CN109443043A - 一种铅-超临界二氧化碳中间换热器 - Google Patents

一种铅-超临界二氧化碳中间换热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铅‑超临界二氧化碳中间换热器，应用于铅基堆超临界二氧化碳(S‑CO2)布雷顿循环发电系统，其主要由四个模块印刷电路板换热器(PCHE)、圆柱形筒体、竖直隔板、水平隔板、换热流体通道等部分构成。S‑CO2流体沿4个PCHE构成的正方形中心下降管到达圆柱形筒体底部后沿PCHE冷侧换热平板上的微通道向上流动吸收热侧换热平板传递的热量，随后S‑CO2在PCHE另一端经集流器收集后向上离开中间换热器；液态铅从中间换热器圆柱形筒体上端的孔道进入PCHE热侧换热平板上的微通道将热量传递给另一侧的S‑CO2，然后从圆柱形筒体下端的孔道流出中间换热器以完成热量交换。本发明具有功率可灵活组装、密封性好、紧凑性高等特点，符合铅基堆发电系统模块化、小型化的发展需求。

Description

一种铅-超临界二氧化碳中间换热器
技术领域
本发明属于第IV代先进核电技术，具体涉及一种应用于铅基堆超临界二氧化碳(S-CO2)循环发电系统的铅-超临界二氧化碳中间换热器。
背景技术
我国一次能源消费主要以煤炭为主，化石能源的大量消耗造成了严重的环境污染，使我国面临着生态环境恶化、能源资源枯竭的挑战。为了解决能源与环境问题，政府做出了在安全前提下高效发展核电技术、加快核电项目建设的决策。为了提高核电的经济性、安全性及燃料循环利用率，更彻底地解决核废物处理、核扩散等问题，世界范围内正在研究面向承担基础电力负荷的高效率、低成本、稳定电力输出、低资源利用废物量的第IV代核电技术。其中，铅基反应堆(简称“铅基堆”)作为第IV代先进核反应堆发电系统和加速器驱动次临界(ADS)核能系统的主要候选堆型之一，引起了广泛的关注和研究。为了满足铅基堆发电系统高效、模块化、小型化的发展需求，亟待在铅基堆系统中发展高效、紧凑、经济的新型循环形式。
超临界二氧化碳(S-CO2)作为工质构建的动力循环近年来成为了研究热点，是目前很具有应用前景的热功转换方案之一。S-CO2布雷顿循环具有较高的效率，稳定性好，且系统简单，装置尺寸较小，可以提高动力转换系统的安全性、经济性和紧凑性，因此，将S-CO2循环应用于铅基堆发电系统是近几年核电领域一个重要研究课题。铅基堆S-CO2循环发电系统由铅基堆热源、铅/S-CO2中间换热器、S-CO2循环子系统构成，其中，铅/S-CO2中间换热器是将铅基堆释放的热量传递给S-CO2循环子系统进行热功转换的关键换热设备。采用高效紧凑的铅/S-CO2中间换热器技术是提高铅基堆发电系统燃料利用率、紧凑性及经济性的一种有效途径，然而，铅/S-CO2中间换热器的设计方法目前发展还并不成熟，同时由于S-CO2循环在高温高压工况下运行，使得传统管壳式铅/S-CO2中间换热器存在设计效率低下、空间尺寸规模较大等缺点。因此需要提出一种新型、高效、紧凑的铅/S-CO2中间换热器。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应用于铅基堆S-CO2循环发电系统的具有高效率、高紧凑性的铅-超临界二氧化碳中间换热器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括圆柱形筒体以及环绕圆柱形筒体中轴线均匀设置的四个模块印刷电路板换热器PCHE，四个模块印刷电路板换热器PCHE形成位于中心的S-CO2中心下降管，S-CO2中心下降管的顶端与套装在圆柱形筒体内的S-CO2进口管道相连通，圆柱形筒体上设置有液态铅进口通道和液态铅出口通道，圆柱形筒体中位于PCHE上、下方均设置有隔离液态铅进、出口通道的环形上、下端竖直隔板，模块印刷电路板换热器PCHE的上端开设有S-CO2出口管道和液态铅进口管道，下端开设有S-CO2进口管道和液态铅出口管道，S-CO2出口管道和S-CO2进口管道分别位于上、下端竖直隔板的内侧并与S-CO2中心下降管、S-CO2出口通道相连通，液态铅进口管道和液态铅出口管道分别位于上、下端竖直隔板的外侧并与液态铅进口通道和液态铅出口通道相连通。
所述的模块印刷电路板换热器PCHE由多个刻蚀有半圆形微通道的冷/热平板交替堆叠扩散焊接而成，所述冷/热平板采用SS316不锈钢材料。
所述的模块印刷电路板换热器PCHE的进口端设有均流分布器，出口端设有集流器，上端的均流分布器与液态铅进口管道连接，下端的均流分布器与S-CO2进口管道连接，上端的集流器与S-CO2出口管道连接，下端的集流器与液态铅出口管道连接。
所述的圆柱形筒体上部设置有S-CO2出口通道，S-CO2出口通道位于模块印刷电路板换热器PCHE顶部，液态铅进口通道的内侧，S-CO2进口管道的外侧，流出S-CO2出口管道的S-CO2，沿S-CO2出口通道向上流动，最终从S-CO2出口通道顶部的S-CO2水平出口管道流出。
所述的圆柱形筒体底部为封闭的圆锥形结构。
所述的相邻模块印刷电路板换热器PCHE的上端之间设置上端水平隔板，下端之间设置下端水平隔板，上端竖直隔板将上端水平隔板分为内侧上端水平隔板和上端外侧水平隔板，下端竖直隔板将下端水平隔板分为下端内侧水平隔板和下端外侧水平隔板。
所述的S-CO2中心下降管和S-CO2进口管道的截面均为正方形，S-CO2中心下降管的底端与由下端竖直隔板、圆柱形筒体底部和下端内侧水平隔板构成的S-CO2腔体连接。
所述的液态铅进口通道设在模块印刷电路板换热器PCHE顶部，由上端竖直隔板、圆柱形筒体、上端外侧水平隔板三部分焊接构成。
所述的液态铅出口通道设在圆柱形筒体底部，由圆柱形筒体、下端外侧水平隔板、下端竖直隔板三部分焊接构成。
与现有管壳式铅/S-CO2中间换热器相比，本发明的优点在于：
(1)本发明综合考虑了铅/S-CO2中间换热器冷侧S-CO2流体高温高压运行工况的特殊性，采用模块PCHE(高效、紧凑、耐高温高压)取代传统的管壳式换热器进行热量交换，大大提高了铅/S-CO2中间换热器的换热效率和紧凑性，符合铅基堆发电系统高效率、模块化、小型化的发展需求。
(2)由于PCHE有最大尺寸限制，直接采用PCHE作为铅/S-CO2中间换热器的换热功率有限，本发明采用4个模块PCHE组装而成，可实现更大的换热功率。
(3)本发明可以根据不同的换热需求设计不同的模块PCHE结构及尺寸，具有功率可灵活组装、密封性好、安全性高等特点。
(4)本发明可以为铅/S-CO2中间换热器的优化设计提供参考，例如可优化铅/S-CO2中间换热器内部模块PCHE的数量和布局方式；可优化模块PCHE中冷热两侧换热平板上微通道的数目和尺寸，实现冷热流体良好的温度匹配、提高换热效率，从而开发出更高效紧凑的铅/S-CO2中间换热器型式。
附图说明
图1为本发明铅/S-CO2中间换热器结构示意图。
图2为图1中A-A剖视图。
图3为图1中B-B剖视图。
图4为模块PCHE换热段的结构示意图。
图5为模块PCHE的整体外观结构。
图6为热侧换热平板和冷侧换热平板的结构及内部流体流动路径示意图。
图中，1为模块印刷电路板换热器PCHE；2为圆柱形筒体；3为下端竖直隔板；4为正方形S-CO2中心下降管；5为S-CO2出口通道；6为上端竖直隔板；7为S-CO2进口管道；8为铅进口通道；9为铅出口通道；10为上端内侧水平隔板；11为上端外侧水平隔板；12为S-CO2出口管道；13为液态铅进口管道；14为下端内侧水平隔板；15为下端外侧水平隔板；16为S-CO2进口管道；17为液态铅出口管道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参见图1至图5，本发明包括底部为封闭的圆锥形结构的圆柱形筒体2以及环绕圆柱形筒体2中轴线均匀设置的四个模块印刷电路板换热器PCHE1，每个模块印刷电路板换热器PCHE1均由多个刻蚀有半圆形微通道的采用SS316不锈钢材料制成的冷/热平板交替堆叠扩散焊接而成，四个模块印刷电路板换热器PCHE1形成位于中心的S-CO2中心下降管4，S-CO2中心下降管4的顶端与套装在圆柱形筒体2内的S-CO2进口管道7相连通，圆柱形筒体2上设置有液态铅进口通道8和液态铅出口通道9，圆柱形筒体2中位于PCHE1上、下方均设置有隔离液态铅进、出口通道8、9的环形上、下端竖直隔板6、3，模块印刷电路板换热器PCHE1的上端开设有S-CO2出口管道12和液态铅进口管道13，下端开设有S-CO2进口管道16和液态铅出口管道17，S-CO2出口管道12和S-CO2进口管道16分别位于上、下端竖直隔板6、3的内侧并与S-CO2中心下降管4、S-CO2出口通道5相连通，液态铅进口管道13和液态铅出口管道17分别位于上、下端竖直隔板6、3的外侧并与液态铅进口通道8和液态铅出口通道9相连通，其中圆柱形筒体2上部设置有S-CO2出口通道5，S-CO2出口通道5位于模块印刷电路板换热器PCHE1顶部，液态铅进口通道8的内侧，S-CO2进口管道7的外侧，流出S-CO2出口管道12的S-CO2，沿S-CO2出口通道5向上流动，最终从S-CO2出口通道5顶部的S-CO2水平出口管道流出，相邻模块印刷电路板换热器PCHE1的上端之间设置上端水平隔板，下端之间设置下端水平隔板，上端竖直隔板6将上端水平隔板分为内侧上端水平隔板10和上端外侧水平隔板11，下端竖直隔板3将下端水平隔板分为下端内侧水平隔板14和下端外侧水平隔板15；
S-CO2中心下降管4和S-CO2进口管道7的截面均为正方形，S-CO2中心下降管4的底端与由下端竖直隔板3、圆柱形筒体2底部和下端内侧水平隔板14构成的S-CO2腔体连接；
液态铅进口通道8设在模块印刷电路板换热器PCHE1顶部，由上端竖直隔板6、圆柱形筒体2、上端外侧水平隔板11三部分焊接构成；
液态铅出口通道9设在圆柱形筒体2底部，由圆柱形筒体2、下端外侧水平隔板15、下端竖直隔板3三部分焊接构成。
参见图6，本发明的模块印刷电路板换热器PCHE1的进口端设有均流分布器，出口端设有集流器，上端的均流分布器与液态铅进口管道13连接，下端的均流分布器与S-CO2进口管道16连接，上端的集流器与S-CO2出口管道12连接，下端的集流器与液态铅出口管道17连接。
本发明的的工作流程如下：
S-CO2循环子系统出来的高压S-CO2流体首先通过S-CO2进口管道7，然后沿正方形的S-CO2中心下降管4进入中间换热器，到达中间换热器锥形底部后向上进入4个模块PCHE的均布分流器，然后沿模块PCHE冷侧换热平板上的微通道向上流动吸收热侧换热平板上液态铅传递的热量，随后S-CO2在模块PCHE另一端经集流器收集后进入S-CO2出口通道5，最后S-CO2向上流动通过S-CO2水平出口管道离开中间换热器。由于铅/S-CO2中间换热器设置在铅基反应堆堆芯容器中，其沉浸在堆芯冷却剂液态铅中，所以高温低压的液态铅从中间换热器的圆柱形筒体2外侧的液态铅进口孔道流入液态铅进口通道8，然后自上而下通过模块PCHE的均布分流器进入热侧换热平板上的微通道进行换热，将热量传递给另一侧的S-CO2后液态铅在模块PCHE下端经集流器汇合后进入铅出口通道9，然后通过中间换热器的圆柱形筒体2外侧的液态铅出口孔道流出中间换热器，至此液态铅和S-CO2在中间换热器内完成了热量交换。
以下是一个具体实施例。
1)给定铅/S-CO2中间换热器的进出口设计工况、两种换热流体的质量流量及换热器压降，选定PCHE的微通道直径dc、换热平板厚度t及微通道间距pc等基本结构参数，表1给出了铅/S-CO2中间换热器的设计运行工况参数列表。
表1铅/S-CO2中间换热器设计运行工况参数
2)给定铅/S-CO2中间换热器冷、热平板上总的换热微通道数目。
3)假设：(a)S-CO2总质量流量在所有微通道内均匀分布；(b)换热器内平板的温度呈周期分布(一冷一热)；(c)冷、热平板及每个微通道的几何结构参数相同；(d)每个轴向位置横截面上的流体温度分布均匀；(e)假定通道内的导热面积与对流传热面积相等；(f)导热距离等于冷、热平板的间距(即为换热平板厚度t)，将导热情况简化为两个平板之间的导热。基于这些假设得出，所有冷、热微通道之间的换热情况相同，只需要考虑一对微通道之间的换热情况即可。
4)采用有限分段的方法，将铅/S-CO2中间换热器等热量的离散成若干个子换热器，根据铅/S-CO2中间换热器的设计运行工况参数获得每个子换热器进出口的焓值。给每个子换热器赋压降初值，获得每个子换热器进出口的工况参数初值及铅/S-CO2中间换热器总压降初值。
5)采用Gnielinski关联式计算第1个子换热器直线形半圆型微通道内湍流S-CO2的努赛尔数Nu，如式(1)所示：
式中，Nu为努塞尔数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；fc为Moody摩擦系数，其定义式如下：
公式(1)、(2)在Re低于5×106，Pr为0.5～2000的范围内均有效。Re的定义如下：
式中，v是S-CO2流速；γ为S-CO2的运动粘度；deq为半圆型微通道的水力直径，采用式(4)计算：
对于层流流动，Hesselgraves建议S-CO2的Nu取为4.089，但Re为2300时采用Gnielinski公式计算的Nu值不等于4.089，这会导致Nu的计算结果出现不连续性的情况，从而引起程序的迭代发散问题。因此，对于Re为2300～5000的过渡流区域，S-CO2的Nu可以通过式(5)计算：
式中，NuG|Re＝5000为Re为5000时采用Gnielinski公式计算获得的Nu值。
6)第1个子换热器中液态铅的Nu可以根据式(6)进行计算
Nu＝5+0.025(Re·Pr)0.8 (6)
7)根据式(7)分别求出液态铅、S-CO2传热流体的对流传热系数h:
式中，λ为定性温度下各传热流体的导热系数。
8)通过式(8)、(9)计算第1个子换热器总的对流传热系数h1和换热器长度L1；
式中，hh和hc分别为第1个子换热器热侧流体和冷侧流体的对流传热系数；λ为换热器材料的导热系数；q1是第1个子换热器的换热量；Tavh和Tavc为第1个子换热器热侧流体和冷侧流体的平均温度。
9)计算第1个子换热器的压力损失，其由两部分组成：一个是局部水头损失，另一个是沿程摩擦阻力损失。直线形微通道PCHE的局部压力损失主要发生在微通道的进出口，采用式(10)计算：
式中，C为无量纲局部水头损失系数，进口处取0.5，出口处取1.0；ρ为局部流体密度；v为局部流体速度。
沿程摩擦阻力引起的压降通过式(11)计算：
式中，f为沿程阻力系数，需要通过经验关联式获得。
10)沿程阻力系数f的计算需要涵盖所有可能的流态，从层流一直到稳定湍流，首先需要准确的确定不同流态的边界Re。当S-CO2流体处于层流到湍流的过渡流状态时，f会随Re发生剧烈变化，层流和过渡流的边界雷诺数Re0采用Hagen-Poiseuille公式计算，表达为式(12)：
式中，△为管壁的相对粗糙度(表面粗糙度和管径的比值)。公式(12)的适用范围为△>0.007，若△<0.007，则Re0＝2000。对于层流(Re<Re0)区域，采用式(13)计算f：
当Re大于Re0时S-CO2进入过渡流状态，f开始下降，但是下降的幅度越来越小，在某一点f达到最小值后开始逐渐增加，此拐点处的雷诺数定义为Re1，采用Samoilenko公式计算Re1：
公式(14)的适用范围为△>0.007，若△<0.007，则Re1＝2000。在Re0<Re<Re1范围内f可通过式(15)计算：
过渡流区域f持续增大的上限雷诺数Re2定义为：
在过渡流(Re1<Re<Re2)范围内不断增大的f可通过式(17)计算：
当△<0.007，上式中f*＝f1，若△>0.007，则f*＝f1-0.0017；f1为雷诺数为Re1时的摩擦阻力系数，采用式(18)、(19)进行计算：
f1＝0.032(Δ<0.007) (18)
S-CO2稳定湍流在雷诺数为Re3处产生，湍流发展阶段和稳定湍流的边界雷诺数定义为Re3，采用式(20)计算：
Re3＝441.19Δ-1.1772 (20)
对于湍流发展阶段(Re2<Re<Re3)，采用Colebrook-White关联式计算f：
对于稳定湍流区域(Re>Re3)，Idelchik建议采用Prandtl-Nikuradse公式计算f，但Prandtl-Nikuradse公式在某些雷诺数和相对粗糙度处所求的f不够平滑，因此，稳定湍流区域S-CO2的f取Colebrook-White公式在雷诺数为Re3处的值。
11)计算第1个子换热器的压降，若计算值等于所赋的子换热器压降初值，则第一个子换热器计算完成，反之则将计算的压降值作为压降初值，重复步骤4)～10)再次计算第1个子换热器的压降，直至压降初值和计算压降值的相对误差满足要求，则第1个子换热器压降迭代求解完成，获得第1个子换热器的出口工况、换热管长L1、压降。
12)根据第1子换热器的出口工况，采用类似第1子换热器的方法对第2个子换热器进行迭代求解，获得第2个换热器的进出口参数、压降及管长L2，以此类推获得其余子换热器的进出口参数、压降及管长Li。
13)对所有子换热器管长和压降进行求和即可获得铅/S-CO2中间换热器的总长度和总压降。
14)若计算的铅/S-CO2中间换热器总压降与步骤4)中给定的铅/S-CO2中间换热器总压降初值的相对误差不满足要求，则将计算的总压降值作为铅/S-CO2中间换热器总压降初值，重复步骤5)～13)再次计算铅/S-CO2中间换热器总压降值，直至计算总压降值和总压降初值和的相对误差满足要求，则迭代收敛。
15)判断最终迭代收敛的铅/S-CO2中间换热器总压降值是否满足表1种对压降的要求，若不满足，则调整步骤2)中铅/S-CO2中间换热器冷、热平板上总的换热微通道数目，重复步骤3)～14)直至计算的铅/S-CO2中间换热器总压降值满足要求。
16)由于PCHE换热平板的尺寸不是任意选择的，目前PCHE换热平板的最大宽度为600mm，最大高度为600mm，最大长度为1500mm，若将分流器包考虑在内，则换热器换热段的最大长度为1350mm。根据铅/S-CO2中间换热器总的换热微通道数目、换热器总长度、PCHE基本结构参数，对中间换热器的几何尺寸进行计算，PCHE单元厚度tn为热侧平板厚度ths和冷侧平板厚度tcs之和，采用式(22)进行计算：
tn＝tcs+ths (22)
模块PCHE管长L、高度H、宽度W等几何参数的计算方法如下：
L＝ln·nn (23)
H＝npl·tn (24)
W＝(nc+2)·pc (25)
式中，ln为子换热器管长；nn为离散的子换热器个数；npl为热平板或冷平板的个数；nc为单个冷平板上微通道的数目；pc为通道宽度/mm。
17)计算确定4个模块PCHE的几何尺寸参数如表2所示。
18)将四个模块PCHE竖直布置在一个圆柱形筒体2的圆周方向上，通过在模块PCHE的上下端焊接水平及竖直隔板形成换热流体通道、在圆柱形筒体上打孔、安装S-CO2进出口管道即可组装成一个完整的中间换热器，根据模块PCHE的几何尺寸设计确定铅/S-CO2中间换热器的几何结构参数，如表2所示。
表2中间换热器设计结果
19)上述计算中使用到的参数定义如下：

Claims (9)

1.一种铅-超临界二氧化碳中间换热器，其特征在于，包括圆柱形筒体(2)以及环绕圆柱形筒体(2)中轴线均匀设置的四个模块印刷电路板换热器PCHE(1)，四个模块印刷电路板换热器PCHE(1)形成位于中心的S-CO2中心下降管(4)，S-CO2中心下降管(4)的顶端与套装在圆柱形筒体(2)内的S-CO2进口管道(7)相连通，圆柱形筒体(2)上设置有液态铅进口通道(8)和液态铅出口通道(9)，圆柱形筒体(2)中位于PCHE(1)上、下方均设置有隔离液态铅进、出口通道(8、9)的环形上、下端竖直隔板(6、3)，模块印刷电路板换热器PCHE(1)的上端开设有S-CO2出口管道(12)和液态铅进口管道(13)，下端开设有S-CO2进口管道(16)和液态铅出口管道(17)，S-CO2出口管道(12)和S-CO2进口管道(16)分别位于上、下端竖直隔板(6、3)的内侧并与S-CO2中心下降管(4)、S-CO2出口通道(5)相连通，液态铅进口管道(13)和液态铅出口管道(17)分别位于上、下端竖直隔板(6、3)的外侧并与液态铅进口通道(8)和液态铅出口通道(9)相连通。
2.根据权利要求1所述的铅-超临界二氧化碳中间换热器，其特征在于，所述的模块印刷电路板换热器PCHE(1)由多个刻蚀有半圆形微通道的冷/热平板交替堆叠扩散焊接而成，所述冷/热平板采用SS316不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述的铅-超临界二氧化碳中间换热器，其特征在于，所述的模块印刷电路板换热器PCHE(1)的进口端设有均流分布器，出口端设有集流器，上端的均流分布器与液态铅进口管道(13)连接，下端的均流分布器与S-CO2进口管道(16)连接，上端的集流器与S-CO2出口管道(12)连接，下端的集流器与液态铅出口管道(17)连接。
4.根据权利要求1所述的铅-超临界二氧化碳中间换热器，其特征在于，所述的圆柱形筒体(2)上部设置有S-CO2出口通道(5)，S-CO2出口通道(5)位于模块印刷电路板换热器PCHE(1)顶部，液态铅进口通道(8)的内侧，S-CO2进口管道(7)的外侧，流出S-CO2出口管道(12)的S-CO2，沿S-CO2出口通道(5)向上流动，最终从S-CO2出口通道(5)顶部的S-CO2水平出口管道流出。
5.根据权利要求1所述的铅-超临界二氧化碳中间换热器，其特征在于，所述的圆柱形筒体(2)底部为封闭的圆锥形结构。
6.根据权利要求1所述的铅-超临界二氧化碳中间换热器，其特征在于，所述的相邻模块印刷电路板换热器PCHE(1)的上端之间设置上端水平隔板，下端之间设置下端水平隔板，上端竖直隔板(6)将上端水平隔板分为内侧上端水平隔板(10)和上端外侧水平隔板(11)，下端竖直隔板(3)将下端水平隔板分为下端内侧水平隔板(14)和下端外侧水平隔板(15)。
7.根据权利要求6所述的铅-超临界二氧化碳中间换热器，其特征在于，所述的S-CO2中心下降管(4)和S-CO2进口管道(7)的截面均为正方形，S-CO2中心下降管(4)的底端与由下端竖直隔板(3)、圆柱形筒体(2)底部和下端内侧水平隔板(14)构成的S-CO2腔体连接。
8.根据权利要求6所述的铅-超临界二氧化碳中间换热器，其特征在于，所述的液态铅进口通道(8)设在模块印刷电路板换热器PCHE(1)顶部，由上端竖直隔板(6)、圆柱形筒体(2)、上端外侧水平隔板(11)三部分焊接构成。
9.根据权利要求6所述的铅-超临界二氧化碳中间换热器，其特征在于，所述的液态铅出口通道(9)设在圆柱形筒体(2)底部，由圆柱形筒体(2)、下端外侧水平隔板(15)、下端竖直隔板(3)三部分焊接构成。
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