構(gòu)型式的同時(shí)必須考慮其抗壓能力，一般的做法是使用密封墊圈防止流體泄漏。國家標(biāo)準(zhǔn) GB16409-1996《板式換熱器》中給出了幾種常見的墊片材料，例如丁腈橡膠、三元乙丙橡膠、氟橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠等，這些材料的扯斷強(qiáng)度均達(dá)到 10MPa 以上。普通的密封墊圈耐高溫和耐流體腐蝕的能力較差，對(duì)于熔鹽堆系統(tǒng)來說，這一問題更加凸顯。因此只能采用半焊接或全焊接型式的板式換熱器。全焊接板式換熱器結(jié)構(gòu)原理如圖 1.3 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2797747