熔盐堆用U型管壳式换热器的传热与流动特性模拟分析

为更好地理解和掌握熔盐换热器的运行特征,并给熔盐堆中换热器的设计和运行累积经验,本文以美国橡树岭国家实验室10 MWt熔盐实验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)用的主换热器为研究对象,基于该换热器的设计参数,应用管壳式换热器的理论计算方法(包括Kern方法和Bell-Delaware方法)、换热器设计软件HTRI Xchanger Suite和计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD)对换热器的关键性能指标(如换热系数、压降和换热功率)分别进行了计算分析,并与MSRE主换热器的实验数据进行比较分析。结果表明:两种理论计算方法(Kern方法、Bell-Delaware方法)、HTRI软件及CFD仿真模拟的结果与实验结果的差异均在可接受范围内。其中,Kern方法与MSRE实验所得的换热量相差最大,约为15%;HTRI软件模拟与MSRE实验所得的总换热系数相差最小,为0.16%。理论计算方法、换热器设计软件及CFD仿真均在不同程度上适用于熔盐-熔盐换热器设计,且CFD仿真还可以对换热器内部传热和流动细节进行直观描述。

改进粒子群算法在管壳式换热器优化设计中的应用

以管壳式换热器每年的总费用作为目标函数,采用含随机扰动算子的改进粒子群算法(IPOS)对其进行了优化.在优化设计模型中,采用Bell-Delaware法描述壳侧流体,优化变量选择管程数、换热管内径和外径及间距、管布置方式、封头类型、流体分配方式、密封条数、壳程压降和管程压降.对采用IPOS算法得到的优化结果与相关文献的结果进行了比较.结果表明:IPOS算法具有全局收敛、计算精度高、稳定性好的特点,并能获得约束条件下管壳式换热器的最优设计方案.

管壳式换热器壳程流动与传热的数值模拟与验证

针对目前管壳式换热器中微小流路建模和分析的缺失,采用"分段建模,整体综合"的模拟方法成功地开发了小间隙流路A和E的建模技术,建立了既包含主体流路(B、C),也包含微小泄漏流道(A、E)的全流路管壳式换热器流动与传热模型,得到了与实际换热器相适应的几何模型。通过应用CFD软件Fluent进行分段模型的流动与传热研究,对各流道在折流空间中对传热和流动的影响进行了分析讨论。同时,采用整体综合技术,将数值模拟获得的局部流动与传热数据综合整理得到了换热器传热和阻力系数的整体法关联式。并将模拟结果与几种著名的壳程计算方法(Donohue、Kern和Bell-Delaware,流路分析)进行了对比,结果发现数值模拟与Bell-Delaware法和流路分析法的结果吻合良好,最大偏差小于20%。

管壳式换热器壳侧传热系数的影响因素研究

针对工业中广泛应用的管壳式换热器,采用3种计算方法分别对7台典型的管壳式换热器的壳侧换热系数进行了计算研究,研究结构参数对壳侧传热性能影响的结果表明,管子节径比、折流板间距、折流板与壳体内壁间隙以及管束外缘与壳体内壁间隙等结构参数均对壳侧的传热性能有较大影响。不同计算方法之间的对比分析表明:以Kern法和Donohue法为代表的整体法相对于流路分析法偏差较大,而Bell-Delaware法的计算精度相对于整体法明显提高。