背景简介

由于近年来的世界能源危机和能源保护，核能作为一种清洁的可持续能源受到了广泛关注。热交换器是核电站系统中的重要工艺设备，目前核电站系统普遍采用结构简单、传热面大、结构坚固、可靠性高的管壳式换热器。换热器壳程通常安装有管束支撑物，该支撑物不仅能支撑换热管，固定管束和防止振动，还能起到引导壳程介质的流向及强化传热的作用。由于支撑物结构的重要性和复杂性，研究其对流体流动与传热特性的影响，对改善换热器的热工水力特性及核电站系统的安全运行具有重要意义。

核电系统中的管壳式换热器除了采用传统的折流板结构外，还采用开有三叶孔或四叶孔的整圆形支撑板结构。此类支撑结构与传统的弓形折流板存在很大的不同，且对流体流动和传热性能的影响较大。对四叶孔支撑板的几何结构等因素对换热器壳程流体热工性能的影响作用及机理进行研究，得到关于传热Nu数和压降的经验关联式，旨在用于指导工程设计及应用。

成果介绍

（1）设计四叶孔支撑板换热器模型的主要几何参数，建立换热器的整体模型，研究了四叶孔开孔高度和支撑板间距对其壳程热工性能的影响。综合考虑各几何结构参数的影响，采用多元线性回归分析法拟合得到壳程Nu和压降的实验关联式，可用于指导工程设计和实践。（图1）。

图 1换热器模型及不同几何参数对传热系数和压降的影响

（2）设计加工了具有四叶孔支撑板结构的换热器实验模型，采用三维激光多普勒测速仪（LDV）测量换热器壳程流体的流速。将数值计算的流速与实验所得流速进行对比，验证了数值模拟计算的可靠性和准确度。（图2）。

图 2LDV实验验证

（3）在相同的壳程流体流量下，将四叶孔支撑板换热器的壳程流态及传热性能与单弓形折流板进行对比，结果表明，四叶孔支撑板换热器的综合性能优于弓形折流板换热器。弓形折流板换热器壳程流体呈现Z型流动，部分区域存在死区、漩涡和回流现象，速度和温度分布不均匀，换热面积利用率低。四叶孔支撑板换热器壳程流体总体上呈纵向流动且具有明显的周期性，速度和温度分布均匀，无明显死区，流体流经支撑板管孔时，流通面积缩小，速度激增，在板后产生明显的射流，射流冲刷换热管面，使得边界层厚度减薄，换热增强。（图3）。

图 3壳程流体流线图、轴截面速度和温度云图及综合性能比较

该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

引文格式：

GB/T 7714

Wang D, Wang H, Xing J, et al. Investigation of the thermal-hydraulic characteristics in the shell side of heat exchanger with quatrefoil perforated plate[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2021, 159: 106580.

MLA

Wang, Dan, et al. "Investigation of the thermal-hydraulic characteristics in the shell side of heat exchanger with quatrefoil perforated plate." International Journal of Thermal Sciences 159 (2021): 106580.

APA

Wang, D., Wang, H., Xing, J., & Wang, Y. (2021). Investigation of the thermal-hydraulic characteristics in the shell side of heat exchanger with quatrefoil perforated plate. International Journal of Thermal Sciences, 159, 106580.

（图文供稿：郑州大学 王珂；

网络编辑：侯志伟，费嘉文，温建锋）