發(fā)夾式換熱器結(jié)構(gòu)研究及熱工設(shè)計(jì)

王振鋒，宋印璽

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，在核工業(yè)中應(yīng)用廣泛，其中管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱面大，安全可靠性高等特點(diǎn)，成為核工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的換熱器結(jié)構(gòu)形式。核工業(yè)中管殼式換熱器包括U形管式、發(fā)夾式、蛇管式、套管式等結(jié)構(gòu)形式，發(fā)夾式換熱器是使用U形彎頭連接，具有單管程、單殼程結(jié)構(gòu)的換熱器。在秦山30W、AP1000核電機(jī)組中擁有一定數(shù)量的發(fā)夾式管殼式換熱器，例如：廢液冷卻器、硼回預(yù)熱器、過(guò)剩下泄熱交換器、硼回凝水冷卻器、CVS再生熱交換器等。

目前對(duì)于發(fā)夾式換熱器的研究較少，其熱工設(shè)計(jì)也是鮮見(jiàn)報(bào)道，因此本文對(duì)發(fā)夾式結(jié)構(gòu)換熱器進(jìn)行初步研究并利用HTRI軟件進(jìn)行熱工設(shè)計(jì)。

1 發(fā)夾式換熱器特點(diǎn)

1.1 發(fā)夾式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 發(fā)夾式換熱器外形圖

發(fā)夾式換熱器是單管程、單殼程，管束及殼體均為U形形狀的換熱器，殼體通過(guò)U形彎頭連接，U形彎頭與兩段殼體焊在一起或者通過(guò)法蘭連接，由于其形狀類(lèi)似發(fā)夾，因此被叫做發(fā)夾式換熱器(見(jiàn)圖1)。當(dāng)管束由單根換熱管組成時(shí)，即為套管式換熱器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于高溫、高壓流體，特別是小流量流體的傳熱[1]。發(fā)夾式換熱器外形結(jié)構(gòu)可以看成將單管程、單殼程的固定管板式換熱器彎制成U形形狀，也可以看成是將雙管程、雙殼程的U形管式換熱器的管箱、殼體分離后的結(jié)構(gòu)。因此，發(fā)夾式換熱器適用的殼體比傳統(tǒng)管殼式換熱器的殼徑要小的多，一般選用無(wú)縫管作為殼體。

發(fā)夾式換熱器可以實(shí)現(xiàn)全逆流換熱，不存在冷熱流體間溫度交叉的問(wèn)題[2]；且由于殼體、管間距設(shè)計(jì)的較小，可以提高流體流速、提高傳熱系數(shù)，具有單位體積傳熱面積大，管內(nèi)傳熱系數(shù)高的特點(diǎn)；發(fā)夾式換熱器管束兩端采用兩塊獨(dú)立的管板，減小了管板直徑，進(jìn)而可以減小管板的厚度，降低設(shè)備成本；發(fā)夾式換熱器還可以設(shè)計(jì)成管束可拆卸結(jié)構(gòu)，管側(cè)管板通過(guò)一個(gè)支撐法蘭與管程密封法蘭用螺栓連接；殼側(cè)筒體與殼側(cè)密封法蘭焊接，管、殼兩側(cè)的法蘭連接中均裝有密封圈，保證設(shè)備的密封性；這種結(jié)構(gòu)形式，可以在去除U段筒體后將管束從殼體中抽出。

圖2 發(fā)夾式換熱器結(jié)構(gòu)圖

發(fā)夾式換熱器殼徑小、管束采用U形管且具有獨(dú)立管板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其適用于高壓、高溫差及存在溫度交叉的工況條件。因此在核電站高壓、高溫差或存在溫度交叉的工況下，選用此種結(jié)構(gòu)形式的換熱器較多。由于核電的特殊性，核電用發(fā)夾式換熱器的管箱與管板大多采用全焊接連接，殼體與管板以及U形段殼體與直段殼體間均采用焊接連接。殼程內(nèi)直段設(shè)置折流板，流體錯(cuò)流換熱，U形段設(shè)置管束支撐，流體縱流換熱，如圖2所示。

1.2 發(fā)夾式換熱器的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)管殼式換熱器相比，發(fā)夾式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原理決定了其具有以下優(yōu)點(diǎn)[3]：

(1)管程和殼程分別采用獨(dú)立的封閉體系，可以在高溫差和高壓差條件下使用，能夠防止熱力振動(dòng)。

(2)采用U形管束及兩塊獨(dú)立管板，管束可以自由伸縮，從而消除溫差應(yīng)力，具備溫差補(bǔ)償效應(yīng)，適用于管殼側(cè)溫差較大的工況。

(3)殼體直徑較小，可以承受更高的壓力。

(4)單管程、單殼程結(jié)構(gòu)，管、殼側(cè)介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)純逆流流動(dòng)換熱，換熱效率更高，而且可以解決溫度交叉問(wèn)題。

(5)對(duì)于小流量流體傳熱的工況，其結(jié)構(gòu)可以獲得更高的流體流速，使其處于一個(gè)合理的水平，從而提高換熱效率，減少結(jié)垢，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

2 發(fā)夾式換熱器的熱工設(shè)計(jì)

發(fā)夾式換熱器熱工設(shè)計(jì)主要有傳熱計(jì)算、壓降計(jì)算與流致振動(dòng)計(jì)算三方面[2]，需按照TEMA或者GB151[4]進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。發(fā)夾式換熱器中包含流體錯(cuò)流換熱與U段流體縱向流換熱，手工計(jì)算比較繁瑣，工作量較大。在實(shí)際工程中，通常采用通用換熱器設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算。

核電站中發(fā)夾式換熱器一般采用HTRI軟件Xhpe模塊進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算模型中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。由于之前軟件中無(wú)法輸入圖3中L1、L2參數(shù)，導(dǎo)致計(jì)算模型無(wú)法與實(shí)際結(jié)構(gòu)完全一致，而且該模塊中無(wú)法進(jìn)行流致振動(dòng)計(jì)算，因此很多設(shè)計(jì)人員將發(fā)夾式換熱器拉直轉(zhuǎn)換成固定管板式換熱器采用Xist模塊計(jì)算，可以一次完成熱工設(shè)計(jì)。但發(fā)夾式換熱器U段區(qū)域流體為縱向流換熱，直段區(qū)域?yàn)殄e(cuò)流換熱，而固定管板式換熱器流體都為錯(cuò)流換熱，此外采用Xhpe模塊計(jì)算中不考慮L2部分換熱管參與換熱，而Xist模塊中認(rèn)為直管段均參與換熱。因此設(shè)計(jì)人員在建立模型時(shí)都會(huì)進(jìn)行保守處理，以保證設(shè)備滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

隨著軟件功能的完善，Xhpe模塊中增加了輸入圖3中L1、L2參數(shù)的窗口，計(jì)算模型可以更接近設(shè)備原型。因此結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文建議采用Xhpe與Xist模塊相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)發(fā)夾式換熱器。首先，采用Xhpe模塊進(jìn)行發(fā)夾式換熱器的傳熱性能計(jì)算與壓降計(jì)算，獲得設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)；然后，將得到的發(fā)夾式換熱器結(jié)構(gòu)拉直、轉(zhuǎn)換成固定管板式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)，再通過(guò)Xist模塊進(jìn)行流致振動(dòng)分析。如果流致振動(dòng)分析結(jié)果不滿(mǎn)足要求，則需對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，再將調(diào)整后的結(jié)構(gòu)參數(shù)代入Xhpe中，重復(fù)第一步對(duì)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算分析。直至設(shè)備的熱工計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖3 發(fā)夾式換熱器模型示意圖

作者按上述兩種不同方法分別對(duì)核電站再生換熱器進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，采用Xhpe與Xist模塊計(jì)算相結(jié)合的結(jié)果與采用Xist模塊保守計(jì)算的結(jié)果相比，換熱性能相差較大，超過(guò)5%的偏差。因此本文建議采用Xhpe與Xist模塊相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)發(fā)夾式換熱器經(jīng)濟(jì)性更高。

3 結(jié)論

本文介紹了發(fā)夾式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，指出其適用于高壓、高溫差、存在溫度交叉或者小流量流體傳熱的工況條件。結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建議采用Xhpe模塊與Xist模塊相結(jié)合的方法進(jìn)行發(fā)夾式換熱器熱工設(shè)計(jì)。希望本文能為后續(xù)的發(fā)夾式換熱器選型設(shè)計(jì)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]尾花英朗.熱交換器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1984.

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[3]張永生.多管式換熱器的研究及工業(yè)應(yīng)用分析[J]. 化工設(shè)備與管道，2012，49(4)：21-26.

[4]全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 151-1999 管殼式換熱器[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.