为发展先进的第四代核电系统,中科院于2011年启动了钍基熔盐堆核能系统(TMSR)的专项研究。TMSR系统采用高温氟化盐作为堆芯的冷却剂和二回路的传热介质,其具有固有安全性好、系统经济性高、核废物产生少、防核扩散等技术优势。以高温氟化盐(600～700℃)为工质的熔盐换热器是TMSR系统的关键部件,其对系统的经济性和安全性有重要的影响。发展大型化和实用化的熔盐换热器是TMSR系统的现实需求。然而无论是传统的管壳式还是正处于概念研究阶段的新型紧凑式熔盐换热器,其在TMSR系统中的应用中均面临着传热特性研究不足的巨大障碍。基于TMSR系统发展的迫切需求,本文开展了 TMSR系统熔盐换热器的实验和数值研究工作,通过设计和建设熔盐换热器实验系统,开展各型熔盐换热器试验件的一系列传热性能实验研究。基于实验结果,为TMSR系统的实验装置设计大型化和实用化的熔盐换热器,并借助数值模拟的手段对设计方案进行分析,以确保系统的安全性。本文第一部分完成了一套熔盐换热器实验系统的设计和建造工作。该实验系统由主熔盐回路、次熔盐回路、闭式气体循环回路和水冷循环回路组成,可以完成不同类型的熔盐—熔盐和熔盐—气体换热器的传热性能实验研究,包括传统的管壳式熔盐换热器和新型紧凑式熔盐换热器。系统设计过程中重点克服了熔盐传热系统高温运行和易冻堵的固有特性,其结构的复杂性和功能的完善性均较现有的单回路熔盐传热特性实验系统有巨大的进步。为提高系统实验结果的精度,运用不确定度理论全面科学地分析和评定了该系统的测量不确定度。评定结果表明避免在小气体流量下进行实验以及提高实验中熔盐的进出口温差是减小系统测量不确定度、提高测量精度的最有效方法。该实验系统的设计和建成,为熔盐换热器的研究和发展提供了可靠的实验平台,具有重要的科学意义。本文第二部分根据TMSR系统对管壳式熔盐换热器的近期需求,设计了三台管壳式熔盐换热器试件并分别完成了传热性能实验。该实验的完成突破了熔盐对流传热特性只集中于管内流动的研究现状,具有一定的创新性。实验结果满足热平衡要求,表明熔盐换热器实验平台具有良好的可靠性。实验分别研究了熔盐在管程和壳程的对流传热特性,分析结果表明:(1)管程熔盐在过渡流和湍流区内的对流传热特性与传统经验准则吻合良好。层流的对流传热特性实验数据较经验准则偏大30%。(2)熔盐在带折流板的壳程空间内的对流传热特性与导热油存在明显的差别,表明现有的经验设计准则可能并不适用于折流板管壳式熔盐—溶盐换热器的设计计算。(3)熔盐—气体换热器的传热热阻主要集中于气体侧,当系统熔盐泵发生停泵故障时,熔盐—气体换热器的管束中的熔盐将面临巨大的凝固堵塞风险。基于熔盐换热器实验系统的运行经验,初步讨论了系统的后续优化方案,内容包括系统布局、电加热系统以及伴热保温系统的优化。本文第三部分基于管壳式熔盐换热器试验件的实验结果,协助完成了 10 MW固态燃料实验堆空气冷却系统的设计方案。为确保空气冷却系统的安全运行,对系统的10 MW熔盐—空气换热器进行了两方面的数值研究工作。首先,通过熔盐单管内凝固实验验证了 FLUENT的Solidification&Melting模型对熔盐相变过程预测的准确性,并利用FLUENT分析了管束中熔盐在熔盐泵停泵事故工况下的凝固过程,分析结果表明熔盐泵停泵事故会在15 s内引发管束中的凝固堵塞,危及系统安全;其次,利用FLUENT的多孔介质模型解决了管束流量模拟分配所面临的网格和计算资源限制的关键问题,成功地计算了管束中的流量分配结果,计算结果表明熔盐—空气换热器的流量分配方案合理,其管束中的实际流量与平均流量偏差不超过13.14%,由于流量分配不均匀引起的熔盐过冷凝固风险较小。