高温气冷反应堆多头螺旋管式蒸汽发生器设计
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在螺旋盘管组成的管束中，流道是由顺列和错列 混合布置构成的
Fa ,eff
Fa Fb 2
当顺列布置时 Faeff Fa ，当规则错列布置时 Faeff Fb
东北电力内放热系数hi
1、无相变时的放热系数
Nu 0.023Re
0.85
传热管倾斜（螺旋上升角）修正系数 Fi
Fi cos
0.61
1 90 cos 1000 sin
/ 235
表示流体实际流动方向和与传热管垂直轴之间的夹角角度
角表示盘管中心线方向与流体的实际流动方向之间的夹角
2、局部阻力压降计算
单相流体
p jb1 jb
两相流体
2 0
( w) v 2
2
p jb2
w [1 x( 1)] 2
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外压降计算关系式
3、重位压降计算 单相流体
p zw1 gh
两相流体
pzw 2 hg zs hg[ (1 ) ]
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
课题的工程背景
核反应堆的类型
根据用于慢化中子的材料，核反应堆分为轻水堆、重 水堆、石墨堆及有机介质堆。轻水堆是目前世界上应用最 广的堆型，又分为压水堆和沸水堆。高温气冷反应堆是取 代压水堆的又一新堆型。它采用氦气做冷却剂。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。
课题的工程背景
热交换器的分类
热交换器是工业生产中重要的单元设备，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、板翅式热交换器、螺旋板式热交换器 等。螺旋管式换热器属于管壳式热交换器的一种。它 具有传热系数大，结构紧凑等优点，被广泛用作核电 站、低温、动力、化工和石油等工程设备。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式
管排数修正系数
Fn
0.558 0.316 0.112 Fn 1 2 3 n n n
n
是流动方向的管排数， n 10 时， n F
1
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式
管子排列修正系数 F a ,eff
tg S L M / D
螺旋上升角大约在2-5°为宜，螺旋盘管的缠绕 通常是从内侧盘管向左绕，向右绕，向左绕……这 样相互交替。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热、压降计算关系式
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式
总传热系数
t
tHe
导热 导热 导热 1/ro 1/ri K
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
设计参数
热功率 一次回路质量流量 氦气入口/出口温度 氦气压力 一次侧压力损失 二次回路质量流量 给水/蒸汽温度 蒸汽压力 压力损失
MW kg/s
260 112.06
℃
MPa MPa
700/253
1.8
cos
1.355
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外压降计算关系式
C n 为管排修正系数
0.375 Cn 1 n
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外压降计算关系式
管内压降关系式
p pzw p js pld
pld pmc p jb
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
换热面结构的设计方法
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
换热面结构的设计方法
主蒸汽
基本工作原理
高温氦气
冷水
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
换热面结构的设计方法
设计原则
1. 选用合理的一、二回路介质的流速。 2. 计算求出最佳的管径和管长。 3. 提高蒸汽参数可提高核动力装置的热效率。 4. 为了保证所设计的换热器结构紧凑，同时保 证传热管的受热均匀性，减少各个传热管的 热偏差，所以尽可能使每根传热管的长度基
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
课题的工程背景
蒸汽发生器的作用
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。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
管间脉动的校验
为校核并联蒸发管是否会产生脉动，需要算出管内 动态蓄质量系数 Bt 及阻力比 处于稳定区还是脉动区。
K1 ，然后确定蒸发管是
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
1.5
K
1.0 稳定区 0.5 脉动区 0 0.5 2.0
3. 保持径向节距和轴向节距一定，调整螺旋盘管层中螺旋 管的头数，在这种情况下螺旋上升角有小的变化。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
换热面结构的设计方法
方法1有不均匀的径向节距，当气体在管外横向冲 刷管束时，势必造成流场有不均匀的分布，使速度分布 也不均匀，最后造成热负荷的分布不均匀，管子产生热 偏差。
1.0
1.5
Bt
经校验， t 1.2696 ； 1 0.614 。由图4-2可知， K B 蒸发管处于稳定区。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
课题的工程背景
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
课题的工程背景
核能的发展前景
当今世界，核能是一种潜力巨大的能源。随着化石能源 逐渐耗尽，核电站在经济上的优越性便显现出来。目前，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。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。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外压降计算关系式
4、加速压降计算
单相流体
p js1 w(w2 w1 ) (w) (v2 v1 )
2
两相流体
p js2 (w) (v2 v1 ) (w) (v v)(X 2 X 1 )
2 2
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
0.8
Pr
f
0.4
Kf d
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式 核沸腾放热系数
hmic
K f 0.79 c pf 0.45 f 0.49 0.00122 0.5 0.29 0.24 0.24 r g f
t 0.24 p 0.75 S sat sat
本相同。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
换热面结构的设计方法
设计方法
螺旋上升角α
轴向节距SL
螺旋管的头数M
螺旋直径D
径向节距ST
图2-3 盘管层
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
换热面结构的设计方法
1. 保持传热管的螺旋上升角α 和轴向节距SL一定，使每一 螺旋管层中螺旋管的头数M与螺旋直径D成正比，即有不 均匀的径向节距ST。 2. 保持传热管的螺旋上升角和径向节距一定，调整螺旋盘 管层中螺旋管的头数和轴向节距，即有不均匀的轴向节 距。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外压降计算关系式
管外侧压力损失
nG p s 3.2732f a ,eff Ci C n 2 g
2
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外压降计算关系式
Ci 为传热管倾斜（螺旋上升角）修正系数
Ci cos
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
螺旋管束结构设计
3
ST / d 1.5
受热面螺旋管排列结构
螺旋管层数 1~3 4~6 7~9 10~12 13~15 16~18 19~20 21~25 26~28 螺旋管头数 3 4 5 6 7 8 9 10 11
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
课题的工程背景
蒸汽发生器的型式
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。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
高温气冷反应堆多头螺旋管式蒸汽发生器的 设计与计算
答 辩 人: 胡长伟 所在院系：能源与机械工程学院 指导教师: 张 玲 专业负责人：洪文鹏
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
课题的主要内容
课题的工程背景
换热面结构的设计方法
螺旋管内外传热、压降计算关系式
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
93.14MW 21 MPa 180℃ 7 MPa 253℃
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
多值性的校验
本设计推荐下式来进行多值性校验，即若满足该 式，则其水动力特性是单值的。
jl iqh 1 Z
7.46r C 1
Q two t2
管 管 对流传热 内 hi 污 垢 层 水-蒸汽侧
管 对流传热 外 ho 污 垢 氦气侧 层
壁
t1
twi t di D1 D2 d 0
图3-1 传热计算示意图
dx
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式
1 1 b d d 1 d ro ri u ho Kd d i hi d i
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外压降计算关系式
1、摩擦阻力压降计算
单相流体
pmc1
两相流体
L G2 d i 2
2
p mc 2
L G 1 x 1 d i 2
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外压降计算关系式
7 0.038
kg/s
℃ MPa
101.3
180/530 19
MPa
2
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
计算方法和步骤
1.估算传热系数；
3.初步确定管束结构； 5.计算管束阻力； 7.校核传热面积； 9.校核管间脉动；
2.计算传热面积；
4.建立热工水力计算模型； 6.校核传热系数； 8.校核管束阻力； 10.确定管束结构。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式
管外（壳侧）放热系数ho
Geff d ho d 0.388Fa ,eff Fi Fn K
0.61
cp K
0.333
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
课题的工程背景
本课题的研究内容
由于螺旋管束受热面的结构设计和传热计算都不同 于一般的管壳式换热器，因此在这方面国外的报导不多， 国内的资料就更少。本文提出了多头螺旋管束受热面结 构的设计方法，并推荐了螺旋管内、管外传热和阻力的 计算关系式，对实际工程设计有一定的参考价值。
方法3给设计者协调轴向节距、螺旋上升角以及管 子头数带来很大困难。 方法2则正好克服了以上两种方法的缺点，径向节 距的相等使得热负荷较为均匀，螺旋上升角相同，使协 调轴向节距和管子头数较容易。通过分析比较，方法2 较好。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
换热面结构的设计方法
螺旋上升角是根据螺旋直径、螺旋盘管的头数 及轴向节距而确定的。它通过调整每一螺旋盘管层 中的轴向节距和螺旋管头数来保证，螺旋上升角为：
di Pr D
0.4
0.1
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式
2、有相变时的放热系数
htp hmac hmic
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式
对流放热系数
hmac
G1 x d 0.023F f
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
热工水力模型
水侧 19MPa 530℃ 氦气侧 7MPa 700℃
过热段
蒸发段
107.86MW
20.3 MPa 367.032℃ 58.18MW 2 0.6 MPa 368.26℃ 7MPa 441℃ 7 MPa 538℃
预热段
Fa ,eff
Fa Fb 2
当顺列布置时 Faeff Fa ，当规则错列布置时 Faeff Fb
东北电力内放热系数hi
1、无相变时的放热系数
Nu 0.023Re
0.85
传热管倾斜（螺旋上升角）修正系数 Fi
Fi cos
0.61
1 90 cos 1000 sin
/ 235
表示流体实际流动方向和与传热管垂直轴之间的夹角角度
角表示盘管中心线方向与流体的实际流动方向之间的夹角
2、局部阻力压降计算
单相流体
p jb1 jb
两相流体
2 0
( w) v 2
2
p jb2
w [1 x( 1)] 2
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螺旋管内外压降计算关系式
3、重位压降计算 单相流体
p zw1 gh
两相流体
pzw 2 hg zs hg[ (1 ) ]
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
课题的工程背景
核反应堆的类型
根据用于慢化中子的材料，核反应堆分为轻水堆、重 水堆、石墨堆及有机介质堆。轻水堆是目前世界上应用最 广的堆型，又分为压水堆和沸水堆。高温气冷反应堆是取 代压水堆的又一新堆型。它采用氦气做冷却剂。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。
课题的工程背景
热交换器的分类
热交换器是工业生产中重要的单元设备，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、板翅式热交换器、螺旋板式热交换器 等。螺旋管式换热器属于管壳式热交换器的一种。它 具有传热系数大，结构紧凑等优点，被广泛用作核电 站、低温、动力、化工和石油等工程设备。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式
管排数修正系数
Fn
0.558 0.316 0.112 Fn 1 2 3 n n n
n
是流动方向的管排数， n 10 时， n F
1
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式
管子排列修正系数 F a ,eff
tg S L M / D
螺旋上升角大约在2-5°为宜，螺旋盘管的缠绕 通常是从内侧盘管向左绕，向右绕，向左绕……这 样相互交替。
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螺旋管内外传热、压降计算关系式
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螺旋管内外传热计算关系式
总传热系数
t
tHe
导热 导热 导热 1/ro 1/ri K
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
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260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
设计参数
热功率 一次回路质量流量 氦气入口/出口温度 氦气压力 一次侧压力损失 二次回路质量流量 给水/蒸汽温度 蒸汽压力 压力损失
MW kg/s
260 112.06
℃
MPa MPa
700/253
1.8
cos
1.355
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外压降计算关系式
C n 为管排修正系数
0.375 Cn 1 n
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外压降计算关系式
管内压降关系式
p pzw p js pld
pld pmc p jb
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
换热面结构的设计方法
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
换热面结构的设计方法
主蒸汽
基本工作原理
高温氦气
冷水
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
换热面结构的设计方法
设计原则
1. 选用合理的一、二回路介质的流速。 2. 计算求出最佳的管径和管长。 3. 提高蒸汽参数可提高核动力装置的热效率。 4. 为了保证所设计的换热器结构紧凑，同时保 证传热管的受热均匀性，减少各个传热管的 热偏差，所以尽可能使每根传热管的长度基
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课题的工程背景
蒸汽发生器的作用
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。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
管间脉动的校验
为校核并联蒸发管是否会产生脉动，需要算出管内 动态蓄质量系数 Bt 及阻力比 处于稳定区还是脉动区。
K1 ，然后确定蒸发管是
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
1.5
K
1.0 稳定区 0.5 脉动区 0 0.5 2.0
3. 保持径向节距和轴向节距一定，调整螺旋盘管层中螺旋 管的头数，在这种情况下螺旋上升角有小的变化。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
换热面结构的设计方法
方法1有不均匀的径向节距，当气体在管外横向冲 刷管束时，势必造成流场有不均匀的分布，使速度分布 也不均匀，最后造成热负荷的分布不均匀，管子产生热 偏差。
1.0
1.5
Bt
经校验， t 1.2696 ； 1 0.614 。由图4-2可知， K B 蒸发管处于稳定区。
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课题的工程背景
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
课题的工程背景
核能的发展前景
当今世界，核能是一种潜力巨大的能源。随着化石能源 逐渐耗尽，核电站在经济上的优越性便显现出来。目前，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。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。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外压降计算关系式
4、加速压降计算
单相流体
p js1 w(w2 w1 ) (w) (v2 v1 )
2
两相流体
p js2 (w) (v2 v1 ) (w) (v v)(X 2 X 1 )
2 2
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0.8
Pr
f
0.4
Kf d
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式 核沸腾放热系数
hmic
K f 0.79 c pf 0.45 f 0.49 0.00122 0.5 0.29 0.24 0.24 r g f
t 0.24 p 0.75 S sat sat
本相同。
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换热面结构的设计方法
设计方法
螺旋上升角α
轴向节距SL
螺旋管的头数M
螺旋直径D
径向节距ST
图2-3 盘管层
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
换热面结构的设计方法
1. 保持传热管的螺旋上升角α 和轴向节距SL一定，使每一 螺旋管层中螺旋管的头数M与螺旋直径D成正比，即有不 均匀的径向节距ST。 2. 保持传热管的螺旋上升角和径向节距一定，调整螺旋盘 管层中螺旋管的头数和轴向节距，即有不均匀的轴向节 距。
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螺旋管内外压降计算关系式
管外侧压力损失
nG p s 3.2732f a ,eff Ci C n 2 g
2
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螺旋管内外压降计算关系式
Ci 为传热管倾斜（螺旋上升角）修正系数
Ci cos
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
螺旋管束结构设计
3
ST / d 1.5
受热面螺旋管排列结构
螺旋管层数 1~3 4~6 7~9 10~12 13~15 16~18 19~20 21~25 26~28 螺旋管头数 3 4 5 6 7 8 9 10 11
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课题的工程背景
蒸汽发生器的型式
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。
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高温气冷反应堆多头螺旋管式蒸汽发生器的 设计与计算
答 辩 人: 胡长伟 所在院系：能源与机械工程学院 指导教师: 张 玲 专业负责人：洪文鹏
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课题的主要内容
课题的工程背景
换热面结构的设计方法
螺旋管内外传热、压降计算关系式
260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
93.14MW 21 MPa 180℃ 7 MPa 253℃
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260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
多值性的校验
本设计推荐下式来进行多值性校验，即若满足该 式，则其水动力特性是单值的。
jl iqh 1 Z
7.46r C 1
Q two t2
管 管 对流传热 内 hi 污 垢 层 水-蒸汽侧
管 对流传热 外 ho 污 垢 氦气侧 层
壁
t1
twi t di D1 D2 d 0
图3-1 传热计算示意图
dx
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螺旋管内外传热计算关系式
1 1 b d d 1 d ro ri u ho Kd d i hi d i
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外压降计算关系式
1、摩擦阻力压降计算
单相流体
pmc1
两相流体
L G2 d i 2
2
p mc 2
L G 1 x 1 d i 2
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螺旋管内外压降计算关系式
7 0.038
kg/s
℃ MPa
101.3
180/530 19
MPa
2
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260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
计算方法和步骤
1.估算传热系数；
3.初步确定管束结构； 5.计算管束阻力； 7.校核传热面积； 9.校核管间脉动；
2.计算传热面积；
4.建立热工水力计算模型； 6.校核传热系数； 8.校核管束阻力； 10.确定管束结构。
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
螺旋管内外传热计算关系式
管外（壳侧）放热系数ho
Geff d ho d 0.388Fa ,eff Fi Fn K
0.61
cp K
0.333
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螺旋管内外传热计算关系式
东北电力学院学士学位论文毕业答辩
课题的工程背景
本课题的研究内容
由于螺旋管束受热面的结构设计和传热计算都不同 于一般的管壳式换热器，因此在这方面国外的报导不多， 国内的资料就更少。本文提出了多头螺旋管束受热面结 构的设计方法，并推荐了螺旋管内、管外传热和阻力的 计算关系式，对实际工程设计有一定的参考价值。
方法3给设计者协调轴向节距、螺旋上升角以及管 子头数带来很大困难。 方法2则正好克服了以上两种方法的缺点，径向节 距的相等使得热负荷较为均匀，螺旋上升角相同，使协 调轴向节距和管子头数较容易。通过分析比较，方法2 较好。
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换热面结构的设计方法
螺旋上升角是根据螺旋直径、螺旋盘管的头数 及轴向节距而确定的。它通过调整每一螺旋盘管层 中的轴向节距和螺旋管头数来保证，螺旋上升角为：
di Pr D
0.4
0.1
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螺旋管内外传热计算关系式
2、有相变时的放热系数
htp hmac hmic
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螺旋管内外传热计算关系式
对流放热系数
hmac
G1 x d 0.023F f
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260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计
热工水力模型
水侧 19MPa 530℃ 氦气侧 7MPa 700℃
过热段
蒸发段
107.86MW
20.3 MPa 367.032℃ 58.18MW 2 0.6 MPa 368.26℃ 7MPa 441℃ 7 MPa 538℃
预热段