新型换热器水力实验研究

换热器

第２７卷第ｌ期（增刊）核动力工程Ｖ０１．２７．Ｎｏ．１（Ｓ１）２００６年２月ＮｕｃｌｅａｒＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦｅｂ．２Ｏ０６文章编号：０２５８—０９２６（２００６）０ｌ（Ｓ１）．００９９．０４

新型换热器水力实验研究

王盛，肖泽军，胡俊，黄兆庆，李华奇

（中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环国家级重点实验室，成都，６ｌ００４１）

摘要：所研究的新型换热器由５个单元组成。传热管为套管式结构，外管为钛管，外表面均布４条螺旋

状肋；内管为呈螺旋状的钛管；传热管之间呈正三角形紧密排列。新型换热器水力实验采用单项实验与整体水力实验相结合的技术路线，利用单项实验模拟各种通道．由标定得出流量与压降的关系。整体水力模拟体比例为ｌ：ｌ，并对局部进行了简化：用不锈钢直管代替螺旋状的传热管内管；在典型位置传热管上布置了

内管静压测管和外管外全压测管。第一阶段为带堵塞棒的实验，第二阶段为不带堵塞棒的实验。通过实验，

确定了新型换热器一次侧的流量分配和各部分阻力系数，实验数据已用于新型换热器设计改进。

关键词：新型换热器；单项实验；整体水力实验

中图分类号：ＴＬ３５３．１３文献标示码：Ａ

１引言热器为模拟对象进行实验研究，给出各部分的压

作为研究对象的新型换热器由５个单元组降，结合单项实验得到的流量与压降的关系曲线，成。传热管为套管式结构，外管为钛管，外表面得出各子通道的流量分配。

均布４条螺旋状肋；内管也为钛管，呈螺旋状。

传热管之间呈正三角形紧密排列。本实验为结构３单项实验

定型实验，目的是通过水力实验，研究新型换热根据新型换热器在有效传热段的横截面、各器一次侧流体在各子通道的流量分配因子和各部种子通道形状、数量、尺寸和当量直径，设计了分阻力系数，为设计及计算提供依据。４种子通道实验件（角通道除外）。实验件按相似原

理【ｌ】进行设计：①模型与原型相似准则数相等；

２实验技术路线②几何相似，模型与原型的几何尺寸大部分按

新型换热器流动通道可以分为内管内和外管１：１比例设计。实验件的取压点与整体模型上的外通道；外管外通道又包括中央子通道、周向边取压点一致。中央子通道实验件由３根紧靠着的通道、径向边通道和角通道（直角和钝角）共４种传热管组成，该实验件采用激光焊接的方法，大形式。大降低了变形，使得尺寸可以满足设计要求。周

因为有肋存在，沿程流动损失无法用已有的向边通道实验件和径向边通道实验件，为减少边经验公式估算，从而也就不能准确确定管间流量界的影响，设计为双向边通道；计算周向边通道分配。各种子通道的不同分布按等压降原理，有的流量时，流量采用总流量的一半。

不同的流量分配。由于套管是三角形排列，周向标定公式为

边通道有比其它子通道大得多的流通面积，当量△Ｐ＝厂（ｕ，ｐ，Ｑ）（１）直径也很大。为了流量分配的考虑设计了周向边式中，△尸为相应取压点间的压降，Ｐａ；抄为水通道带或不带堵塞棒的两种方案。的运动粘度，ｍ２／Ｓ；ｐ为水的密度，ｋ∥ｍ３；Ｑ为

为了得到新型换热器的流动特性，经过分析，单个子通道流量，ｍ３／Ｓ。

将实验分为两部分进行：①单项实验，研究各子按照文献【２］提供的实验数据，对于带单根通道流量与压降的关系；②整体实验，以一台换肋，棒束导程与棒径比大于５０，节距与直径之比收稿日期：２００５．１ｌ－ｏｌ；修回日期：２００６．０１．２０

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换热器

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核动力工程

Ｖ引．２７．Ｎｏ．１（Ｓ１）．２００６

小于１．１，当雷诺数为５．０×１０４时，用光滑管的Ｂｌａｓｕｉｓ公式计算的摩擦因子的修正值接近于ｌ。ＢｌａＳｕｉｓ公式为

ｋ＝紫

（２）

肌ｋ?去?譬

（３）

考虑到传热管４根肋的存在，换热器管束的

流动阻力为

（４）

式中，Ⅸ为修正因子，与节距和直径之比肋、排ｘ‰。?去?譬

导程与直径之比聊、当量直径反等因素有关。

№：里

ｆ５１

将式（５）代入式（４），得

胛必等∥”伽雾（６）

令子通道系数Ｋ为

Ｋ堪筹山专

∽

‘’

２Ｄ。１。“

么。”

则，换热器管束的流动阻力为

△Ｐ＝Ｋ?ｕｏ”?ｐ?Ｑ１’７５

（８）

单管标定实验转化为确定各子通道系数Ｋ。实验在水流量标准装置上进行，实验装置流

程示意见图ｌ。

通过对各子通道实验件的标定实验，获得了各种子通道△尸＿厂（ｕ，ｐ，９关系式（表１）。

９

图ｌ水流量标准装置示意图

Ｆｉｇ．１

Ｓｃｈ锄ｅｏｆＳｔａＩｌｄａｒｄ

ＤｅｖｊｃｅｆｏｒＷａｔｅｒ

ＦｌｏｗＲａｔｅ

节：ｓ＿—实验件；６一水泵；７．－一调节阀；扛—磅ｌ——水箱；ｋ调节阀；３一闸阀；４＿一伸缩

秤；９—一水池

万　

方数据表ｌ

子通道系数与通道的关系

１阻ｂｌｅｌ

ＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｏｆＳｕｂ－ＣｈａｎｎｅｌＣｏｅ硒ｃｉｅｎｔ、＼

ａ１１ｄＣｈａｎｎｅＪ

系数通道＼＼＼

子通道系数

有效范围

内

管

７８３×１０８对应模型上测点中央子通道

２２３×１０９对应模型上测点周向边通道１．６５×１０

７

对应模型上测点径向边通道

３．１ｌ×１０８

对应模型上测点

４整体水力实验

４．１实验模型

实验模型的设计遵循流体力学第二相似定理，即原型应满足几何（形状、尺寸和粗糙度）相似、运动相似和动力相似条件，用低温低压模型流动模拟原型流动。模型比例为ｌ：ｌ，材料为不锈钢。实验模型总图见图２。

图２新型换热器整体实验模拟体

Ｆｉｇ．２

ＩｎｔｅｇｒａＪＥｘｐｅｒｉｎｌｅｎｔＭｏｄｅｌｏｆＮｅｗ

Ｔｙｐｅ

Ｈｅａｔ

Ｅｘｃｈａｌｌｇｅｒ

模型的进、出口和原型的进、出口相同；不考虑传热管偏心环隙问的流动特性；因为螺旋状的传热管内管的导程比较大，在有效传热段只绕了几圈，故采用不锈钢直管来代替；传热管的外管和原型完全一样；在７根传热管上布置了７组内管静压测管和７组外管外全压测管（见图３）；在周向边通道设置了可拆堵塞棒。以换热器围筒作承压容器，在筒壁上相应位置开静压孔，测量换热器各区段的压降（见图４）。４．２实验装置

实验回路流程如图５所示。实验回路最高流量可达２６０ｍ３／ｌｌ。回路流量由涡轮流量计测量，流量由主泵电机的变频调速装置调节；水温用回

路上的铂电阻一体化温度变送器测量；泵进、出

＠甚两

图３带测点的传热管

Ｆｉ吕３

Ｔｒ￡ｍｓｆｅｒＨｅａｔＴｕｂｅｗｊｔｈＳｕｒＶｅｙ－Ｐｏｉｎｔ

换热器

王盛等：新型换热器水力实验研究１０ｌ

３ｍｍ和４０ｍｍ２。显然加堵塞棒后，若总流量不变，则从周向边通道旁流的流量大大减少。减少的那部分流量在内管、中央子通道和径向边通道中重

图４换热器压力测点布置示意图新进行流量分配，都有所增加，只是比例不同。Ｆ追．４ＳｃｈｅｍｅｏｆＰｒｃｓｓｕｒｃＳｕｒｖｅｙ－Ｐｏｉｎｔ内管内流过的流量明显增加，而中央子通道增加

Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｎｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ得较少，径向边通道的增加很少，周向边通道则

大大降低。从实验结果可知，换热器在周向边通道加了堵塞棒后，内、外管的流量分配有了明显的改善。

５．２各部分阻力系数

各部分阻力系数和总阻力系数的计算以传热管横截流通面作参考面，这样便于对比和换算。结果见表２。

阻力系数结果误差士２．３％。各区段实验ＲＰ数范围均包含了自然循环工况心数。

图５实验回路流程示意图表２各区段的阻力系数

ＲｅｓｊｓｔａＩｌｃｅＣｏｅｍｃｉｅｎｔｏｆＥａｃｈＳｅｃｔｉｏｎ

Ｆｉｇ．５ＦｌｏｗＰａ山ＣｏｎｆｌｇｕｒａｔｉｏｎｏｆＥｘｐｅｒｉｍ？ｎｔＬｏｏｐ、、＼系数有堵塞棒的无堵塞棒的口压力由压力表测量；压差用相应量程的区段＼Ｔａｂｌｅ２阻力系数阻力系数

进出口段（总）１６．８８１４．７ｌ

ｓＴ３００００型智能式差压变送器测量，并用ＩＭＰ稳态进口段２．７０１．９５数据采集系统采集差压变送器的输出信号，用专有效传热段ｌｌ４９ｌＯ．７６门的应用软件将这些信号转换成物理量。实验装管束出口段Ｏ．６４Ｏ．６０、置通过状态检查，满足要求。出口段２．０２１．４２５实验结果及分析６结论

实验分为两个阶段：第一阶段为不带堵塞棒（１）本实验采用单项实验和整体实验来研究的实验；第二阶段为带堵塞棒的实验。各子通道的流量分配的方法是恰当的，模型设计５．１流量分配合理。

各子通道的流量分配因子：（２）在周向边通道加堵塞棒的作用明显，有利（１）无堵塞棒时：于各子通道的流量分配的改善。

（３）取压点的布置合理，测量结果可靠，实验ｇ内：ｇ中：ｇ周：ｇ径２ｌ：０．６１：９．１９：１．９１；

（２）加堵塞棒后为数据已用于新型换热器设计改进。ｇ内：ｇ中：９周：ｇ径＝ｌ：Ｏ．６４：４．３３：１．９８参考文献：各个子通道流量经多次测量的结果，偏差均【ｌ】华绍曾，杨学宁．实用流体阻力手册，国防工业出版，在士１．１％的误差带内。１９８５年３月第一版．

换热器内、外管流量分配在加堵塞棒前后有『２１Ｅ．Ｈ．Ｎｏｖｅｎｄｓｔｅｍ，ＴｕｒｂｕｌｅｎｔＦｌｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＤｒｏｐＭｏｄｅｌ

ｆｏｒＦｕｅｌＲｏｄＡｓｓｅｍｂｌｉｅｓＵｌｉｌｉｚｉｎｇａＨｅＪｊｃａｌＷｉｒｃ－Ｗｒａｐ

如此大的改变，主要表现在周向边通道流通面积ＳｐａｃｅｒＳｙｓｔｅｍ，ＮｕｃｌｅａｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａＪｌｄＤｅｓｉｇｎ２２和当量直径的变化上。从换热器模型来看，无堵（１９７２）１９—２７．塞棒的周向边通道当量直径约为１０ｍｍ，通道面（下转第１０６页）积约为１１６ｍｍ２；加堵塞棒后则分别减少为约

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新型换热器水力实验研究

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年，卷(期)：王盛， 肖泽军， 胡俊， 黄兆庆， 李华奇， WANG Sheng， XIAO Ze-jun， HU Jun，HUANG Zhao-qing， LI Hua-qi中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环国家级重点实验室,成都,610041核动力工程NUCLEAR POWER ENGINEERING2006,27(z1)

参考文献(2条)

1.华绍曾;杨学宁 实用流体阻力手册 1985

2.E H Novendsterm Turbulent Flow Pressure Drop Model for Fuel Rod Assemblies Ulilizing a HelicalWire-Wrap Spacer System 1972

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