PCS换热器螺旋结构强化换热数值研究.pdf

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。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 optimize 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,spiral 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 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 Fluent软件实现数值计算。流动工质为含不凝性气体的蒸汽，蒸汽流量为0.001 1 kg/s，压力分别为0.2 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa，空气质量分数分别为13%、33%和56%。传热试验管为简化模型，将管内流动过程等效为外壁面温度均为60 的恒壁温过程。2数值预测结果与分析2.1不同管型的传热系数比较3种管型总的传热系数对比如表1所示。在相同压力条件下，随着空气质量分数增加，蒸汽含量逐渐下降，蒸汽的分压力随之下降，导致对应的饱和温度也有所下降，总传热系数随之下降。混合气体压力取0.4 MPa时，空气质量分数从13%增加到56%，光管的总传热系数变为原来的56.3%。螺旋翅片管的总传热系数普遍大于螺旋扁管，螺旋扁管的总传热系数略大于光管。从结构方面分析，螺旋扁管由椭圆扁管螺旋扭转而成，其对换热过程的强化主要是增强了管内扰动，强化了水的湍流效应。在数值模拟过程中，由于将管内流动简化为恒壁温下的换热过程，螺旋扁管的计算结果低于实际流动情况。2.2光管附近速度场分布情况空气质量分数为33%时，对比不同混合气体压力下的光管附近速度场稳态模拟结果。不同压力条件下光管附近速度场分布如图3所示。混合气体从一侧进入试验段，因此光管圆周方向的流速分布并不均匀，试验段底部和顶部空间的流速较低，且随着压力的增大，底部和顶部的流动滞止区范围略有增大。图1管外空间的ICEM混合网格划分结果图2螺旋翅片管及螺旋扁管表面网格表13种管型的总传热系数对比气体压力/MPa0.20.40.5空气质量分数/%133356133356133356总传热系数/W/(m2 K)光管1 0387904851 2209516871 3061 065764螺旋翅片管1 4071 0516641 7391 3799531 8801 5171 079螺旋扁管1 1378455481 3821 0957581 4901 203864图3不同压力条件下光管附近速度场分布节能基础科学17NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATION随着压力升高，有更多的蒸汽发生凝结。传质过程的驱动力是压力差，计算时管壁温度均为60，对应温度下蒸汽的饱和压力恒定，因此混合气体压力增加意味着传质驱动力增强，造成管壁周围的蒸汽向光管壁面处扩散。2.3螺旋翅片管和螺旋扁管的冷凝特性分析螺旋翅片管和螺旋扁管中心截面的压力分布如图4和图5所示。由图4和图5可知，随着空气质量分数的增加，凝结空间内压力增加，因为不凝气体逐步聚集，增压了腔体内的总压力；腔体上、下两个部分的压力明显高于中间换热管区域，因为腔体上、下部分存在大量的空气滞止区；螺旋翅片管附近存在低压区，螺旋翅片管上的混合气体流动得到强化，导致其附近压力降低。螺旋扁管腔体内的混合气体流动得到优化，内部压力分布比光管均匀；随着不凝结气体含量的增加，腔体内部压力进一步增加，不凝气在底部和顶部逐步开始聚集，使底部和顶部的压力增加。螺旋翅片管和螺旋扁管的轴向各截面流场向量分布如图6和图7所示。由图6和图7可知，混合蒸汽在螺旋翅片附近进行螺旋流动，翅片周围的蒸汽流速大于周边区域，这说明螺旋翅片可以很好地强化竖直管外的蒸汽凝结。螺旋扁管周围存在部分高速区，说明螺旋结构强化了壁面的混合蒸汽流动，从而强化了凝结过程。螺旋翅片管和螺旋扁管中心截面的温度分布如图8和图9所示。由图8和图9可知，螺旋翅片增加了竖直管的换热面积，螺旋的结构设计可以强化翅片处流体的流动，进一步增强翅片的表面换热系数，强化混合蒸汽的凝结。螺旋的结构设计可以强化壁面的混合蒸汽的流动，强化管壁的表面换热系数，强化混合蒸汽的凝结。螺旋翅片管和螺旋扁管整体及局部流场分布如图10和图11所示。由图10和图11可知，螺旋结构对混合气体的流动具有约束作用，使整体云图上螺旋管的左、右两侧呈现相似的速度分布。从局部云图可以看出，在靠近进、出口一侧的每个螺距内，都存在一个紧贴壁面的流动滞止区；而在另一侧，这种由于管型结构造成的流动滞止影响略小，这与蒸汽从底部进入并向上流动时沿周向的流场不均匀有关。图4螺旋翅片管中心截面压力分布图5螺旋扁管中心截面压力分布图6螺旋翅片管轴向各截面流场向量分布图7螺旋扁管轴向各截面流场向量分布图8螺旋翅片管的温度分布图9螺旋扁管中心截面的温度分布节能基础科学18节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 2023螺旋扁管结构不规则，不会与光管一样在沿竖直方向形成逐渐增厚的冷凝液膜，螺旋结构会使蒸汽冷凝后液膜周期性撕裂，其总体传热性能优于光管。与螺旋扁管不同，螺旋翅片管的展开方向为管壁面法向，会阻碍混合蒸汽竖直向上运动，因此其流动滞止区明显大于螺旋扁管。3结语文中对3种不同竖直单管外含不凝气蒸汽的凝结传热特性进行模拟计算，分析在不同混合气体压力及空气质量分数的条件下总传热系数的变化，同时对试验段内的流体流动情况进行分析，得到的结论如下：对光管、螺旋翅片管和螺旋扁管进行数值模拟计算，三者的换热规律基本相似。混合气体压力相同时，总传热系数随空气质量分数的增加而降低；空气质量分数相同时，总传热系数随混合气体压力的增加而降低。在相同工况下，3 种管型总传热系数排序为螺旋翅片管螺旋扁管光管。螺旋结构可以增强蒸汽的凝结换热面积，使液膜顺着翅片进行二流流动，进一步强化换热；在螺旋结构中液膜不易持续增加，该结构具有一定的排液能力；螺旋的流动会带走聚集在翅片附近的空气，从而减弱由于空气聚集带来的传热恶化。螺旋扁管是三维强化传热管，主要通过大幅增加混合气体层的二次流动实现对冷凝过程的强化。螺旋扁管内部和外部均出现二次剪切流动，可以增加管壁处的湍流度，从而增加表面换热系数，强化换热；螺旋的流动也会带走聚集在翅片附近的空气，减弱由于空气聚集带来的传热恶化。参考文献1 赵辉.碳中和目标实现下中国转型发展路径研究 J.节能，2022，41（9）：74-76.2 汪永平，赵守峰，袁玉俊，等.2020年中国核能发展战略研究 J.中国核科技报告，2005，18（1）：154-163.3 王泽平，马震，吴焕苗，等.我国核电产业发展水平综合评价体系研究J.华东电力，2012，24（7）：1233-1236.4 荆春宁，赵科，张力友，等.“华龙一号”的设计理念与总体技术特征J.中国核电，2017，10（4）：463-467.5 宋代勇，赵斌，袁霞，等.“华龙一号”能动与非能动相结合的安全系统设计 J.中国核电，2017，10（4）：468-471.6 姜舒婷，邹文重.华龙一号非能动安全壳冷却系统对严重事故后果影响研究 J.原子能科学技术，2022，56（2）：374-378.7 兰燕华，甘同昌，费罗杰.华龙一号非能动安全壳热量导出系统管道布置优化分析 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