换热器在核电站的应用及其性能分析

河南科技
Journal of Henan Science and Technology
总576期第11期2015年11月Vol.576，No.11Nov ，2015
摘要：本文介绍了换热器的形式在核电厂的主要应用及其建立了换热器的火用分析模型，对板式换热器的特
点及其结构简单做了介绍，对设备冷却水板式换热器的性能进行了计算分析，可以看出换热器的火用效率满足运行的要求，同时可以应用到核电厂各个换热器的经济性分析，为在线分析其经济性提供了依据。

对换热器的日常维护进行了简单的介绍，以保持换热器在较高效率的情况下运行。

关键词：换热器；火用效率；核电站；性能分析中图分类号：TK124
文献标识码：A
文章编号：1003-5168（2015）11-0059-3
Application of Heat Exchanger in the Nuclear Power Plant and Its
Performance Analysis
Gao Xin Liu Chaojie
（China Nuclear Power Engineering Co.,missioning Department,Beijing 100000）
Abstract：This article describes the main applications of heat exchanger in the nuclear power plants and the estab⁃lishment of a heat exchanger analysis model,briefly introduces the characteristics of heat exchanger and its structure,and calculates and analyzes the performance of water-cooling plate heat exchangers for equipment,it can be seen that the efficiency of the heat exchanger meets the requirements of operation,can be applied to the economic analysis of various heat exchangers in the nuclear power plant,and provides a basis for the online analysis of its economical ef⁃ficiency.The daily maintenance of the heat exchanger is briefly introduced,to keep the heat exchanger running with a relatively high efficiency.
Keywords:heat exchanger;exergy efficiency;nuclear power;performance analysis
收稿日期：2015-9-10
作者简介：高鑫（1989.1-），男，本科，助理工程师，研究方向：核电厂放射性废物处理。

换热器是核电站的关键设备，其性能的优劣直接影响到核电站的安全经济性能与效率，其数量众多，型号各异，主要包括：各个设备冷却器、蒸汽发生器、凝汽器和高压、低压加热器、循环冷却器等。

在核电站一回路、二回路，及其各辅助系统中得到广泛应用［1］。

1
换热器的分类
根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本可以分为三大类，即：间壁式、混合式，蓄热式。

1.1
间壁式换热器
间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。

因此又称表面式换热器，这类换
热器应用最广。

间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、管壳式换热器（蒸汽发生器、高压加热器、低压加热器、凝汽器等），板式热交换器（RRI/SEC 板式换热器等）。

1.2
混合式换热器
混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热效率。

由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。

例如，除氧器等。

1.3
蓄热式换热器蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物
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质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。

蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。

换热器按用途分为：冷却器、加热器、预热器、过热器、蒸发器。

2换热器火用分析
热力学第二定律是关于热与功转化方向性的定律，热力学第二定律有多种描述方法，其本质就是自发过程的不可逆性的描述。

自然界的过程总是朝着孤立系统的熵增加的方向进行，它表示着能量耗散和功耗散的程度。

各种形式的能量转换成有用功的能量是不同的，火用是能量的一种固有属性，热力系统经过可逆过程过渡到与环境处于平衡状态时所能做出的最大有用功，成为系统的火用［2-3］。

而能量中的火无则是不可逆过程中发生的火用向火无转化，无论采用什么方法也不可能转变为有用功的那部分能量，随着能量转换过程的进行，最终它将转移给环境，而这部分火用的消失，或称为不可逆过程的火用损失，简称为火用损失。

稳定物质流从任一给定状态流经开口系统以可逆的方式转变到环境状态，并且只与环境交换热量时，所能做出的最大有用功，称为焓火用，计算公式为；
e=h-h0-T0（s-s0）（1）式中：h—稳定流体的焓,单位kJ/kg；
e—稳定流体的火用，单位kJ/kg；
h0—环境状态的焓，单位kJ/kg；
T0—环境状态的温度K；
s0—环境状态的熵kJ/kg·K；
按照国际水蒸汽性质会议通过的决议，液相水在三相点的熵和热力学能的数值规定为零。

本文都以三相点作为计算的参考点。

2.1简单传热模型及各种型式换热器的火用平衡方程
对如图1所示的简单传热模型，热、冷热流体均为稳定流动，图中E H in、E H out表示热流体的输入、输出的火用，单位为kJ，E L in、E L out表示冷流体的输入、输出的火用，单位为kJ，I表示火用损，单位为kJ：
E H in-E H out-（E L out-E L in）=I（2）
换热器内流体的传热过程，可视为一种或两种以上流体之间的相互传热，可以把其中任何一种流体看作冷流体，其余流体看作热流体，
设备的目的火用效率
目的火用效率ηex是指达到目的所得到的火用与付出代价所消耗的火用的比值，冷流体作为目的火用。

ηex=
E L out-E L in
E H in-E H out（3）
式中，E L in—冷流体流入加热器时的火用，
E L out—冷流体流出加热器时的火用，
E H in—热流体流入加热器时的火用，
E H out—热流体流出加热器时的火用。

2.2板式换热器的性能分析
板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。

各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。

它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多。

板式换热器是用薄金属板压制成具有一定波纹形状的换热板片，然后叠装，用夹板、螺栓紧固而成的一种换热器。

工作流体在两块板片间形成的窄小而曲折的通道中流过。

冷热流体依次通过流道，中间有一隔层板片将流体分开，并通过此板片进行换热，如图2所示：板式换热器的结构及换热原理决定了其具有结构紧凑、占地面积小、传热效率高、操作灵活性大、应用范围广、热损失小、安装和清洗方便等特点［4-6］。

2.2.1板式换热器的性能计算
RRI/SEC板式热交换器为研究对象，RRI001/003RF 和RRI002/004RF在正常运行负荷的运行条件的情况下进行计算［7］，可以看出运行的各个参数如表1所示：从计算数据可以看出，RRI001/003RF的换热火用效率大于RRI002/004RF，其都大于目的火用效率，满足设备运行的工况要求，RRI001/003RF火用损较小，压力损失较小，换热器的不可逆损失较小。

随着时间的推移，设备表面污垢系数逐渐增大，影响传热效率，不可逆损失将
图1简单换热模型
图2板式换热器结构
压紧板
支撑柱
下导杆
夹紧螺栓
上承杆
固定板
板片组
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增大，火用效率降低，温差和摩阻引起的不可逆损失增大，因此要定时对设备进行清洁管理，保持设备的性能，提高其效率。

2.2.2板式换热器的维护保养
日常操作应特别注意防止温度、压力的波动，首先应保证压力稳定，绝不允许超压运行。

换热设备经长时间运转后，由于介质的腐蚀、冲蚀、积垢等原因，使管子内外表面都有不同程度的结垢，甚至堵塞。

所以在停工检修时必须进行彻底清洗，常用的清
洗（扫）方法有风扫、水洗、汽扫、化学洗清和机械清洗
等。

3结语
通过建立的火用效率表达式对RRI/SEC 板式热交换器进行计算可以看出，板式换热器在运行中的经济性能，可以判断出设备是否满足运行的性能要求，对于达不到经济性能的换热器可以采取措施来提高换热器的效率。

定期进行换热器的清洗除垢等措施，保持设备的清洁，增大换热器的效率。

参考文献：
［1］阎克智，编.核电厂通用机械设备［M ］.北京：原子能出版社，2010.
［2］朱明善，编．能量系统的火用分析［M ］.北京：清华大学出版社，1988.
［3］李汝辉，等.能量的有效利用［M ］.北京:北京航空航天大学出版社，1992.
［4］崇麟编板式换热器工程设计手册［M ］.北京：机械工业出版社，1998．
［5］曲宁板式换热器传热与流动分析［D ］.济南：山东大学，2005．
［6］倪晓华，夏清，萧渊.板式换热器的换热与压降计算［J ］.流体机械，2002（30）：22-32.
［7］戚屯锋.秦山第二核电厂中级运行培训教材［M ］.北京：原子能出版社，2008.
热流体（RRI 侧）
参数体积流量Q V1进口温度T in 出口温度T out 入口压力P 输入火用E in 冷流体（SEC 侧）体积流量Q V1进口温度T in 出口温度T out 入口压力P 压降P H 输出火用E out
换热器特性
火用损I 火用效率ηex 设计目的火用效率
单位m 3/h ℃℃MPa kJ
m 3/h ℃℃Mpa kpa kJ
kJ
RRI001/003RF 2100
19.3215.570.8549.09260013.9317.080.15
152.7511.4037.6893.13＞82
RRI002/004RF
2000
19.7215.320.8616.01275013.6116.960.15
168.0567.5648.4392.13＞82
表1换热器计算数据表
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