主回路热交换器热工计算

殷保稳

摘  要：HTHP试验回路是CARR应用平台的一项极其重要的研究内容，主回路系统是其中一个非常重要的系统，本论文介绍了主回路系统中主回路热交换器的类型和用途。通过热工计算和方案比较确定了最佳设计方案：主回路冷却水出口温度T2=311.62℃，二回路冷却水出口温度t2=113.38℃，平均温度△tm=209.11℃，U型换热管φ27×3mm，外套管φ38×3mm，换热腔组件数n=6，总传热面积S=1.53m2，换热段长度L=2×1.51m。设计的套管式换热器满足换热和相关设计标准的要求。

关键词：主回路  系统  热交换器  热工计算

中图分类号：TK172                            文献标识码：A                 文章编号：1674-098X（2020）07（b）-0088-03

Abstract： The HTHP test loop is an extremely important research content of the CARR application platform. The main loop system is one of the very important systems. This paper introduces the types and uses of the main loop heat exchanger in the main loop system. The best design plan was determined through thermal calculation and program comparison： the cooling water outlet temperature of the main circuit T2=311.62℃， the cooling water outlet temperature of the second circuit t2=113.38℃， the average temperature △tm=209.11℃， U-shaped heat exchange tube φ27 ×3mm， outer tube φ38×3mm， number of heat exchange chamber components n=6， total heat transfer area S=1.53m2， length of heat exchange section L=2×1.51m. The designed tube heat exchanger meets the requirements of heat exchange and related design standards.

Key Words： Main circuit; System; Heat exchanger; Thermal calculation

主回路热交换器作为瞬态综合试验回路的主回路系统中重要的非标设备，在正常运行工况下，主回路冷却水通过主循环泵送入辐照装置内，将试验燃料组件产生的热量带出，再流经主热交换器，将燃料棒束产生热量传给二回路冷却水，经冷却后的主回路冷却水再返回主回路管道系统，循环使用。

主回路系统组成包括：主回路热交换器、辐照装置、试验燃料组件、主回路过滤器和主循环泵等。主回路热交换器是主回路系统的关键非标设备，通过调节流量实现出口温度调节，使主回路运行参数控制在要求范围。

1  设备描述

主回路换热器为立式套管式换热器，换热主体由若干个套管式换热器并联组成，其具有密封性好，承受高压;单管程单壳程严格逆流换热，温差大，传热面积小，效果好;结构简单，制造安装和维修方便，安全可靠且经济性好等优点。温度高的一次水经一次侧入口联箱分流后，流经各U形换热管内，再经一次侧出口联箱流入一次侧主管道系统;二次冷却水由二次侧入口分配器经分流后，流经换热管与套管环隙，再经二次侧出口分配器流入二次侧主管道系统。一次冷却水和二次冷却水的换热方式为单管程单壳程完全逆流换热。

2  主要设计参数

见表1所示。

3  热工计算与方案优化

热工计算需要综合考虑传热学、流体力学和换热器结构等知识进行设计和计算。总体的热工计算思路是将热工计算划分为三个板块;（1）出口温度和平均温差的计算;（2）总传热系数的计算;（3）传热面积和换热管长度计算（详见图1）。

3.1 出口温度和平均温差的计算

采用迭代计算和Matlab编程的最小二乘法样条曲线拟合的方法，先设定两侧流体定性温度的初始值，查相关手册得到水的物性，再根据式（1）中的热量衡算方程求出两侧出口温度，若两次求得的温度满足此条件，则确定出口温度，进而求得对数平均温差;否则，将求得的出口温度和入口温度进行算术平均后，再通过最小二乘法确定流体物性，如此循环迭代，直至结果收敛。

利用迭代法和Matlab编程及最小二乘法计算主回路和二回路冷却水出口温度T2 和t2、密度ρ1和ρ2、比热Cp1和Cp2、黏度μ1和μ2及導热系数λ1和λ2。

3.2 总传热系数的计算

总传热系数是一个多参数互相关联影响的参数，包括流体物性、流动状态、操作条件和换热器结构等，其值的确定涉及到换热器的优化问题，需要考虑一次侧、二次侧对流传热系数，管壁导热系数和两侧流体污垢热阻。