热交换器设计

热交换器设计在采用一体化布置的高温气冷堆中，为了使预应力混凝土压力容器体积不致过大，蒸汽发生器应尽量紧凑，严格限制受热面空间布置，并要求其具有较高的功率密度。

因此，一体化布置的高温气冷反应堆主要选用直流型多头螺旋管式蒸汽发生器。

本文从实际工程设计出发，对多头螺旋管式蒸汽发生器的设计进行了研究，提出了多头螺旋管束受热面结构的设计方法，推荐了螺旋管内外的传热系数和压降的计算关系式。

根据所提出设计方法和螺旋管内外的传热系数和压降的计算关系式对260MW蒸汽发生器进行了设计计算。

由于螺旋管具有占地面积小、传热系数大、结构紧凑、易于清洗、污垢热阻小等优点，不仅在核反应堆，而且在直流锅炉、急冷锅炉、各种石油化工设备中的换热器，热交换器都有相当广泛的应用。

因此本文得到的结果不仅适用于高温气冷反应堆的蒸汽发生器，而且适用于各种工业设备中的螺旋管式换热器和螺旋管式热交换器。

- I -- II - 主要符号表英 文 字 母 pf c液体比热，W /kg ℃； D螺旋直径，m ； c D中心柱直径，m ； d D套筒直径，m ； d管子外径，m ； i d管子内径，m ； aeffn i F F F ,,所示的修正系数，无因次； G质量流速，kg/sm 2； H管束高度，m ； h螺旋管导程，m ； mac h对流放热系数，W/m 2℃； mic h核沸腾放热系数，W/m 2℃； f K液体的导热系数，W/m ℃； L螺旋管长度，m ； M头数，个； Nu努塞尔特数，无因次； g Nu汽相努塞尔特数，无因次； n轴向方向管子排数，个； w g ,Pr管壁温度确定的汽相pr 数，无因次； Pr普朗特数，无因次； Re 雷诺数，无因次；- III - g Re汽相雷诺数，无因次； r液体的汽化潜热，kJ/kg ； i r管内污垢层的污垢系数，m 2℃/W ； o r管外污垢层的污垢系数，m 2℃/W ； T S径向节距，m ； L S轴向节距，m ； w t壁面温度，℃； l t流体温度，℃； sat t饱和温度，℃； v流体的比容，m 3/kg ； 0w循环流速，m/s ； x质量含汽率，无因次； Z管子的总阻力系数（不包括节流圈），无因次； gr i ∆过热段焓增，kJ/kg ； qh i ∆进口介质欠焓，kJ/kg ； jb p ∆局部阻力压降，Pa ； js p ∆加速压降，Pa ； ld p ∆流动阻力压降，Pa ； mc p ∆摩擦阻力压降，Pa ； sat p ∆sat t ∆对应的蒸汽压力变化，Pa ； zw p ∆重位压降，Pa ； sat t ∆ 壁面过热度，℃。

希腊字母α螺旋上升角，度；λ螺旋管内摩擦阻力系数，无因次；λ直管的每米沿程阻力系数，无因次；μ液体动力粘度系数，Pa·s；fξ两相流体局部阻力损失系数，无因次；ξ单相流体螺旋管阻力系数，无因次；jbξ节流圈阻力系数，无因次；jl∑ξ局部阻力系数之和，无因次；ρ过热段出口密度，kg/m3；cρ液体的密度，kg/m3；fρ气体的密度，kg/m3；gρ过热段平均密度，kg/m3；grρ预热段入口密度，kg/m3；rρ'饱和水密度，kg/m3；ρ''饱和蒸汽密度，kg/m3；σ表面张力，N/m- IV -第1章绪论1.1课题的研究背景及意义当今世界，能源是一个国家国民经济发展的基础和前提，在自然资源开采日趋减少的今天，能源发展趋向于多元化。

其中核能作为一种潜力很大的能源，在当今世界多数国家得以发展。

一些发达国家的核电消费量在整个电力消费量中已占有相当大的比重。

1942年，意大利科学家费米亲自主持了美国芝加哥大学建成的世界上第一座核反应堆，从而揭开了原子核能时代的序幕。

原子核能的和平利用在二战后的50年代开始，经过试验性原子核反应堆阶段到20世纪90年代，人们已经在核电站用反应堆方面形成了一个综合性的高技术工业部门。

可见，核电发展的脚步相当迅速，核能作为一种新能源替代品，将受到越来越多国家的重视，正由发达国家向发展中国家扩展。

核能是一种潜力巨大的能源，由于世界各国日益严重的燃料供应和环境问题的困扰。

首先化石能源逐渐耗尽，其价格必然上涨，从而使电价也会跟着上涨。

其次环境问题的日益严重，尤其每年成亿吨、上百种的有害烟尘和废气排入大气层及全球性的气温变暖，都会导致人类生存条件的降低，使得多数国家的目光集中在核电发展上，而发展核电又是能源多元化的重要组成部分。

然而当今不少人对核电本身存在着或多或少的忧虑，尤其经历了历史上两次事故(即1979年美国三里岛事故和1986年前苏联切尔诺贝利事故)，使得反核派以此作为借口，大唱反核之调。

事实上，经调查，事故造成的放射性影响是微不足道的，也无因放射性泄露而造成的人身伤亡。

因此，核电站是非常安全的，另外，在核电站经济性方面，其特点是基建投资高，但燃料费用低廉，完全可与火电竞争。

以基建投资来说，在同样条件下，核电站的单位造价约为火电站的1.5～2倍，但由于核电的燃料费便宜得多，使得其成本仅相当于火电成本的50%～90%。

从综合效益来讲，核电在经济上是合算的。

尤其当燃料价格上涨时，核电站在经济上的优越性便显现出来。

随着核电本身安全性的提高，积累了5000堆年(一座堆运行一年为一堆年)的运行经验以及新一代更为安全、经济的先进堆的推广使用和人类对核不扩散- 1 -的共识，都将认为核电技术是成熟的，并且是一种可靠经济的能源。

总之，核电的大力、迅速发展，使之会成为下个世纪的首选能源[1]。

我国于上世纪70年代初才开始发展核电，1991年12月自行建设的300MW 秦山核电站投入运行。

从而结束了中国大陆无核电的历史，接着从法国引进的2×900MW大亚湾核电站于1992年投入运行，标志着我国核电由起步进入新的发展时期。

1995年确定的4个核电项目8个堆的建设已于2000年完成，使得我国核电的装机总容量达到9GW左右。

勿庸置疑，在本世纪，核电在我国必将有一个更大的发展。

核反应堆，其主要类型:1、根据引起燃料核裂变的中子的能量，可分为快堆、中能堆、热堆。

2、根据所用燃料的种类，又可分为铀堆、钚堆、钍堆和混合堆。

3、根据用于慢化中子的材料，分为轻水堆、重水堆、石墨堆及有机介质堆。

4、根据目的和用途，分为动力堆、生产放射性同位素堆[2]。

目前国外已实际使用的热中子转换堆有以轻水作慢化剂和冷却剂的轻水堆，以石墨作慢化剂的石墨堆和以重水作慢化剂的重水准。

轻水堆是世界上应用最广的堆型。

又分为压水堆(PWR)、沸水堆(BWR)两种类型，这两种均采用普通轻水作慢化剂，低浓度二氧化铀制成芯块，装入锆包壳内作燃料。

在已投入运行的轻水堆中，其中压水堆占到65%，沸水堆占到35%。

石墨反应堆采用石墨作为慢化剂，其中投入运行的石墨堆中有58%用二氧化碳作为冷却剂，其余42%用轻水作冷却剂，仅前苏联采用此堆型，而其他国家均未采用。

重水堆，由于重水价格昂贵，目前仅在加拿大建造即坎杜型(CANDU)重水堆，以天然铀作燃料，重水作为慢化剂和冷却剂。

高温气冷堆(HTGR)是美国开发的一种新堆型，采用氦作冷却剂，铀和钍的氧化物作燃料。

钠冷快中子增殖堆(FBR)，1951年始创于美国，有关核专家预测，这种堆型是取代目前正广泛被采用的压水堆的又一新堆型。

目前只有法国、俄罗斯、美国、日本、德国等少数国家拥有此种堆型[3]。

高温气冷反应堆是在低温堆的基础上发展起来的，是改进型气冷堆的进一步发展。

高温气冷反应堆内选择了在化学上呈惰性且热工性能好的氦气作冷却剂。

燃料元件采用全陶瓷型的热解碳涂敷颗粒，这是高温气冷堆的一项技术突破，这样就允许燃料包壳在1000℃以上的高温下运行。

石墨被用作慢化剂兼堆芯结构材料。

这样堆芯出口温度提高到750℃以上甚至可达950—1000℃，堆芯功率密度达6~8MW/m3，用于发电的热效率可达40%左右，而用于高温供热时总热效率可达60%以上。

高温气冷堆还具有一次回路放射性低，易于维护和检修，具有安全性高，事故安全性好，对环境放射排放量少等一系列优点[4-5]，所以这- 2 -种堆型越来越受到世界各国的高度重视。

自高温气冷反应堆发展以来，作为高温气冷反应堆动力装置关键设备之一的蒸汽发生器也获得了很大的发展。

其特点是一回路介质采用高热工参数的氦气，入口温度高达750℃左右，使之产生高参数的蒸汽，压力为17MPa，温度为540℃与火电站的参数基本相同，因此蒸汽循环的热效率与先进火电站相近，可达40%左右。

蒸汽发生器是高温气冷反应堆动力装置中的主要设备之一，它的作用是将一次回路冷却剂的热量传递到与之隔绝的二次回路的介质，进而产生蒸汽，它是并联分隔一、二次回路的关键设备，是一、二次回路的枢纽，它的工作可靠性及安全可靠性直接影响到核动力装置的经济性、工作性能和安全可靠性。

一旦蒸汽发生器发生爆管事故，将迫使核电站停运，电厂直接经济损失和社会效益损失可达数亿元人民币。

同时还使反应堆一次回路中的放射性物质泄露到二次回路中，最终外逸到环境中，造成环境污染，直接威胁人类的生命安全。

因此蒸汽发生器的结构设计、材料选择、制造工艺、运行操作和维护检修等必须十分重视。

在采用一体化布置的高温气冷堆中，为了使预应力混凝土压力容器体积不致过大，蒸汽发生器应尽量紧凑，严格限制受热面空间布置，并要求其具有较高的功率密度。

因此，一体化布置的高温气冷堆主要选用直流型多头螺旋管式蒸汽发生器。

由于螺旋管具有占地面积小、传热系数大、结构紧凑、易于清洗、污垢热阻小等优点，不仅在核反应堆，而且在直流锅炉、急冷锅炉、各种石油化工设备中的换热器，热交换器都有相当广泛的应用[6-8]。

因此本文得到的结果不仅适用于高温气冷反应堆的蒸汽发生器，而且适用于各种工业设备中的螺旋管式换热器和螺旋管式热交换器。

1.2换热器的发展和现状1.2.1换热器概述热交换器是工业生产中重要的单元设备，根据以往的统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%，有的甚至高达30%，其重要性就可想而知。

目前，应用最广泛的换热器为管壳式热交换器。

此外，还有板式热交换器、板翅式热- 3 -交换器、螺旋板式热交换器等。

管壳式热交换器包括固定管板式、浮头式、U 型管式、滑动管板式、填料函式热交换器等。

管壳式热交换器虽然在热交换效率、紧凑性和金属消耗量等方面不及其他形式的热交换器，但它具有结构坚固、可靠性高、适应性大、用材范围广等优点，仍得到广泛的应用。

为了适应温度和压力对介质的腐蚀要求，在上述基础上变形的也很多，其中最具代表性的是废热锅炉，这种利用工艺流程中产生的余热生产高压蒸汽的废热锅炉，就是个节能型热交换设备，在工业生产中应用很广。

近年来，我国的高温高压热交换器，在材料、结构和制造方面都取得了一定的进展。