核動力航天器管殼式換熱器換熱特性分析

李增恩, 張昊春, 趙姝婷, 張誠

(哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

空間核動力航天器具有效率高、功率大、使用壽命長等明顯優勢。相較于其他類型的換熱器,管殼式換熱器換熱效率較低,但是具有結構簡單、可靠性高、壽命長的優勢,更適用于核動力航天器。

學者對管殼式換熱器展開了廣泛和深入的研究。孫立勇[1]和董天飛[2]對比分析了不同換熱管道排列方式和管道類型的管殼式換熱器的熱工水力特性,研究了換熱管道對換熱器換熱特性的影響。文獻[3-6]通過實驗和仿真方法分析了折流板對換熱器傳熱和壓降的影響,研究發現使用雙弓形折流板時殼程流體的壓降最小,折面螺旋折流板換熱器的綜合性能指標最好,流體流型均勻,可有效避免局部死區。鄧斌等[7]采用全三維、交錯網格法對管殼式換熱器進行了仿真計算,并分析了殼側的流動特性。賀士晶等[8]研究發現扁管換熱元件相較于傳統圓管可提高換熱面積,在相同殼體內徑的條件下可布置更多的換熱管,在管內流體流量相同的條件下,流體流動速度更大可增強管內流體流動的湍流程度,有利于促進熱量的傳遞,綜合分析表明扁管的管內對流傳熱要優于傳統圓管。戴傳山等[9]根據實驗獲得的微細圓管換熱器綜合性能是傳統換熱器的2～5倍,且隨著雷諾數的增加而增加。現有研究鮮有針對核動力航天器所需高溫管殼式換熱器的研究。在航空航天領域,計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)是航天器研制必不可少的研究方法,在航天器研發過程中發揮著重要作用,可為航天器設計提供理論依據。

本文通過仿真分析,研究了堿金屬換熱器在不同冷、熱流體管道布置方式下的換熱特性。其次,對不同堿金屬工質的流動和傳熱特性進行對比分析。最后,對流體管道進行優化設計。

1 堿金屬管殼式換熱器模型設計

本文設計的管殼式換熱器主要針對兆瓦級空間堿金屬朗肯循環熱電轉換系統的經典技術路線。該系統由空間堆、朗肯循環系統、熱管散熱器等組成。空間核動力系統如圖1所示。

圖1 空間核動力裝置示意Fig.1 Schematic diagram of space nuclear power plant

熱電轉換系統和輻射器之間連接管殼式換熱器,把透平排出的乏汽冷卻后進入新的循環。圖2為管殼式換熱器示意圖,可以看出管殼式換熱器由裝滿熱工質的管殼和流動著冷流體的流體管道構成。換熱器內流體管道數量龐大,本文取4個冷流體管道及其周圍的熱流體域進行仿真分析,為堿金屬管殼式換熱器設計提供理論支持。

圖2 管殼式換熱器Fig.2 Shell and tube heat exchanger

1.1 熱力學模型

本文選擇標準k-ε模型。控制方程為:

1)連續性方程:

?(ρvi)/?xi=0

(1)

2)動量方程:

(2)

3)能量方程:

(3)

4)k-ε方程:

(4)

5)湍動粘度為:

(5)

式中:ρ為流體密度;vi為速度在i方向上的分量;P為壓力項;T為溫度項;μ為粘度項;CP為定壓比熱容;C1ε、C2ε、σk、σε、Cμ為常數,在ANSYS fluent中取值為:C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3,Cμ=0.09。

用戶定義函數(user-defined function,UDF)用于設置NaK的密度ρ、粘度η和熱導率λ[10]。NaK的普朗特數為:

PrNaK=(cp (NaK)·ηNaK)/λNaK

(6)

在液態金屬的湍流普朗特數模型中仍然缺乏固定的湍流普朗特數模型[11]。對于液態堿金屬而言,恒定湍流普朗特數為1.5是可以接受的[12]。在本文中,通過回顧和評估現有的湍流普朗特數模型[13],采用了Cheng Tak模型計算湍流普朗特數。Peclet數Pe由雷諾數Re和普朗特數Pr計算:

Pe=Re·Pr

(7)

1.2 物理模型及網格無關性驗證

簡化換熱結構由4個低溫流體通道和高溫流體管殼組成,高溫和低溫流體均為NaK。流體域為結構化網格,高溫流體管殼為非結構化網格,通過網格組裝方法,實現不同流體域之間的耦合換熱。換熱結構示意圖如圖3所示。

圖3 管殼式換熱器換熱結構組裝網格示意Fig.3 Schematic diagram of assembly grid for heat exchange structure of shell and tube heat exchanger

本文以低溫流體速度5 m/s,高溫流體速度5 m/s的流體管道為例,驗證了網格的無關性。4種類型的網格以不同的網格密度劃分(網格1為16 516 628個網格元素,網格2為17 342 459個網格元素,網格3為18 209 582個網格元素,網格4為19 120 061個網格元素)。所有類型的網格都通過S-S模型和標準k-ε模型計算。4種網格密度的模擬結果如圖4所示。可以看出網格1在冷-熱流體交界處溫度T和流體出口處湍動能ETKE(turbulence kinetic energy)與其他網格密度具有較大的差異。為了提高計算精度和節省計算資源,網格3的單元密度用于下一步的模擬。

圖4 4種網格密度計算結果Fig.4 Four mesh density calculation results

2 交叉管道式換熱器仿真分析

2.1 傳熱特性對比分析

在堿金屬換熱器中,冷、熱流體流動狀態會在很大程度上對換熱特性產生影響。為了對比分析不同冷、熱流體流動狀態下的傳熱和流動特性,本文設計5種流動方案,通過仿真分析,獲得高溫和低溫流體出口處溫度如圖5所示。可以看出當低溫流體速度較慢,高溫流體速度較快時,出口處的低溫流體溫度較高,高溫和低溫流體之間溫差較小,熱應力較小,冷卻效率更高。高溫流體和低溫流體流速相同時,換熱效果較差。

圖5 換熱特性對比分析Fig.5 Comparative analysis of heat transfer characteristics

2.2 流動特性對比分析

通過對交叉管道式換熱器流動特性的仿真分析,獲得高溫和低溫流體出口處湍動能如圖6所示。湍流動能表示流體顆粒的脈動程度。湍流動能越大,流體之間的脈動越強,在一定程度上反映了湍流能量耗散的程度。同時,運動的流體是粘性的,湍流動能可以在一定程度上反映流體顆粒之間的摩擦耗散和流體顆粒的脈動擴散的范圍。通過仿真分析,獲得高溫和低溫流體出口處ETKE如圖6所示。可以看出當低溫流體和高溫流體速度差較大時,冷流體管道的ETKE較大。

圖6 流動特性對比分析Fig.6 Comparative analysis of flow characteristics

湍流在靠近管壁處為層流邊界層,熱阻主要集中在層流邊界層[14]。ETKE越大,層流邊界層厚度變薄,熱阻變小。因此,提高ETKE會影響流體與壁面的對流換熱,使對流換熱效率提高,從而改善換熱器的換熱特性。

3 工質對比分析及流體管道優化設計

3.1 堿金屬工質對比分析

堿金屬朗肯循環系統和熱管輻射器系統中,堿金屬工質通常選擇K、Na和NaK。Na、K的物性由文獻[10]獲得。

設定低溫流體速度3 m/s,高溫流體速度5 m/s,對K、Na和NaK 3種適用的太空堿金屬朗肯循環工質進行仿真分析,獲得高溫和低溫流體出口處溫度如圖7所示。可以看出由于工質K的比熱容最小,溫度變化比較劇烈,隨著冷流體的流動,冷熱流體溫差減小的比較快,不利于冷熱流體換熱過程的進行。工質Na的比熱容最大,當換熱器功率比較大時,適合選擇Na作為冷卻劑。

圖7 堿金屬工質換熱特性對比分析Fig.7 Comparative analysis of heat transfer characteristics of alkali metal fluids

高溫和低溫流體出口處ETKE如圖8所示,可以看出工質Na的湍動能較大且分布不均勻。在4個冷流體管道中間靠近冷流體壁面處的ETKE最大,這是由熱流體與冷流體管道的切向作用力造成的。分析可知熱流體在4個冷流體管道中間靠近冷流體壁面處的換熱效果最好。在提高熱流體流速的同時,縮短冷流體通道間的距離,可以提高換熱器的換熱性能。

3.2 流體管道優化設計

堿金屬在流動過程中,熱流體溫度隨著流體流動逐漸下降,冷流體溫度隨著流體流動逐漸上升。流體具有熱脹冷縮的性質。冷流體溫度上升,冷流體體積增大,在一定程度上導致冷流體速度上升。熱流體溫度下降,使得熱流體體積減小,加快流速下降的過程。從上述分析可知,加快熱流體流速更利于換熱過程的進行。因此,本文將流體管道優化設計為冷流體管道截面積逐漸增大,熱流體管道截面積逐漸減小的形式,以提高流體管道的換熱能力。流體管道示意如圖9所示。

圖9 流體管道優化設計Fig.9 Optimization design of fluid pipeline

對流體管道優化設計后,高溫和低溫流體出口處溫度分布如圖10所示。可以看出在不改變換熱工質和冷熱流體體積的情況下,優化設計后的流體管道換熱能力更強。

圖10 優化設計流體管道換熱特性對比分析Fig.10 Comparative analysis of heat transfer characteristics of optimized design fluid pipelines

優化設計后的換熱結構在提高熱流體側換熱能力的同時,減少熱流體側流動死區,并在一定程度上減小冷流體對流體管道的壓力。高溫和低溫流體出口處ETKE分布如圖11所示。可以看出對流體管道進行優化設計后,由于冷流體管道對熱流體存在著軸向作用力,導致熱流體橫向流場強度增大,熱流體在冷流體管道壁面附近的ETKE變小,分布更為均勻,換熱器換熱特性增強。

圖11 優化設計流體管道流動特性對比分析Fig.11 Comparative analysis of flow characteristics of optimized design fluid pipelines

4 結論

1)國內外在管殼式換熱器方面已經開展了一些研究,但是對空間核動力背景下的堿金屬管殼式換熱器研究較少,不能滿足核動力航天器的發展需求。

2)由于Na工質比熱容較大,當核動力航天器功率較大時,更適合選擇Na工質作為冷卻劑。K工質比熱容較小,適合應用于低功率航天器或者余熱排放系統。

3)在冷流體管道中間靠近冷流體壁面處的ETKE最大,反映了熱流體在冷流體管道中間靠近冷流體壁面處的換熱效果最好。縮短冷流體通道間的距離可以提高換熱器的換熱性能。

4)針對冷卻劑熱脹冷縮的特性,對流體管道進行優化設計,得出相對于傳統的換熱結構,優化設計后的管道布置結構換熱能力更強。