【摘要】：在我國經(jīng)濟高速發(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)電能力強的清潔能源——核能是目前大力發(fā)展的電力項目。傳統(tǒng)鈾基核電面臨鈾資源日益趨緊的窘迫局面,為此中國科學院戰(zhàn)略先導專項釷基熔鹽堆系統(tǒng)開展了以釷作為核燃料的熔鹽反應堆研究。目前正在進行2MW液態(tài)燃料釷基熔鹽堆系統(tǒng)(TMSR-LF1)的設計研發(fā),其中熔鹽-熔鹽換熱器(熱側(cè)FLiBe鹽,冷側(cè)FLi NaK鹽)是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵設備。為提高雙熔鹽換熱器的緊湊度和熱工水力性能,本論文對板式及板翅式的熱工特性開展數(shù)值模擬研究,為設計板式及板翅式換熱器提供參考。首先根據(jù)TMSR-LF1的設計要求和相關(guān)國家行業(yè)標準對板片和翅片型式進行設計和改進并開展仿真計算,以優(yōu)化其傳熱或流動特性。主要設計構(gòu)建了人字形、平行、豎直三種波紋板片型式和矩形、流線型、改進流線型三種翅片型式。對各個型式的數(shù)值研究結(jié)果展開對比分析,并通過壓降、單側(cè)對流換熱系數(shù)及換熱性能綜合指標三種評價方法對這些型式進行評價。論文還從工程實用性的角度探索換熱器流致振動問題的分析方法,基于中科院上海高等研究院熔鹽-空氣管殼式換熱器實驗平臺,對該實驗模型開展雙向流固耦合仿真研究。并通過實驗驗證數(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問題的工程應用提供計算方法。當冷熱兩側(cè)熔鹽入口溫度833-923K,入口流速0.3-0.5m/s時,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;綜合評價換熱性能指標,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驗測得的數(shù)據(jù)隨時間變化的關(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問題是可行的。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海應用物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK172
【圖文】：

技術(shù)作為核燃料的反應堆系統(tǒng)。世界上釷的儲量可達鈾的三至四倍，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，這種堆型運行過程中易于保證核不擴散的要求。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，各類實驗堆、示范堆相繼建成。中科院上海應用物理研究所承擔的釷基核能戰(zhàn)略先導專項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，最終推動氦氣輪機做功完成發(fā)電，實現(xiàn)核能-熱能-機械能-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)定運行在一定溫度工況下，是核電站功率控制的重要部件；同時，它還是一回路承壓設備，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)鍵設備。

十九世紀末期，德國科學家發(fā)明了通過寬大的光滑板片進行熱量傳遞的熱交換器。而后經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展和改進，到二十世紀上半葉，將多片由機床軋制而成的薄金屬板組裝起來，研制成功了更為成熟、更具實用性的板式換熱器。在隨后的工業(yè)生產(chǎn)中，換熱能力強、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制造、板片組合靈活多變等優(yōu)點使其獲得了十分廣泛的應用。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)過眾多專家學者的分析研究，人字形波紋板受到了業(yè)界的一致認可。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。來自冷熱兩個回路不同溫度的流體在板片兩側(cè)交互逆流流動，通過僅 0.6~1.2mm 厚的薄金屬板進行熱量傳遞。

第 1 章 緒論在改進板片結(jié)構(gòu)型式的同時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。國家標準 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，這些材料的扯斷強度均達到 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】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2797747