新型钠水换热器热工计算

裴志勇+武志广+许业强

摘 要 钠和水作为介质的换热器是目前使用钠介质作为主热传输的电站关键设备之一，通过对采用的新型直流式钠水换热器换热数学模型进行简化，采用合理的传热计算关系式进行换热器的传热计算，表明其满足可行性要求。

关键词 钠水换热器；两相传热；直流式

中图分类号 TK21 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）172-0225-02

对于采用钠介质作为主热传输介质的快堆电站等，其必然涉及到钠和水介质的换热，利用钠-水换热器将钠介质的热量传递到水介质，并通过汽轮机将热能转换为动能用于发电。而钠和水换热涉及到在发生泄漏情况下的钠和水的反应问题，当介质的很小泄漏都将会因为剧烈的钠水反应引起温度和压力的急剧升高而出现严重后果，造成泄漏的扩大和蔓延，对换热器管束造成破坏。因此必须要进行预防并提高其安全性。

1 钠水换热器简介

目前的钠水换热器主要的结构形式为固定管板式换热器，换热管形式主要有直管式、螺旋管式、蛇形管式等等。但是由于材料、设计、制造等各方面造成的缺陷而导致换热器在运行过程中发生失效，从而产生严重后果的事故屡有发生，因此其设备本身的可靠性和安全性越来越引起学者重视。本文针对钠水介质的隔离边界的薄弱环节——换热管束，进行了结构改进，增强其本身的安全可靠性。

钠水换热器采用固定管板式，换热管采用直管式结构，其中钠介质在管外流动，水/蒸汽介质在换热管内流动，流动方向与钠相反。

为提高其安全性，换热管采用双层管结构，换热管径向分为两层，结构材料相同，为保证其传热效率和降低设备的换热面积，内外管采用紧贴方式，从而减小其换热管的热阻。换热管结构简图见图1。

2 钠水换热器热工计算

2.1 钠水换热器设计输入

本文针对某一型号进行了钠水换热器的热工基数按，其工计算设计输入见表1。

2.2 热工计算数学模型

2.2.1 基本假设

钠水换热器采用直管式结构，壳程为钠，管程为水/蒸汽，钠和水/蒸汽逆向流动。在进行热工水力特性数值计算时，作了如下基本假设：

1）工质的流动是一维的，即工质的热力学状态和水力学状态在同一截面上，具有相同的状态参数。

2）忽略工质的轴向导热。

3）水在管内均匀分配，即每根换热管内流量、传热量参数和过程均相同。

4）钠在管间沿管束高度均匀分布。

2.2.2 换热区划分

目前，关于直流式管内沸腾传热换热计算中，由于存在两相传热，需要进行分区计算，分为以下区段进行计算：

预热区、表面沸腾区、泡核沸腾区、换热恶化区、蒸汽过热区[ 1 ]。

2.2.3 传热模型

1）钠侧换热。钠在壳程单相流动，考虑换热管束的排列方式，这里采用俄罗斯推荐的换热关系式。

2）水侧换热。水侧换热涉及到由单相水到汽水混合再到单相蒸汽的转变过程，根据其传热机理的不同，沿管束长度进行分区计算。根据传热工况分为预热区、表面沸腾区、泡核沸腾区、换热恶化区及蒸汽过热区。其中，预热区为单相水对流换热区，单相流体在管内强迫对流的换热系数计算公式有Dittus-Boilter、Seider-Tate、米海耶夫、格尼林斯基等公式。这里采用Seider-Tate[ 2 ]计算关系式。表面沸腾区的换热系数计算公式主要有Jens-Lottes、Thom、修正的Chen公式等。泡核沸腾区段的传热系数计算公式有Chen公式、Rphsenow、大容积沸腾计算公式等。换热恶化区采用Miropolskiy公式。蒸汽过热区为蒸汽单相换热，主要的传热系数计算公式同预热区。

3）污垢热阻。污垢热阻是指由于管壁积垢而产生的热阻，主要与传热管材料及运行水质等因素有关。由补水带入的杂质和回路中的腐蚀产物进入蒸汽发生器后，绝大部分会滞留下来，因而蒸汽发生器工作一段时间后会在传热管表面沉积一定厚度的污垢，由于热导率很小，会产生很大的热阻。而在一回路侧，由于冷却剂通常保持很高的清洁度，产生的污垢热阻一般可忽略不计。目前，工程计算中有以下3种考虑污垢影响的方法[3]：（1）减小对流传热系数，以考虑相应侧污垢的影响；（2）列出专项，采用经验数据。这是一种常用的方法，污垢热阻的大小一般在2.6×103-5.2×103m2K/W之间；（3）在计算传热系数时，不计污垢热阻，而在确定产热面积时，引入一个考虑了污垢影响的安全系数。这个系数通常与堵管裕量、热流计算误差等因素综合考虑，一般可取10%左右。

3 计算结果

由于换热器在安装空间的限制，要求设备高度小于4.1m。为此，设计对比了不同的换热管束数量，以满足其安装要求。根据上述介绍的换热器结构形式和计算模型，针对设计工况进行了热工计算，计算结果见表2。

由上述计算结果可见，随换热管数量增加，其换热管长度减小，设备总高也减小，在换热管数量≥721根时，设备空间要求可以满足。但是考虑到随着换热管数量的增加，换热管与管板连接接头数量增加，由于此处结构的不连续性而容易导致泄漏，故连接接头数量越少其设备的安全性越高。故从上表数据，针对其热功率和空间要求，其换热管数量选取721根。

4 结论

钠水换热器由于运行环境恶劣易发生事故，其安全可靠运行决定了电站的安全性和经济性。本文采用了新型的钠水换热器结构并进行了两相热工设计计算。通过对换热器的热工计算分析，可以得到：在该新型结构下的设计结果满足其传热性能和空间限制要求。

参考文献

[1]黄承懋.锅炉水动力学及锅内传热[M].北京：机械工业出版社，1984：101-102.

[2]J.M.DELHAYE， M .G IO T ，etc. “Thermohydraulics of Two-Phase Systems for Industrial Design and Nuclear Engineering”， Hemisphere publishing Corporation，1981.

[3]贾宝山，等.核能动力装置设计与优化原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.