成書豪

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京102413)

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)采用兩套布置在熱池的獨(dú)立熱交換器-空氣熱交換器系統(tǒng)排出余熱，CFR600 因其更大的余熱量排出需求以及考慮到DHX 的熱池布置方式缺少對(duì)盒間流的冷卻手段，在此基礎(chǔ)上于冷池另設(shè)計(jì)了兩套相互獨(dú)立的PDRAC。

近幾十年來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)鈉作為工質(zhì)的熱工水力研究取得很大進(jìn)展[1-3]。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)對(duì)CEFR 及CFR600 的DHX 部件及余熱排出系統(tǒng)或鈉工質(zhì)的自然循環(huán)特性進(jìn)行了計(jì)算研究，但針對(duì)CFR600 冷池DHX 布置開展的熱工水力計(jì)算研究還不多。本文的工作即為針對(duì)CFR600 中該設(shè)計(jì)DHX 的備用工況的自然循環(huán)熱工水力特性的三維模型數(shù)值模擬研究。

1 系統(tǒng)描述

DHX 是提供鈉池一回路鈉和獨(dú)立熱交換器——空氣熱交換器(AHX)回路二次鈉換熱區(qū)域的部件，形成包含堆芯到DHX、DHX 到AHX、AHX 到大氣的三條耦合的自然循環(huán)，完成堆芯余熱的排出。CFR600 的冷池DHX 為逆流垂直式殼管型熱交換器，它由換熱腔、換熱管束、加強(qiáng)環(huán)、導(dǎo)流筒、DHX 支承及支承座和管板組件組成。

DHX 支承向熱池吸熱，筒內(nèi)則向DHX 管側(cè)放熱，形成換熱殼體內(nèi)外溫度差，產(chǎn)生自然循環(huán)，自然循環(huán)形成時(shí)如圖1 所示，液鈉從導(dǎo)流筒外部流進(jìn)DHX 區(qū)域，向上流動(dòng)至DHX 入口窗進(jìn)入換熱區(qū)域，而后通過換熱管束與DHX-AHX 鈉回路換熱后向出口窗流出，通過導(dǎo)流筒內(nèi)壁面離開DHX 區(qū)域。在自然循環(huán)過程中，導(dǎo)流筒起著分流的作用，其設(shè)計(jì)對(duì)維持穩(wěn)定的自然循環(huán)具有較大意義。

圖1 DHX 自然循環(huán)

2 模型和邊界條件

2.1 模型

計(jì)算所涉及的1/4 冷池上半部模型如圖2 所示。模型選擇模擬其中一條環(huán)路在冷池上半部分中的流動(dòng)，模型取冷池上板上表面處為z=0 的基準(zhǔn)高度面，其中模型的中間熱交換器出口部分及泵支承部分包括了z=0 以下的流域，模型的中間熱交換器含1860 個(gè)50mm 直徑的圓孔，孔間距62.5mm；冷池流體域減去了壓力管在冷池上半部分的模型，但沒有考慮管本身內(nèi)部流體，其流域最上部z=3265mm。計(jì)算采用realizable k-ε 湍流模型、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，考慮重力影響，其他輸入選擇默認(rèn)，計(jì)算采用自動(dòng)生成的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖2 冷池上半部總模型

2.2 邊界條件

邊界條件設(shè)置列于表1。

表1 模型涉及的邊界條件

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 模型溫度分布

DHX 一次側(cè)流域總體溫度分布:

DHX 流域溫度分布示于圖3，所取橫截面M1 為由過模型原點(diǎn)和DHX 中線組成的平面截取DHX 流體域部分所得，另有橫截面M2 過DHX 中線與M1 相互垂直，由于二者的溫度分布幾乎一致，故只選取M1 為例。而由M1 和M2 溫度分布一致可知在備用工況下形成的自然循環(huán)對(duì)DHX 周向影響是均勻的。備用工況下，一回路鈉經(jīng)IHX 冷卻后溫度降至355℃，此時(shí)正常運(yùn)行的一回路流量?jī)H有很少一部分流入流出DHX 流域參與自然循環(huán)，此時(shí)DHX 內(nèi)的自然循環(huán)主要由與熱池高溫液態(tài)鈉接觸的DHX 支承壁面作為熱源，而擁有少量流量的DHX 二次側(cè)換熱管束(模型中簡(jiǎn)化為單獨(dú)由換熱腔換熱)作為冷源，冷源和熱源之間通過DHX 入口窗和出口窗進(jìn)行熱量和物質(zhì)交換。除去圖中DHX 支承處固體區(qū)域及接近高溫壁面附近較薄的液鈉區(qū)域外，圖中最高溫處溫度約達(dá)440℃，位于DHX 頂部區(qū)域，最低溫度達(dá)328℃，位于DHX 換熱區(qū)域的最底端。這與一回路冷池鈉的主流溫度355℃均有較大的差距，說明在備用工況下研究DHX 自然循環(huán)特性時(shí)，DHX 支承與熱池的接觸吸熱以及向來自二次側(cè)冷源的放熱是不可忽略的，且二者在DHX 自然循環(huán)中發(fā)揮主要的作用。

圖3 DHX 流域橫截面M1 溫度分布云圖

3.2 模型速度分布

模型總速度分布示于圖4，圖4 所取截面為以模型原點(diǎn)z 軸為軸線，以DHX 軸線距圓心距離6425mm 為半徑所畫圓柱面截取模型所得截面。圖中主要流量集中在冷池一回路主流道中，DHX 流域內(nèi)相比一回路主流量而言其流量很小，除一回路主流道外，僅在導(dǎo)流筒內(nèi)外區(qū)域分布較高流量，導(dǎo)流筒附近速度分布如圖5 所示。

圖4 模型總速度矢量分布云圖

圖5 導(dǎo)流筒流量分布放大圖

圖5 是由圖4 導(dǎo)流筒部分放大而得，圖5 顯示，受IHX 出口液鈉流量影響，導(dǎo)流筒外壁靠近IHX 出口處速度明顯高于遠(yuǎn)離IHX 出口處，且不論內(nèi)外壁，靠近IHX 出口處速度方向指向DHX 流域，而遠(yuǎn)離IHX 出口處速度方向則相反。導(dǎo)流筒的存在本身是為DHX 流域和一回路之間的流量交換分為壁外的DHX流域入口和壁內(nèi)的DHX 流域出口，而備用工況下由于DHX 換熱功率較低，一回路流量相比DHX 內(nèi)部自然循環(huán)流量大得多，故此時(shí)導(dǎo)流筒附近區(qū)域流量分布呈現(xiàn)出明顯受一回路流量影響的特點(diǎn)。

4 結(jié)論

本工作應(yīng)用fluent 程序計(jì)算獲得了備用工況下含DHX 一次側(cè)部分的冷池上半部流域速度場(chǎng)及溫度分布。計(jì)算結(jié)果表明在備用工況下DHX 支承與熱池鈉的換熱和DHX 二次側(cè)的換熱是影響冷池DHX 自然循環(huán)特性的主要因素，此時(shí)的DHX 自然循環(huán)流量相比一回路主流量非常小，對(duì)此時(shí)冷池一回路的換熱和流動(dòng)影響很小。由此可見，在備用工況下，冷池DHX 在其設(shè)計(jì)工作參數(shù)下工作時(shí)，其存在不會(huì)對(duì)正常的一回路流動(dòng)產(chǎn)生影響，符合備用工況下對(duì)冷池DHX 的設(shè)計(jì)要求。