蒸汽发生器设计
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由上述条件可得传热管根数：
n
G1 1 1700 u1 a
-5-
a---单根传热管流通截面； 1 --一回路水平均比容
2.2.3 传热计算 一回路强迫对流换热系数：
1 0.023
传热管导热热阻：
1
di
R f 0.8 Pr 0.3 38057W / m2 ℃
P7 7
u2 2 2 15961Pa 2
蒸汽发生器一回路侧沿程和局部压降之和：
P Pf Pi 178460Pa
i 1
7
2.3.2 二回路侧阻力计算： 以循环倍率 CR 3 为例计算： 2.3.2.1 下降空间阻力 下降空间流道当量直径：
De Dsi Dw0 0.176m
1000Q C 1251.1m2 q
-6-
2.2.4 管束结构设计 传热管设计根数为 1705 根（除去半圆内的 6 根用黑点表示的拉杆） 。在圆形区 域中有 12 根为拉杆， 传热管和拉杆中心均位于图中小正方形的顶点上。 排管见 [附 录 4 程序 2][附录 4 程序 3] 半圆上每一排的根数（包括拉杆） ： 67、67、67、67、67、67、67、65、65、65、63、63、61、61、61、59、57、 57、55、53、51、51、49、47、43、41、39、35、33、27、23、17、1
Re
u1' di
11
979120
u '1 —考虑堵管后的流速，通常为 1.05 u1
1 —平均壁温下的动力粘度
根据雷诺数选择紊流光滑管的尼古拉兹公式：
0.0032 0.221Re0.237 0.0117
沿程压降：
H 直 u1'2 Pf 75212 Pa de 1
直管高度：
H直 L直 / 2n 4.437m
传热管总高度：
Htb H直 Rtb 5.4849m
传热管实际平均长度：
l L总 / n 2S管板 =11.3392m
2.2.5 主要管道内径 由冷却剂流速、蒸汽流速、给水流速的范围和国标设计主管道、蒸汽管道、二 回路给水管内径。 主管道设计内径：
下降空间流道截面积：
Fd
下降空间单相水流速：
D 4
2
si
Dw0 2 0.6210m2
ud CR D d / Fd 0.7940m / s
290 ℃； 7、一回路侧冷却剂出口温度； t1
8、二回路侧给水温度： t f 220 ℃ 9、二回路侧额定工作压力： p s 5 MPa； 10、二回路侧设计压力： p设, 2 1.25 p s 11、传热管壁导热系数： w 17.4 W/m℃ 12、传热管壁许用应力： [ 1 ] 18 kg/mm2； 13、下筒体许用应力： [ 2 ] 18 kg/mm2； 14、上筒体许用应力： [ 3 ] 18 kg/mm2； 15、球形下封头许用应力： [ 4 ] 14.5 kg/mm2； 16、管板许用应力： [ 5 ] 1800 kg/mm2 ； 17、传热管最小节距： t 1.4d o 18、上筒体内径 3200 mm，高度 4000 mm。 19、下降空间： (1)入口阻力系数=1；(2)出口阻力系数=1；(3)定位装置阻力系数=1；(4)绝对粗 糙度 =0.15 mm。 20、流量分配管板： (1) 单元面积=533 mm2 ; (2)单元开孔面积=216 mm2。
5828W / m 2 ℃
R f —污垢热阻按 Inconnel—600 选定
二回路ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ腾放热系数：
2 0.557 ps 0.15q0.7 30437W / m2 ℃
设计热流密度：
q k tln 20328W / m2
设计传热面积：
F设 =
C—设计裕度，通常取 1.1
Rw
do d ln o 827760m 2 ℃/W 2w di
设定热流密度 q 代入二回路沸腾换热公式中算出，结合传热公式，算出传热系 数，通过传热系数与一二回路对数温差得出计算热流密度，以新计算热流密度作为 设定值进行多次迭代 [见附录 4 程序 1]，最终可得：
k
1 d0 1 1 Rw R f di 1 1
-7-
传热管总长：
L总 =F设 d0 18102m
传热管节距：
t 1.4d0 0.0308m
考虑到传热管排布图中直径方向分布有 68 根传热管，最大节圆直径：
Dtb 68t 2.0944m
直管长度：
L直 =L总 L弯 15133m
弯管长度：
L弯 = n t 0.25Dtb 2969.6m
u1 5.87m / s
本设计传热管外径为 22mm，由传热管强度计算公式：
S'
P设 d0 R 1.349mm 200 0.8 P设
其中： —传热管壁需用应力；
—负公差修正系数；
R —弯曲减薄系数
则计算得传热管内径：
di 0.0193m
d1i 0.620m
蒸汽管道内径：
d2i 0.420m
给水管内径：
d3i 0.215m
-8-
2.3 蒸汽发生器阻力计算：
蒸汽发生器水力计算包括传热管一次侧压降计算和二次侧压降和循环运动压 头计算。一次侧为单相流动采用均相流模型。二次侧为气液两相流动采用分相流模 型。 2.3.1 一回路阻力压降 2.3.1.1 U 型管内沿程压降
2.3.1.2 局部压降 一回路进口接管至进口水室突扩压降：
u10 2 1i P 23960 Pa 1 1 2
进口水室 45 度转弯压降：
P2 2
进口水室至传热管束突缩压降：
u10 2 1i 29813Pa 2
u1'2 1i P3 3 5383Pa 2
-1-
目
第一章 第二章
2.1
录
绪论 ............................................ ….3 蒸汽发生器设计 .....................................4
给定条件 ............................................. ……..4
第三章
结果与评价 ....................................... 18
附录 1 蒸汽发生器热力计算表 ................................ 19 附录 2 蒸汽发生器水动力计算表 .............................. 12 附录 3 蒸汽发生器强度计算表 ................................ 22 附录 4 计算程序............................................. 32 参考文献................................................... 33
由一回路流量公式：
G1 Q (i1' i1'' ) 2126.1kg / s
其中： —蒸汽发生器热效率
i '1 —回路进口水焓
i ''1 —回路出口水焓
2.2.2 传热管内流速及根数设计 传热管及管内流速选取，较高流速有助于加强换热，考虑到过大流速对主泵负 担以及传热管冲刷腐蚀，同时结合最佳高径比，经反复尝试设计后在 4-6m/s 的流 速范围内选择：
-2-
第一章 绪论
1.1 蒸汽发生器的作用和地位
蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备。在核反应堆中，核裂变产生的 能量由冷却剂带出，通过蒸汽发生器将热量传递给二回路的给水，使其产生具有一 定压力、一定温度和一定干度的蒸汽。此蒸汽再进入汽轮机做功，转换为电能或机 械能。在能量转换过程中，蒸汽发生器既是一回路设备，又是二回路设备，被称为 一、二回路的枢纽。实际运行经验表明，蒸汽发生器能否安全、可靠地运行，对整 个核动力装置的经济性和安全性有着十分重要的影响。因此各国都把研究与改进蒸 汽发生器当做完善压水堆核电技术的重要环节，并制定了庞大的研究计划，主要包 括蒸汽发生器热工水力分析； 腐蚀理论与传热管材料的研制； 无损探伤技术；振动、 磨损、疲劳研究；改进结构设计，减少腐蚀化学物的浓缩；改进水质控制。
-3-
第二章 蒸汽发生器设计
通过给定条件，分别进行热力计算、水力计算和强度计算，根据设计方案完成 绘制蒸汽发生器的总图。
2.1 给定条件
1、蒸汽产量：D=126kg/s； 2、蒸汽干度：x=0.99； 3、蒸汽发生器的热效率： 0.99 ； 4、一回路侧额定工作压力： p1 15.0 MPa； 5、一回路侧设计压力： p设,1 1.25 p1 310 ℃ 6、一回路侧冷却剂入口温度； t1
U 型管弯头内 180 度转弯压降：
-9-
u1'2 1 P4 4 6940 Pa 2
传热管束至出口水室突扩压降：
P5 5
出口水室 45 度转弯压降：
u1'2 2 8356 Pa 2
u1'2 2 P6 6 12836 Pa 2
由出口水室至出口接管，突缩压降：
2.2 蒸汽发生器的热力计算 ....................................4 2.3 蒸汽发生器阻力计算 .....................................9 2.4 蒸汽发生器运动压头计算 ............................. ……15 2.5 蒸汽发生器循环倍率选择 ................................. 16 2.6 蒸汽发生器强度计算 .................................... 17
2.2 蒸汽发生器热力计算
热力计算目的在于根据已知热工参数对传热面积进行设计 2.2.1 热平衡计算： 一回路放热量：
Q D r x (2 x) (is i f ) 231210kW
-4-
其中：r—汽化潜热 x—新蒸汽干度 is—二回路水饱和焓 if—二回路给水焓
1.2 蒸汽发生器的基本技术要求：
（1） 蒸汽发生器及其部件的设计，必须保证供给核电站在任何运行工况下所需的 蒸汽量及规定的蒸汽参数。 （2） 蒸汽发生器的容量应该最大限度地满足功率负荷需要，而且要求随着单机容 量的增加，其技术经济指标得到相应改善。 （3） 蒸汽发生器所有部件应该绝对安全可靠。 （4） 蒸汽发生器各零部件装配必须保证在密封面上排除一回路工质渗入二回路 中去的可能性。 （5） 必须排除加剧腐蚀的任何可能性，特别是一回路中的腐蚀。 （6） 蒸汽发生器必须产生必要纯度的蒸汽，以保证蒸汽发生器在高温下可靠地运 行，并保证汽轮机也可靠而经济地运行。 （7） 蒸汽发生器应该设计得简单紧凑，便于安装使用，同时易于发现故障而及时 排除，并有可能彻底疏干。 （8） 保证蒸汽发生器具有较高的技术经济指标。
前言
在压水堆核电站中，蒸汽发生器在一、二回路之间构成防止放射性外泄的第二 道保护屏障。 蒸汽发生器的管板和倒置 U 形管是反应堆冷却剂压力边界的组成部分。 蒸汽发生器传热管面积占一回路承压边界面积的 80%左右，传热管壁厚一般在 1mm —1.5mm，而它却承受着一次侧和二次侧之间较大温差和较高的压差应力，又承受 着水力振动、腐蚀以及传热管与管板连接部位的集中应力等，因此造成蒸汽发生器 传热管破裂事故的概率较高。本设计说明书就是围绕传热管的选取和排布展开的。 本设计说明书是针对压水堆立式 U 形管自然循环蒸汽发生器。 作者参考了 《 “蒸 汽发生器”课程设计指导书》 、 《核动力设备》等参考资料，通过结构设计、热力计 算、水力计算和强度校核，提出了一种蒸汽发生器的设计方案。 由于编者水平有限，实践经验不足，加之时间仓促，设计说明书中难免存在疏 漏或错误，诚恳希望广大读者批评指正。
n
G1 1 1700 u1 a
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a---单根传热管流通截面； 1 --一回路水平均比容
2.2.3 传热计算 一回路强迫对流换热系数：
1 0.023
传热管导热热阻：
1
di
R f 0.8 Pr 0.3 38057W / m2 ℃
P7 7
u2 2 2 15961Pa 2
蒸汽发生器一回路侧沿程和局部压降之和：
P Pf Pi 178460Pa
i 1
7
2.3.2 二回路侧阻力计算： 以循环倍率 CR 3 为例计算： 2.3.2.1 下降空间阻力 下降空间流道当量直径：
De Dsi Dw0 0.176m
1000Q C 1251.1m2 q
-6-
2.2.4 管束结构设计 传热管设计根数为 1705 根（除去半圆内的 6 根用黑点表示的拉杆） 。在圆形区 域中有 12 根为拉杆， 传热管和拉杆中心均位于图中小正方形的顶点上。 排管见 [附 录 4 程序 2][附录 4 程序 3] 半圆上每一排的根数（包括拉杆） ： 67、67、67、67、67、67、67、65、65、65、63、63、61、61、61、59、57、 57、55、53、51、51、49、47、43、41、39、35、33、27、23、17、1
Re
u1' di
11
979120
u '1 —考虑堵管后的流速，通常为 1.05 u1
1 —平均壁温下的动力粘度
根据雷诺数选择紊流光滑管的尼古拉兹公式：
0.0032 0.221Re0.237 0.0117
沿程压降：
H 直 u1'2 Pf 75212 Pa de 1
直管高度：
H直 L直 / 2n 4.437m
传热管总高度：
Htb H直 Rtb 5.4849m
传热管实际平均长度：
l L总 / n 2S管板 =11.3392m
2.2.5 主要管道内径 由冷却剂流速、蒸汽流速、给水流速的范围和国标设计主管道、蒸汽管道、二 回路给水管内径。 主管道设计内径：
下降空间流道截面积：
Fd
下降空间单相水流速：
D 4
2
si
Dw0 2 0.6210m2
ud CR D d / Fd 0.7940m / s
290 ℃； 7、一回路侧冷却剂出口温度； t1
8、二回路侧给水温度： t f 220 ℃ 9、二回路侧额定工作压力： p s 5 MPa； 10、二回路侧设计压力： p设, 2 1.25 p s 11、传热管壁导热系数： w 17.4 W/m℃ 12、传热管壁许用应力： [ 1 ] 18 kg/mm2； 13、下筒体许用应力： [ 2 ] 18 kg/mm2； 14、上筒体许用应力： [ 3 ] 18 kg/mm2； 15、球形下封头许用应力： [ 4 ] 14.5 kg/mm2； 16、管板许用应力： [ 5 ] 1800 kg/mm2 ； 17、传热管最小节距： t 1.4d o 18、上筒体内径 3200 mm，高度 4000 mm。 19、下降空间： (1)入口阻力系数=1；(2)出口阻力系数=1；(3)定位装置阻力系数=1；(4)绝对粗 糙度 =0.15 mm。 20、流量分配管板： (1) 单元面积=533 mm2 ; (2)单元开孔面积=216 mm2。
5828W / m 2 ℃
R f —污垢热阻按 Inconnel—600 选定
二回路ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ腾放热系数：
2 0.557 ps 0.15q0.7 30437W / m2 ℃
设计热流密度：
q k tln 20328W / m2
设计传热面积：
F设 =
C—设计裕度，通常取 1.1
Rw
do d ln o 827760m 2 ℃/W 2w di
设定热流密度 q 代入二回路沸腾换热公式中算出，结合传热公式，算出传热系 数，通过传热系数与一二回路对数温差得出计算热流密度，以新计算热流密度作为 设定值进行多次迭代 [见附录 4 程序 1]，最终可得：
k
1 d0 1 1 Rw R f di 1 1
-7-
传热管总长：
L总 =F设 d0 18102m
传热管节距：
t 1.4d0 0.0308m
考虑到传热管排布图中直径方向分布有 68 根传热管，最大节圆直径：
Dtb 68t 2.0944m
直管长度：
L直 =L总 L弯 15133m
弯管长度：
L弯 = n t 0.25Dtb 2969.6m
u1 5.87m / s
本设计传热管外径为 22mm，由传热管强度计算公式：
S'
P设 d0 R 1.349mm 200 0.8 P设
其中： —传热管壁需用应力；
—负公差修正系数；
R —弯曲减薄系数
则计算得传热管内径：
di 0.0193m
d1i 0.620m
蒸汽管道内径：
d2i 0.420m
给水管内径：
d3i 0.215m
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2.3 蒸汽发生器阻力计算：
蒸汽发生器水力计算包括传热管一次侧压降计算和二次侧压降和循环运动压 头计算。一次侧为单相流动采用均相流模型。二次侧为气液两相流动采用分相流模 型。 2.3.1 一回路阻力压降 2.3.1.1 U 型管内沿程压降
2.3.1.2 局部压降 一回路进口接管至进口水室突扩压降：
u10 2 1i P 23960 Pa 1 1 2
进口水室 45 度转弯压降：
P2 2
进口水室至传热管束突缩压降：
u10 2 1i 29813Pa 2
u1'2 1i P3 3 5383Pa 2
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目
第一章 第二章
2.1
录
绪论 ............................................ ….3 蒸汽发生器设计 .....................................4
给定条件 ............................................. ……..4
第三章
结果与评价 ....................................... 18
附录 1 蒸汽发生器热力计算表 ................................ 19 附录 2 蒸汽发生器水动力计算表 .............................. 12 附录 3 蒸汽发生器强度计算表 ................................ 22 附录 4 计算程序............................................. 32 参考文献................................................... 33
由一回路流量公式：
G1 Q (i1' i1'' ) 2126.1kg / s
其中： —蒸汽发生器热效率
i '1 —回路进口水焓
i ''1 —回路出口水焓
2.2.2 传热管内流速及根数设计 传热管及管内流速选取，较高流速有助于加强换热，考虑到过大流速对主泵负 担以及传热管冲刷腐蚀，同时结合最佳高径比，经反复尝试设计后在 4-6m/s 的流 速范围内选择：
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第一章 绪论
1.1 蒸汽发生器的作用和地位
蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备。在核反应堆中，核裂变产生的 能量由冷却剂带出，通过蒸汽发生器将热量传递给二回路的给水，使其产生具有一 定压力、一定温度和一定干度的蒸汽。此蒸汽再进入汽轮机做功，转换为电能或机 械能。在能量转换过程中，蒸汽发生器既是一回路设备，又是二回路设备，被称为 一、二回路的枢纽。实际运行经验表明，蒸汽发生器能否安全、可靠地运行，对整 个核动力装置的经济性和安全性有着十分重要的影响。因此各国都把研究与改进蒸 汽发生器当做完善压水堆核电技术的重要环节，并制定了庞大的研究计划，主要包 括蒸汽发生器热工水力分析； 腐蚀理论与传热管材料的研制； 无损探伤技术；振动、 磨损、疲劳研究；改进结构设计，减少腐蚀化学物的浓缩；改进水质控制。
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第二章 蒸汽发生器设计
通过给定条件，分别进行热力计算、水力计算和强度计算，根据设计方案完成 绘制蒸汽发生器的总图。
2.1 给定条件
1、蒸汽产量：D=126kg/s； 2、蒸汽干度：x=0.99； 3、蒸汽发生器的热效率： 0.99 ； 4、一回路侧额定工作压力： p1 15.0 MPa； 5、一回路侧设计压力： p设,1 1.25 p1 310 ℃ 6、一回路侧冷却剂入口温度； t1
U 型管弯头内 180 度转弯压降：
-9-
u1'2 1 P4 4 6940 Pa 2
传热管束至出口水室突扩压降：
P5 5
出口水室 45 度转弯压降：
u1'2 2 8356 Pa 2
u1'2 2 P6 6 12836 Pa 2
由出口水室至出口接管，突缩压降：
2.2 蒸汽发生器的热力计算 ....................................4 2.3 蒸汽发生器阻力计算 .....................................9 2.4 蒸汽发生器运动压头计算 ............................. ……15 2.5 蒸汽发生器循环倍率选择 ................................. 16 2.6 蒸汽发生器强度计算 .................................... 17
2.2 蒸汽发生器热力计算
热力计算目的在于根据已知热工参数对传热面积进行设计 2.2.1 热平衡计算： 一回路放热量：
Q D r x (2 x) (is i f ) 231210kW
-4-
其中：r—汽化潜热 x—新蒸汽干度 is—二回路水饱和焓 if—二回路给水焓
1.2 蒸汽发生器的基本技术要求：
（1） 蒸汽发生器及其部件的设计，必须保证供给核电站在任何运行工况下所需的 蒸汽量及规定的蒸汽参数。 （2） 蒸汽发生器的容量应该最大限度地满足功率负荷需要，而且要求随着单机容 量的增加，其技术经济指标得到相应改善。 （3） 蒸汽发生器所有部件应该绝对安全可靠。 （4） 蒸汽发生器各零部件装配必须保证在密封面上排除一回路工质渗入二回路 中去的可能性。 （5） 必须排除加剧腐蚀的任何可能性，特别是一回路中的腐蚀。 （6） 蒸汽发生器必须产生必要纯度的蒸汽，以保证蒸汽发生器在高温下可靠地运 行，并保证汽轮机也可靠而经济地运行。 （7） 蒸汽发生器应该设计得简单紧凑，便于安装使用，同时易于发现故障而及时 排除，并有可能彻底疏干。 （8） 保证蒸汽发生器具有较高的技术经济指标。
前言
在压水堆核电站中，蒸汽发生器在一、二回路之间构成防止放射性外泄的第二 道保护屏障。 蒸汽发生器的管板和倒置 U 形管是反应堆冷却剂压力边界的组成部分。 蒸汽发生器传热管面积占一回路承压边界面积的 80%左右，传热管壁厚一般在 1mm —1.5mm，而它却承受着一次侧和二次侧之间较大温差和较高的压差应力，又承受 着水力振动、腐蚀以及传热管与管板连接部位的集中应力等，因此造成蒸汽发生器 传热管破裂事故的概率较高。本设计说明书就是围绕传热管的选取和排布展开的。 本设计说明书是针对压水堆立式 U 形管自然循环蒸汽发生器。 作者参考了 《 “蒸 汽发生器”课程设计指导书》 、 《核动力设备》等参考资料，通过结构设计、热力计 算、水力计算和强度校核，提出了一种蒸汽发生器的设计方案。 由于编者水平有限，实践经验不足，加之时间仓促，设计说明书中难免存在疏 漏或错误，诚恳希望广大读者批评指正。