核电厂通用机械设备之四换热器

核电厂通用机械设备之四换热器教员:吕云彪核电站员工基础理论培训教材4.概述4.1换热器的用途和类型4.1.1换热器的用途把一种介质的热量传给另一种介质的设备，都称为换热器。换热器作为生产工艺过程不可缺少的设备广泛用于各种领域.在核电厂中作为主要设备的换热器，数量众多，型号各异，如蒸汽发生器，低压、高压加热器，冷凝器，冷却器等。4.1.2换热器的类型4.1.2.1间壁式换热器:间壁式换热器的特点是冷、热两流体被固体壁面隔开，不相混合，通过间壁进行热量的交换。主要形式有以下几种:1)夹套式换热器(图4.1－1);2)蛇管式换热器(图4.1－2);3)套管式换热器(图4.1－2);4)列管式换热器.4.概述(续)4.1.2.2混合式换热器这种类型的换热器主要用于气体的冷却及蒸汽的冷凝，故又称为混合式冷却器或冷凝器。其特点是被冷凝（或冷却）的蒸汽直接与水（或冷流体）接触进行换热，因此传热效果好。必须指出，仅在允许冷、热流体互相混合时，才能应用混合式换热器。4.1.2.3蓄热式换热器蓄热式换热器又称蓄热器，器内装有固体填充物（如耐火砖等）。冷、热流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的(如右图所示)。4.概述(续)4.1.2.4板式换热器板式换热器主要由一组长方形的薄金属板构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后可以达到密封的目的，且可用垫片的厚度调节两板间流体通道的大小。每块板的四个角上，各开一个圆孔，其中有两个圆孔和板面上的流道相通，另外两个圆孔则不相通，它们的位置在相邻的板上是错开的，以分别形成两流体的通道。冷、热流体交替地在板片两侧流过，通过金属板片进行换热。每块金属板面冲压成凹凸规则的波纹，以使流体均匀流过板面，增加传热面积，并促使流体的湍动，有利于传热。图4.1－5所示，为大亚湾核电站核岛设备冷却水系统（RRI）采用的板式换热器结构图。其优点是：结构紧凑、单位体积设备提供的传热面积大；总传热系数值高，如对低粘度液体的传热，值可高达7000W/(m2·℃)；可根据需要增减板数以调节传热面积；检修和清洗都较方便等。其缺点是：处理量不宜大；操作压强比较低，一般低于15bar(1.5Mpa)，最高也不超过20bar；因受垫片耐热性能的限制，操作温度不能太高，一般对合成橡胶垫圈不超过130℃，压缩石棉垫圈也低于250℃。图4.1-5板式换热器示意图4.2列管式换热器的类型及工作特性列管式换热器是目前工业生产中包括核电站应用最广泛的传热设备，主要优点是单位体积所具有的传热面积大以及传热效果好。此外，结构简单，制造的材料范围较广，因此，在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。4.2.1固定管板式固定管板式换热器如图4.2－1所示。所谓固定管板式即两端管板和壳体连接成一体，因此它具有结构简单和造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。图4.2－1为具有补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束热膨胀不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种补偿方法简单，但不宜用于两流体的温度差太大（应不大于70℃）和壳方流体压强过高（一般不高于6bar）的场合。4.2列管式换热器的类型及工作特性4.2.2U型管换热器U型管换热器如图4.2－2所示。管子弯成U型，管子的两端固定在同一管板上，因此每根管子可以自由伸缩，而与其它管子和壳体均无关，故不受热膨胀限制。这种型式换热器仅一端有管板结构也较简单，重量轻，适用于高温和高压的场合,核电站反应堆回路和汽轮机回路的换热器多为这种类型。其主要缺点是管内清洗比较困难，因此管内流体必须洁净；且因管子需一定的弯曲半径，故管板的利用率差些。4.2列管式换热器的类型及工作特性4.2.3浮头式换热器浮头式换热器如图4.2－3所示，两端管板之一不与外壳固定连接，该端称为浮头。当管子受热（或受冷）时，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器不但可以补偿热膨胀，而且由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接的，因此管束可从壳体中抽出，便于清洗和检修，故浮头式换热器应用较为普遍，但结构较复杂，金属耗量较多，造价较高。4.2列管式换热器的类型及工作特性4.2.4核电其他换热设备换热设备在核电站中是主要设备，大亚湾核电站一回路中的蒸汽发生器为立式U型管式换热设备，二回路中的高、低压加热器为卧式U型管式换热设备，蒸汽冷凝器（凝汽器）则为管板式换热设备。现简介如下：4.2.4.1蒸汽发生器其结构如图4.2－4所示。它分上、下两部分，下部直径较小（mm）为蒸发段，其中装有19的U型管4474根以及管板、支承板、管束围板、流量分配挡板等；上部直径比较大（mm）为汽水分离段，内装旋流叶片式（离心式）汽水分离器及人字形机械挡板式干燥器等。下端为球形封头，内装分隔板，将球形封头分为进口室和出口室。上端为椭圆形封头，顶部设蒸汽出口。传热管材料为因科镍，管径为，管束排列为正方形，管束与管板的连接采用先焊后胀，确保其密封。4.2列管式换热器的类型及工作特性(续)传热量，MWth969总传热面积:5429m2管侧设计压力，Mpa17.2管侧设计温度:343℃管侧运行压力，MPa15.5管侧试验压力:22.9MPa热介质（反应堆冷却剂）进口温度，℃327出口温度，293℃流量，m3/h23790壳侧设计压力，MPa8.6试验压力，12.85MPa壳侧·设计温度，℃343蒸汽参数:压力，MPa6.89温度，℃283.6·最大湿度，％0.25流量（产量）t/h1938给水温度，℃262尺寸与重量上部汽水分离段直径4484mm下部蒸发段直径，mm3446总高度，mm20848管板厚度，mm555·无水总重，t329.5满水总重，t5054.2列管式换热器的类型及工作特性4.2.4.2高压加热器图4.2－5是大亚湾核电站二回路中的高压加热器结构图。二回路高压加热器的作用是利用汽轮机抽汽加热高压给水，以保证进入蒸汽发生器的给水水温。高压加热器的型式为卧式U型管式汽—水换热器。加热器直径2.37m，长度12.917m。U型加热管为的不锈钢管，管数为2258根，管板为碳钢，管束与管板的连接采用先焊后胀。两端封头均为凸形封头。从结构图中可以看出，高压加热器的加热介质分别为蒸汽和疏水凝结液。在同一筒体内，用壳程纵向隔板分成两个加热区，上部为蒸汽加热区，下部为疏水凝结液加热区。高压给水走管内，下进上出。加热蒸汽走管间上进、下排冷凝液。疏水凝结液走下部管间，与高压给水成逆流走向右进左排。在筒体内还有防冲板、管束支撑板、防震杆等换热器辅助部件。4.2列管式换热器的类型及工作特性4.2.4.3低压给水加热器低压给水加热器是利用低压缸抽汽加热主凝结水（低压给水）。它由四级加热器组成。图4.2－6就是第四级低压给水加热器的结构图。4.2列管式换热器的类型及工作特性4.2.4.3凝汽器（冷凝器）凝汽器在核电站的主要功能和火电厂一样是为汽轮发电机组提供一经济背压，并且使机组在所规定的冷却水温度范围和运行条件下，安全可靠的运行；满足机组要求的热力性能，冷凝所有进入凝结器的蒸汽，保持凝结水质，提供所需的凝结水量。图4.2－7所示为大亚湾核电站凝汽器的结构图。每台机组配有三台凝汽器，布置在机房底层。每台凝汽器有两组单流程管束，为卧式单程管板式换热器。循环冷却水（海水）由入口水室下端的进水暗渠引入，经管板走管内至出口水室再从出口水室下端排至排水暗渠。被冷凝的蒸汽走管间，自上而下，冲刷冷却水管束的同时，冷凝成凝结水，经集水箱除氧浅盘流入热井。4.3换热器传热的基本方式及传热过程4.3.1换热器传热的基本方式换热器传热的基本方式主要是以对流传热和热传导（导热）相结合的方式进行传热。4.3.1.1热传导（又称导热）若物体上的两部分间连续存在着温度差，则热将从高温部分自动地流向低温部分，直至整个物体的各部分温度相等为止。此种传热方式称为热传导。在金属固体中，热传导起因于自由电子的运动；在不良导体的固体和大部分液体中，热传导是由个别分子的动量传递所致；在气体中，热传导是由分子不规则运动而引起的。热传导是静止物质内的一种传热方式。也就是说没有物质的宏观位移。4.3.1.2对流传热对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传热仅发生在流体中，因此它与流体的流动状况密切相关。在对流传热时，也伴随着流体质点间的热传导。工程中讨论的对流传热，多是指热由流体传到固体的壁面（或反之）的过程。在流体中产生对流的原因有二：一为流体质点的相对位移是因流体中各处的温度不同而引起的密度差别，使轻者上浮，重者下沉（流体产生这种对流则称为自然对流）；二为流体质点的运动是因泵（风机）或搅拌等外力所致（流体的这种对流则称为强制对流）。流动的原因不同，对流传热的规律也有所不同。应予指出，在同一种流体中，有可能同时发生自然对流和强制对流。4.3换热器传热的基本方式及传热过程4.3.2换热器的传热过程核电厂所用的换热器，主要为列管式换热器（间壁式）。所以本章以间壁式换热器的传热过程进行分析。在间壁式换热器中，冷、热流体被壁面隔开，它们分别在壁面两侧进行流动。热流体将热传到壁面的一侧，通过固体壁面的热传导，再由壁面另一侧将热传给冷流体。冷热流体流动状态是，当流体流经固体壁面时形成流动边界层，边界层内存在速度梯度；当流体呈湍流时（形成湍流边界层），靠近壁面处总有一层滞流内层存在，在此薄层内流体呈滞流流动。因此在滞流内层中，沿壁面的法线方向上没有对流传热，该方向上热的传递仅为流体的热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流内层中的导热热阻就很大，因此该层中温度差也较大，即温度梯度较大。在湍流主体中，由于流体质点剧烈混合并充满了旋涡，因此湍流主体中的温度差（温度梯度）极小，各处的温度基本上相同。在湍流主体和滞流内层之间的缓冲层内，热传导和对流传热均起作用，在该层温度发生缓慢的变化。图4.3－l表示流体在壁面两侧的流动情况以及和流体流动方向垂直的某一截面上流体的温度分布情况。以上分析可知，对流传热的热阻主要集中在滞流内层内，因此，减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的重要途径。4.3换热器传热的基本方式及传热过程4.3.3热传导方程—傅立叶定律物体内各点间的温度差是热传导的必要条件.设内外管壁等温面温度之差为Δt=Tw-tw;壁面之间的距离为Δn,则冷热流体之间的温度梯度为:傅立叶定律:通过冷热两表面的导热速率与温度梯度和传热面积有关,即:dQ∝dsdQ=λds∵Δt=Tw-twΔn=b∴dQ=λds积分后得:Q=λS式中:Q——导热速率,即单位时间内传导的热,W;S——等温面面积,m2b——壁面厚度,m;Tw-tw——冷热壁面温度差,℃λ——导热系数,W/m2℃ntntbtwTwbtwTw4.3换热器传热的基本方式及传热过程4.3.4对流传热速率方程:对流传热用理论计算比较困难,一般用半经验方法来处理,即:对流传热速率==系数x推动力上式中推动力为流体与壁面之间的温差;阻力则为与流体接触的壁面大小成反比,由于换热器换热速率随换热器的位置变化而变化,因此可采用微分方程来表达,即:dQ=式中:dQ—局部对流传热系数,W;dS—微元传热面积,m2T—换热器任一截面上流体的平均温度,℃;Tw—换热器任一截面上与流体接触一侧壁面的温度,℃;α—比例系数,又称局部对流传热系数,W/(m2·℃).对流传热的阻力对流传热的动力dSTwTdSTwT)(14.3换热器传热的基本方式及传热过程(续)对流传热速率方程又称为牛顿冷却定律.工程计算中常使用平均对流传热系数α为常数,因此上述微分方程式可以积分为:Q=αSΔt式中α—平均对流传热系数,W/(m2·℃);S—总传热面积.m2Δt—流体与壁面之间的平均温度差,℃.应该指出:换热器的传热速率与流体流经的位置有关,因此,牛顿冷却定律可以以下式表示:dQ=αi(T-Tw)dSidQ=αo