核动力航天器管壳式换热器换热特性分析

李增恩, 张昊春, 赵姝婷, 张诚

(哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

空间核动力航天器具有效率高、功率大、使用寿命长等明显优势。相较于其他类型的换热器,管壳式换热器换热效率较低,但是具有结构简单、可靠性高、寿命长的优势,更适用于核动力航天器。

学者对管壳式换热器展开了广泛和深入的研究。孙立勇[1]和董天飞[2]对比分析了不同换热管道排列方式和管道类型的管壳式换热器的热工水力特性,研究了换热管道对换热器换热特性的影响。文献[3-6]通过实验和仿真方法分析了折流板对换热器传热和压降的影响,研究发现使用双弓形折流板时壳程流体的压降最小,折面螺旋折流板换热器的综合性能指标最好,流体流型均匀,可有效避免局部死区。邓斌等[7]采用全三维、交错网格法对管壳式换热器进行了仿真计算,并分析了壳侧的流动特性。贺士晶等[8]研究发现扁管换热元件相较于传统圆管可提高换热面积,在相同壳体内径的条件下可布置更多的换热管,在管内流体流量相同的条件下,流体流动速度更大可增强管内流体流动的湍流程度,有利于促进热量的传递,综合分析表明扁管的管内对流传热要优于传统圆管。戴传山等[9]根据实验获得的微细圆管换热器综合性能是传统换热器的2～5倍,且随着雷诺数的增加而增加。现有研究鲜有针对核动力航天器所需高温管壳式换热器的研究。在航空航天领域,计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)是航天器研制必不可少的研究方法,在航天器研发过程中发挥着重要作用,可为航天器设计提供理论依据。

本文通过仿真分析,研究了碱金属换热器在不同冷、热流体管道布置方式下的换热特性。其次,对不同碱金属工质的流动和传热特性进行对比分析。最后,对流体管道进行优化设计。

1 碱金属管壳式换热器模型设计

本文设计的管壳式换热器主要针对兆瓦级空间碱金属朗肯循环热电转换系统的经典技术路线。该系统由空间堆、朗肯循环系统、热管散热器等组成。空间核动力系统如图1所示。

图1 空间核动力装置示意Fig.1 Schematic diagram of space nuclear power plant

热电转换系统和辐射器之间连接管壳式换热器,把透平排出的乏汽冷却后进入新的循环。图2为管壳式换热器示意图,可以看出管壳式换热器由装满热工质的管壳和流动着冷流体的流体管道构成。换热器内流体管道数量庞大,本文取4个冷流体管道及其周围的热流体域进行仿真分析,为碱金属管壳式换热器设计提供理论支持。

图2 管壳式换热器Fig.2 Shell and tube heat exchanger

1.1 热力学模型

本文选择标准k-ε模型。控制方程为:

1)连续性方程:

∂(ρvi)/∂xi=0

(1)

2)动量方程:

(2)

3)能量方程:

(3)

4)k-ε方程:

(4)

5)湍动粘度为:

(5)

式中:ρ为流体密度;vi为速度在i方向上的分量;P为压力项;T为温度项;μ为粘度项;CP为定压比热容;C1ε、C2ε、σk、σε、Cμ为常数,在ANSYS fluent中取值为:C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3,Cμ=0.09。

用户定义函数(user-defined function,UDF)用于设置NaK的密度ρ、粘度η和热导率λ[10]。NaK的普朗特数为:

PrNaK=(cp (NaK)·ηNaK)/λNaK

(6)

在液态金属的湍流普朗特数模型中仍然缺乏固定的湍流普朗特数模型[11]。对于液态碱金属而言,恒定湍流普朗特数为1.5是可以接受的[12]。在本文中,通过回顾和评估现有的湍流普朗特数模型[13],采用了Cheng Tak模型计算湍流普朗特数。Peclet数Pe由雷诺数Re和普朗特数Pr计算:

Pe=Re·Pr

(7)

1.2 物理模型及网格无关性验证

简化换热结构由4个低温流体通道和高温流体管壳组成,高温和低温流体均为NaK。流体域为结构化网格,高温流体管壳为非结构化网格,通过网格组装方法,实现不同流体域之间的耦合换热。换热结构示意图如图3所示。

图3 管壳式换热器换热结构组装网格示意Fig.3 Schematic diagram of assembly grid for heat exchange structure of shell and tube heat exchanger

本文以低温流体速度5 m/s,高温流体速度5 m/s的流体管道为例,验证了网格的无关性。4种类型的网格以不同的网格密度划分(网格1为16 516 628个网格元素,网格2为17 342 459个网格元素,网格3为18 209 582个网格元素,网格4为19 120 061个网格元素)。所有类型的网格都通过S-S模型和标准k-ε模型计算。4种网格密度的模拟结果如图4所示。可以看出网格1在冷-热流体交界处温度T和流体出口处湍动能ETKE(turbulence kinetic energy)与其他网格密度具有较大的差异。为了提高计算精度和节省计算资源,网格3的单元密度用于下一步的模拟。

图4 4种网格密度计算结果Fig.4 Four mesh density calculation results

2 交叉管道式换热器仿真分析

2.1 传热特性对比分析

在碱金属换热器中,冷、热流体流动状态会在很大程度上对换热特性产生影响。为了对比分析不同冷、热流体流动状态下的传热和流动特性,本文设计5种流动方案,通过仿真分析,获得高温和低温流体出口处温度如图5所示。可以看出当低温流体速度较慢,高温流体速度较快时,出口处的低温流体温度较高,高温和低温流体之间温差较小,热应力较小,冷却效率更高。高温流体和低温流体流速相同时,换热效果较差。

图5 换热特性对比分析Fig.5 Comparative analysis of heat transfer characteristics

2.2 流动特性对比分析

通过对交叉管道式换热器流动特性的仿真分析,获得高温和低温流体出口处湍动能如图6所示。湍流动能表示流体颗粒的脉动程度。湍流动能越大,流体之间的脉动越强,在一定程度上反映了湍流能量耗散的程度。同时,运动的流体是粘性的,湍流动能可以在一定程度上反映流体颗粒之间的摩擦耗散和流体颗粒的脉动扩散的范围。通过仿真分析,获得高温和低温流体出口处ETKE如图6所示。可以看出当低温流体和高温流体速度差较大时,冷流体管道的ETKE较大。

图6 流动特性对比分析Fig.6 Comparative analysis of flow characteristics

湍流在靠近管壁处为层流边界层,热阻主要集中在层流边界层[14]。ETKE越大,层流边界层厚度变薄,热阻变小。因此,提高ETKE会影响流体与壁面的对流换热,使对流换热效率提高,从而改善换热器的换热特性。

3 工质对比分析及流体管道优化设计

3.1 碱金属工质对比分析

碱金属朗肯循环系统和热管辐射器系统中,碱金属工质通常选择K、Na和NaK。Na、K的物性由文献[10]获得。

设定低温流体速度3 m/s,高温流体速度5 m/s,对K、Na和NaK 3种适用的太空碱金属朗肯循环工质进行仿真分析,获得高温和低温流体出口处温度如图7所示。可以看出由于工质K的比热容最小,温度变化比较剧烈,随着冷流体的流动,冷热流体温差减小的比较快,不利于冷热流体换热过程的进行。工质Na的比热容最大,当换热器功率比较大时,适合选择Na作为冷却剂。

图7 碱金属工质换热特性对比分析Fig.7 Comparative analysis of heat transfer characteristics of alkali metal fluids

高温和低温流体出口处ETKE如图8所示,可以看出工质Na的湍动能较大且分布不均匀。在4个冷流体管道中间靠近冷流体壁面处的ETKE最大,这是由热流体与冷流体管道的切向作用力造成的。分析可知热流体在4个冷流体管道中间靠近冷流体壁面处的换热效果最好。在提高热流体流速的同时,缩短冷流体通道间的距离,可以提高换热器的换热性能。

3.2 流体管道优化设计

碱金属在流动过程中,热流体温度随着流体流动逐渐下降,冷流体温度随着流体流动逐渐上升。流体具有热胀冷缩的性质。冷流体温度上升,冷流体体积增大,在一定程度上导致冷流体速度上升。热流体温度下降,使得热流体体积减小,加快流速下降的过程。从上述分析可知,加快热流体流速更利于换热过程的进行。因此,本文将流体管道优化设计为冷流体管道截面积逐渐增大,热流体管道截面积逐渐减小的形式,以提高流体管道的换热能力。流体管道示意如图9所示。

图9 流体管道优化设计Fig.9 Optimization design of fluid pipeline

对流体管道优化设计后,高温和低温流体出口处温度分布如图10所示。可以看出在不改变换热工质和冷热流体体积的情况下,优化设计后的流体管道换热能力更强。

图10 优化设计流体管道换热特性对比分析Fig.10 Comparative analysis of heat transfer characteristics of optimized design fluid pipelines

优化设计后的换热结构在提高热流体侧换热能力的同时,减少热流体侧流动死区,并在一定程度上减小冷流体对流体管道的压力。高温和低温流体出口处ETKE分布如图11所示。可以看出对流体管道进行优化设计后,由于冷流体管道对热流体存在着轴向作用力,导致热流体横向流场强度增大,热流体在冷流体管道壁面附近的ETKE变小,分布更为均匀,换热器换热特性增强。

图11 优化设计流体管道流动特性对比分析Fig.11 Comparative analysis of flow characteristics of optimized design fluid pipelines

4 结论

1)国内外在管壳式换热器方面已经开展了一些研究,但是对空间核动力背景下的碱金属管壳式换热器研究较少,不能满足核动力航天器的发展需求。

2)由于Na工质比热容较大,当核动力航天器功率较大时,更适合选择Na工质作为冷却剂。K工质比热容较小,适合应用于低功率航天器或者余热排放系统。

3)在冷流体管道中间靠近冷流体壁面处的ETKE最大,反映了热流体在冷流体管道中间靠近冷流体壁面处的换热效果最好。缩短冷流体通道间的距离可以提高换热器的换热性能。

4)针对冷却剂热胀冷缩的特性,对流体管道进行优化设计,得出相对于传统的换热结构,优化设计后的管道布置结构换热能力更强。