PCS换热器螺旋结构强化换热数值研究.pdf
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1、节能基础科学15NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATIONPCS换热器螺旋结构强化换热数值研究周宗和1 宋杨2 韩美祺3 陈凯3*(1.海装驻武汉地区第三军事代表室,湖北 武汉 430205;2.中国船舶集团有限公司,北京 100097;3.武汉第二船舶设计研究所 热能动力技术重点实验室,湖北 武汉 430205)摘要:为了优化非能动热量导出系统(PCS)的设计,提高其换热性能,从而进一步提高PCS系统设计的安全性和先进性,采用数值分析的方法对光管、螺旋扁管和螺旋翅片管的冷凝传热特性进行研究。结果显示:在高含量不凝气条件下,螺旋翅片管的换热性能最强,螺旋扁管次之,光管最差
2、。研究表明,PCS换热器采用螺旋翅片管能够强化换热效果。关键词:PCS换热器;换热性能;螺旋翅片管;螺旋扁管;光管中图分类号:TL334 文献标志码:A 文章编号:1004-7948(2023)12-0015-04 doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.005Numerical study on enhanced heat transfer of helical structure in PCS heat exchangerZHOU Zong-he SONG Yang HAN Mei-qi CHEN KaiAbstract:In order to optim
3、ize the design of the Passive Containment Cooling System(PCS)and enhance its heat transfer performance,thereby further improving the safety and advancement of the PCS system design,a numerical analysis method was employed to study the condensation heat transfer characteristics of straight tubes,spir
4、al flat tubes,and spiral finned tubes.The results show that under high non-condensing gas conditions,the heat transfer performance of the spiral finned tube is the strongest,followed by the spiral flat tubes,and the straight tubes perform the poorest.The study indicates that employing spiral finned
5、tubes in PCS heat exchangers can effectively enhance heat transfer efficiency.Key words:PCS heat exchanger;heat transfer performance;spiral finned tubes,spiral flat tubes;straight tubes引言随着我国经济的快速增长,能源产业得到迅猛发展,而能源利用与环境污染的矛盾亟待解决。为了从根源治理环境污染问题,需要对传统粗放式的能源消耗进行改进,采用节能减排的能量转化系统1。随着新型产能模式的发展,以风能、潮汐能、太阳能、核
6、能为代表的新型绿色能源转化系统方面的研究突破迅猛,以核能为主导的新型能源产业尤为突出2-3。非能动安全壳热量导出系统(PCS)是重要安全系统4-6,通过换热管内外的相变换热将事故后安全壳内的热量不断载出,进而控制安全壳内的温度、压力在可接受限值内,保障纵深防御安全壳层级的完整性7-8。但是PCS换热器体积大,严重影响整个系统的整体空间布局,通过对PCS换热器开展强化换热研究,可以提升其换热效率,进而促进整个系统的节能减排9。因此,文中通过数值模拟分析,分别从换热管热阻分配规律、管外导流、管内强化换热的角度开展研究,分析螺旋翅片管和螺旋扁管的强化机制,为后续PCS系统换热器优化设计提供参考。1数
7、值模型基于Ansys Fluent软件,通过自编UDF程序,结合壁面凝结模型(WCM)和界面捕捉模型(VOF)模型,对壁面含不凝气蒸汽的凝结过程进行研究10。VOF模型基于不同相之间互不渗透的基本假设,通过动量方程计算不同流体的相体积分数,从而描述计算域内不同流体的分布情况,从而追踪气液相界面。在VOF模型中,各流体组分共用1套动量方程,且在质量守恒、动量守恒和能量守恒方程之外加入相体积分数方程,所有变量和属性在其控制容积内各相共享,计算域网格内相体积分数aq在01内变化。1.1模型参数设置模拟试验模型主要参照文献11和文献12进行简作者简介:周宗和(1982),男,本科,工程师,研究方向为舰
8、船动力。通信作者:陈凯(1989),男,博士,高级工程师,研究方向为强化换热。基金项目:国家自然科学基金项目(项目编号:52006157)收稿日期:2022-11-23引用本文:周宗和,宋杨,韩美祺,等.PCS换热器螺旋结构强化换热数值研究 J.节能,2023,42(12):15-18.节能基础科学16节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 2023化,实验台主体由1个竖直布置的壳体、上下封头以及传热试验管构成。含不凝气的蒸汽从壳体上侧或下侧的支管处送入壳体,与其中的传热试验管进行热交换,从混合气体出口排出。传热试验管为长度均为2 000 mm的光管、螺旋翅片管和螺旋扁管。光管
9、外径为38 mm,壁厚2 mm;螺旋翅片管外径为38 mm,壁厚2 mm,螺旋翅片的螺距为200 mm,翅片高度为20 mm;螺旋扁管的螺距为300 mm,管子截面为椭圆,长径为60 mm,短径为20 mm,壁厚为2 mm。在进行数值模拟前,对实验台及3个传热管进行简化13-14,利用软件Solidworks对3种管型分别进行建模,模型实体部分为数值计算z-zz中的气体流域,模型内部的中空部分为管束,数值计算不考虑其内部的传热与流动情况,因此只保留3种管形的最外侧表面。管外空间的ICEM混合网格划分结果如图1所示。螺旋翅片管及螺旋扁管表面网格如图2所示。1.2计算边界条件设置利用ANSYS F
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