非能动冷却水箱方案设计与对流换热研究
摘要
华龙一号的非能动安全壳热量导出系统（PCS）由安全壳内部的换热器，
外部的换热水箱和连通它们的自然循环管路组成的。当事故发生时，系统利用
自然循环将安全壳的热量最终导入到大气中。华龙一号PCS系统可以保证事故
后72小时内安全壳维持在设计压力以下，为了延长PCS的有效运行时间，进一
步提升系统的安全可靠性，需要对换热水箱进行改进。采取的方法是在水箱外
加入流动通道，使其在一定范围内调整空气的入口流速驱动空气对流，以此带
走水箱的热量，延长系统的运行时间。因为整个换热水箱较大，因此单个通道
的流通截面可以近似看成是矩形。
本文设计的风冷通道为在水箱底部进口，空气沿着水箱底部、水箱侧面、
水箱顶部最后经由水箱顶部的出口流出，所以风冷通道可简易看成C字型。因
此根据水箱加热壁面位置的不同可分为水平加热面向下、加热面竖直、水平加
热面向上三种换热状态。本文搭建的实验台与其他学者搭建的竖直矩形通道不
同，可旋转的实验段可以有加热面竖直、水平加热面向上、水平加热面向下三
种换热状态。通过采集到的壁面温度、空气温度和气体流速等，分析了不同通
道壁面温度的分布规律和气体流速、加热功率对壁面温度分布的影响。实验发
现在相同加热功率条件下，水平加热面向上状态通道的换热系数最大，其次是
竖直状态，最后是水平加热面向下状态。
通过模拟不同进口流速和流动状态下的对流换热情形，分析了速度场和温
度场的变化，确定了数值模拟模型的适用性。并在原有通道的基础上绘制整体C
字型流动通道的三维模型，对整个流动通道进行模拟，考察了不同通道截面宽
度和不同水箱结构尺寸对整个换热通道换热系数的影响，得出在流道宽度为
0.26×0.13m，水箱结构为宽3m、高5m时，水箱换热效果最好。
最后本文总结国内外学者研究成果和“华龙一号”施工过程中的经验，提
出了一种新型一体化换热水箱的方案设计，并对水箱的可行性进行分析。一体
化换热水箱能够在加强冷却性能的同时，程提高系统的安全性。
关键词：水箱设计；对流换热：实验研究；数值模拟；
非能动冷却水箱方案设计与对流换热研究
Abstract
ACP1000passivecontainmentheatextractionsystem(PCS)consistsofaheat
exchangerinsidethecontainment,anexternalhotwaterexchangetankandnatural
circulationlinesconnectingthem.Whenanaccidentoccurs,thesystemusesnatural
circulationtoeventuallydirecttheheatfromthecontainmentvesselintotheatmosphere.
ACP1000PCSsystemcanensurethatthecontainmentremainsbelowthedesign
pressurewithin72hoursaftertheaccident,inordertoextendtheeffectiveoperating
timeofPCSandfurtherimprovethesafetyandreliabilityofthesystem,thehotwater
exchangetankneedstobeimproved.Themethodtakenistoaddaflowchanneloutside
thewatertank,sothatitadjuststheinletflowrateoftheairwithinacertainrangeto
drivetheairconvection,soastotakeawaytheheatofthewatertankandextendthe
operating