超临界水冷堆换热特性分析研究

超临界水在垂直管内换热及流动不稳定性研究张震;杨星团;姜培学【摘要】清华大学核能与新能源技术研究院在建的250 MWt高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)中蒸汽发生器二回路为亚临界水，由于反应堆能提供750℃的高温氦气，二回路水可提高到超临界压力和温度，采用多堆带一机方案可与超临界蒸汽透平机组匹配，因此研究超临界水在管内的流动、传热以及流动不稳定现象非常重要。

本文通过使用RNG k-ε模型耦合强化壁面函数，发现模拟结果与Yamagata等的实验数据符合较好。

基于此模型，分析了超临界流体流动时换热系数的变化规律，并采用瞬态计算方法，线性增大加热功率，分析了流动不稳定现象，发现流体一旦进入不稳定区，进出口流量的波动非常严重，甚至出现倒流，应尽可能避免此类现象。

%Water in the steam generator secondary circuit in the 250 MWt pebble-bed module high temperature gas-cooled reactor (HTR-PM)which was built by the Institute of Nuclear and New Energy Technology (INET)of Tsinghua University,is subcritical. Its pressure and temperature can increase to supercritical as the reactor provides high temperature helium up to 750 ℃,then the rea ctors and the supercritical steam genera-tors can work with the supercritical steam turbine by adapting multiple-reactors with one-turbine unit design concept. Therefore, the flow, heat transfer and the flow instability of supercritical water in tubes are of great importance.RNG k-εturbulence model coupled with enhanced wall treatment was applied in the simulation,and the numerical calculation results agree well with the experimental results of Yamagata, et al.The heat transfer coefficients of supercritical waterin a tube under various heat fluxes were analyzed based on this model.The flow instability was also studied by line-arly increasing the heating power with time.The results show that the inlet and outlet flow rates oscillate intensely once the flow enters the unstable zone and even reserve flow can be observed.Such phenomena should be avoided.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2015(000)011【总页数】6页(P2011-2016)【关键词】超临界蒸汽发生器;超临界流体传热;流动不稳定【作者】张震;杨星团;姜培学【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084;清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084;清华大学热能系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TL331Key words：supercritical steam generator; supercritical fluid heat transfer; flow instability模块式高温气冷堆(MHTR)是当今世界公认的先进反应堆堆型之一。

超临界压力水在竖直上升管内的传热工况摘要：随着社会经济的高速发展，我国在电力需求方面正在不断增长，能源结构也取得了长足的发展，在这个新能源时代，寻找一种安全、经济、有效的能源已成为人们关注的焦点，也是我国能源战略的核心问题之一。

超临界水堆作为第四代核能系统国际论坛提出的六种先进核能系统中唯一的水冷堆，以其具有热效率高、系统简单、成本经济等优点而被广泛研究应用，而超临界压力流体传热特性作为研发超临界水堆的基础，具有重要的研究意义。

本文就超临界压力下竖直上升管传热工况进行分析与回归评价。

关键词：超临界压力流体竖直上升管热加速效应传热关联分析目前，我国正在积极研制和开发超临界压力电机组。

超临界机组具有热效率高、能耗低和污染小等优点，是改变我国电站落后面貌的有效途径之一。

超临界机组的发展迫切需要了解和掌握超临界压力下水在管内的传热规律。

在超临界压力下，流体的物性随温度变化较大，传热规律也发生了根本的变化。

前人对超临界压力下流体在管内的传热特性已进行了大量的研究，并且在实验的基础上提出了许多经验关联式来预测其传热特性，但由于变物性问题的复杂性，超临界流体的传热问题至今尚未得到彻底解决，不同研究者的结论无法统一起来形成系统的理论。

本文对超临界压力下水在垂直上升管内的传热特性进行了实验研究。

1. 超临界水堆的主要特征①系统简单：超临界压力水由于采用的是直接循环，没有蒸汽发生器和稳压器，因而不会产生相变，又减少了反应堆装置流程，简化了系统。

②热效率高：超临界水的外环境是在高温、高压下的，且是与能源转化设备直接循环作用，这大大的提高了整个热功转换系统的转换效率，比之轻水反应堆要高出大约三分之一，达到45%。

③安全、经济：由于超临界压力水没有相变，不会产生核心部件烧毁现象，而且采用的是非能动安全系统，保证了整个超临界水堆的安全性；又超临界水堆与之同等功率的核电厂比较，由于其系统简单、设备投入少、效率高，在经济性方面具有极大的优势。

超临界流体加热传热换热性能研究在现代化的社会中，科技的不断进步和创新已成为了推动社会进步的重要因素之一。

超临界流体正是其中的一个重要研究领域之一。

它可以应用于工业上的种种领域，如能源开发、制药、化工等等。

本文将会以超临界流体的研究与应用为主题，探讨超临界流体加热、传热、换热的一些基本性质和应用。

一、超临界流体的特性超临界流体是指将物质加热到超过其临界点的状态所形成的物质状态。

在这种状态下，物质的密度和粘度与气体相似，而其介电常数和溶解度和液体相似。

超临界流体的物理特性十分独特，这使得它广泛应用于很多领域，比如说化学、制药、食品等等。

此外，超临界流体的压力、温度、密度之间存在微妙的关系，这提供了在各种研究领域中进行有针对性的实验操作。

二、超临界流体加热的特点超临界流体的加热方式有两种：一种是采用立体加热方式，另一种是使用饱和蒸汽加热方式。

前者是将超临界流体置于加热器内，通过将加热管内加热体的热量传递到流体中来加热流体。

而后者是采用相同的方式将加热器置于超临界流体中，直接将加热器通过高温和高压状态下的热量来传递给超临界流体。

而与传统加热方式相比，超临界流体的加热方式更加高效，能够更为快速的将加热器内的热能有效的传递给流体。

三、超临界流体传热的特点超临界流体的传热性能受到各种因素的影响，例如压力、温度、密度等等。

同时，在超临界流体内，在高加压和高温度条件下，会出现相变现象，这会使得传热性能发生不同程度的变化。

实际上，超临界流体传热的过程中，处于超临界状态的流体会以非常大的速度流动，这会激起一些类似于“涡流”的运动，从而改善传热效率。

同时，超临界流体还有着更高的热扩散性能，这能够促进流体内部能量的迅速传递。

四、超临界流体换热的特点超临界流体在换热领域中也有着广泛的应用，例如制冷和空调、化学、制药领域。

实际上，超临界流体换热的过程可以分为几个不同的阶段。

首先，在加热器内部，流体会吸收热量，变得更加热量。

接下来，在换热区域内，这些流体经过换热器后，流体会释放出相应的热量。

反应堆子通道内超临界水传热特性数值研究在核电工程中，反应堆子（Reactor）是一种典型的高温高压热源，其传热系统能够提供高热效率，满足核电站的可持续发展。

反应堆子的效率对反应堆子的整体操作与稳定性有着至关重要的作用。

从工程应用的角度出发，深入研究反应堆子通道内超临界水传热特性十分必要。

于是，本文将以《反应堆子通道内超临界水传热特性数值研究》为标题，着重探讨反应堆子通道内超临界水传热特性。

文章将深入探讨反应堆子通道内超临界水传热特性的数值计算方法，并通过实例演示用于实验设置、数据可视化以及核电工程应用的关键参数计算结果，以期为反应堆子的正常运行提供参考。

二、反应堆子通道内超临界水传热特性研究2.1实验设置反应堆子通道内超临界水传热特性数值研究需要设计一种反应堆子模型，通过实验来研究反应堆子通道内超临界水传热特性。

研究中采用的模型为直径100mm的厚壁模型实验管，管的表面粗糙度为3.3微米（m）。

实验元件系统采用了恒定温度差控制的双壁联流实验管，实验管内超临界水的流量为2.9×104 m3/s，实验管外层为热源，热源温度为420℃。

2.2数值模型为了研究反应堆子通道内超临界水传热特性，我们研究时采用了数值模拟计算技术，即通过建立数学模型和计算流动场，从而求解反应堆子通道内超临界水传热特性。

具体而言，我们采用了边界元法（BEM）、有限体积差分法（FVTD）和温度场求解法，快速求解各种反应堆子通道内超临界水流体的粘性损失和热性损失的温度场、压力场和流动场。

2.3数计算通过上述数值模型，我们可以推导出反应堆子通道内超临界水传热的关键参数，如对流换热系数、热传导系数等，以及流体的流量、温度、压力等物理参数。

我们还可以通过计算算子计算出反应堆子通道内超临界水传热特性的流体性参数，如总热损失、稳态热损失、总表面热损失等。

三、实例演示在本次实验中，我们采用了重庆某反应堆子的数据对反应堆子通道内超临界水传热特性进行了实验设置、数值模拟和参数计算，具体结果如下：1）实验管内超临界水的温度为378.4℃，压力为83.79MPa；2）流量为2.9×104 m3/s，热源温度为420℃；3）热传导系数为84.453W/(mK)，对流换热系数为68.329W/(m2K)； 4）总热损失为712.558kW，稳态热损失为579.894kW，总表面热损失为132.664kW。

超临界电站锅炉的换热器设计和传热特性研究超临界电站锅炉是一种高效能、低污染的发电设备，其核心部件之一即为换热器。

本文将对超临界电站锅炉的换热器设计和传热特性进行详细的研究和探讨。

一、超临界电站锅炉换热器设计1. 设计原则超临界电站锅炉的换热器设计需要考虑以下几个原则：- 确保换热器能够高效传导热量，提高热能利用率；- 提供足够的换热面积，以满足电站的发电需求；- 遵循流体力学的原理，保证流动的稳定和流速的适宜；- 考虑换热器的结构强度，以保证设备的安全运行。

2. 换热器类型超临界电站锅炉的常用换热器类型包括：- 管式换热器：通过将冷热流体分别通过内外管道进行热交换；- 冷凝器：将蒸汽转化为水，释放热量；- 水冷式换热器：通过将冷热流体分别通过内外冷却管进行热交换。

3. 材料选择在超临界电站锅炉换热器设计中，材料的选择对于设备的安全运行至关重要。

常用于超临界电站锅炉换热器的材料包括不锈钢、合金钢和高温合金等。

这些材料具有良好的抗腐蚀性和高温强度，能够耐受超临界条件下的高温高压环境。

二、超临界电站锅炉换热器传热特性研究1. 传热机理超临界电站锅炉换热器的传热特性研究需要深入了解传热机理。

传热机理主要包括对流传热和辐射传热两部分。

- 对流传热：通过流体的对流传递热量，在换热器内部形成热流，提高热能的传递效率。

- 辐射传热：通过热辐射的方式传递热量，具有无需介质传递和大范围传热的特点。

2. 传热特性研究超临界电站锅炉的传热特性研究可以通过实验和数值模拟相结合的方法来进行。

- 实验研究：通过在实际设备上进行传热实验，收集和分析实验数据，得出传热特性的规律和参数。

- 数值模拟：通过建立数学模型，利用计算机进行模拟计算，预测和分析传热特性，优化设备设计。

3. 提高传热效率的方法为了提高超临界电站锅炉换热器的传热效率，可以采取以下几种方法：- 增加传热面积：增加换热器的换热面积，可以增加热量的传递效率。

- 优化流体流动方式：通过改变流体的流动方式，如增加涡流或射流等，可以提高传热速度和效率。

中国核工业集团公司中国核动力研究设计院中国核动力院超临界水冷堆技术研发简介李翔主要内容一、研究目的及国内外研究状况二、预期主要技术指标、初步研究方案及途径分析三、预期技术研究成果及应用方向¾背景z世界核电发展概况950多年，400多个机组在运行、核电比例14.8%（2006）、90%水堆9发展到第三代，已经开始第四代的研发，安全性、经济性更高z国内情况930多年，在运行情况：11个机组、核电比例不到2%、100%水冷堆9电力需求日益加大、电力结构不合理、化石燃料、环境污染、气候变化9《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006年—2020年）中提出“大力发展核能技术，形成核电系统技术自主开发能力”9当前，国家明确提出核电发展“两步走”方针, 其中第二步，“在跟踪国际四代核能系统先进技术的同时，开发更经济、更安全的第四代核能系统”z超临界水冷反应堆(SCWR)的特点“第四代核能系统国际论坛”2002年10月从上百个创新设计概念中选出6个最有发展前景的作为“第四代”候选堆型，其中包括—SCWR9SCWR电站（临界点374°C，22.1MPa）四个特点（1）机组热效率高（25MPa，500°C，～45%）→提高燃料利用率+经济性（2）与常规轻水堆相比，系统可大大简化→大幅度减少建造费用不存在沸腾现象，与BWR系统相比，不需要汽水分离系统采用直接循环，与压水堆相比，不需要蒸汽发生器、主循环泵和稳压器（3）与常规轻水堆相比，相同的厂房规模，机组功率可大型化（100~150万千瓦级）进出口焓差大，流量较低+ 流动阻力减小→泵功率可以减小水装量减少，在失水事故时，质能释放降低，可设计较小的安全壳直接循环系统，使得NSSS布置紧凑，使核岛厂房小型化（4）技术继承性好可充分借鉴轻水堆的技术经验从原理上讲，SCWR电站的汽轮机系统与超临界火电机组一样，考虑辐射屏蔽9因此，世界主要核电国家都将SCWR作为水冷堆后续发展的重点，制定了具体研究计划，进行了大量的研究工作，已取得相当进展9由于种种原因，我国SCWR研发工作尚未全面起步。

超临界机组冷却器换热效果差分析与治理摘要：本文结合某电厂660MW超临界机组主辅设备冷却器换热效果差问题进行了分析，并根据现场实际情况，提出了对冷却器进行在线清洗的技术措施，在实际运用中取得了良好的效果。

关键词：超临界机组；冷却器；换热效果差；分析治理1.概述冷却器是一种换热设备，工作原理是通过水或空气为冷却介质，通过热交换的方式，带走设备运行产生的热量，确保设备在允许温度范围内安全运行，适用于电力、化工、冶金等领域。

常用的冷却器分为管式冷却器和板式冷却器。

最要由外部壳体和内部冷却器两大部分组成，其中外部壳体包括筒体、盖板等，内部冷却器包括换热片、换热管等。

冷却器的布置方式有立式和卧式。

由于冷却器的材质不同，换热流体的介质也会不同，冷却器会形成一个密闭的系统，冷却介质会在系统内不停的循环流动，进而进行热量交换。

二、存在的问题某电厂660MW 机组主辅设备冷却水主要由循环水和工业水提供。

其中工业水主要提供给大小汽轮机冷油器、定冷水冷却器、空压机冷却器等冷却用水，循环水主要提供给凝汽器、开闭式冷却器等冷却用水。

通过一段时间的运行，由于工业冷却水水质长期不好，随着环境温度的上升，冷却器换热片结垢变得越来越来严重，冷却器冷却效果变得越来越差，存在以下问题：1.运行中发现小机A组冷油器换热效果变差，润滑油温达50℃左右，连续2次采用草酸和5%的硫酸溶液进行在线清洗，但效果不佳，不得不投用2组冷油器并列运行，以维持润滑油温度在40℃左右。

运行中发现冷水B组冷却器换热效果变差，定冷水温达50℃左右，采用草酸和5%的盐酸溶液进行在线清洗，但效果不佳，不得不投用2组冷却器并列运行，以维持润滑油温度在42℃左右。

经化验测试，换热器结垢成分主要为为钙、镁、铁、硅等化学元素，采用草酸、5%硫酸或盐酸溶液等都无法将换热器结垢清洗去除，严重影响设备的安全稳定运行。

三、改进措施针对冷却器结垢严重、采取多种方式清洗效果不佳等问题，已严重影响到设备的安全稳定运行，经大量调研、了解和试验，决定对冷却器结垢清洗的方式改进如下：1. 药品选用：经大量调研、了解，并咨询相关专业化工人员，采用氨基磺酸清洗效果较好，这是一种新型的化学除垢清洗方式。