一种海洋核动力热管式余热排出系统稳定运行条件分析方法技术方案

一种海洋核动力热管式余热排出系统稳定运行条件分析方法，1、确定热管参数，建立热管模型；2、确定热管换热器中热管数量及分布；3、初设海洋核动力热管式余热排出系统工作条件；4、建立海洋核动力热管式余热排出系统数学物理模型；5、Gear算法计算系统热工水力特性；6、校核热管是否出现传热极限，出现传热极限则系统不稳定；7、校核海洋核动力热管式余热排出系统海水流动状态及出口过冷度，出现核态沸腾或过冷度小于10℃，则系统不稳定；8、步骤6，7任意一种情况出现，则重新进行步骤3

【技术实现步骤摘要】
一种海洋核动力热管式余热排出系统稳定运行条件分析方法


[0001]本专利技术涉及海上核动力
非能动余热排出系统流动换热，具体涉及一种海洋核动力热管式余热排出系统稳定运行条件分析方法。

技术介绍

[0002]福岛核事故以后，核反应堆非能动的排出堆芯余热的安全装置被学者广泛研究，海上核动力与陆地核动力相比余热排出系统较为落后，且工作环境恶劣，安全性要求更高，但它工作的海洋环境是余热排出最理想、最方便的热阱，是天然优势。典型的核反应堆AP1000中非能动余热排出系统中的C型换热器，其原理为反应堆冷却液流过管内，冷却海水流过壳侧换热，此类换热器应用于海洋恶劣环境下的反应堆则存在安全隐患：(1)流体循环需要动力，非能动性不足；(2)主回路中的冷却剂受核燃料辐射，如果换热管道或连接管道和挡板有损坏，放射性冷却剂会泄漏而产生危险；(3)核反应堆停堆或事故工况时，非能动余热排出系统投入运行，高温高压的冷却剂突然流入换热器管内与管外低温低压的海水换热，管内外换热能力不匹配，海水容易出现局部过热沸腾，易产生水锤而振动损坏换热器；(4)若有一根管失效，则会导致整个换热器无法正常运行。

技术实现思路

[0003]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种海洋核动力热管式余热排出系统稳定运行条件分析方法，该方法针对不同几何尺寸及热工条件的海洋核动力热管式余热排出系统进行热工水力计算，得出系统安全稳定运行时的几何及热工参数范围。首先，建立热管及海洋核动力热管式余热排出系统数学物理模型，确定海洋核动力热管式余热排出系统工作条件；随后，采用吉尔算法计算海洋核动力热管式余热排出系统热工水力特性，校核热管是否达到传热极限，校核海水的流动状态及出口过冷度，进而判断系统是否安全稳定运行；最后，得出系统安全稳定运行时的系统几何参数及热工参数。本专利技术为海洋核动力系统安全稳定的非能动余热排出系统提供理论建议与指导。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采取了以下技术方案予以实施：
[0005]一种海洋核动力热管式余热排出系统稳定运行条件分析方法，步骤如下：
[0006]步骤1：以海洋核动力热管式余热排出系统中热管换热器的工作环境为依据，确定热管几何尺寸、管内工质、管壁及吸液芯材料、吸液芯结构，建立热管数学物理模型，热管数学物理模型如公式(1)和公式(2)所示：
[0007][0008][0009]式中：
[0010]T
i
——控制体温度,K
[0011]T
i,j
‑1——径向相邻下方控制体温度,K
[0012]T
i,j+1
——径向相邻上方控制体温度,K
[0013]m
i
——控制体质量,kg
[0014]C
p，i
——材料比热容,J
·
kg
‑1·
K
‑1[0015]t——时间,S
[0016]R
i
——热阻
[0017]R
wall,i
——热管壁面热阻
[0018]R
wick,i
——热管吸液芯热阻
[0019]D——管壁外径,m
[0020]D0——管壁内径,m
[0021]D
i
——吸液芯内径,m
[0022]λ
W
——热管壁面导热系数,W/(m2·
K)
[0023]K
eff
——热管吸液芯有效导热系数,W/(m2·
K)
[0024]L
i
——控制体长度,m
[0025]步骤2：以海洋核动力热管式余热排出系统的传热功率及单根热管传热性能为依据，初步确定热管换热器中的热管数量及分布；
[0026]步骤3：预设海洋核动力热管式余热排出系统工作条件，工作条件包括系统几何尺寸和边界条件，几何尺寸为热管式余热排出系统高度、出口管倾角，边界条件为热源质量流量、温度、压力，热阱质量流量、温度、压力，其中，热阱质量流量计算取决于热管换热器冷凝段外的自然循环，热阱质量流量变化dW/dt基于公式(3)的动量方程给出：如下；
[0027][0028]对于封闭的自然循环系统，加速压降为零，即：
[0029][0030]则：
[0031][0032]其中：
[0033]W——流体质量流量,kg/s
[0034]z——轴向高度,m
[0035]ρ——流体密度,kg/m3[0036]A——换热面积,m2[0037]f——摩擦阻力系数
[0063]U——通道加热周长，m
[0064]ρ
W
——壁面材料密度，kg/m3[0065]T
W
——热管壁面温度，K
[0066]T
c
——冷凝侧海水温度，K
[0067]T
wick
——热管吸液芯温度，K
[0068]S
c
——蒸发段外自然对流换热面积,m2[0069]S
W
——导热换热面积，m2[0070]δ
wall
——热管壁面厚度，m
[0071]δ
wick
——吸液芯厚度，m
[0072]R1——壁面热阻
[0073]R2——吸液芯热阻
[0074]热管换热器冷凝段外海水自然对流换热引起的焓变dh/dt由公式(11)能量方程得到，即：
[0075][0076]式中：
[0077]q——冷凝段外海水换热量
[0078]h——流体焓值，J/kg
[0079]M——自然循环流体的质量，kg
[0080]公式(11)中热管换热器冷凝段外流体换热量q考虑自然对流、过冷沸腾和核态沸腾三种换热形式，单相自然对流换热量由公式(12)的傅里叶定律计算，公式(12)中h
l
的计算选用恒定壁温条件下竖直壁面自然对流换热的Churchill
‑
Chu关系式公式(13)计算：
[0081]q＝h
l
S
c
(T
c
‑
T
W
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0082][0083]公式(13)选择垂直管的高度作为特征长度，适用于计算条件:Ra>10 10
；
[0084]其中：
[0085]Ra——瑞利数，Ra＝Gr Pr
[0086]Pr——瑞利数
[0087]Nu——努塞尔数
[0088]Gr——格拉晓夫数
[0089]h
l
——流体对流换热系数，W/m2·
K
[0090]T
c
——冷凝侧流体温度，K
[0091]S
c
——本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海洋核动力热管式余热排出系统稳定运行条件分析方法，步骤如下：步骤1：以海洋核动力热管式余热排出系统中热管换热器的工作环境为依据，确定热管几何尺寸、管内工质、管壁及吸液芯材料、吸液芯结构，建立热管数学物理模型，热管数学物理模型如公式(1)和公式(2)所示：理模型如公式(1)和公式(2)所示：式中：T
i
——控制体温度,KT
i,j
‑1——径向相邻下方控制体温度,KT
i,j+1
——径向相邻上方控制体温度,Km
i
——控制体质量,kgC
p，i
——材料比热容,J
·
kg
‑1·
K
‑1t——时间,SR
i
——热阻R
wall,i
——热管壁面热阻R
wick,i
——热管吸液芯热阻D——管壁外径,mD0——管壁内径,mD
i
——吸液芯内径,mλ
W
——热管壁面导热系数,W/(m2·
K)K
eff
——热管吸液芯有效导热系数,W/(m2·
K)L
i
——控制体长度,m步骤2：以海洋核动力热管式余热排出系统的传热功率及单根热管传热性能为依据，初步确定热管换热器中的热管数量及分布；步骤3：预设海洋核动力热管式余热排出系统工作条件，工作条件包括系统几何尺寸和边界条件，几何尺寸为热管式余热排出系统高度、出口管倾角，边界条件为热源质量流量、温度、压力，热阱质量流量、温度、压力，其中，热阱质量流量计算取决于热管换热器冷凝段外的自然循环，热阱质量流量变化dW/dt基于公式(3)的动量方程给出：如下；对于封闭的自然循环系统，加速压降为零，即：
则：其中：W——流体质量流量,kg/sz——轴向高度,mρ——流体密度,kg/m3A——换热面积,m2f——摩擦阻力系数g——重力加速度，m/s2，g＝9.81m/s2K——局部阻力系数，mΔp
f
——摩擦压降，MpaΔp
c
——局部压降，MpaΔp
el
——提升压降，MpaD
e
——流道当量直径，mL——管道长度，m步骤4：建立海洋核动力热管式余热排出系统数学物理模型，海洋核动力热管式余热排出系统数学物理模型包括：管道和腔室换热模型、热管换热器蒸发段与冷凝段壁面换热模型、热管换热器冷凝段外冷却液自然对流、过冷沸腾和核态沸腾换热模型；管道和腔室内流体工质流动换热引起的焓变dh
av
/dt由公式(6)的能量守恒方程计算出：式中：h
av
——流体的平均焓值，J/kgV——管道体积,m3h
in
——流体流入的焓值，J/kgh
out
——流体流出的焓值，J/kg热管换热器管壁既是流体流动的通道，也是换热媒介，热管换热器换热模型主要关注热管本身换热模型及热管换热器蒸发段及冷凝段与管外边界换热，热管换热器蒸发段采用均匀电加热方式时，壁面温度变化率由公式(7)的能量守恒方程得到，即：热管换热器冷凝段外由海水流动带走热量，已知流体温度及自然对流换热系数，即第三类边界条件，热管换热器冷凝段壁面温度变化率由公式(8)的能量守恒方程得到，即：
其中：其中：式中：m——管壁质量，kgq——热管表面热流密度，W/m2U——通道加热周长，mρ
W
——壁面材料密度，kg/m3T
W
——热管壁面温度，KT
c
——冷凝侧海水温度，KT
wick
——热管吸液芯温度，KS
c
——蒸发段外自然对流换热面积,m2S
W
——导热换热面积，m2δ
wall
——热管壁面厚度，mδ
wick
——吸液芯厚度，mR1——壁面热阻R2——吸液芯热阻热管换热器冷凝段外海水自然对流换热引起的焓变dh/dt由公式(11)能量方程得到，即：式中：q——冷凝段外海水换热量h——流体焓值，J/kgM——自然循环流体的质量，kg公式(11)中热管换热器冷凝段外流体换热量q考虑自然对流、过冷沸腾和核态沸腾三种换热形式，单相自然对流换热量由公式(12)的傅里叶定律计算，公式(12)中h
l
的计算选用恒定壁温条件下竖直壁面自然对流换热的Churchill
‑
Chu关系式公式(13)计算：q...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成龙，段倩妮，张大林，秋穗正，田文喜，苏光辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：