快堆钠-空气热交换器翅片管传热及阻力特性试验研究

朱丽娜，叶原武，侯 斌，陈振佳

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

钠-空气热交换器是钠冷快堆事故余热排出系统的重要设备之一，换热管内的液态钠与壳侧的空气进行自然对流换热，将事故余热排出系统中间回路的热量传递给空气，由空气将热量带出，排出堆芯余热[1-4]。为满足大型快堆事故余热排出系统非能动设计的要求，钠-空气热交换器设计采用了垂直布置的翅片式换热管，壳程空气由下部风门进入钠-空气热交换器，在管间空隙由下向上运动并冲刷翅片管束与换热管内的钠进行对流换热。由于该设备中流量分配器的设置，空气在不同位置处冲刷换热管的流速及角度是不同的，其传热特性及阻力特性与传统翅片管换热器有很大不同。

近年来，国内外对翅片管传热和阻力特性进行了大量研究[5-13]，如陈贵兵等[9]对不同几何条件(管径、肋间距以及横向、纵向管间距)、不同雷诺数以及不同排列(顺排及叉排)管束的传热和流阻进行试验，得到了6种翅片管型传热及流阻的关联式供工程设计使用；马有福等[10-12]在分析管束布置结构对锯齿螺旋翅片换热管特性影响机理的基础上对错列排布的锯齿螺旋翅片管束进行试验研究，获得了翅片螺距、

纵向和横向节距对锯齿螺旋翅片管束换热与阻力特性的影响规律，并提出了相应的关联式；卓宁等[13]对齿型螺旋翅片管束进行了传热及通风阻力特性试验研究，并将其传热及阻力特性与相同结构的整体型螺旋翅片管束进行了比较。但上述研究均未对空气以不同流动角度冲刷换热管时传热及阻力特性进行研究。

因此本文以快堆钠-空气热交换器工程设计需求为研究背景，以拟采用的翅片管结构和管排布置方案为对象，分别进行空气冲刷角度为90°和30°时翅片管束传热与流动阻力特性试验研究。通过分析翅片管束实际换热量和流阻随温度、空气流速以及冲刷角度的有效试验数据，得到空气不同冲刷角度下钠-空气热交换器翅片管的传热及阻力特性，为钠冷快堆钠-空气热交换器大型化和高紧缩比设计优化与定型提供理论依据。

1 试验系统及试验件设计

1.1 试验系统

翅片管传热特性及阻力特性试验的试验系统如图1所示，该系统由空气流动回路系统、空气冷却系统、电加热系统、配电系统、参数测量与数据采集系统等5个子系统组成。

图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

本试验采用鼓风机将常温空气吹入风道，实现与试验件的热交换，带走翅片管束的热量，翅片管束由电加热系统进行加热；升温后的空气再经过换热器(空气冷却器)被冷却至较低温度，冷却后的空气通过尾部风道排至大气。换热器(空气冷却器)内以常温水为冷却介质冷却高温空气，之后进入冷却塔。冷却塔可将空气换热器管内的高温水降至常温，水泵可将降温后的水重新输送至换热器实现循环。

1.2 试验件设计

基于钠-空气热交换器翅片管束布置方案，设计了2种试验件(图2、3)。试验件1、2均分别布置了36根翅片换热管(不包含半环的翅片管)，呈三角形排列，横向管间距由92 mm变为119.1 mm。翅片管内径32.5 mm，翅片高15.9 mm。空气对试验件1、2中翅片管束的流动冲刷角分别为90°及30°。

2 数据处理方法

空气与翅片管的换热量Q包括翅片管翅片与空气的对流换热量和翅片管基管与空气的对流换热量两部分[14]。

Q=hAr(Tw-Tf)+Afηfh(Tw-Tf)=

A0h(Tw-Tf)η0

(1)

(2)

式中：h为空气侧换热系数，W/(m2·℃)；Ar为两肋片之间的根部表面积，m2；Af为肋片的表面积，m2；Tw为翅片管基管外表面平均温度，℃，由布置在翅片管基管外壁的热电偶测得；Tf为管外流体的平均温度，℃，由试验件前后的热电偶测得；A0为肋片表面积与根部面积之和，m2；η0为翅片管翅片总效率；ηf为翅片管翅片效率。

图2 试验件1结构(a)及其E面(b)示意图Fig.2 Schematic diagram of test piece 1 (a) and its E plain (b)

图3 试验件2结构(a)及其E面(b)示意图Fig.3 Schematic diagram of test piece 2 (a) and its E plain (b)

阻力系数f定义为：

(3)

式中：ρ为气体密度，kg/m3；Δp为流动阻力，Pa；N为流动方向上的管排数；Gm为最窄流通截面处的空气质量流速，kg/(m2·s)。

Δp由布置在试验件前后的压力测点测得。在试验件的进、出口，沿风道周长分别等距离布置10个测点，得到试验件进、出口平均风压。

3 试验结果及讨论

3.1 管排对管束传热性能的影响

空气分别以90°和30°冲刷翅片管束时，不同管排的传热特性如图4所示。

从图4可看出，空气冲刷管束时无论是90°还是30°，第2排换热管的换热系数均最大，而第1排换热管的换热系数最小。空气热交换器的管束为同心圆式布置，其特点是相邻3根换热管为三角形布置，但从内层到外层，管间距逐渐增大。当空气从内层管束流动到外层时，前排管束对后排管束起湍流发生器的作用，因此后

排管束的换热系数大于前排管束的换热系数，故第2排换热管的传热特性相比第1排大幅提升。当空气从第2排继续向后流动时，由于后排管束的管间距逐渐增大，最窄通道的流动面积增大，即参与传热的空气流速相对减少，所以后排管束的传热能力相比第2排会有所降低。

3.2 空气冲刷角度对管束传热特性的影响

第1、2及第8排翅片管在空气冲刷角度分别为90°和30°时翅片管束的传热特性如图5所示。

从图5可看出，空气冲刷角度越大，管束的传热特性越高。这是因为冲刷角越小，空气主流流动方向越与翅片管轴向平行，空气在管外流动时，靠近翅片管基管外壁区或翅片根部区域由于流体黏性导致的黏滞力，使流体速度减缓，空气流动速度很小，只有翅片中径到顶端高度区域内具有一定的速度，通过对流将热量从翅片表面传递到主流区。空气冲刷角度增大后，虽然近基管外壁区或翅片根部区域由于流体黏性导致的黏滞力使流体速度也会出现一定的减缓，但空气侧的驱动力作用远大于黏滞力的影响，整个翅片部分仍具有较强的流速，因此冲刷角度为90°时的传热特性明显高于冲刷角度为30°时的传热特性。

图4 冲刷角度90°和30°时不同管排的传热特性Fig.4 Heat transfer characteristics of different rows with air flow angles of 90° and 30°

图5 管排1、2、8在不同冲刷角度下的传热特性Fig.5 Heat transfer characteristics of pipe row 1, 2 and 8 under different flow angles

3.3 空气冲刷角度对管束阻力特性的影响

空气分别以90°和30°角度冲刷翅片管束时，阻力系数随雷诺数的变化如图6所示。

图6 阻力系数f随雷诺数的变化Fig.6 Resistance coefficient change with Reynolds number

从图6可看出，空气冲刷角度越大，相同雷诺数下的阻力系数越大。如前文所述，随着冲刷角的减小，空气主流流动方向与翅片管轴向趋于平行，翅片根部区域由于流体黏滞力导致完全横向冲刷管束的流量越小，而对于相同结构的翅片管其阻力的大小仅与流体流速呈正比，所以冲刷角度为90°时的阻力特性明显高于冲刷角度为30°时的阻力特性。

4 结论

本文以钠冷快堆钠-空气热交换器工程设计拟采用的翅片管结构和管排布置方案为对象，分别进行了空气冲刷角度为30°和90°时翅片管束传热与流动阻力特性的试验研究，通过试验主要得到以下结论。

1) 空气分别以30°和90°角度冲刷翅片管束时，第2排换热管束的换热最强，其余管排换热均小于第2排换热管，在低雷诺数区不同管排换热系数最大相差约45%。因此，在进行钠-空气热交换器换热面积余量设计时应对此充分考虑。

2) 对于相同管排的翅片管，空气以90°角度冲刷翅片管束时的换热系数及阻力系数明显大于30°角度冲刷管束，最大相差约44%。因此，在进行钠-空气热交换器换热面积余量设计时应考虑不同位置处空气的冲刷角度。

3) 空气以90°角度冲刷翅片管束时的阻力系数明显大于30°角度的，以完全90°横向冲刷翅片管的阻力经验关系式开展钠-空气热交换器的阻力计算式具有很大的保守性。