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换热器类型在核电厂中的应用及其研究点击：2213 日期：[ 2014-04-26 21:39:59 ] |
| 换热器类型在核电厂中的应用及其研究 王世超，周涛，田阔，彭常宏，王若苏 (华北电力大学核科学与工程学院，北京102206) [摘要]管壳式换热器是目前压水堆核电厂中普遍采用的换热器。在保证核电厂安全性的基础上，还需要进一步提高其经济性，因此选择反应堆水池和乏燃料水池冷却和处理系统的冷却水热交换器为研究对象进行计算比较，然后利用各种形式换热器的传热计算公式，并用Fortran语言编制程序进行计算，根据计算结果绘图比较不同形式换热器的传热系数及传热面积。通过比较分析得出在核电厂中，板式换热器具有结构紧凑、质量轻、换热效率高等可能的优点。 [关键词]换热器；传热系数；传热面积 [中图分类号]TM623[文献标识码]A[文章编号]1674-1617(2008)03-0270-06 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，是核能领域中用得较多的重要设备。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。因此核电厂中有许多换热设备，其材料及动力消耗占整个工艺设备的30%左右[1]。换热器的形式多种多样，长期以来，核电厂大多数都是采用结构简单、制造容易，但换热效果差、体积庞大的传统管壳换热器，这不利于核能装置的小型化[2]。反应堆水池和乏燃料水池冷却和处理系统主要用于冷却乏燃料水池中的乏燃料,导出乏燃料的剩余释热[1]。因此通过研究该系统的冷却水热交换器传热性能,对于反应堆的安全性和经济性具有重要的意义。 通过对板式换热器、波纹管式换热器、螺旋板式换热器和管壳式换热器的研究，计算比较各种换热器的传热系数和传热面积，探讨核级换热器的发展方向，从而提高整个核电厂运行的经济性、可靠性以及安全性，推进先进核电厂设计的不断发展。 1·各类换热器的工作原理 1.1管壳式换热器 管壳式换热器又称列管式换热器，主要由壳体、管束、管板(又称花板)和封头等部件组成。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率,近年来各国开展了许多研究工作,除了对管壳式换热器的设计方法作改进外[3-5],主要是对该类换热器的传热管件及结构作改动,从而实现强化传热。换热器进行换热时，一种流体由连接在管板上的封头的进口管进入，通过平行管束的管内，从另一端封头出口接管流出，称为管程。另一种流体则由壳体的接管进入，在壳体与管束间的空隙处流过，而由另一接管流出，称为壳程。管束的表面积即为传热面积[6]。 1.2板式换热器 板式换热器的结构比较简单，它由板片、密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、压紧螺柱和螺母、上下导杆、前支柱等零部件组成。压紧板、导杆、压紧装置、前支柱统称为板式换热器的框架。按一定规律排列的所有板片，称为板束。其零部件之少，通用性之高，是任何换热器所不能比拟的[6]。 1.3波纹管式换热器 波纹管是一种双面强化传热的管型，内外壁被轧成波纹凸肋，其内壁能改变流体边界层的流动状态，外壁能增大传热表面和扰动，达到双面强化传热的目的[7]。 1.4螺旋板式换热器 螺旋板式换热器具有螺旋通道,流体在通道内流动,在螺旋板上焊有保持螺旋通道宽度的定距柱,在螺旋流动的离心力作用下,能使流体在较低的雷诺数时发生湍流。对于氨气和甲醇气来说可选择较高的流速,一般为20 m/s左右。这样可使流体分散度高、接触好,气体在通道内作均匀的螺旋流动。气体阻力主要发生在气体与螺旋板的摩擦上,这部分阻力可以造成气体湍流而相应增加了给热系数,有效地利用了流体的压力损失,能较好地提高螺旋板换热器的传热效率[8]。 2·计算公式[9] 本文将采用如下几个关系式，来研究换热器类型与传热系数和传热面积的关系。 利用圆筒壁传热时，传热系数： 式中：di、do、da分别为传热管的内径、外径和计算直径，m，习惯上取da=do；a1为管内流体放热系数，W/(m2·K)；a2为管外流体放热系数；W/(m 2·K)；Rf为污垢热阻，m2K/W；Rw为管壁热阻，m2·K/W。 对数传热温差： 式中：Δtmax、Δtmin分别为换热器进口端和出口端的最大、最小温差，℃。 传热面积 式中：Pt为换热器的传热量，W。 利用平壁传热时，传热系数： 式中：a1、a2分别为平板两侧流体的放热系数，W/(m 2·K)；Rf为污垢热阻，m2 ·K/W；Rw为管壁热阻，m2·K/W。 2.1管壳式换热器的计算公式 传热系数k利用公式（1）计算，其中管内流体放热系数a1和壳侧流体放热系数a2的计算公式如下： 2.2板式换热器的计算公式 传热系数k利用公式（1）进行计算，a1、a2分别按下式进行计算： 2.3波纹管式换热器的计算公式 传热系数k利用公式（4）进行计算，a1、a2分别按下式进行计算： 2.4螺旋板式换热器的计算公式 传热系数k利用公式（4）进行计算，a1、a2分别按下式进行计算： 3·程序框架图 本文将针对反应堆水池和乏燃料水池冷却和处理系统的冷却水热交换器，用Fortran语言编写程序来计算各种换热器的传热系数和传热面积，其所编程序的流程图如2所示。 4·算例及分析 冷却水热交换器主要用于冷却反应堆水池和乏燃料水池中的水，冷源是设备冷却水，工作温度为50℃，压力为0.85 MPa。下面对管壳式、板式、波纹管式以及螺旋板式换热器的传热系数及传热面积进行计算比较： 选择管壳式换热器传热管尺寸为φ1 9 mm×1 mm；板式换热器板面为波纹板形，壁厚δ为0.8 mm，当量直径da为7.2 mm；波纹管式换热器壁厚δ为0.8 mm，平均直径d为25 mm，波纹管外径与平均直径之比为1.2，波深与节距之比为0.33，螺旋板式换热器壁厚δ为1 mm，当量直径da为20 mm。 选取换热器中设备冷却水的流速为2 m/s，反应堆水池和乏燃料水池水的流速为1.3 m/s，管壁材料不锈钢的热导率为15 W/(m ·K)，换热器的污垢热阻为88×10－7 m 2·K/W。根据大亚湾核电厂反应堆水池和乏燃料水池冷却和处理系统的冷却水热交换器的工作参数，选取表1中五组数据进行计算。 分别计算表1中五组数据下管壳式、板式、波纹管式、螺旋板式换热器的传热系数和传热面积。 四种形式换热器的传热系数，传热面积分别用图3，4表示如下： 由图3可以看出，随着功率的增加，四种换热器的传热系数基本不变化。在相同的功率条件下，板式换热器的传热系数最高，管壳式换热器的传热系数最低，前者是后者的2.7倍。这是因为管壳式换热器为了使壳程中的流体达到良好的湍流状态，一般安装折流挡板，这样就使流体在壳程中流动时存在着折流板—壳体、折流板—换热管、管束—壳体之间的旁路，通过这些旁路的流体，没有充分参与换热；而板式换热器中的板片一般制成槽形或波纹形，冷热流体分别在板片的两侧通过，流体流道较小，不存在旁路的问题，板片的波纹能使流体在较小的流速(如Re=200左右)下产生湍流，且流体的阻力较小，所以板式换热器具有较高的换热系数[10]。 由图4可以看出，随着功率的增加，四种换热器的传热面积均变大。在同等的条件下，管壳式换热器的传热面积最大，板式换热器的传热面积最小，是板式换热器的传热面积的3倍。管壳式换热器和板式换热器单位体积内的换热面积都比较大。因板式换热器板片很薄，又可排得很紧(间隙仅为2～8 mm)，故结构更紧凑，单位体积可获得较大的换热面积。 5·结论 （1）反应堆水池和乏燃料水池冷却和处理系统的冷却水热交换器所要求的进出口温度和进口压力比较低，故可以用板式换热器取代管壳式换热器，这样可很大程度上提高换热器的传热系数，减小传热面积。 （2）通过以上四种换热器的计算比较可知，在同等条件下，板式换热器的换热系数高，且传热面积最小。因此，实现同样的换热任务，板式换热器的占地面积约为管壳式换热器的1/5～1/10，从而给检修带来很大的方便，这样可以进一步提高核电厂运行的经济性。 （3）板式换热器的工作压力和温度都比较低，而核电厂的很多设备是在高温高压的工作条件下进行的，故板式换热器还不能在核电厂中得到普遍应用。考虑到核电厂的安全，需要提高板式换热器的材料性能以及工艺水平，以适应核电厂的工作条件。 参考文献： [1]广东核电培训中心编.900 MW压水堆核电站系统与设备[M].北京：原子能出版社，2007. [2]甘建衡.新型强化换热器[J].核动力工程.2000，21(2):131-133. [3]Mukherjee Rajiv.Effectively design shell-and-tube heat exchangers [J].ChemicalEngineering Progress，1998，94(2)：21-37. [4]Mukherjee Rajiv.Broadern your heat exchangerdesign skills[J]. Chemical Engineering Progress，1998，94(3)：35-43. [5]GabrielAurioles.Comply with ASME codeduring early design stages [J].ChemicalEngineering Progress，1998，94(6)：45-50. [6]祁玉红.三种常用换热器的比较[J].青海大学学报(自然科学版)，2006，24(6)：60-62. [7]邓方义，刘巍，郭宏新，等.波纹管换热器的研究及工业应用[J].炼油技术与工程，2005，35(8)：28-32. [8]周乃石.螺旋板换热器在合成塔中的应用[J].化肥设计，1999，(37)：31-34. [9]钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002. [10]李起潮.板式与管壳式换热器的比较分析[J].西部粮油科技，2000，25(4)：31-32. |
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