CN111256095B - 一种印刷电路板式蒸汽发生器的制造方法及该种方法制造的蒸汽发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可应用于核反应堆的印刷电路板式蒸汽发生器。由换热芯体，进口节流装置，热流体进口与出口，冷流体进口与出口组成。其中换热芯体采用由化学蚀刻方法制备的换热板经过扩散焊工艺焊接形成，冷流体进口节流装置由泡沫金属构成，泡沫金属形体结构采用一种基于CFD、代理模型、曲面参数化方法及优化算法的复合方法设计。本发明通过泡沫金属的缓冲、吸能和阻力特性，结合曲面设计对局部阻力特性的微调作用，改善各通道流量分配的均匀性，抑制沸腾工况下的流动不稳定性，避免换热板应力集中，提高换热效率，可实现印刷电路板式换热器在核反应堆蒸汽发生器典型工况下的应用，有利于核反应堆系统小型化。

Description

一种印刷电路板式蒸汽发生器的制造方法及该种方法制造的 蒸汽发生器

技术领域：

本发明属于换热器设计领域，具体涉及一种印刷电路板式蒸汽发生器的制造方法及该种方法制造的蒸汽发生器，可用于生成过热蒸汽。

技术背景：

蒸汽发生器是核反应堆系统的核心设备之一。在蒸汽发生器中，一回路(热侧)提供来自核反应堆的热量。以压水反应堆为例，其通过一回路的高压液态水加热二回路给水形成过热蒸汽。在二回路侧(冷侧)，水经历了单相流(液)—两相流—单相流(气)的演变过程。蒸汽发生器的运行工况属于典型的高温高压工况，且由于二回路中存在沸腾现象，增加了热工水力特性的复杂性，对换热器的综合性能、可靠性提出了更高的要求。较为典型的蒸汽发生器一般采用螺旋盘管式换热器或直管式换热器。以西屋公司联合多个研究所和大学共同设计的国际革新安全反应堆(IRIS)堆为例，其采用了8个螺旋盘管式直流换热器布置在环形空间作为蒸汽发生器。相比于直管式蒸汽发生器，螺旋通道能够显著强化换热，提高沸腾工况临界热流密度，降低热应力并有助于紧凑式的布置。但由于存在壳侧流体，且小直径管的加工存在困难性，导致了其水力直径难以进一步降低，使得螺旋盘管式蒸汽发生器的紧凑度存在瓶颈。印刷电路板式换热器是一种新型紧凑式换热器，其通过化学蚀刻方法在金属板上加工换热通道，再将各层冷热流体换热板交替堆叠形成换热芯体，通过扩散焊工艺实现各层换热板的连接，可以达到非常小的水力直径，获得足够大的换热面积和总体换热系数，从而大幅提高换热器紧凑度，同时具有优越的承温承压能力，能够适应各种极端工况的运行要求，非常适合于作为蒸汽发生器，有利于推动核电、核动力系统小型化。

与此同时，印刷电路板式换热器作为一种典型的多通道换热器，且其进出口结构存在复杂的几何形体过渡，因而普遍存在着各通道流量分配均匀性的问题，现有研究表明流量的不均匀分配会显著影响换热器的综合性能。除此之外，当印刷电路板式换热器应用于蒸汽发生器时，二回路(冷侧)存在沸腾工况，在并行小通道中有可能出现流动不稳定现象。而且对于紧凑式换热器，不均匀的流量分配往往会加剧流动不稳定性。根据水动力学理论，可采用节流阀等装置通过提高上游阻力占比抑制流动不稳定性，但这一做法必然引入较大的压降损失。而在通过增大上游阻力实现流动稳定性调控，未考虑对流动不均匀性的控制。事实上，由于流动均匀性和流动稳定性均属于水力特性，因此如何实现流动均匀性和流动稳定性的控制是必须统筹考虑的，现有技术中也还未见能够解决此类问题的可行方案。

中国专利申请CN107679294A公开了一种基于CFD、代理模型、曲线参数化方法及优化算法的多通道板式换热器进出口设计方法，该设计方法能准确而高效的完成多通道板式换热器进出口的优化设计，减小换热器进出口区域复杂流道结构对流量分配的影响，从而提高流动均匀性，减小流动阻力，改善换热器综合性能。但是这种设计方法的设计对象是进出口处的通道壁面起点，其优化过程中仅是对通道壁面的调整，实际上起到类似于挡板、导流板等的导流作用，并且也没有涉及金属节流结构及对其形状的设计。另外该专利试图解决的是多通道板式换热器层内流量分配不均匀性问题，未涉及板间流量分配不均匀性的问题；且由于其改变了换热芯体的核心换热区域流道的一致性，必然会引起温度分布的不均匀，降低换热效率，从而降低热设计的可靠性。

发明内容：

为实现印刷电路板式蒸汽发生器在核反应堆系统的应用，克服实际运行中存在的流动不均匀性、流动不稳定性问题，本发明提出一种包含泡沫金属节流装置的印刷电路板式蒸汽发生器，这种结构能够同时改善沸腾工况下印刷电路板式换热器的流动均匀性和流动稳定性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种印刷电路板式蒸汽发生器的制造方法及该种方法制造的蒸汽发生器，包括设计冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口、冷流体进口节流装置和换热芯体，其特征在于：换热芯体由冷流体换热板与热流体换热板交替堆叠形成；冷流体进口和冷流体进口节流装置组装后连接换热芯体；冷流体出口、热流体进口和热流体出口直接连接换热芯体；冷流体进口节流装置为泡沫金属结构；换热芯体中冷流体换热板与热流体换热板保持相等板厚且流向相反，换热器冷热流体整体呈逆流布置。冷流体进口节流装置的后表面与芯体端面平齐，前表面为曲面(包括平面)。该曲面的具体形状采用一种复合设计方法设计，具体包括以下步骤：

1)选用一种曲面表达式对冷流体进口节流装置(5)的前表面曲面进行参数化，使前表面曲面形状可通过一组给定参数确定；

2)运用拉丁超立方设计(LHS)方法设计一定数量的样本点，在蒸汽发生器设计工况下，对各样本点对应的换热器结构进行CFD计算，得到各样本点结构中所有流体通道的具体流量分布；

3)根据全部样本数据，对各通道的流量分别建立关于各个参数的代理模型；

4)以建立的代理模型作为流量分布预测模型，以流动均匀性指标f作为目标函数，运用优化算法在设计空间内寻优，确定最优的前表面曲面；

5)通过CFD计算最优点的流量分布，若各通道流量的代理模型预测值与 CFD计算值间的最大相对误差超过5％，则将此点及其CFD计算结果作为一个新的样本点补充到样本数据中，重复步骤3)，4)，5)，直至误差满足要求。

所述步骤1)中的参数化方法包括Bezier样条、B样条曲面等。

所述步骤3)中的代理模型包括人工神经网络、响应面模型、克里金插值模型等。

所述步骤4)中的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、贪婪算法、蚁群算法、禁忌搜索算法或模拟退火算法等。

冷流体进口、冷流体出口、热流体进口和热流体出口均采用圆形集管到方形腔体的过渡结构。

冷流体进口节流装置的泡沫金属结构采用均匀孔隙率或梯度孔隙率。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

泡沫金属作为一种具有缓冲和吸收能量的能力的功能材料，由于其导流作用和阻力特性，将其置于二回路入口可以在增加进口阻力以提高流动稳定性的同时，克服复杂几何形体过渡对流量分配的影响。且由于泡沫金属作为进口节流件在结构上具有一定的独立性，可以方便地针对泡沫金属形体进行独立的曲面设计，以实现对流动截面不同位置局部阻力特性的微调，从而补偿流动截面不同位置通道的全程阻力特性的差异，在运行工况下获得接近绝对均匀的流量分布。通过确定最佳的节流装置形体结构，从而在改善流动稳定性的同时最大程度地提高流动均匀性。另外，通过对独立的节流装置的表面曲面进行设计，并未改变核心换热区域的通道结构，从而不会破坏换热芯体的核心换热区域流道的一致性，避免了由于引起温度分布的不均匀造成的换热效率的降低。

为实现上述设计，采用基于CFD数值模拟、代理模型、曲面参数化方法、智能优化算法的复合设计方法。CFD数值模拟作为求解流场分布的有效方法，已成为换热器设计中的重要辅助手段。代理模型是一种基于一定数量样本数据的近似模型，可实现对实验、仿真等高成本测试途径的有效替代，且能够方便地与智能寻优算法相结合，十分适合用于构建优化问题的目标函数。另外，在设计中，通过Bezier样条、B样条曲面等曲面参数化方法来实现曲面的参数化定义，可将本设计问题归结为一个具有明确优化参数、设计区间的全局优化问题，并能合理控制设计变量的数量，同时兼顾对流量分配的整体与局部调控能力。由以上总结可见，通过将CFD数值模拟、代理模型、曲面参数化方法、智能优化算法进行结合形成的复合设计方法，可有效地完成泡沫金属节流结构的设计。

通过引入以上泡沫金属节流装置及其复合设计方法，能够同时改善印刷电路板式蒸汽发生器二回路各通道流量分配的均匀性和流动稳定性，获得接近绝对均匀的流量分布，避免换热板应力集中，提高换热效率，可实现印刷电路板式换热器在核反应堆蒸汽发生器典型工况下的应用，有利于核反应堆系统小型化。

附图说明：

图1是本发明换热器整体结构示意图

图2是本发明中冷流体进口及节流装置布置截面示意图

图3是本发明中冷热流体换热板布置结构示意图

具体实施方式：

下面就具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种印刷电路板式蒸汽发生器的制造方法，包括设计冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口、冷流体进口节流装置和换热芯体，其特征在于：换热芯体由冷流体换热板与热流体换热板交替堆叠形成；冷流体进口和冷流体进口节流装置组装后连接换热芯体；冷流体出口、热流体进口和热流体出口直接连接换热芯体；冷流体进口节流装置为均匀孔隙率泡沫金属结构；换热芯体中冷流体换热板与热流体换热板保持相等板厚且流向相反，换热器冷热流体整体呈逆流布置。冷流体进口节流装置的后表面与芯体端面平齐，前表面为曲面(包括平面)。该曲面的具体形状采用一种复合设计方法设计，具体包括以下步骤：

1)选用一种曲面表达式对冷流体进口节流装置(5)的前表面曲面进行参数化，使前表面曲面形状可通过一组给定参数确定；

2)运用拉丁超立方设计(LHS)方法设计一定数量的样本点，在蒸汽发生器设计工况下，对各样本点对应的换热器结构进行CFD计算，得到各样本点结构中所有流体通道的具体流量分布；

3)根据全部样本数据，对各通道的流量分别建立关于各个参数的代理模型；

4)以建立的代理模型作为流量分布预测模型，以流动均匀性指标f作为目标函数，运用优化算法在设计空间内寻优，确定最优的前表面曲面；

5)通过CFD计算最优点的流量分布，若各通道流量的代理模型预测值与 CFD计算值间的最大相对误差超过5％，则将此点及其CFD计算结果作为一个新的样本点补充到样本数据中，重复步骤3)，4)，5)，直至误差满足要求。

所述步骤1)中的参数化方法包括Bezier样条、B样条曲面等。

以Bezier样条曲面为例，其通过给定若干控制点确定曲面，该曲面在芯体端面上的投影为矩形，其表达式为：

其中

为控制点坐标，u,v为参变量，B为Bernstein基函数，在本设计方法中，共取(m+1)·(n+1)个控制点P_i,j(i＝0,1,2…n)，其中矩形4个顶点对应4个固定的控制点，除此之外，在矩形区域范围内采用LHS方法设计并布置若干控制点，各控制点x、y坐标固定，以各控制点z坐标为变量作为设计变量，其中z 方向为芯体长度方向。

所述步骤3)中的代理模型包括人工神经网络、响应面模型、克里金插值模型等。

所述步骤4)中的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、贪婪算法、蚁群算法、禁忌搜索算法或模拟退火算法等。

冷流体进口、冷流体出口、热流体进口和热流体出口均采用圆形集管到方形腔体的过渡结构。

冷流体进口节流装置的泡沫金属结构采用均匀孔隙率或梯度孔隙率。

Claims (7)

1.一种印刷电路板式蒸汽发生器的制造方法，包括设计冷流体进口(1)、冷流体出口(2)、热流体进口(3)、热流体出口(4)、冷流体进口节流装置(5)和换热芯体(6)，其特征在于：换热芯体由冷流体换热板(7)与热流体换热板(8)交替堆叠形成；冷流体进口(1)和冷流体进口节流装置(5)组装后连接换热芯体(6)；冷流体出口(2)、热流体进口(3)和热流体出口(4)直接连接换热芯体(6)；冷流体进口节流装置(5)为泡沫金属结构；换热芯体(6)中冷流体换热板(7)与热流体换热板(8)保持相等板厚且流向相反，换热器冷热流体整体呈逆流布置；冷流体进口节流装置(5)的后表面与芯体端面平齐，前表面为曲面；采用一种复合设计方法设计冷流体进口节流装置(5)的前表面曲面形状，具体包括以下步骤：

1)选用一种曲面表达式对冷流体进口节流装置(5)的前表面曲面进行参数化，使前表面曲面形状可通过一组给定参数确定；

2)运用拉丁超立方设计(LHS)方法设计一定数量的样本点，在蒸汽发生器设计工况下，对各样本点对应的换热器结构进行CFD计算，得到各样本点结构中所有流体通道的具体流量分布；

3)根据全部样本数据，对各通道的流量分别建立关于各个参数的代理模型；

4)以建立的代理模型作为流量分布预测模型，以流动均匀性指标f作为目标函数，运用优化算法在设计空间内寻优，确定最优的前表面曲面；

5)通过CFD计算最优点的流量分布，若各通道流量的代理模型预测值与CFD计算值间的最大相对误差超过5％，则将此点及其CFD计算结果作为一个新的样本点补充到样本数据中，重复步骤3)，4)，5)，直至误差满足要求。

2.根据权利要求1所述的印刷电路板式蒸汽发生器的制造方法，其特征在于：冷流体进口(1)、冷流体出口(2)、热流体进口(3)和热流体出口(4)均采用圆形集管到方形腔体的过渡结构。

3.根据权利要求1所述的印刷电路板式蒸汽发生器的制造方法，其特征在于：冷流体进口节流装置(5)的泡沫金属结构采用均匀孔隙率或梯度孔隙率。

4.根据权利要求1所述的印刷电路板式蒸汽发生器的制造方法，其特征在于：所述步骤1)中的参数化方法包括Bezier样条、B样条曲面。

5.根据权利要求1所述的印刷电路板式蒸汽发生器的制造方法，其特征在于：所述步骤3)中的代理模型包括人工神经网络、响应面模型、克里金插值模型。

6.根据权利要求1所述的印刷电路板式蒸汽发生器的制造方法，其特征在于：所述步骤4)中的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、贪婪算法、蚁群算法、禁忌搜索算法或模拟退火算法。

7.一种印刷电路板式蒸汽发生器，其特征在于根据权利要求1-6任一个所述的方法制造。

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