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      哈雷釬焊板式換熱器
      專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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      換熱器類型在核電廠中的應用及其研究

      點擊:1961 日期:[ 2014-04-26 21:39:59 ]
                               換熱器類型在核電廠中的應用及其研究                           王世超,周濤,田闊,彭常宏,王若蘇                       (華北電力大學核科學與工程學院,北京102206)     [摘要]管殼式換熱器是目前壓水堆核電廠中普遍采用的換熱器。在保證核電廠安全性的基礎上,還需要進一步提高其經濟性,因此選擇反應堆水池和乏燃料水池冷卻和處理系統的冷卻水熱交換器為研究對象進行計算比較,然后利用各種形式換熱器的傳熱計算公式,并用Fortran語言編制程序進行計算,根據計算結果繪圖比較不同形式換熱器的傳熱系數及傳熱面積。通過比較分析得出在核電廠中,板式換熱器具有結構緊湊、質量輕、換熱效率高等可能的優點。     [關鍵詞]換熱器;傳熱系數;傳熱面積     [中圖分類號]TM623[文獻標識碼]A[文章編號]1674-1617(2008)03-0270-06     換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備,是核能領域中用得較多的重要設備。它的主要功能是保證工藝過程對介質所要求的特定溫度,同時也是提高能源利用率的主要設備之一。因此核電廠中有許多換熱設備,其材料及動力消耗占整個工藝設備的30%左右[1]。換熱器的形式多種多樣,長期以來,核電廠大多數都是采用結構簡單、制造容易,但換熱效果差、體積龐大的傳統管殼換熱器,這不利于核能裝置的小型化[2]。反應堆水池和乏燃料水池冷卻和處理系統主要用于冷卻乏燃料水池中的乏燃料,導出乏燃料的剩余釋熱[1]。因此通過研究該系統的冷卻水熱交換器傳熱性能,對于反應堆的安全性和經濟性具有重要的意義。     通過對板式換熱器、波紋管式換熱器、螺旋板式換熱器和管殼式換熱器的研究,計算比較各種換熱器的傳熱系數和傳熱面積,探討核級換熱器的發展方向,從而提高整個核電廠運行的經濟性、可靠性以及安全性,推進先進核電廠設計的不斷發展。     1·各類換熱器的工作原理     1.1管殼式換熱器     管殼式換熱器又稱列管式換熱器,主要由殼體、管束、管板(又稱花板)和封頭等部件組成。為了提高和強化管殼式換熱器的傳熱效率,近年來各國開展了許多研究工作,除了對管殼式換熱器的設計方法作改進外[3-5],主要是對該類換熱器的傳熱管件及結構作改動,從而實現強化傳熱。換熱器進行換熱時,一種流體由連接在管板上的封頭的進口管進入,通過平行管束的管內,從另一端封頭出口接管流出,稱為管程。另一種流體則由殼體的接管進入,在殼體與管束間的空隙處流過,而由另一接管流出,稱為殼程。管束的表面積即為傳熱面積[6]。     1.2板式換熱器     板式換熱器的結構比較簡單,它由板片、密封墊片、固定壓緊板、活動壓緊板、壓緊螺柱和螺母、上下導桿、前支柱等零部件組成。壓緊板、導桿、壓緊裝置、前支柱統稱為板式換熱器的框架。按一定規律排列的所有板片,稱為板束。其零部件之少,通用性之高,是任何換熱器所不能比擬的[6]。     1.3波紋管式換熱器     波紋管是一種雙面強化傳熱的管型,內外壁被軋成波紋凸肋,其內壁能改變流體邊界層的流動狀態,外壁能增大傳熱表面和擾動,達到雙面強化傳熱的目的[7]。     1.4螺旋板式換熱器     螺旋板式換熱器具有螺旋通道,流體在通道內流動,在螺旋板上焊有保持螺旋通道寬度的定距柱,在螺旋流動的離心力作用下,能使流體在較低的雷諾數時發生湍流。對于氨氣和甲醇氣來說可選擇較高的流速,一般為20 m/s左右。這樣可使流體分散度高、接觸好,氣體在通道內作均勻的螺旋流動。氣體阻力主要發生在氣體與螺旋板的摩擦上,這部分阻力可以造成氣體湍流而相應增加了給熱系數,有效地利用了流體的壓力損失,能較好地提高螺旋板換熱器的傳熱效率[8]。     2·計算公式[9]     本文將采用如下幾個關系式,來研究換熱器類型與傳熱系數和傳熱面積的關系。     利用圓筒壁傳熱時,傳熱系數:          式中:di、do、da分別為傳熱管的內徑、外徑和計算直徑,m,習慣上取da=do;a1為管內流體放熱系數,W/(m2·K);a2為管外流體放熱系數;W/(m 2·K);Rf為污垢熱阻,m2K/W;Rw為管壁熱阻,m2·K/W。     對數傳熱溫差:          式中:Δtmax、Δtmin分別為換熱器進口端和出口端的最大、最小溫差,℃。     傳熱面積          式中:Pt為換熱器的傳熱量,W。     利用平壁傳熱時,傳熱系數:          式中:a1、a2分別為平板兩側流體的放熱系數,W/(m 2·K);Rf為污垢熱阻,m2 ·K/W;Rw為管壁熱阻,m2·K/W。     2.1管殼式換熱器的計算公式     傳熱系數k利用公式(1)計算,其中管內流體放熱系數a1和殼側流體放熱系數a2的計算公式如下:          2.2板式換熱器的計算公式     傳熱系數k利用公式(1)進行計算,a1、a2分別按下式進行計算:          2.3波紋管式換熱器的計算公式     傳熱系數k利用公式(4)進行計算,a1、a2分別按下式進行計算:          2.4螺旋板式換熱器的計算公式     傳熱系數k利用公式(4)進行計算,a1、a2分別按下式進行計算:               3·程序框架圖     本文將針對反應堆水池和乏燃料水池冷卻和處理系統的冷卻水熱交換器,用Fortran語言編寫程序來計算各種換熱器的傳熱系數和傳熱面積,其所編程序的流程圖如2所示。                  4·算例及分析     冷卻水熱交換器主要用于冷卻反應堆水池和乏燃料水池中的水,冷源是設備冷卻水,工作溫度為50℃,壓力為0.85 MPa。下面對管殼式、板式、波紋管式以及螺旋板式換熱器的傳熱系數及傳熱面積進行計算比較:     選擇管殼式換熱器傳熱管尺寸為φ1 9 mm×1 mm;板式換熱器板面為波紋板形,壁厚δ為0.8 mm,當量直徑da為7.2 mm;波紋管式換熱器壁厚δ為0.8 mm,平均直徑d為25 mm,波紋管外徑與平均直徑之比為1.2,波深與節距之比為0.33,螺旋板式換熱器壁厚δ為1 mm,當量直徑da為20 mm。     選取換熱器中設備冷卻水的流速為2 m/s,反應堆水池和乏燃料水池水的流速為1.3 m/s,管壁材料不銹鋼的熱導率為15 W/(m ·K),換熱器的污垢熱阻為88×10-7 m 2·K/W。根據大亞灣核電廠反應堆水池和乏燃料水池冷卻和處理系統的冷卻水熱交換器的工作參數,選取表1中五組數據進行計算。                  分別計算表1中五組數據下管殼式、板式、波紋管式、螺旋板式換熱器的傳熱系數和傳熱面積。     四種形式換熱器的傳熱系數,傳熱面積分別用圖3,4表示如下:                   由圖3可以看出,隨著功率的增加,四種換熱器的傳熱系數基本不變化。在相同的功率條件下,板式換熱器的傳熱系數最高,管殼式換熱器的傳熱系數最低,前者是后者的2.7倍。這是因為管殼式換熱器為了使殼程中的流體達到良好的湍流狀態,一般安裝折流擋板,這樣就使流體在殼程中流動時存在著折流板—殼體、折流板—換熱管、管束—殼體之間的旁路,通過這些旁路的流體,沒有充分參與換熱;而板式換熱器中的板片一般制成槽形或波紋形,冷熱流體分別在板片的兩側通過,流體流道較小,不存在旁路的問題,板片的波紋能使流體在較小的流速(如Re=200左右)下產生湍流,且流體的阻力較小,所以板式換熱器具有較高的換熱系數[10]。                   由圖4可以看出,隨著功率的增加,四種換熱器的傳熱面積均變大。在同等的條件下,管殼式換熱器的傳熱面積最大,板式換熱器的傳熱面積最小,是板式換熱器的傳熱面積的3倍。管殼式換熱器和板式換熱器單位體積內的換熱面積都比較大。因板式換熱器板片很薄,又可排得很緊(間隙僅為2~8 mm),故結構更緊湊,單位體積可獲得較大的換熱面積。     5·結論     (1)反應堆水池和乏燃料水池冷卻和處理系統的冷卻水熱交換器所要求的進出口溫度和進口壓力比較低,故可以用板式換熱器取代管殼式換熱器,這樣可很大程度上提高換熱器的傳熱系數,減小傳熱面積。     (2)通過以上四種換熱器的計算比較可知,在同等條件下,板式換熱器的換熱系數高,且傳熱面積最小。因此,實現同樣的換熱任務,板式換熱器的占地面積約為管殼式換熱器的1/5~1/10,從而給檢修帶來很大的方便,這樣可以進一步提高核電廠運行的經濟性。     (3)板式換熱器的工作壓力和溫度都比較低,而核電廠的很多設備是在高溫高壓的工作條件下進行的,故板式換熱器還不能在核電廠中得到普遍應用??紤]到核電廠的安全,需要提高板式換熱器的材料性能以及工藝水平,以適應核電廠的工作條件。 參考文獻: [1]廣東核電培訓中心編.900 MW壓水堆核電站系統與設備[M].北京:原子能出版社,2007. [2]甘建衡.新型強化換熱器[J].核動力工程.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]祁玉紅.三種常用換熱器的比較[J].青海大學學報(自然科學版),2006,24(6):60-62. [7]鄧方義,劉巍,郭宏新,等.波紋管換熱器的研究及工業應用[J].煉油技術與工程,2005,35(8):28-32. [8]周乃石.螺旋板換熱器在合成塔中的應用[J].化肥設計,1999,(37):31-34. [9]錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2002. [10]李起潮.板式與管殼式換熱器的比較分析[J].西部糧油科技,2000,25(4):31-32.
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