[发明专利]一种钠冷堆非能动余热排出系统的建模优化方法

权利要求书

1.一种钠冷堆非能动余热排出系统的建模优化方法，其特征在于，钠冷堆非能动余热排出系统包括水平高度依次升高的堆芯、事故热交换器、空气热交换器；所述空气热交换器设于拔风烟囱的内部；所述事故热交换器的壳程为堆芯内待冷却的热介质，管程为冷却介质；所述事故热交换器的冷却介质与空气热交换器的加热介质为形成中间自然循环回路的液钠；所述拔风烟囱设有入风口，所述入风口设于空气热交换器的底部；所述空气热交换器的冷却介质为空气；该方法包括以下步骤：

S1、特定物性参数为特定条件下的固有参数；初步设定热力参数、空气热交换器结构参数、拔风烟囱结构参数，及事故热交换器液钠出口与空气热交换器液钠出口之间的高度差H₂；

所述热力参数为空气热交换器中的各参数，分别包括空气侧进口温度T_e、设定传热量Q、钠侧进口温度T_s,i与钠侧出口温度T_s,o；

所述空气热交换器为液钠走管程，空气走壳程的翅片管式换热器；翅片管式换热器的换热管为翅片管，所述翅片管包括基管及设置在基管上的翅片；空气热交换器结构参数包括基管结构参数和翅片结构参数；所述基管结构参数包括基管总管数n_s、基管外直径d_o、基管内直径d_i、基管的总管长L_s、基管的排列方式与排列的间距，及根据以上数据得到的沿空气流通方向基管的管排数N_a、单位长度基管外表面积A_o^*，基管内流通截面积S_s，空气热交换器翅片管间最小流通面积S_a,min；所述翅片结构参数包括翅片的翅高H_f、节距y，及根据以上数据得到的单位长度翅片表面积A_f与翅化比β；

所述液钠的中间自然循环回路中，钠侧弯头总数为N_s，

所述拔风烟囱结构参数包括空气换热器的壳程空气出口与拔风烟囱出口高度差H₁、烟道内直径D_i、烟道流通截面积S_c、烟道弯头数N_c；

所述特定物性参数包括钠侧比热cp_s与空气侧比热cp_a；不同温度对应下的空气密度ρ_a；不同温度对应下的液钠密度ρ_s；热耗散q、直管阻力系数f、局部阻力系数ξ、进出口阻力系数ε、污垢热阻r、钠侧沿管程的雷诺数Re、导热系数λ、对数平均温差ΔT_m、粘度μ、贝克来数Pe_s与对数平均温差修正系数φ；

S2、预设空气热交换器的空气侧出口温度T_a,o1，根据设定传热量Q确定空气质量流量m_a；计算得到空气侧浮升力F_a和空气侧总阻力降ΔP_a后；计算空气侧浮升力F_a与空气侧总阻力降ΔP_a的相对误差当相对误差大于1％时，则返回调整预设空气侧出口温度T_a,o1；当相对误差小于等于1％时，则判断空气侧流动平衡；

预设钠侧进口温度T_s,i与钠侧出口温度T_s,o，由设定传热量Q确定液钠的质量流量m_s，计算得到钠侧提升力F_s与钠侧总阻力降ΔP_s；计算钠侧提升力F_s与钠侧总阻力降ΔP_s的相对误差当相对误差大于1％时，则返回调整钠侧进口温度T_s,i与钠侧出口温度T_s,o；当相对误差小于等于1％时，则判断钠侧流动平衡；

S3、待S2中的空气侧流动平衡且钠侧流动平衡后，计算得到空气侧传热系数h_a和钠侧传热系数h_s；进而再求得空气热交换器总传热系数K、对数平均温差ΔT_m与总传热量Q_s；再计算总传热量Q_s与设定传热量Q的相对误差当相对误差大于1％时，则判断系统能量不平衡，并返回步骤S2重新计算；当相对误差小于等于1％时，则判断系统能量平衡，并输出空气质量流量m_a、钠侧质量流量m_s、空气侧进口温度T_e、空气侧出口温度T_a,o1、钠侧进口温度T_s,i、钠侧出口温度T_s,o、空气热交换器总传热系数K、总传热量Q_s、总传热量Q_s与设定传热量Q的相对误差

步骤S2所述空气侧浮升力F_a和空气侧总阻力降ΔP_a的计算步骤如下：

空气热交换器中换热的能量平衡方程如下式(1)，钠侧能量损失量与空气侧能量增加量均分别等于设定传热量Q：

m_scp_s(T_s,i-T_s,o)＝m_acp_a(T_a,o1-T_e)＝Q (1)

其中，T_s,i、T_s,o分别为空气热交换器的钠侧进口温度、钠侧出口温度；T_e、T_a,o1分别为空气热交换器的空气侧进口温度、空气侧出口温度；m_s、m_a分别为空气热交换器的钠侧质量流量、空气质量流量；cp_s、cp_a分别为空气热交换器中的钠侧比热、空气侧比热；

拔风烟囱内的空气侧浮升力F_a的计算公式如下式(2)：

其中，H₁为空气换热器的壳程空气出口与拔风烟囱出口高度差；ρ_e为空气热交换器的空气侧进口温度T_e下的空气密度；ρ_a,om为对环境散热后拔风烟囱内平均温度T_a,om下的空气密度，式(2)中的ρ_a,om与式(3)中的T_a,om对应，并满足公式T_a,om由式(3)求得，其中，T_a,o1为空气热交换器的空气侧出口温度，q_c为拔风烟囱与外部环境之间的热耗散，m_a为空气热交换器的空气质量流量，cp_a为空气侧比热；g为重力加速度；dh为高度h的微分；

空气侧总阻力降ΔP_a的计算公式如下式(4)：

其中，f_a为翅片管外阻力系数，N_a为沿空气流通方向基管的管排数，m_a为空气质量流量，S_a,min为空气热交换器翅片管间最小流通面积，ρ_a,m为空气热交换器中的空气平均密度；f_c为烟囱内沿程阻力系数，S_c为烟道流通截面积，ρ_a,om为对环境散热后拔风烟囱内平均温度T_a,om下的空气密度，D_i为拔风烟囱烟道内直径；N_c为拔风烟囱烟道弯头数，ξ_c为拔风烟囱局部阻力系数，ε_c为拔风烟囱进出口阻力系数；

步骤S2所述的钠侧提升力F_s与钠侧总阻力降ΔP_s计算步骤如下：事故热交换器液钠出口与空气热交换器液钠出口之间钠侧提升力F_s的计算公式如下式(5)：

其中，H₂为事故热交换器液钠出口与空气热交换器液钠出口之间的高度差；ρ_s,o、ρ_s,i分别为空气热交换器的出口液钠密度、进口液钠密度；g为重力加速度；dh为高度h的微分；

钠侧总阻力降ΔP_s的计算公式如下式(6)：

其中，式(6)中的f_s为钠侧沿程阻力系数，钠侧沿程阻力系数f_s与雷诺数Re_s的关系如式(7)；m_s为钠侧质量流量，S_s为基管内流通截面积；ρ_s,m为自然循环回路中液钠的平均密度；L_sur为自然循环回路中除基管外的剩余段管长；L_s为基管的总管长；d_i为基管内直径；N_s为钠侧弯头总数；ξ_s为钠侧局部阻力系数；

空气热交换器中的翅片管为三角形错列排布；所述壳程空气流动方向与管程液钠流动方向垂直；空气为竖向流通，液钠为水平方向流动；

步骤S3所述空气对流传热系数h_a的计算公式如下式(8-1)：

其中：λ_a为空气导热系数；d_o为基管外直径；m_a为空气质量流量；S_a,min为空气热交换器翅片管间最小流通面积；μ_a为空气粘度；cp_a为空气侧比热；A_o为单位长度翅片管总外表面积；为单位长度基管外表面积；

液钠冷却过程，于均匀热流边界条件下，液钠流动的对流传热系数h_s的计算公式如下式(9)：

其中：λ_s为液钠的导热系数；d_i为基管内直径；Pe_s为贝克来数；

根据式(8-1)和式(9)，空气热交换器总传热系数K的计算公式如下式(10)：

其中：β为翅化比，h_a为空气侧对流传热系数；r_a为空气侧污垢热阻；A_o为单位长度翅片管总外表面积；λ_w为管材导热系数；d_o为基管外直径；d_i基管内直径；r_s为钠侧污垢热阻；η为翅片壁面总效率；h_s为钠侧对流传热系数；

系统总传热量Q_s的计算公式如下式(11)：

Q_s＝φKn_sL_sA_oΔT_m (11)

其中，φ为对数平均温差修正系数；K为空气热交换器总传热系数；n_s为基管总管数；L_s为基管的总管长；A_o为单位长度翅片管总外表面积；ΔT_m为对数平均温差。