软件使用

课程：https://youtu.be/ns1R5WSfz94?si=9YwZJkr-QIOYZY17

x-axis设置为yield strength，y-axis设置为young’s modulus

设置box selection

隐藏未选择部分

通过在limit中添加mechanical properties的限制，来排除不符合工程要求的材料：

这样一来，不符合条件的材料就被排除了

Heat exchanger

工作流

• 明确性能要求
• 分析约束条件
• 选择材料指标
• EduPack筛选
• 展示结果

第一部分 Component d: Specification of Performance Requirements at the Component Level

Function

• Heat exchanger的具体功能

约束条件（限制环境条件，工况）

• 温度相关指标熔点：$\geq 1200^{\circ}C$（确保高温稳定性) [1]

PBMR的Helium outlet temperature达到900℃，中间热交换器IHX正常运行温度为900℃；VHT – PBMR氦气出口大于1000℃，因此IHX需要承受大于1200℃的运行温度；失压失冷事故（DLOFC）下，燃料最高温度从 PBMR 的 1500℃提升至 VHT-PBMR 的 >1600℃，间接要求 IHX 材料具备更高温度裕度.

• 恒定载荷：常规 PBMR 工况下，该材料在 900°C 下承受恒定载荷≤18 MPa时，10,000 小时内蠕变应变不超过 1%，是设计许用应力的直接依据；对于超高温 VHT-PBMR 工况，1200℃下，恒定载荷强度≥200 MPa

• 高温蠕变强度：$1000^{\circ}C$ 时，$100,000$ 小时许用应力 $\geq 50\ \text{MPa}$（通过 $ASTM\ E139$ 试验验证，如 $Mo – TZM$ 合金 $1000^{\circ}C$ 时 $\sigma_{1\%} = 355\ \text{MPa}$）

• 压力相关指标室温屈服强度：$\geq 150\ \text{MPa}$（防止压力导致塑性变形）

• 耐腐蚀性指标：$950^{\circ}C$ 下，氦气 – 杂质环境中氧化增重速率 $\leq 0.05\ \text{mg/cm}^2/\text{day}$（通过恒温氧化试验验证，确保材料抗 $H_2O, CO $腐蚀）

当温度 >950°C 时，杂质会加剧金属材料（如 Incoloy 800H）的内部氧化，显著降低其性能；超高温工况（如 VHT-PBMR 的 1200°C）下，需材料具备更高抗氧化性

• 机械性能指标疲劳寿命：循环载荷下 $\geq 10^5\ \text{次}$（考虑反应堆启停循环应力），根据IAEA Safety Standards的规范共识 [2]

成型性：可加工成薄壁管（壁厚$\leq 3\ \text{mm}$）或复杂结构（如螺旋盘管）

加工性指标可焊接性：焊接无裂纹（如 $Inconel\ 617$ 需验证焊接工艺，$SiC/SiC$ 需开发连接技术）；

自由变量 Free Variables

可调整的设计参数，如材料厚度、结构形式、表面涂层、加工工艺等

第二部分 Component d: Design translation at the Component Level

材料性能指标

• 温度
• 压力
• 腐蚀性
• 机械性能
• 辐射耐受性
• 成本与加工性
• 热膨胀系数

以下是具体内容

• 熔点：$\geq 1200 {}^{\circ}C$
• Creep Strength：定义为 1000°C、100,000 小时蠕变 rupture strength ≥50 MPa，或 1% 蠕变应变对应的应力≥50 MPa（需明确蠕变曲线中的具体参数
• Fatigue Strength：在目标应力幅下疲劳寿命$\geq 10^5$次

第三部分 Component d: Materials Indices based on the Design Translation

这一部分是做什么的，完全没看懂

第四部分 Component d: Selection of the Optimum Material using Ansys EduPack

筛选材料

这一部分就是软件操作了

优化阶段 Optimisation using Materials Indices

绘制材料性能图，排序和对比分析

Reference

[1] Mitchell, M. N., & Smit, K. (2006). Materials selection for advanced high temperature gas cooled reactors. Energy Materials, 1, 171-178. https://doi.org/10.1179/174892406X160642

[2] International Atomic Energy Agency (IAEA). (2016). Safety of Research Reactors (Specific Safety Requirements No. SSR-3). Vienna: International Atomic Energy Agency. https://www.iaea.org/publications/1751/safety-of-research-reactors

参考资料

热交换器的设计

https://www.chemengstudent.com/complete-guide-to-designing-a-heat-exchanger/?v=ae4171856a75

材料选择参考

根据提供的PDF内容，heat exchanger（热交换器）的材料选择需要考虑其在高温环境下的性能，包括高温强度、耐腐蚀性和抗蠕变性能。以下是针对不同温度范围的材料建议：

1.温度低于950°C

• 高温合金：如Hastalloy-XR、Inconel 617、Haynes 230等。
• 特点：
• 这些材料在高温下具有良好的强度和抗蠕变性能。
• 能够承受热交换器在正常运行和瞬态条件下的热梯度和压力。
• 应用：
• 适用于间接循环和工艺热应用（如氢气生产）中的中间热交换器。

2.温度高于950°C

• 陶瓷材料：如SiC基复合材料。
• Fe基ODS（氧化物弥散强化）合金：如MA956、MA754等。
• 特点：
• 陶瓷材料具有极高的耐高温性能，但可能在机械强度和加工难度上有一定限制。
• Fe基ODS合金在高温下具有优异的抗蠕变性能和抗氧化性能。
• 应用：
• 适用于需要在极高温度下工作的热交换器。

3.经济性和紧凑性考虑

• 涂层和复合材料：如Cu（铜）结合的热交换器设计。
• 特点：
• 涂层可以提高材料的耐腐蚀性和抗氧化性能。
• 复合材料可以实现更高的热导率和更轻的重量，从而提高热交换器的效率和紧凑性。

4.其他材料

• 镍基合金：如Inconel 718、Waspaloy等。
• 特点：
• 这些材料在高温下具有良好的强度和抗腐蚀性能。
• 应用：
• 适用于热交换器的高温部件，如涡轮盘和叶片。

总结
选择heat exchanger的材料时，需要综合考虑以下因素：

• 温度范围：根据实际工作温度选择合适的材料。
• 强度和耐久性：确保材料能够承受高温下的蠕变和应力。
• 耐腐蚀性：材料需要抵抗高温下的氧化和腐蚀。
• 经济性：在满足性能要求的前提下，选择成本效益高的材料。

根据这些标准，Hastalloy-XR、Inconel 617、Haynes 230等高温合金是低于950°C时的首选材料，而陶瓷材料和Fe基ODS合金则适用于更高的温度范围。