核動力廠用高效緊湊換熱器方案分析

王曉和 張后龍 張義光

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.杭州沈氏節能科技股份有限公司，浙江 杭州 311612）

0 引言

壓水堆核動力廠的發電過程是從核能、熱能、機械能到電能的能量轉換過程，其中，熱能的正確管理對核動力廠安全至關重要，因此，核動力廠中設置了大量的換熱器， 用于調節和保證系統內的工作介質達到所需的特定溫度。 換熱器形式多樣，但在核動力廠，除個別系統使用少量板式換熱器外，幾乎只采用結構簡單、制造方便、 但換熱效果一般且體積龐大的傳統管殼式換熱器， 這不利于核動力廠布置方案優化和整體小型化設計，也不利于提高核動力廠的建造經濟性。余熱排出系統用換熱器（余熱排出熱交換器）是核動力廠最重要的換熱設備之一， 本文以某核動力廠該換熱器為原型，提出一種高效緊湊的換熱器結構方案，該方案具有可行性，并且能夠提高核動力廠經濟性，采用該方案可以推進核動力廠小型化設計向前發展。

1 核動力廠余熱排出熱交換器

余熱導出是核動力廠的三道安全屏障之一，余熱排出熱交換器作為余熱排出系統的重要組成部分，其主要作用是在反應堆停堆時導出反應堆持續釋放的衰變熱，保證反應堆的冷卻。從EPR、M310、AP1000 到“華龍一號”， 余熱排出熱交換器一直沿用管殼式結構，設備體積較大，不利于廠房布置和優化。

表1為某核動力廠余熱排出熱交換器的設計參數和尺寸參數，本文以此參數為原型，設計了一種高效緊湊的換熱器。

表1 新型高效緊湊式余熱排出熱交換器設計輸入表

2 高效緊湊換熱器方案

新型高效緊湊式余熱排出熱交換器采用印刷電路板式微通道（PCHE）結構，冷熱流體分別通過微通道后進行熱量交換，以達到堆芯余熱排出的目的。 綜合考慮熱負荷大小和微通道結構的加工可行性， 采用4 個2.65MW 的不銹鋼熱交換器單元并聯， 設備尺寸長×寬×高為2.56 m×2.09 m×1.96 m，總質量約5 000 kg，體積為原換熱器的1/3，質量為原換熱器的1/4，具體方案見圖1。

圖1 高效緊湊熱交換器方案圖

3 換熱器流量分配方案優化

由傳熱基本方程：Δ可知，在溫度和壓力一定的情況下，定壓比熱容和熱交換器達到相同熱負荷時溫差是相同的，四個2.65 MW 的熱交換器能否達到10.6 MW 的功率，關鍵因素在于并聯管路的流量分配情況。 熱交換器并聯時，集合器分配到各個熱交換器的流量相同時，四個2.65 MW 的熱交換器即能達到10.65 MW 的熱負荷。 為此，對換熱器的流量分配方案進行優化。

3.1 前處理及求解

采用ANSYS-FLUENT 進行仿真模擬， 以冷側管為例， 考察冷側主管分配到4 個支管流量的均勻度，研究集合器流量分配形式對流量分配的均勻性影響。網格采用自適應四面體網格，近壁面邊界層區域進行壁面函數+處理。 計算選用標準ε 湍流模型。 邊界條件設置流量250 t/h， 進口壓力1.2 MPa， 進口溫度35℃。當連續性方程和動量方程的殘差達到10，能量方程的殘差達到10時，則認為計算收斂。

3.2 方案優化

為了得到最均勻的分配方式， 進行三種不同分配管形式進行模擬。如圖2 所示，方案1，B 管和C 管不深入集合器；方案2，B 管和C 管伸入集合器內部75 mm；方案3，B 管和C 管伸入集合器內部150 mm。

圖2 方案示意圖

4 結果及討論

由速度分布圖3 至圖5 可知，三個方案的速度場分布情況基本一致， 四個支管中，B 管和C 管的速度場較為接近，A 管和D 管的速度場較為接近。 B、C 兩管伸入集合器內長度不同，導致流場產生差異、流量分配不同。

圖3 方案1 速度分布圖

圖5 方案3 速度分布圖

提取三個方案計算的各管內流量值并繪制成圖6所示的流量對比圖，可以看出方案3 的結構阻止了介質直接進入B 管道和C 管道，平衡了四個管道的局部阻力，從而保證了流量分配的均勻性。

圖4 方案2 速度分布圖

圖6 三個方案速度分布對比

5 結語

經過理論計算、方案設計和仿真分析，得到以下結論：

（1）方案3 能保證分配到單個模塊的流量接近相同的，流量分配均勻時，四個并聯2.65 MW 的換熱器能達到10.6 MW 的換熱功率。

（2）并聯方案使得換熱器后期維護更加方便，在各種極端工況下如果出現問題， 不會導致整個換熱模塊報廢，大大減小了設備的損耗率。

（3）并聯集成的PCHE 換熱器體積可達原設備的1/3、質量可達原設備的1/4、造價可達原設備的1/2，契合核動力廠小型化設計理念，有利于推動核動力廠小型化的設計發展。