新型直流蒸发器的热工水力分析

1、新型直流蒸发器的热工水力分析新型直流蒸发器的热工水力分析樊普秋穗正苟军利贾斗南（西安交通大学核能科学与工程系，西安）摘要蒸汽发生器是连接一回路和二回路的关键设备。直流蒸发器由于产生过热蒸汽简化设备而在新型核动力系统中得到应用。为研究直流蒸发器在稳态和瞬态过程中的热工水力特性，建立了描述直流蒸发器物理现象的数学模型。应用本模型，研制了可以计算稳态和瞬态工况下，一回路和二回路流体温度场、焓场的热工水力特性的程序。计算结果对直流蒸发器结构设计、安全运行具有指导意义。关键字：直流蒸发器：热工水力：瞬态；两相流前言预计新型紧凑式压水堆在未来商用中具有很为了产生驱动汽轮机的蒸汽，在蒸汽发生器中图核动力系统

2、布置简图（）。型管蒸汽发生器具有较大的水装量但是核动力装置经常以不同的负荷运行，在变负荷过程中经历复杂的热工水力特性。反应堆的安全运行取决于直流蒸发器的换热能力。为了研究直流蒸发器在各种稳态负荷以及变负荷瞬态工本文研究的直流蒸发器（）是逆向流动双况时的热工水力特性，建立了用于描述直流蒸发器物理过程的数学模型，两相流的压降计算采用一维均匀流模型。数学模型图是直流蒸发器中一次侧流体和二次侧流体流程图一次侧流体在内管和壳侧自上而下流体。二次侧流体在内管和外管组成的环形空间自下而上流体，受到一次侧流体的双面加热。图是直流蒸发器换热管束布置图。在进行稳态和瞬态数值计算时，对图中的菱形子通道建立数学模型，

3、包括一次侧管内侧流体、一次侧管外侧流体、二次侧流体模型、内管壁和外管壁数学模型大的潜力它的典型特点在于将堆芯、主泵、管道、蒸汽发生器等一回路主要设备集中于压力容器内【】与常规核动力装置相比，可以避免大破口事故的发生，相应地，固有安全性得到提高热量从回路冷却剂传到二回路的给水。蒸汽发生器有两种类型：型管蒸汽发生器和直流蒸发器在它的出口产生的是饱和蒸汽，为此，必须安装汽液分离器。所以从结构的观点来看，直流蒸发器可以获得较小的尺寸。面加热的换热器，它竖直布置在反应堆压力容器中如图所示。蒸汽发生器采用管套管式直流蒸发器，一次侧冷却剂由上至下流过蒸汽发生器二次侧环形通道的内、外侧。二次侧给水由下至上流过

4、蒸汽发生器接受来自其流道两侧冷却剂的加热，由过冷水加热为过热蒸汽，经历了复杂的换热工况，包括单相液体对流换热、核态沸腾换热、干涸后换热以及单相蒸汽对流换热。新型直流蒸发器的热工水力分析图套管式直流蒸发器流程图图直流蒸发器中换热管布置图基本热工水力方程【一次侧在管内是单相流体。二次侧流体经历从单相液体到单相蒸汽的变化。为建立较为精确且合理的蒸汽发生器数学模型作了如下假设：（）假设蒸汽发生器内工质的流动是一维的，即工质的热力学状态和水力学状态只沿轴向位置变化，而在同一截面上，具有相同的状态参数：（）在蒸汽发生器一次侧或二次侧内，工质的压力只随时间变化而不随空间变化。也就是说各点的压力具有相同的时间

5、特性：（）管壁很薄，假设直流蒸发器传热管壁温度沿径向不变；（）忽略一、二回路工质的轴向导热；忽略蒸汽发生器的对外散热；忽略传热管壁的轴向导热；忽略除传热管壁外的任何构件的热容量。基于以上假设，在直流蒸发器任一轴向位置处。一次侧和二次侧流体简化的质量、能量和动量守恒微分方程为：质量守恒方程：皇丝；（）能量守恒方程：皇业旦鲤；盟至（）动量守僵方程：！詈昙（等）一彳鲁一刚一卅（）百云一月瓦一俐一刎一其中，讲舄内管的能量守恒方程为：，（，：一彳蠢，丝磐嘲机（枷毗（）外管的能量守恒方程为：配嵋旦笋出¨以，圳如饥（哪（）其中成管子密度；。管子比热；，白，分别为内管的内径和外径；白，舯分别为外管的

6、内径和外彳：；乙，瓦。分别为内管和外管管壁平均温度：乙乃。分别为内管中一次侧流体和壳侧一次侧流体的温度；以，。分别为一次侧流体和内管壁与外管壁的换热系数：吃丸。分别为二次侧流体与内管壁和外管壁的换热系数。一次侧流量分配方程采用套管式蒸汽发生器，则一次侧流量分配为内管内和外管外两部分。在计算内管内侧和外管外侧的质最流量时。根据内管内侧和外管外侧的压降相等米迭代计算各自的流量第一步根据流道的流通面积不同而首次分配流最形爿，（爿，彳。）呒；彳。（彳。）（）其中：矽为一回路总流量，堙；彬为一回路内管内侧流量，妇，。：睨为一回路外管外侧流量，堙第二步由冷却剂能量方程求得流道内流体的温度场及物性参数，由流

7、道内物性参数根据动量守新型直流蒸发器的热工水力分析恒方程求出流道内的压降，从而根据内管内侧和外管外侧的压降是否相等来判断。如果不相等，将压降大的通道流量减小，压降小的通道流量加大，进一步迭代，直到达到相等（在规定误差范围内）为止心州簧竺（）：器舢为求解直流蒸发器的热工水力特性，首先应对于两相摩擦压降”（）吖结构方程该给出在能量和动量守恒方程中所用到的结构方程，即：换热经验关联式和摩擦系数经验关联式。换热系数经验关联式一次侧流体和管壁之间的对流换热属于单相对流换热，然而，二次侧流体和管壁之间的对流换热经历了单相液体对流换热，两相对流沸腾换热和单相蒸汽对流换热，因此把二次侧流体分为四个换热区域，即

8、：单相液体对流换热、饱和沸腾换热、干涸后或者缺液区换热和单相蒸汽对流换热。所用到的所有换热关联式在下面给出。单相对流换热区域（过冷水和单相蒸气）（一匿一淫，卜子，采用（，其中，哦是基于均匀流模型的全液相压降倍增因咖卜删卜¨降矿结果和讨论（）为了求解建立的一维数学模型首先要将微分方程形式的数学模型离散为差分方程，为此，将沿轴向位置分为个控制体，如图所示。、），（）虬（）¨（），饱和沸腾换热区域嘲（，），、杉，夕、囫、硼仙鲥，毗隰卜呐）¨，以脚脚，降产降陆）露，伪，多夕么、乡，图贯似删，弋、么杉，其中，：（丘。：（）（）图轴向节点划分图巧穿一根据已建模型，开发了用于预

9、测新型核动力系统中真流蒸发器的热工水力特性的程序匝（九。（。哳坼笱下）。在稳态热工水力特性计算中，采用迭代方法进行数值求解；在瞬态热工水力特性中，组。是病态方程组。为此选用算法求解。稳态计算结果脚。艺严刈矿缺液区换热（）由于求解问题为具有初值问题的刚性常微分方程，匕一。考：一善，）：卅膳计算初始条件在额定负荷下，新型核动力系统稳态运行参数如下：热功率：一回路压力：；堆芯入口温度：堆芯出口温度：；一。（老一以摩擦系数关联式户新型宜流蒸发器的热工水力分析一回路质量流量：堙；二回路质量流量：堙：给水温度：；出口蒸汽温度：；二回路压力：；新型核动力系统的稳态运行控制原理采用堆芯平均温度不变的方式，如图

10、所示“己：拿图堆芯稳态运行原理图计算结果分析程序可以计算不同稳态运行负荷下的热工水力特性本文给出在额定和额定负荷下的计算结果。图为二次侧流体在和额定负荷下直流蒸发器时焓沿轴向高度分布图。其中二次侧流体入口为过冷水，是单相换热。并且由于在入口段，的换热管数目较少，换热面积较小，所以焓上升缓慢；随后，二次侧流体进入套管段，换热管数目骤增，换热面积增大。并且受到来自套管段内管和套管外管外侧一次侧流体的双面加热，二次侧流体由过冷水的单相换热逐渐过渡为两相的沸腾换热、干涸后换热，最后发生单相蒸汽换热等不同传热工况，所以流体换热量随着换热工况的不同而不同，焓上升趋势也有明显的区别。在两相沸腾传热区，焓上升

11、趋势明显；在干涸后传热和过热蒸汽区，换热量减小，焓上升趋势缓慢。图为一次侧流体在和额定负荷下沿轴向高度自下而上的焓分布图。一次侧流体在套管段入口分为两股流体：套管内管内侧流体和套管外管外侧流体；一次侧流体在套管段出口又汇合为一股流体，所以按照的结构，把一次侧两股流体的焓分别计算一次侧流体自上而下穿过直流蒸发器时，和二次侧流体的换热量数值与二次侧流体所处的传热工况有关，所以一次侧流体焓自上而下下降的趋势与二次侧流体自上而下上升的趋势类似，就不再赘述。图二次侧流体焓沿轴向高度分布慧§§篡怒嚣蒜伽。轴向高度（图一次侧流体焓沿轴向高度分布图为内二次侧流体温度自下而上沿轴向高度分布。

12、二次侧流体的传热工况从单相传热变到过热蒸汽传热，温度逐渐升高，在两相区，保持为一常值，然后温度又逐渐增加。图二次侧流体温度沿轴向高度分布对照图和中和额定负荷各热工水力参数，可以发现在额定负荷二次侧流体的过冷段和沸腾段长度大于在额定负荷下的过冷段和沸腾段长度这主要是由于反应堆采用堆芯平均温度不变的运行方案所致，在较低运行功率下，堆芯进口温度较高，即在真流蒸发器二次侧流新型直流蒸发器的热工水力分析体进口段，二次侧流体和一次侧流体温差较大，换热强烈。换热量大于在额定负荷下的换热量，所以二次侧流体过冷段和沸腾段变短瞬态计算结果直流蒸发器的瞬态热工水力特性包括诸如负荷跟踪、失水事故等瞬态工况。本文给出个

13、计算堆芯负荷跟踪过程中直流蒸发器的瞬态热工水力特性计算结果示例。计算工况初始边界条件：堆芯功率在从满负荷变化到，随后保持不变如图所示计算工况初始边界条件：堆芯功率在从满负荷变化到，随后保持不变。图堆芯功率变化曲线图是直流蒸发器中一次侧流体进口和出口焓随时问变化曲线，都随着堆芯功率下降而下降图是二次侧流体压力随时问变化曲线。图是二次侧流体出口焓随时间变化曲线。图一次侧流体进口和出口焓随时间变化曲线图二次侧流体压力随时间变化曲线量薹二导羹爨图二次侧流体在中出口焓对照图、可以发现，在计算工况卞的热工水力参数在可以达到稳定，而计算工况需要花更长的时间达到稳定（左右），并且计算工况的热工水力参数变化范围

14、较工况变化参数范围结论本文建立了模拟热工水力特性的一维均匀流模型，开发了程序，它可以预测各种负荷下的稳态热工水力特性，也可以预测负荷跟踪过程中的瞬态热工水力特通过不同负荷下的稳态热工水力特性计算。可以发现在较高的运行堆芯功率下，过冷段和而对负荷跟踪中瞬态热工水力特性进间达到稳定，并且热工水力参数变化范围更大。但性。沸腾段长度较长这与实际的运行规则一致。行计算，发现在较低堆芯功率下。系统将花更长时是值得指出的是在瞬态计算中由于没有加入堆芯新型直流蒸发器的热工水力分析功率控制系统和给水流量调节系统，应该对程序改进，以便瞬态计算结果也可以应用到实际工程以下标参数标号密度，姆，质量流速，七（册）厅比焓，材幻热流密度，七肜，加热周长，压力，户口缈液体质量流量，姆，彳平均管道的流通截面积，肌摩擦系数皿加热通道的当量直径，小重力加速度，册，定压比热材，（培七工质量含汽量虬数数数动力粘度船（历）速度朋，尘摩擦压降，如生小全液相压降倍增因子，矿出，壁面。液体汽相两相饱和参考文献【】“，