朱麗娜，葉原武，侯 斌，陳振佳

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

鈉-空氣熱交換器是鈉冷快堆事故余熱排出系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，換熱管內(nèi)的液態(tài)鈉與殼側(cè)的空氣進(jìn)行自然對流換熱，將事故余熱排出系統(tǒng)中間回路的熱量傳遞給空氣，由空氣將熱量帶出，排出堆芯余熱[1-4]。為滿足大型快堆事故余熱排出系統(tǒng)非能動設(shè)計的要求，鈉-空氣熱交換器設(shè)計采用了垂直布置的翅片式換熱管，殼程空氣由下部風(fēng)門進(jìn)入鈉-空氣熱交換器，在管間空隙由下向上運動并沖刷翅片管束與換熱管內(nèi)的鈉進(jìn)行對流換熱。由于該設(shè)備中流量分配器的設(shè)置，空氣在不同位置處沖刷換熱管的流速及角度是不同的，其傳熱特性及阻力特性與傳統(tǒng)翅片管換熱器有很大不同。

近年來，國內(nèi)外對翅片管傳熱和阻力特性進(jìn)行了大量研究[5-13]，如陳貴兵等[9]對不同幾何條件(管徑、肋間距以及橫向、縱向管間距)、不同雷諾數(shù)以及不同排列(順排及叉排)管束的傳熱和流阻進(jìn)行試驗，得到了6種翅片管型傳熱及流阻的關(guān)聯(lián)式供工程設(shè)計使用；馬有福等[10-12]在分析管束布置結(jié)構(gòu)對鋸齒螺旋翅片換熱管特性影響機理的基礎(chǔ)上對錯列排布的鋸齒螺旋翅片管束進(jìn)行試驗研究，獲得了翅片螺距、

縱向和橫向節(jié)距對鋸齒螺旋翅片管束換熱與阻力特性的影響規(guī)律，并提出了相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式；卓寧等[13]對齒型螺旋翅片管束進(jìn)行了傳熱及通風(fēng)阻力特性試驗研究，并將其傳熱及阻力特性與相同結(jié)構(gòu)的整體型螺旋翅片管束進(jìn)行了比較。但上述研究均未對空氣以不同流動角度沖刷換熱管時傳熱及阻力特性進(jìn)行研究。

因此本文以快堆鈉-空氣熱交換器工程設(shè)計需求為研究背景，以擬采用的翅片管結(jié)構(gòu)和管排布置方案為對象，分別進(jìn)行空氣沖刷角度為90°和30°時翅片管束傳熱與流動阻力特性試驗研究。通過分析翅片管束實際換熱量和流阻隨溫度、空氣流速以及沖刷角度的有效試驗數(shù)據(jù)，得到空氣不同沖刷角度下鈉-空氣熱交換器翅片管的傳熱及阻力特性，為鈉冷快堆鈉-空氣熱交換器大型化和高緊縮比設(shè)計優(yōu)化與定型提供理論依據(jù)。

1 試驗系統(tǒng)及試驗件設(shè)計

1.1 試驗系統(tǒng)

翅片管傳熱特性及阻力特性試驗的試驗系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由空氣流動回路系統(tǒng)、空氣冷卻系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、參數(shù)測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)組成。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

本試驗采用鼓風(fēng)機將常溫空氣吹入風(fēng)道，實現(xiàn)與試驗件的熱交換，帶走翅片管束的熱量，翅片管束由電加熱系統(tǒng)進(jìn)行加熱；升溫后的空氣再經(jīng)過換熱器(空氣冷卻器)被冷卻至較低溫度，冷卻后的空氣通過尾部風(fēng)道排至大氣。換熱器(空氣冷卻器)內(nèi)以常溫水為冷卻介質(zhì)冷卻高溫空氣，之后進(jìn)入冷卻塔。冷卻塔可將空氣換熱器管內(nèi)的高溫水降至常溫，水泵可將降溫后的水重新輸送至換熱器實現(xiàn)循環(huán)。

1.2 試驗件設(shè)計

基于鈉-空氣熱交換器翅片管束布置方案，設(shè)計了2種試驗件(圖2、3)。試驗件1、2均分別布置了36根翅片換熱管(不包含半環(huán)的翅片管)，呈三角形排列，橫向管間距由92 mm變?yōu)?19.1 mm。翅片管內(nèi)徑32.5 mm，翅片高15.9 mm?？諝鈱υ囼灱?、2中翅片管束的流動沖刷角分別為90°及30°。

2 數(shù)據(jù)處理方法

空氣與翅片管的換熱量Q包括翅片管翅片與空氣的對流換熱量和翅片管基管與空氣的對流換熱量兩部分[14]。

Q=hAr(Tw-Tf)+Afηfh(Tw-Tf)=

A0h(Tw-Tf)η0

(1)

(2)

式中：h為空氣側(cè)換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ar為兩肋片之間的根部表面積，m2；Af為肋片的表面積，m2；Tw為翅片管基管外表面平均溫度，℃，由布置在翅片管基管外壁的熱電偶測得；Tf為管外流體的平均溫度，℃，由試驗件前后的熱電偶測得；A0為肋片表面積與根部面積之和，m2；η0為翅片管翅片總效率；ηf為翅片管翅片效率。

圖2 試驗件1結(jié)構(gòu)(a)及其E面(b)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test piece 1 (a) and its E plain (b)

圖3 試驗件2結(jié)構(gòu)(a)及其E面(b)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test piece 2 (a) and its E plain (b)

阻力系數(shù)f定義為：

(3)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；Δp為流動阻力，Pa；N為流動方向上的管排數(shù)；Gm為最窄流通截面處的空氣質(zhì)量流速，kg/(m2·s)。

Δp由布置在試驗件前后的壓力測點測得。在試驗件的進(jìn)、出口，沿風(fēng)道周長分別等距離布置10個測點，得到試驗件進(jìn)、出口平均風(fēng)壓。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 管排對管束傳熱性能的影響

空氣分別以90°和30°沖刷翅片管束時，不同管排的傳熱特性如圖4所示。

從圖4可看出，空氣沖刷管束時無論是90°還是30°，第2排換熱管的換熱系數(shù)均最大，而第1排換熱管的換熱系數(shù)最小?？諝鉄峤粨Q器的管束為同心圓式布置，其特點是相鄰3根換熱管為三角形布置，但從內(nèi)層到外層，管間距逐漸增大。當(dāng)空氣從內(nèi)層管束流動到外層時，前排管束對后排管束起湍流發(fā)生器的作用，因此后

排管束的換熱系數(shù)大于前排管束的換熱系數(shù)，故第2排換熱管的傳熱特性相比第1排大幅提升。當(dāng)空氣從第2排繼續(xù)向后流動時，由于后排管束的管間距逐漸增大，最窄通道的流動面積增大，即參與傳熱的空氣流速相對減少，所以后排管束的傳熱能力相比第2排會有所降低。

3.2 空氣沖刷角度對管束傳熱特性的影響

第1、2及第8排翅片管在空氣沖刷角度分別為90°和30°時翅片管束的傳熱特性如圖5所示。

從圖5可看出，空氣沖刷角度越大，管束的傳熱特性越高。這是因為沖刷角越小，空氣主流流動方向越與翅片管軸向平行，空氣在管外流動時，靠近翅片管基管外壁區(qū)或翅片根部區(qū)域由于流體黏性導(dǎo)致的黏滯力，使流體速度減緩，空氣流動速度很小，只有翅片中徑到頂端高度區(qū)域內(nèi)具有一定的速度，通過對流將熱量從翅片表面?zhèn)鬟f到主流區(qū)。空氣沖刷角度增大后，雖然近基管外壁區(qū)或翅片根部區(qū)域由于流體黏性導(dǎo)致的黏滯力使流體速度也會出現(xiàn)一定的減緩，但空氣側(cè)的驅(qū)動力作用遠(yuǎn)大于黏滯力的影響，整個翅片部分仍具有較強的流速，因此沖刷角度為90°時的傳熱特性明顯高于沖刷角度為30°時的傳熱特性。

圖4 沖刷角度90°和30°時不同管排的傳熱特性Fig.4 Heat transfer characteristics of different rows with air flow angles of 90° and 30°

圖5 管排1、2、8在不同沖刷角度下的傳熱特性Fig.5 Heat transfer characteristics of pipe row 1, 2 and 8 under different flow angles

3.3 空氣沖刷角度對管束阻力特性的影響

空氣分別以90°和30°角度沖刷翅片管束時，阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化如圖6所示。

圖6 阻力系數(shù)f隨雷諾數(shù)的變化Fig.6 Resistance coefficient change with Reynolds number

從圖6可看出，空氣沖刷角度越大，相同雷諾數(shù)下的阻力系數(shù)越大。如前文所述，隨著沖刷角的減小，空氣主流流動方向與翅片管軸向趨于平行，翅片根部區(qū)域由于流體黏滯力導(dǎo)致完全橫向沖刷管束的流量越小，而對于相同結(jié)構(gòu)的翅片管其阻力的大小僅與流體流速呈正比，所以沖刷角度為90°時的阻力特性明顯高于沖刷角度為30°時的阻力特性。

4 結(jié)論

本文以鈉冷快堆鈉-空氣熱交換器工程設(shè)計擬采用的翅片管結(jié)構(gòu)和管排布置方案為對象，分別進(jìn)行了空氣沖刷角度為30°和90°時翅片管束傳熱與流動阻力特性的試驗研究，通過試驗主要得到以下結(jié)論。

1) 空氣分別以30°和90°角度沖刷翅片管束時，第2排換熱管束的換熱最強，其余管排換熱均小于第2排換熱管，在低雷諾數(shù)區(qū)不同管排換熱系數(shù)最大相差約45%。因此，在進(jìn)行鈉-空氣熱交換器換熱面積余量設(shè)計時應(yīng)對此充分考慮。

2) 對于相同管排的翅片管，空氣以90°角度沖刷翅片管束時的換熱系數(shù)及阻力系數(shù)明顯大于30°角度沖刷管束，最大相差約44%。因此，在進(jìn)行鈉-空氣熱交換器換熱面積余量設(shè)計時應(yīng)考慮不同位置處空氣的沖刷角度。

3) 空氣以90°角度沖刷翅片管束時的阻力系數(shù)明顯大于30°角度的，以完全90°橫向沖刷翅片管的阻力經(jīng)驗關(guān)系式開展鈉-空氣熱交換器的阻力計算式具有很大的保守性。