核電站員工基礎(chǔ)理論培訓(xùn)教材課件

核電廠通用機(jī)械設(shè)備之四

換熱器教員:呂云彪核電站員工基礎(chǔ)理論培訓(xùn)教材核電廠通用機(jī)械設(shè)備之四

換熱器14.概述4.1換熱器的用途和類型4.1.1換熱器的用途把一種介質(zhì)的熱量傳給另一種介質(zhì)的設(shè)備，都稱為換熱器。換熱器作為生產(chǎn)工藝過程不可缺少的設(shè)備廣泛用于各種領(lǐng)域.在核電廠中作為主要設(shè)備的換熱器，數(shù)量眾多，型號各異，如蒸汽發(fā)生器，低壓、高壓加熱器，冷凝器，冷卻器等。4.1.2換熱器的類型4.1.2.1間壁式換熱器:間壁式換熱器的特點是冷、熱兩流體被固體壁面隔開，不相混合，通過間壁進(jìn)行熱量的交換。主要形式有以下幾種:1)夾套式換熱器(圖4.1－1);2)蛇管式換熱器(圖4.1－2);3)套管式換熱器(圖4.1－2);4)列管式換熱器.

4.概述4.1換熱器的用途和類型24.概述(續(xù))4.1.2.2混合式換熱器這種類型的換熱器主要用于氣體的冷卻及蒸汽的冷凝，故又稱為混合式冷卻器或冷凝器。其特點是被冷凝（或冷卻）的蒸汽直接與水（或冷流體）接觸進(jìn)行換熱，因此傳熱效果好。必須指出，僅在允許冷、熱流體互相混合時，才能應(yīng)用混合式換熱器。4.1.2.3蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器又稱蓄熱器，器內(nèi)裝有固體填充物（如耐火磚等）。冷、熱流體交替地流過蓄熱器，利用固體填充物來積蓄和釋放熱量而達(dá)到換熱的目的(如右圖所示)。4.概述(續(xù))4.1.2.2混合式換熱器34.概述(續(xù))4.1.2.4板式換熱器板式換熱器主要由一組長方形的薄金屬板構(gòu)成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片，壓緊后可以達(dá)到密封的目的，且可用墊片的厚度調(diào)節(jié)兩板間流體通道的大小。每塊板的四個角上，各開一個圓孔，其中有兩個圓孔和板面上的流道相通，另外兩個圓孔則不相通，它們的位置在相鄰的板上是錯開的，以分別形成兩流體的通道。冷、熱流體交替地在板片兩側(cè)流過，通過金屬板片進(jìn)行換熱。每塊金屬板面沖壓成凹凸規(guī)則的波紋，以使流體均勻流過板面，增加傳熱面積，并促使流體的湍動，有利于傳熱。圖4.1－5所示，為大亞灣核電站核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）采用的板式換熱器結(jié)構(gòu)圖。其優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大；總傳熱系數(shù)值高，如對低粘度液體的傳熱，值可高達(dá)7000W/(m2·℃)；可根據(jù)需要增減板數(shù)以調(diào)節(jié)傳熱面積；檢修和清洗都較方便等。其缺點是：處理量不宜大；操作壓強(qiáng)比較低，一般低于15bar(1.5Mpa)，最高也不超過20bar；因受墊片耐熱性能的限制，操作溫度不能太高，一般對合成橡膠墊圈不超過130℃，壓縮石棉墊圈也低于250℃。圖4.1-5板式換熱器示意圖4.概述(續(xù))4.1.2.4板式換熱器圖4.1-5板44.2列管式換熱器的類型及工作特性

列管式換熱器是目前工業(yè)生產(chǎn)中包括核電站應(yīng)用最廣泛的傳熱設(shè)備，主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大以及傳熱效果好。此外，結(jié)構(gòu)簡單，制造的材料范圍較廣，因此，在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。4.2.1固定管板式固定管板式換熱器如圖4.2－1所示。所謂固定管板式即兩端管板和殼體連接成一體，因此它具有結(jié)構(gòu)簡單和造價低廉的優(yōu)點。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(yīng)是較潔凈且不易結(jié)垢的物料。當(dāng)兩流體的溫度差較大時，應(yīng)考慮熱補(bǔ)償。圖4.2－1為具有補(bǔ)償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定管板式換熱器，即在外殼的適當(dāng)部位焊上一個補(bǔ)償圈，當(dāng)外殼和管束熱膨脹不同時，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形（拉伸或壓縮），以適應(yīng)外殼和管束的不同的熱膨脹程度。這種補(bǔ)償方法簡單，但不宜用于兩流體的溫度差太大（應(yīng)不大于70℃）和殼方流體壓強(qiáng)過高（一般不高于6bar）的場合。4.2列管式換熱器的類型及工作特性列管式換熱器是目前工54.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.2U型管換熱器U型管換熱器如圖4.2－2所示。管子彎成U型，管子的兩端固定在同一管板上，因此每根管子可以自由伸縮，而與其它管子和殼體均無關(guān)，故不受熱膨脹限制。這種型式換熱器僅一端有管板結(jié)構(gòu)也較簡單，重量輕，適用于高溫和高壓的場合,核電站反應(yīng)堆回路和汽輪機(jī)回路的換熱器多為這種類型。其主要缺點是管內(nèi)清洗比較困難，因此管內(nèi)流體必須潔凈；且因管子需一定的彎曲半徑，故管板的利用率差些。4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.2U型管換64.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.3浮頭式換熱器浮頭式換熱器如圖4.2－3所示，兩端管板之一不與外殼固定連接，該端稱為浮頭。當(dāng)管子受熱（或受冷）時，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。浮頭式換熱器不但可以補(bǔ)償熱膨脹，而且由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可從殼體中抽出，便于清洗和檢修，故浮頭式換熱器應(yīng)用較為普遍，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，金屬耗量較多，造價較高。

4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.3浮頭式換74.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4核電其他換熱設(shè)備換熱設(shè)備在核電站中是主要設(shè)備，大亞灣核電站一回路中的蒸汽發(fā)生器為立式U型管式換熱設(shè)備，二回路中的高、低壓加熱器為臥式U型管式換熱設(shè)備，蒸汽冷凝器（凝汽器）則為管板式換熱設(shè)備。現(xiàn)簡介如下：4.2.4.1蒸汽發(fā)生器其結(jié)構(gòu)如圖4.2－4所示。它分上、下兩部分，下部直徑較?。╩m）為蒸發(fā)段，其中裝有19的U型管4474根以及管板、支承板、管束圍板、流量分配擋板等；上部直徑比較大（mm）為汽水分離段，內(nèi)裝旋流葉片式（離心式）汽水分離器及人字形機(jī)械擋板式干燥器等。下端為球形封頭，內(nèi)裝分隔板，將球形封頭分為進(jìn)口室和出口室。上端為橢圓形封頭，頂部設(shè)蒸汽出口。傳熱管材料為因科鎳，管徑為，管束排列為正方形，管束與管板的連接采用先焊后脹，確保其密封。4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4核電其他84.2列管式換熱器的類型及工作特性(續(xù))傳熱量，MWth969總傳熱面積:5429m2管側(cè)設(shè)計壓力，Mpa17.2管側(cè)設(shè)計溫度:343℃管側(cè)運(yùn)行壓力，MPa15.5管側(cè)試驗壓力:22.9MPa熱介質(zhì)（反應(yīng)堆冷卻劑）進(jìn)口溫度，℃327出口溫度，293℃流量，m3/h23790殼側(cè)設(shè)計壓力，MPa8.6試驗壓力，12.85MPa殼側(cè)·設(shè)計溫度，℃343蒸汽參數(shù):壓力，MPa6.89溫度，℃283.6·最大濕度，％0.25流量（產(chǎn)量）t/h1938給水溫度，℃262

尺寸與重量上部汽水分離段直徑4484mm下部蒸發(fā)段直徑，mm3446總高度，mm20848管板厚度，mm555·無水總重，t329.5滿水總重，t5054.2列管式換熱器的類型及工作特性(續(xù))傳熱量，MWth94.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.2高壓加熱器

圖4.2－5是大亞灣核電站二回路中的高壓加熱器結(jié)構(gòu)圖。二回路高壓加熱器的作用是利用汽輪機(jī)抽汽加熱高壓給水，以保證進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的給水水溫。高壓加熱器的型式為臥式U型管式汽—水換熱器。加熱器直徑2.37m，長度12.917m。U型加熱管為的不銹鋼管，管數(shù)為2258根，管板為碳鋼，管束與管板的連接采用先焊后脹。兩端封頭均為凸形封頭。從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，高壓加熱器的加熱介質(zhì)分別為蒸汽和疏水凝結(jié)液。在同一筒體內(nèi)，用殼程縱向隔板分成兩個加熱區(qū)，上部為蒸汽加熱區(qū)，下部為疏水凝結(jié)液加熱區(qū)。高壓給水走管內(nèi)，下進(jìn)上出。加熱蒸汽走管間上進(jìn)、下排冷凝液。疏水凝結(jié)液走下部管間，與高壓給水成逆流走向右進(jìn)左排。在筒體內(nèi)還有防沖板、管束支撐板、防震桿等換熱器輔助部件。4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.2高壓加熱104.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.3低壓給水加熱器低壓給水加熱器是利用低壓缸抽汽加熱主凝結(jié)水（低壓給水）。它由四級加熱器組成。圖4.2－6就是第四級低壓給水加熱器的結(jié)構(gòu)圖。4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.3低壓給水114.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.3凝汽器（冷凝器）凝汽器在核電站的主要功能和火電廠一樣是為汽輪發(fā)電機(jī)組提供一經(jīng)濟(jì)背壓，并且使機(jī)組在所規(guī)定的冷卻水溫度范圍和運(yùn)行條件下，安全可靠的運(yùn)行；滿足機(jī)組要求的熱力性能，冷凝所有進(jìn)入凝結(jié)器的蒸汽，保持凝結(jié)水質(zhì)，提供所需的凝結(jié)水量。圖4.2－7所示為大亞灣核電站凝汽器的結(jié)構(gòu)圖。每臺機(jī)組配有三臺凝汽器，布置在機(jī)房底層。每臺凝汽器有兩組單流程管束，為臥式單程管板式換熱器。循環(huán)冷卻水（海水）由入口水室下端的進(jìn)水暗渠引入，經(jīng)管板走管內(nèi)至出口水室再從出口水室下端排至排水暗渠。被冷凝的蒸汽走管間，自上而下，沖刷冷卻水管束的同時，冷凝成凝結(jié)水，經(jīng)集水箱除氧淺盤流入熱井。4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.3凝汽124.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.1換熱器傳熱的基本方式換熱器傳熱的基本方式主要是以對流傳熱和熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）相結(jié)合的方式進(jìn)行傳熱。4.3.1.1熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱）若物體上的兩部分間連續(xù)存在著溫度差，則熱將從高溫部分自動地流向低溫部分，直至整個物體的各部分溫度相等為止。此種傳熱方式稱為熱傳導(dǎo)。在金屬固體中，熱傳導(dǎo)起因于自由電子的運(yùn)動；在不良導(dǎo)體的固體和大部分液體中，熱傳導(dǎo)是由個別分子的動量傳遞所致；在氣體中，熱傳導(dǎo)是由分子不規(guī)則運(yùn)動而引起的。熱傳導(dǎo)是靜止物質(zhì)內(nèi)的一種傳熱方式。也就是說沒有物質(zhì)的宏觀位移。4.3.1.2對流傳熱對流傳熱是指流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱交換。對流傳熱僅發(fā)生在流體中，因此它與流體的流動狀況密切相關(guān)。在對流傳熱時，也伴隨著流體質(zhì)點間的熱傳導(dǎo)。工程中討論的對流傳熱，多是指熱由流體傳到固體的壁面（或反之）的過程。在流體中產(chǎn)生對流的原因有二：一為流體質(zhì)點的相對位移是因流體中各處的溫度不同而引起的密度差別，使輕者上浮，重者下沉（流體產(chǎn)生這種對流則稱為自然對流）；二為流體質(zhì)點的運(yùn)動是因泵（風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所致（流體的這種對流則稱為強(qiáng)制對流）。流動的原因不同，對流傳熱的規(guī)律也有所不同。應(yīng)予指出，在同一種流體中，有可能同時發(fā)生自然對流和強(qiáng)制對流。4.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.1換熱器134.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.2換熱器的傳熱過程核電廠所用的換熱器，主要為列管式換熱器（間壁式）。所以本章以間壁式換熱器的傳熱過程進(jìn)行分析。在間壁式換熱器中，冷、熱流體被壁面隔開，它們分別在壁面兩側(cè)進(jìn)行流動。熱流體將熱傳到壁面的一側(cè)，通過固體壁面的熱傳導(dǎo)，再由壁面另一側(cè)將熱傳給冷流體。冷熱流體流動狀態(tài)是，當(dāng)流體流經(jīng)固體壁面時形成流動邊界層，邊界層內(nèi)存在速度梯度；當(dāng)流體呈湍流時（形成湍流邊界層），靠近壁面處總有一層滯流內(nèi)層存在，在此薄層內(nèi)流體呈滯流流動。因此在滯流內(nèi)層中，沿壁面的法線方向上沒有對流傳熱，該方向上熱的傳遞僅為流體的熱傳導(dǎo)。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使滯流內(nèi)層中的導(dǎo)熱熱阻就很大，因此該層中溫度差也較大，即溫度梯度較大。在湍流主體中，由于流體質(zhì)點劇烈混合并充滿了旋渦，因此湍流主體中的溫度差（溫度梯度）極小，各處的溫度基本上相同。在湍流主體和滯流內(nèi)層之間的緩沖層內(nèi)，熱傳導(dǎo)和對流傳熱均起作用，在該層溫度發(fā)生緩慢的變化。圖4.3－l表示流體在壁面兩側(cè)的流動情況以及和流體流動方向垂直的某一截面上流體的溫度分布情況。以上分析可知，對流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層內(nèi)，因此，減薄滯流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對流傳熱的重要途徑。4.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.2換熱器144.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.3熱傳導(dǎo)方程—傅立葉定律物體內(nèi)各點間的溫度差是熱傳導(dǎo)的必要條件.設(shè)內(nèi)外管壁等溫面溫度之差為Δt=Tw-tw;壁面之間的距離為Δn,則冷熱流體之間的溫度梯度為:傅立葉定律:通過冷熱兩表面的導(dǎo)熱速率與溫度梯度和傳熱面積有關(guān),即:dQ∝dsdQ=λds

∵Δt=Tw-twΔn=b

∴dQ=λds

積分后得:Q=λS式中:Q——導(dǎo)熱速率,即單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱,W;S——等溫面面積,m2b——壁面厚度,m;Tw-tw——冷熱壁面溫度差,℃λ——導(dǎo)熱系數(shù),W/m2℃4.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.3熱傳導(dǎo)方程154.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.4對流傳熱速率方程:對流傳熱用理論計算比較困難,一般用半經(jīng)驗方法來處理,即:對流傳熱速率==系數(shù)x推動力上式中推動力為流體與壁面之間的溫差;阻力則為與流體接觸的壁面大小成反比,由于換熱器換熱速率隨換熱器的位置變化而變化,因此可采用微分方程來表達(dá),即:dQ=

式中:dQ—局部對流傳熱系數(shù),W;dS—微元傳熱面積,m2T—換熱器任一截面上流體的平均溫度,℃;Tw—換熱器任一截面上與流體接觸一側(cè)壁面的溫度,℃;α—比例系數(shù),又稱局部對流傳熱系數(shù),W/(m2·℃).4.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.4對流傳熱速164.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程(續(xù))對流傳熱速率方程又稱為牛頓冷卻定律.工程計算中常使用平均對流傳熱系數(shù)α為常數(shù),因此上述微分方程式可以積分為:

Q=αSΔt

式中α—平均對流傳熱系數(shù),W/(m2·℃);S—總傳熱面積.

m2Δt

—流體與壁面之間的平均溫度差,℃.應(yīng)該指出:換熱器的傳熱速率與流體流經(jīng)的位置有關(guān),因此,牛頓冷卻定律可以以下式表示:dQ=αi(T-Tw)dSidQ=αo(tw-t)dSo;

式中:dSi,dSo—換熱器管子內(nèi)外的表面積,m2

αi,αo—換熱器管子內(nèi)外的流體對流傳熱系數(shù),W/(m2·℃);t—換熱器管子外任一截面流體的平均溫度,℃tw—換熱器管子外與流體接觸任一截面的壁面溫度,℃.4.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程(續(xù))對流傳熱速率方程又174.4換熱器的傳熱計算

4.4.1能量衡算傳熱計算分為設(shè)計計算和校核計算兩類.所有的傳熱計算都是以換熱器的熱量衡算和傳熱速率方程為計算的基礎(chǔ).在熱量衡算中假設(shè)換熱器絕熱良好,無熱量損失,即:Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1)(4.4—1)式中:Q—換熱器熱負(fù)荷(即傳熱速率),kj/h,W(j/s);Wh,Wc—流體質(zhì)量流量,kg/h;H—單位質(zhì)量流體的焓,kj/kg.1)換熱器在換熱過程中無相變化,并且冷熱流體的比熱不隨流體溫度的改變而變化(或取冷熱流體的平均比熱),則上式可表示為:

Q=WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1)(4.4—2)式中:Cp—流體的平均定壓比熱,kj/(kg℃)t—冷流體的溫度,℃T—熱流體的溫度,℃2)換熱器在換熱時,熱流體發(fā)生相變化,例如蒸汽冷凝,則上式可改寫為:

Q=Whγ=WcCpc(t2-t1)(4.4—3)4.4換熱器的傳熱計算4.4.1能量衡算184.4換熱器的傳熱計算(續(xù))(4.4—3)式的應(yīng)用條件為冷凝液在飽和蒸汽溫度下離開換熱器.若低于飽和蒸汽溫度,則上述公式應(yīng)改寫為:Q=Wh[γ+cph(Ts-T2)]=WcCpc(t2-t1)(4.4—4)式中:cph—冷凝液的比熱,kj/(kg℃)3)換熱器在換熱過程中考慮熱量損失,則上式應(yīng)改寫為:Q=WhCph(T1-T2)]=(1+x%)×[WcCpc(t2-t1)](4.4—5)4.4.2總傳熱速率方程

換熱器中任一截面間壁兩側(cè)流體的傳熱速率方程可仿照對流傳熱速率方程表示,即:dQ=K(T-t)dS=KΔtdS(4.4—6)上式為換熱器總傳熱速率方程式.表明總傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫差下的熱通量.式中:K—換熱器局部總傳熱系數(shù),kj/(kg℃);T,t—換熱器任一截面上冷熱流體的平均溫度,℃.4.4換熱器的傳熱計算(續(xù))(4.4—3)式的應(yīng)用條件為冷194.4換熱器的傳熱計算(續(xù))

總傳熱系數(shù)必須與所選擇的傳熱面相對應(yīng),因此總傳熱速率方程式可以表示為:dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm(4.4—7)式中:Ki、Ko、Km—基于管子內(nèi)壁表面積、外壁表面積、內(nèi)外平均面積的總傳熱系數(shù)，kj/(kg℃);Si、So、Sm—管子內(nèi)壁表面積、外壁表面積、內(nèi)外平均面積，m2由于dQ、(T-t)與所選擇的基準(zhǔn)面無關(guān)，因此，

式中：dodidm—管子內(nèi)外徑和內(nèi)外徑的平均直徑，m。4.4.3平均溫度差公式(4.4—6)是微分方程式，對于工程來說必須要進(jìn)行積分以后才能有用意義。由于公式中的溫度差是換熱器任一截面上的局部溫度差，是隨換熱器的長度變化而變化，是個變量，因此應(yīng)用換熱器的平均溫度差來代替局部溫度差。為了對公式(4.4—6)積分，必須作如下的假設(shè)：

4.4換熱器的傳熱計算(續(xù))總傳熱系數(shù)必須與所選擇204.4換熱器的傳熱計算(續(xù))

—傳熱為穩(wěn)定傳熱；—冷熱流體的比熱為常量（取流體進(jìn)出口比熱的平均值）—換熱器的總傳熱系數(shù)為常量，即K值不隨換熱器管子長度而變化—換熱器的熱量損失可以不計1）恒溫傳熱時的平均溫度差：換熱器管間壁兩側(cè)流體均有相變化，如蒸發(fā)器的兩流體傳熱就是恒溫傳熱。即兩流體的溫度差在蒸發(fā)器中處處相等。即：

Δt=T-t.因此，對公式(4.46)積分后可得：Q=KS(T-t)=KSΔt(4.4—9）2)變溫傳熱下的平均溫度差(1)逆流和并流時的平均溫度差換熱器兩流體的流動方向不同將影響平均溫度差.兩流體若相反方向流動則為逆流;相同方向流動則為并流.由換熱器的熱量衡算式可知:dQ=WhCphdT=WcCpcdt

4.4換熱器的傳熱計算(續(xù))—傳熱為穩(wěn)定傳熱；214.4換熱器的傳熱計算(續(xù))

上式中的Cp為平均比熱,假設(shè)為常量,因此上式可表達(dá)為:常量

常量積分后可得:T=mQ+k;t=mQ+k’，Q—T及Q—t都是直線。上述兩式相減，得：T-t=Δt=(m-m)Q+(k-k)

，該函數(shù)關(guān)系也為直線。（見右圖）。其中：M、k、m’、k’分別為Q—T、Q—t的斜率和截距。4.4換熱器的傳熱計算(續(xù))上式中的Cp為平均比熱,假224.4換熱器的傳熱計算(續(xù))由圖4.4-2可知，Q—Δt直線的斜率為：把dQ=KdSΔt代入,即得:由上述假設(shè)中K為常量,積分上式可得:得:則得:(4.4-9)(4.4-9)式是換熱器的總傳熱速率方程式.由此式可知平均溫度差Δtm等于換熱器兩端處溫度差的對數(shù)平均值,即:(4.4-10)在工程計算中,當(dāng)時可以用算術(shù)平均溫度差

來代替對數(shù)平均溫度差.換熱器兩端Δt值大者為

Δt2,小者為Δt1.4.4換熱器的傳熱計算(續(xù))由圖4.4-2可知，Q—Δt直線234.4換熱器的傳熱計算(續(xù))

上述平均溫度差的公式對于變溫傳熱中的并流和逆流都適用,但是,在傳熱過程中如果一側(cè)流體變溫,另一側(cè)不變則其平均溫度差是相等的;而兩側(cè)流體在傳熱過程中都變溫,則并流和逆流的平均溫度差是不一樣的.例如,在并流和逆流時,熱流體的溫度都是從90℃冷卻到70℃;而冷流體的溫度都是從20℃加熱到60℃.其平均溫度差分別為:逆流并流T:9070T:9070t:6020t:2060Δt:3050Δt:7010

由上述例題可知,并流和逆流傳熱雖然在進(jìn)出口溫度不變,但逆流的平均溫度差Δtm要比并流的大.因此在換熱器的傳熱量Q和總的傳熱系數(shù)相同的情況下,采用逆流操作可以節(jié)省傳熱面積S.同時在熱流體經(jīng)釋熱后的出口溫度不作規(guī)定時

4.4換熱器的傳熱計算(續(xù))上述平均溫度差的公式對244.4換熱器的傳熱計算(續(xù))逆流傳熱的出口溫度可以降到冷流體的進(jìn)口溫度,充分利用熱流體的熱量,降低了熱流體的流量,從而降低運(yùn)行成本.可見在一般情況下,傳熱過程中采用逆流優(yōu)于并流.(2)錯流和折流時的平均溫差在大多數(shù)列管式換熱器的傳熱過程中兩流體的流動是比較復(fù)雜的多流程流動,如右圖所示,其中有折流,也有錯流.對于這種復(fù)雜流程,一般用以下的方法進(jìn)行平均溫度差的計算.即先按逆流算出平均溫度差Δtm’,然后再乘以一個校正系數(shù)φΔt.即:Δtm=φΔtΔtm’式中:Δtm’—按逆流算出平均溫度差

φΔt—溫差校正系數(shù),(無因次).溫差校正系數(shù)φΔt與冷熱流體的溫度變化有關(guān),是P和R兩個因數(shù)的函數(shù),即:φΔt=(P,R),式中:

4.4換熱器的傳熱計算(續(xù))逆流傳熱的出口溫度可以降到冷流體254.4換熱器的傳熱計算(續(xù))根據(jù)P、R值可在有關(guān)的傳熱手冊中查到所需要的φΔt.對于1—2型換熱器（即單殼程，兩管程換熱器），也可以用以下的公式進(jìn)行計算，（3）關(guān)于簡化假定的討論：在推導(dǎo)平均溫度差時有幾條假設(shè)，嚴(yán)格的說因為換熱器在傳熱過程中流體的溫度不斷地隨傳熱面而變化（流體有相變的傳熱除外），而導(dǎo)致流體的物性，對流傳熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)都會變化，因此上述的幾種假設(shè)很難成立。如果流體的物性隨溫度變化不大，則總傳熱系數(shù)可以視為常量。此時用對數(shù)平均溫差在工程計算中能滿足要求。若流體的物性隨溫度的變化較大，總傳熱系數(shù)K值就不能認(rèn)為常量，采用對數(shù)平均溫差計算方法則不能使用，而應(yīng)采用其他方法，若K值隨溫度變化呈線性變化，應(yīng)使用下式計算方法較為精確，即：式中：K1、K2—分別為換熱器兩端處的局部總傳熱系數(shù)，(W/m2·℃)；Δt1、Δt2—分別為換熱器兩端處的兩流體的溫度差，℃。4.4換熱器的傳熱計算(續(xù))根據(jù)P、R值可在有關(guān)的傳264.4換熱器的傳熱計算(續(xù))

若K值隨溫度的變化呈非線性變化，則應(yīng)采用分段法進(jìn)行計算，分割后的每段K值視為常量來計算換熱器的傳熱速率ΔQ，然后計算為：4.4.4總傳熱系數(shù)1）換熱器中總傳熱系數(shù)K的數(shù)值范圍：換熱器中總傳熱系數(shù)K的數(shù)值主要取決于流體的物性、換熱器的操作條件以及換熱器的類型等因素，因而K值的取值范圍很大，在設(shè)計換熱器是可以在換熱器的有關(guān)手冊中查找。2）總傳熱系數(shù)K值的計算列管式換熱器的傳熱方式是通過以下流程進(jìn)行：對流傳熱（熱流體把熱量傳遞給管壁）、熱傳導(dǎo)（與熱流體接觸的管壁把熱量傳遞給與冷流體相接觸的管壁）、對流傳熱（冷端管壁把熱量傳遞給冷流體）。上述這三種熱傳導(dǎo)的微分方程式表達(dá)如下：——對流傳熱：dQ=αi（T-Tw)dSi(4.4—1）——熱傳導(dǎo)：λ(4.4—2)——對流傳熱：dQ=αo（tw-t)dSo(4.4—3)聯(lián)立方程式(4.4—1）(4.4—2)(4.4—3)得：4.4換熱器的傳熱計算(續(xù))若K值隨溫度的變化呈非線274.4換熱器的傳熱計算(續(xù))得：由上式解得dQ,并在上式兩邊均除以dSo,得:又∵

∴得:比較公式dQ=Ko(T-t)dSo,可以得出:3)污垢熱阻換熱器在實際操作中,傳熱表面所沉積的污垢是影響總傳熱系數(shù)K值主要因數(shù),換熱管壁上的污垢熱阻分別用Rsi和Rso表示，則總傳熱系數(shù)K值的倒數(shù)即為換熱器的熱阻,即:4.4換熱器的傳熱計算(續(xù))得：284.4換熱器的傳熱計算(續(xù))討論:提高換熱器的總傳熱系數(shù)K值的方法:(1)降低換熱管管壁的厚度;(2)降低污垢熱阻,從換熱器熱阻的公式可以看到:上述公式簡化為:當(dāng)αi＞＞αo時,則:K≈αo.由此可以看出:要提高換熱器的傳熱效率,提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)αo非常重要.4.4換熱器的傳熱計算(續(xù))討論:提高換熱器的總傳熱系數(shù)K值294.5換熱器熱力設(shè)計4.5.1熱力設(shè)計的任務(wù)換熱器熱力設(shè)計就是應(yīng)用基本的傳熱學(xué)、流體力學(xué)及換熱器結(jié)構(gòu)的基本知識，合理選擇換熱器的參數(shù)及結(jié)構(gòu)，同時進(jìn)行換熱器的傳熱計算和壓降計算。計算分為設(shè)計計算和校核計算兩種。設(shè)計計算：以經(jīng)設(shè)定換熱器的傳熱量和兩種換熱介質(zhì)的參數(shù)（進(jìn)、出口的溫度；壓力等）。進(jìn)行換熱器傳熱面積的確定，進(jìn)而確定換熱器的結(jié)構(gòu)或選擇標(biāo)準(zhǔn)型的換熱器；校核計算：以給定換熱器的具體結(jié)構(gòu)和某些參數(shù)，要求核算換熱器的其他參數(shù)（如介質(zhì)進(jìn)出口的溫度等）及傳熱量。4.5.2換熱器熱力設(shè)計的基本條件和一般原則換熱器設(shè)計人員應(yīng)該具有根究工藝生產(chǎn)的某些條件（例如工作溫度、溫差、壓力、壓差、介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)等）來進(jìn)行合理選擇換熱器的結(jié)構(gòu)和所需材料的知識和技能。換熱器設(shè)計的好壞最終看是否適用、經(jīng)濟(jì)、安全可靠、操作和維修方便等指標(biāo)來衡量。4.5.3換熱器運(yùn)行參數(shù)和工藝條件的選擇4.5.3.1換熱器換熱介質(zhì)流程順序的選擇：4.5換熱器熱力設(shè)計4.5.1熱力設(shè)計的任務(wù)304.5換熱器熱力設(shè)計（續(xù)）

介質(zhì)的流程有三種，根究具體工藝來選擇1）逆流程序：這種流程組合的平均溫度差Δtm較大，在相同傳熱量的情況下其傳熱面積較小，因而體積也較小，比較經(jīng)濟(jì)，一般優(yōu)先采用；2）并流程序：這種流程組合的平均溫度差Δtm較小，一般盡量不采用；3）折流程序：在工業(yè)中用的最多，其中有簡單折流和復(fù)雜折流，一般按具體工藝要求來決定。4.5.3.2介質(zhì)流速和允許壓降的選擇提高介質(zhì)流速可以提高換熱系數(shù)，在換熱量相同的情況下可以減少傳熱面積，使換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，同時流速的提高可以抑制污垢的生成，有利于總傳熱系數(shù)的提高；但流速的增加使得管路的壓降增大，不僅增加了能耗，而且容易沖刷腐蝕換熱管的傳熱面，加速換熱器的損壞。根據(jù)計算提高流速使壓降的提升速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于換熱系數(shù)提升的速率，得不償失。合理的允許壓降是與系統(tǒng)運(yùn)行壓力有關(guān)，管、殼程流體的合理流速的設(shè)定將有利于換熱器的安全、高效運(yùn)行，運(yùn)行操作人員應(yīng)嚴(yán)格按照換熱器手冊的有關(guān)要求來操作。一般來說，殼程流速為管程流速之半。4.5.3.3換熱器介質(zhì)溫差和換熱終溫確定換熱器冷熱介質(zhì)的溫度、冷熱介質(zhì)的溫度差的合理選擇將提高平均溫差，降低4.5換熱器熱力設(shè)計（續(xù)）介質(zhì)的流程有三種，根究具體工藝314.5換熱器熱力設(shè)計（續(xù)）污垢的生成，增加傳熱系數(shù)。換熱器終端溫度對傳熱效率和傳熱強(qiáng)度有很大的影響。例如當(dāng)熱、冷介質(zhì)進(jìn)行逆流換熱時，若冷流體的出口溫度接近熱流體的入口溫度時，則熱利用率為最大，但傳熱強(qiáng)度最小，因此所需的傳熱面積最大。對于多程換熱，在確定換熱終溫時應(yīng)避免出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象(即反向傳熱現(xiàn)象),從而降低總平均傳熱系數(shù)而降低換熱器的換熱效率.多程換熱器的終溫可參考以下數(shù)據(jù):1)熱端溫差不小于20℃;冷端溫差不小于5℃;2)冷卻器中冷卻劑的初溫應(yīng)高于被冷卻劑的凝固點,其終溫應(yīng)比被冷凝流體的露點低5℃.3)對于空冷換熱器的熱流體出口溫度與空氣入口溫差應(yīng)不小于20℃;4)為避免溫度交叉,應(yīng)把較小一端的溫差加大到20℃以上.4.5換熱器熱力設(shè)計（續(xù)）污垢的生成，增加傳熱系數(shù)。324.5換熱器熱力設(shè)計（續(xù)）4.5.3.4換熱器的平均溫壓所謂溫壓是指由溫差而引起的壓力(推動力),其大小除直接受冷熱介質(zhì)的流動形式和出口溫度外,還受以下幾種因數(shù)影響,在設(shè)計或選擇換熱器時應(yīng)予以充分考慮:1)流體的熱容量;2)換熱流程的安排;3)多熱源的利用等.4.5.3.5換熱器冷熱流體的流徑選擇選擇的原則是:有利于傳熱、減小壓力損失、減少材料損耗一降低制造成本、經(jīng)濟(jì)、安全可靠和維修方便等等因素。1）流量小或黏度大的走殼程；2）對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，當(dāng)兩換熱流體溫差很大時，應(yīng)使換熱系數(shù)大的流體走管程，以減小管束和殼體的膨脹；3）流體溫度與環(huán)境溫差大者走管程，與環(huán)境溫差小者則走殼程；4）飽和蒸汽宜走殼程，因為殼程對流速和清洗要求不大，且容易排除冷凝水；5）容易結(jié)垢、有沉淀物的不清潔流體宜走管程，冷凝器中的冷卻水就走管程；6）有毒介質(zhì)、高溫高壓或有腐蝕性的介質(zhì)宜走管程，允許壓降小的走殼程。4.5換熱器熱力設(shè)計（續(xù)）4.5.3.4換熱器的平均溫壓334.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇4.6.1換熱管束1）換熱管：換熱管的管型、管徑、管長以及管子的材質(zhì)對換熱器性能和經(jīng)濟(jì)性具有較大的影響；2）換熱管束排列換熱管束排列的要求是均布、緊湊并考慮管間的清洗要求和結(jié)構(gòu)上的要求。有以下幾種排列：正三角形排列、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形排列、轉(zhuǎn)角正三角、同心圓以及組合式排列。（見下圖）4.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇4.6.1換熱管束344.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）換熱管束排列形式取決于換熱器的結(jié)構(gòu)形式、換熱介質(zhì)的物性、流體傳熱時的壓降以及傳熱系數(shù)等要求來決定。例如正三角形排列具有布管緊湊，單位管板上布管數(shù)量較正四方形排列要多出15%，同時其傳熱系數(shù)較高；但是管間污垢不容易清洗、且殼程流體的壓降較大等。無論是哪種排列方式，管束部件中最外圍管子的外壁與殼體內(nèi)壁之間的距離不應(yīng)小于10mm。3）管間距：管間距s一般取管子直徑do的1.25倍，但應(yīng)保證兩管子外壁之間的通道不小于6mm用來清洗管子外壁。對于蒸發(fā)器來說，為了使蒸汽的流動，一般其管間距s取為1.5倍的管徑。

4）管束安裝轉(zhuǎn)角：對于臥式冷凝器，為了減小液膜在列管上的包角及液膜厚度，管板在裝配時，其軸線（對正三角形排列，軸線指六邊形對角錢，對正方形排列，軸線指正方形的邊）應(yīng)與設(shè)備的水平軸線偏轉(zhuǎn)一定角度，如圖4.4－6所示正三角形排列：α=30o–arcsin(do/2);do——管子外徑(mm)正方形排列：α=26o25′4.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）換熱管束排列形式取決于354.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）5)管束分程：當(dāng)換熱器換熱面積較大而管子又不能很長時，就得將管束分程。多管程換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體穿過隔板墊片短路機(jī)會增多。隔板占據(jù)的位置在殼程會形成無管占據(jù)的流體走廊，造成殼程流體的旁路而不利于傳熱。（1）分程原則：分程時采用偶數(shù)，每程中的管數(shù)應(yīng)大致相等，分程隔板的形狀應(yīng)簡單，相鄰程間的跨程溫度一般不超過20℃。管程數(shù)越多，設(shè)備造價越高。管程數(shù)除單程外，一般有2、4、6、8、10、12等七種，以2、4程應(yīng)用較多。（2）分程方法：當(dāng)前普遍采用的分程方法有平行和T形兩種，其分程隔板布置如表4.4－4所示。這兩種方法各有優(yōu)劣，例如對于4管程，平行分程在工藝安裝采用換熱器迭加時，接管方便，可使管箱內(nèi)放盡殘液，T形分程在制造上可于雙程管板共用模板，尚可多排些管子。4.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）5)管束分程：當(dāng)換熱器364.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）4.6.2管板管板的作用是固定換熱管束，并用來作為換熱器兩端間壁將管、殼程流體相互分開。管板單層管板和雙層管板兩種。1）管板上的管孔數(shù):式中：n——管數(shù)S——總傳熱面積，m；do——換熱管外徑，mm；L——單程管長，m。根據(jù)管數(shù)及管間距，按正三角型或正方型排列方式，用作圖法最后確定管數(shù)。2）管板的連接：管板的連接分為管板與管束的連接和與殼體、管箱的連接。（1）管板與管束的連接：之間的連接必須牢固緊密、不發(fā)生泄漏，同時連接后不會產(chǎn)生不正常的應(yīng)力和變形。連接形式有：脹接、焊接和焊后再脹三種方法。脹接一般用于設(shè)計壓力不大于40bar(4Mpa)、溫度在350℃以下的共況。焊接一般適用于高溫高壓、易燃易爆的工況。焊接和焊后再脹的連接則用于要求高的情況下，例如核電站的蒸發(fā)器、高低壓蒸汽加熱器等重要設(shè)備中。4.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）4.6.2管板374.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）（2）管板與殼體及管箱的連接管板與殼體的連接有可拆和不可拆兩種。固定管板式換熱器常采用不可拆連接。兩端管板直接焊于外殼之上并伸出殼體圓周外兼作法蘭，如圖4.4－7所示，拆下管箱可檢修脹口或清掃管內(nèi)。浮頭式、U型管式等為使殼程清洗方便，常將管板夾在殼程法蘭和管箱法蘭之間構(gòu)成可拆連接，如圖4.4－8所示。此外，高壓換熱器管板與管箱筒體的連接一般不采用法蘭連接，為防止泄漏而將管板或管箱焊成或鍛成一體，如圖4.4－9所示。4.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）（2）管板與殼體及管箱384.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）（3）管板的厚度管板厚度與材料強(qiáng)度、介質(zhì)壓力、溫度和壓差、溫差以及管子和外殼的固定方式等因素有關(guān)。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)形式和具體工況來決定管板的厚度。（4）薄管板高溫高壓換熱器（通常認(rèn)為是溫度超過350℃，壓力超過100bar的換熱器）的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的疊加作用是當(dāng)前的主要矛盾。對于高溫高壓換熱器的管板，其強(qiáng)度要求與減小熱應(yīng)力的要求是矛盾的。減小管板厚度能減小管板熱、冷兩側(cè)的熱應(yīng)力，但會遇到高壓下強(qiáng)度要求的限制。對于固定管板則必須同時考慮管束與殼體間的溫差應(yīng)力、管板本身的軸、徑向溫差應(yīng)力以及管板機(jī)械強(qiáng)度要求。為此出現(xiàn)了稱為彈性管板的一些新型結(jié)構(gòu)的薄管板。其共同特點是都帶有圓弧形、橢圓形、碟形、球形等結(jié)構(gòu)，有利于增加承壓能力，同時可利用其彈性變形來部分吸收熱膨脹差值。如圖4.4－10所示為橢圓形管板。4.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）（3）管板的厚度394.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）4.6.3管箱管箱是管程流體進(jìn)口均勻分流和出口匯流的空間，在多管程換熱器中，它還起改變流體流向的作用。管箱的結(jié)構(gòu)要有利于承壓介質(zhì)流動均允及拆裝、清洗方便等。管箱有多種形式，最常用的是如圖4.4－11所示的平蓋管箱和封頭管箱，前者制造較容易，但承壓能力弱于后者。應(yīng)盡量采用封頭管箱，特別是對于大直徑及較高壓力的換熱器尤其應(yīng)該優(yōu)先考慮使用封頭管箱。圖4.4—12為雙層隔板，圖4.4—13為管箱隔板與管板之間的連接。4.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）4.6.3管箱404.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）4.6.4殼體:殼體的結(jié)構(gòu)形式在換熱器的傳熱計算前就決定了,其壁厚是根據(jù)強(qiáng)度理論來計算,即:式中:S—?dú)んw壁厚，mm；P—設(shè)計壓力，Mpa；[σ]—設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，Mpa；C—考慮腐蝕等因素的壁厚附加量，mm；φ—焊縫系數(shù)，按設(shè)計規(guī)定選取。換熱器殼體的設(shè)計應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、密封性、制造、安裝、運(yùn)輸和維修方便等要求。換熱器殼體的內(nèi)徑與換熱管束的形式有關(guān)，內(nèi)徑的計算公式如下：Di=s(nc-1)+2b式中:s—任兩個換熱管的中心距，一般取s=（1.25～1.5）do（do為管外徑）；

nc—不同排列形式的換熱管數(shù)，例如：正三角形：

nc=1,1(n）o.5;正方形：

nc=1,19(n）o.5殼體的分程主要是使殼程流體的流速增加，強(qiáng)化傳熱。由于采用縱向隔板的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時殼程流速的增加會使壓降提高，因此一般是有條件的使用。4.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）4.6.4殼體:殼體的414.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）4.6.5折流板和支承板1）折流板的作用：除加大殼程流體紊流以有利于傳熱外(如圖4.6—14)，還能支撐管束防止振動及彎曲.2）折流板的形式：折流板的形式有圓缺型、盤環(huán)型、管孔型等，如圖4.6—15;4.6—16;4.6—17所示。換熱器中一般采用圓缺形折流板和盤環(huán)形折流板,圓缺形折流板用的最多,其切口往往是垂直方向布置,以減小固體微粒和不凝氣體的滯留.4.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）4.6.5折流板和支承424.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）3)支承板:支承板對換熱管束起支承作用。在臥式換熱器中支承板除了支承換熱管束作用外,還起折流板的作用，為便于支承管束，防止其下垂和振動，常設(shè)置弓形或半圓形支承板。每個支承板只能支撐半數(shù)管子，故必須交錯排列，并以垂直切口為宜。4.6.6進(jìn)、出口接管及防沖導(dǎo)流裝置

在換熱器殼體和管箱上按需要要裝上接管或接口。管、殼程流體的進(jìn)出口，殼體和管箱底部的排冷凝液管和上部的排汽管、管殼程需要的安全閥、各種儀表和取樣接管等。一般來說，管程流體的進(jìn)口接管位置應(yīng)低于出口接管的位置。殼程流體的進(jìn)口因垂直于管束，因此在對著進(jìn)口管處的管束上面應(yīng)設(shè)置防沖板，以防止管束受到橫向的沖刷腐蝕。防沖擋板及導(dǎo)流裝置的結(jié)構(gòu)形式如右圖所示。4.6換熱器結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)的選擇（續(xù)）3)支承板:支承板對434.7換熱器運(yùn)行中的主要問題

4.7.1換熱器的熱應(yīng)力和熱補(bǔ)償由于列管式換熱器在運(yùn)行中產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此必須考慮換熱器的熱補(bǔ)償。1）列管式換熱器的熱應(yīng)力右圖a所示為固定管板式換熱器在常溫狀態(tài)下管、殼的自由長度，b為運(yùn)行溫度下無約束時管、殼的長度（由于管子的溫度高于殼體溫度，因此管子的受熱后的長度δt大于殼體的長度δs），c為運(yùn)行狀態(tài)下管、殼受約束的長度（由于管子和殼體連在一起，因此盡管管子和殼體所受的溫度不同，但長度相等為δ）。分析：運(yùn)行無約束狀態(tài)下，管子所受到的溫度高于殼體，因此熱脹長度要大于殼體，即δt＞δs；在管子與殼體連在一起時的熱脹長度δ則小于δt，而大于δs，即δ＜δt；δ＞δs。由此可以看出固定管板式換熱器在運(yùn)行時，管子是屬于受壓狀態(tài)；而殼體則屬于受拉狀態(tài)。尤其在冷熱流體溫差大于50℃時，管子和殼體所受到很大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，因此在結(jié)構(gòu)上必須采取熱補(bǔ)償措施。2）熱補(bǔ)償措施4.7換熱器運(yùn)行中的主要問題4.7.1換熱器的熱應(yīng)力和熱444.7換熱器運(yùn)行中的主要問題換熱器的熱補(bǔ)償措施有以下幾種：補(bǔ)償節(jié)（一般裝在固定管板式換熱器的殼體上）、U形管結(jié)構(gòu)、浮頭形結(jié)構(gòu)和撓性管板等。4.7.2換熱器的振動與防振措施1)列管式換熱器因殼程流體流動可能引起管束振動或聲振動，管束振動將使管子磨損、疲勞和管子與管板連接處松脫，造成泄漏或結(jié)構(gòu)破壞，聲振動將發(fā)出嚴(yán)重噪音。任何振動現(xiàn)象都存在有激振力和彈性結(jié)構(gòu)。當(dāng)激振力作用頻率和彈性結(jié)構(gòu)的固有頻率相耦合發(fā)生共振時，設(shè)備振動現(xiàn)象隨即出現(xiàn)。因此，對于振動現(xiàn)象的分析必須從激振力和彈性結(jié)構(gòu)這兩個方面著手。目前，對于換熱器振動的激振機(jī)理主要是卡門渦流脫落理論。

4.7換熱器運(yùn)行中的主要問題換熱器的熱補(bǔ)償措施有以下幾種：454.7換熱器運(yùn)行中的主要問題1）產(chǎn)生振動的原因當(dāng)流體繞流管子（圓柱體）時，在其兩側(cè)流體速度發(fā)生變化。如圖4.5－4所示，流體從點A到點C逐漸加速，動能增加，經(jīng)過C點（區(qū)段）后，逐漸減速，動能減小。根據(jù)柏努利定律，流體動能與壓力勢能互相轉(zhuǎn)換，因而從點A到點C，流體壓力減少，從C到B逐漸增大。隨著雷諾數(shù)的增大，管子后部的壓力梯度增大，以致引起附面層分離。當(dāng)Re＞40時，繞流尾跡形成一對旋轉(zhuǎn)方向相反的對稱渦流。當(dāng)Re達(dá)到60時，這對不穩(wěn)定的對稱渦流破碎，最后形成幾乎穩(wěn)定的非對稱規(guī)整反向的交替旋渦，稱為卡門渦流。如圖4.5－5所示。

在換熱器中，當(dāng)殼程流體橫向繞流管子出現(xiàn)卡門渦流時，由于在管子兩側(cè)交替地釋放旋渦，其繞流情況是不一樣的，流動阻力也不同，而且有周期性變化。在某一瞬間，剛釋放完旋渦的一側(cè)圓管面流動阻力較小，繞流改善，流體速度較大，側(cè)面靜壓較低。4.7換熱器運(yùn)行中的主要問題1）產(chǎn)生振動的原因464.7換熱器運(yùn)行中的主要問題與此同時，正準(zhǔn)備釋放渦流的另一側(cè)（即旋渦形成并正在加大的一側(cè)）阻力較大，繞流較差，氣流速度較慢，側(cè)面靜壓較高。因而，在阻力較大一側(cè)產(chǎn)生了垂直于流體流動方向的推力。當(dāng)一側(cè)旋渦釋放后在另一側(cè)產(chǎn)生旋渦，于是又產(chǎn)生相反方向的推力。這一施加于管子上與流動方向垂直且垂直于管子軸線的交替變換方向的橫向推力稱為卡門渦流作用力，此即為激振力。當(dāng)卡門渦流作用力即激振力的頻率與彈性結(jié)構(gòu)換熱管的固有頻率相偶合時，換熱器就開始震動。

2）防止振動的措施：（1）降低殼程流速；（2）增加管束管子的固有頻率，有以下幾種方法：—減小支承板的支承跨距，因為管子固有頻率與跨距平方成反比；—在管束裝配時使管子處于受拉狀態(tài)；—在殼體內(nèi)裝上解諧板（即平行與橫流方向的縱向減振板）；—增加支承板和折流板的厚度等。4.7.3換熱器的污垢和去除方法換熱器投入使用后，其管子表面將逐漸形成污垢層而大大削弱傳熱，增大熱阻，從而使換熱器達(dá)不到使用要求。在換熱器運(yùn)行中，除根據(jù)污垢種類而采取一定的措施（如加大流速和增大平均溫壓等）外，還應(yīng)定期用機(jī)械清除方法清除污垢。4.7換熱器運(yùn)行中的主要問題與此同時，正準(zhǔn)備釋放渦流的另一474.7換熱器運(yùn)行中的主要問題1）污垢的種類、形成及消除方法常見的污垢有結(jié)晶型、沉積型、生物型等污垢。根據(jù)不同類型的污垢可以采取不同的處理方法來去除，例如結(jié)晶型污垢一般是不溶于水或難溶于水的碳酸鈣或碳酸鎂等，對于此類污垢，可對水質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理（軟化處理）或加入化學(xué)物質(zhì)以提高結(jié)晶鹽類在水中的溶解度，可以減輕或消除此類污垢。對于沉積形，一般是壁面上的銹，固體顆粒，以及懸浮的灰粉、未燃盡的碳粒等進(jìn)入換熱器后，若流體速度減小，或遇死角及轉(zhuǎn)彎，便沉積下來；在流體中，帶負(fù)電荷的膠體顆粒常因與傳熱面附近一層溶于水中的帶正電荷的鐵離子相互作用而沉積成垢。這些污垢一般可通過機(jī)械過濾、沉淀或化學(xué)凝聚等方法除去。生物型污垢是附著在傳熱面上的藻類、菌類及其剝落物等形成污垢層，不僅阻礙傳熱、而且影響流體的流動，還腐蝕傳熱面。用江、河之水及海水作冷卻介質(zhì)的換熱器常出現(xiàn)這類污垢?？捎脷⒃鍎┗蛟谒屑尤肼纫灾浦惯@類污垢。一般說來，介質(zhì)中含有懸浮物、溶解物及化學(xué)穩(wěn)定性差的物質(zhì)易結(jié)垢；流速低、溫度變化大或介質(zhì)與壁面間溫差大時易結(jié)垢；壁面粗糙或結(jié)構(gòu)上有旁通、死角、短路等使流速不均勻或出現(xiàn)滯流時易結(jié)垢。減小污垢對設(shè)備的影響，除換熱器的設(shè)計合理外，在設(shè)備的操作運(yùn)行中還應(yīng)控制流速、溫度或溫壓，使之不形成結(jié)垢的條件。2）污垢熱阻的確定：當(dāng)污垢（結(jié)晶型、沉積型）的厚度與傳熱管壁厚相等時，結(jié)晶型污垢的熱阻是鋼質(zhì)材料熱阻的40倍；沉積型熱阻是鋼質(zhì)材料熱阻的400倍。

4.7換熱器運(yùn)行中的主要問題1）污垢的種類、形成及消除方法48演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！49核電廠通用機(jī)械設(shè)備之四

換熱器教員:呂云彪核電站員工基礎(chǔ)理論培訓(xùn)教材核電廠通用機(jī)械設(shè)備之四

換熱器504.概述4.1換熱器的用途和類型4.1.1換熱器的用途把一種介質(zhì)的熱量傳給另一種介質(zhì)的設(shè)備，都稱為換熱器。換熱器作為生產(chǎn)工藝過程不可缺少的設(shè)備廣泛用于各種領(lǐng)域.在核電廠中作為主要設(shè)備的換熱器，數(shù)量眾多，型號各異，如蒸汽發(fā)生器，低壓、高壓加熱器，冷凝器，冷卻器等。4.1.2換熱器的類型4.1.2.1間壁式換熱器:間壁式換熱器的特點是冷、熱兩流體被固體壁面隔開，不相混合，通過間壁進(jìn)行熱量的交換。主要形式有以下幾種:1)夾套式換熱器(圖4.1－1);2)蛇管式換熱器(圖4.1－2);3)套管式換熱器(圖4.1－2);4)列管式換熱器.

4.概述4.1換熱器的用途和類型514.概述(續(xù))4.1.2.2混合式換熱器這種類型的換熱器主要用于氣體的冷卻及蒸汽的冷凝，故又稱為混合式冷卻器或冷凝器。其特點是被冷凝（或冷卻）的蒸汽直接與水（或冷流體）接觸進(jìn)行換熱，因此傳熱效果好。必須指出，僅在允許冷、熱流體互相混合時，才能應(yīng)用混合式換熱器。4.1.2.3蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器又稱蓄熱器，器內(nèi)裝有固體填充物（如耐火磚等）。冷、熱流體交替地流過蓄熱器，利用固體填充物來積蓄和釋放熱量而達(dá)到換熱的目的(如右圖所示)。4.概述(續(xù))4.1.2.2混合式換熱器524.概述(續(xù))4.1.2.4板式換熱器板式換熱器主要由一組長方形的薄金屬板構(gòu)成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片，壓緊后可以達(dá)到密封的目的，且可用墊片的厚度調(diào)節(jié)兩板間流體通道的大小。每塊板的四個角上，各開一個圓孔，其中有兩個圓孔和板面上的流道相通，另外兩個圓孔則不相通，它們的位置在相鄰的板上是錯開的，以分別形成兩流體的通道。冷、熱流體交替地在板片兩側(cè)流過，通過金屬板片進(jìn)行換熱。每塊金屬板面沖壓成凹凸規(guī)則的波紋，以使流體均勻流過板面，增加傳熱面積，并促使流體的湍動，有利于傳熱。圖4.1－5所示，為大亞灣核電站核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）采用的板式換熱器結(jié)構(gòu)圖。其優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大；總傳熱系數(shù)值高，如對低粘度液體的傳熱，值可高達(dá)7000W/(m2·℃)；可根據(jù)需要增減板數(shù)以調(diào)節(jié)傳熱面積；檢修和清洗都較方便等。其缺點是：處理量不宜大；操作壓強(qiáng)比較低，一般低于15bar(1.5Mpa)，最高也不超過20bar；因受墊片耐熱性能的限制，操作溫度不能太高，一般對合成橡膠墊圈不超過130℃，壓縮石棉墊圈也低于250℃。圖4.1-5板式換熱器示意圖4.概述(續(xù))4.1.2.4板式換熱器圖4.1-5板534.2列管式換熱器的類型及工作特性

列管式換熱器是目前工業(yè)生產(chǎn)中包括核電站應(yīng)用最廣泛的傳熱設(shè)備，主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大以及傳熱效果好。此外，結(jié)構(gòu)簡單，制造的材料范圍較廣，因此，在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。4.2.1固定管板式固定管板式換熱器如圖4.2－1所示。所謂固定管板式即兩端管板和殼體連接成一體，因此它具有結(jié)構(gòu)簡單和造價低廉的優(yōu)點。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(yīng)是較潔凈且不易結(jié)垢的物料。當(dāng)兩流體的溫度差較大時，應(yīng)考慮熱補(bǔ)償。圖4.2－1為具有補(bǔ)償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定管板式換熱器，即在外殼的適當(dāng)部位焊上一個補(bǔ)償圈，當(dāng)外殼和管束熱膨脹不同時，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形（拉伸或壓縮），以適應(yīng)外殼和管束的不同的熱膨脹程度。這種補(bǔ)償方法簡單，但不宜用于兩流體的溫度差太大（應(yīng)不大于70℃）和殼方流體壓強(qiáng)過高（一般不高于6bar）的場合。4.2列管式換熱器的類型及工作特性列管式換熱器是目前工544.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.2U型管換熱器U型管換熱器如圖4.2－2所示。管子彎成U型，管子的兩端固定在同一管板上，因此每根管子可以自由伸縮，而與其它管子和殼體均無關(guān)，故不受熱膨脹限制。這種型式換熱器僅一端有管板結(jié)構(gòu)也較簡單，重量輕，適用于高溫和高壓的場合,核電站反應(yīng)堆回路和汽輪機(jī)回路的換熱器多為這種類型。其主要缺點是管內(nèi)清洗比較困難，因此管內(nèi)流體必須潔凈；且因管子需一定的彎曲半徑，故管板的利用率差些。4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.2U型管換554.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.3浮頭式換熱器浮頭式換熱器如圖4.2－3所示，兩端管板之一不與外殼固定連接，該端稱為浮頭。當(dāng)管子受熱（或受冷）時，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。浮頭式換熱器不但可以補(bǔ)償熱膨脹，而且由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可從殼體中抽出，便于清洗和檢修，故浮頭式換熱器應(yīng)用較為普遍，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，金屬耗量較多，造價較高。

4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.3浮頭式換564.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4核電其他換熱設(shè)備換熱設(shè)備在核電站中是主要設(shè)備，大亞灣核電站一回路中的蒸汽發(fā)生器為立式U型管式換熱設(shè)備，二回路中的高、低壓加熱器為臥式U型管式換熱設(shè)備，蒸汽冷凝器（凝汽器）則為管板式換熱設(shè)備。現(xiàn)簡介如下：4.2.4.1蒸汽發(fā)生器其結(jié)構(gòu)如圖4.2－4所示。它分上、下兩部分，下部直徑較?。╩m）為蒸發(fā)段，其中裝有19的U型管4474根以及管板、支承板、管束圍板、流量分配擋板等；上部直徑比較大（mm）為汽水分離段，內(nèi)裝旋流葉片式（離心式）汽水分離器及人字形機(jī)械擋板式干燥器等。下端為球形封頭，內(nèi)裝分隔板，將球形封頭分為進(jìn)口室和出口室。上端為橢圓形封頭，頂部設(shè)蒸汽出口。傳熱管材料為因科鎳，管徑為，管束排列為正方形，管束與管板的連接采用先焊后脹，確保其密封。4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4核電其他574.2列管式換熱器的類型及工作特性(續(xù))傳熱量，MWth969總傳熱面積:5429m2管側(cè)設(shè)計壓力，Mpa17.2管側(cè)設(shè)計溫度:343℃管側(cè)運(yùn)行壓力，MPa15.5管側(cè)試驗壓力:22.9MPa熱介質(zhì)（反應(yīng)堆冷卻劑）進(jìn)口溫度，℃327出口溫度，293℃流量，m3/h23790殼側(cè)設(shè)計壓力，MPa8.6試驗壓力，12.85MPa殼側(cè)·設(shè)計溫度，℃343蒸汽參數(shù):壓力，MPa6.89溫度，℃283.6·最大濕度，％0.25流量（產(chǎn)量）t/h1938給水溫度，℃262

尺寸與重量上部汽水分離段直徑4484mm下部蒸發(fā)段直徑，mm3446總高度，mm20848管板厚度，mm555·無水總重，t329.5滿水總重，t5054.2列管式換熱器的類型及工作特性(續(xù))傳熱量，MWth584.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.2高壓加熱器

圖4.2－5是大亞灣核電站二回路中的高壓加熱器結(jié)構(gòu)圖。二回路高壓加熱器的作用是利用汽輪機(jī)抽汽加熱高壓給水，以保證進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的給水水溫。高壓加熱器的型式為臥式U型管式汽—水換熱器。加熱器直徑2.37m，長度12.917m。U型加熱管為的不銹鋼管，管數(shù)為2258根，管板為碳鋼，管束與管板的連接采用先焊后脹。兩端封頭均為凸形封頭。從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，高壓加熱器的加熱介質(zhì)分別為蒸汽和疏水凝結(jié)液。在同一筒體內(nèi)，用殼程縱向隔板分成兩個加熱區(qū)，上部為蒸汽加熱區(qū)，下部為疏水凝結(jié)液加熱區(qū)。高壓給水走管內(nèi)，下進(jìn)上出。加熱蒸汽走管間上進(jìn)、下排冷凝液。疏水凝結(jié)液走下部管間，與高壓給水成逆流走向右進(jìn)左排。在筒體內(nèi)還有防沖板、管束支撐板、防震桿等換熱器輔助部件。4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.2高壓加熱594.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.3低壓給水加熱器低壓給水加熱器是利用低壓缸抽汽加熱主凝結(jié)水（低壓給水）。它由四級加熱器組成。圖4.2－6就是第四級低壓給水加熱器的結(jié)構(gòu)圖。4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.3低壓給水604.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.3凝汽器（冷凝器）凝汽器在核電站的主要功能和火電廠一樣是為汽輪發(fā)電機(jī)組提供一經(jīng)濟(jì)背壓，并且使機(jī)組在所規(guī)定的冷卻水溫度范圍和運(yùn)行條件下，安全可靠的運(yùn)行；滿足機(jī)組要求的熱力性能，冷凝所有進(jìn)入凝結(jié)器的蒸汽，保持凝結(jié)水質(zhì)，提供所需的凝結(jié)水量。圖4.2－7所示為大亞灣核電站凝汽器的結(jié)構(gòu)圖。每臺機(jī)組配有三臺凝汽器，布置在機(jī)房底層。每臺凝汽器有兩組單流程管束，為臥式單程管板式換熱器。循環(huán)冷卻水（海水）由入口水室下端的進(jìn)水暗渠引入，經(jīng)管板走管內(nèi)至出口水室再從出口水室下端排至排水暗渠。被冷凝的蒸汽走管間，自上而下，沖刷冷卻水管束的同時，冷凝成凝結(jié)水，經(jīng)集水箱除氧淺盤流入熱井。4.2列管式換熱器的類型及工作特性4.2.4.3凝汽614.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.1換熱器傳熱的基本方式換熱器傳熱的基本方式主要是以對流傳熱和熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）相結(jié)合的方式進(jìn)行傳熱。4.3.1.1熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱）若物體上的兩部分間連續(xù)存在著溫度差，則熱將從高溫部分自動地流向低溫部分，直至整個物體的各部分溫度相等為止。此種傳熱方式稱為熱傳導(dǎo)。在金屬固體中，熱傳導(dǎo)起因于自由電子的運(yùn)動；在不良導(dǎo)體的固體和大部分液體中，熱傳導(dǎo)是由個別分子的動量傳遞所致；在氣體中，熱傳導(dǎo)是由分子不規(guī)則運(yùn)動而引起的。熱傳導(dǎo)是靜止物質(zhì)內(nèi)的一種傳熱方式。也就是說沒有物質(zhì)的宏觀位移。4.3.1.2對流傳熱對流傳熱是指流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱交換。對流傳熱僅發(fā)生在流體中，因此它與流體的流動狀況密切相關(guān)。在對流傳熱時，也伴隨著流體質(zhì)點間的熱傳導(dǎo)。工程中討論的對流傳熱，多是指熱由流體傳到固體的壁面（或反之）的過程。在流體中產(chǎn)生對流的原因有二：一為流體質(zhì)點的相對位移是因流體中各處的溫度不同而引起的密度差別，使輕者上浮，重者下沉（流體產(chǎn)生這種對流則稱為自然對流）；二為流體質(zhì)點的運(yùn)動是因泵（風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所致（流體的這種對流則稱為強(qiáng)制對流）。流動的原因不同，對流傳熱的規(guī)律也有所不同。應(yīng)予指出，在同一種流體中，有可能同時發(fā)生自然對流和強(qiáng)制對流。4.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.1換熱器624.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.2換熱器的傳熱過程核電廠所用的換熱器，主要為列管式換熱器（間壁式）。所以本章以間壁式換熱器的傳熱過程進(jìn)行分析。在間壁式換熱器中，冷、熱流體被壁面隔開，它們分別在壁面兩側(cè)進(jìn)行流動。熱流體將熱傳到壁面的一側(cè)，通過固體壁面的熱傳導(dǎo)，再由壁面另一側(cè)將熱傳給冷流體。冷熱流體流動狀態(tài)是，當(dāng)流體流經(jīng)固體壁面時形成流動邊界層，邊界層內(nèi)存在速度梯度；當(dāng)流體呈湍流時（形成湍流邊界層），靠近壁面處總有一層滯流內(nèi)層存在，在此薄層內(nèi)流體呈滯流流動。因此在滯流內(nèi)層中，沿壁面的法線方向上沒有對流傳熱，該方向上熱的傳遞僅為流體的熱傳導(dǎo)。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使滯流內(nèi)層中的導(dǎo)熱熱阻就很大，因此該層中溫度差也較大，即溫度梯度較大。在湍流主體中，由于流體質(zhì)點劇烈混合并充滿了旋渦，因此湍流主體中的溫度差（溫度梯度）極小，各處的溫度基本上相同。在湍流主體和滯流內(nèi)層之間的緩沖層內(nèi)，熱傳導(dǎo)和對流傳熱均起作用，在該層溫度發(fā)生緩慢的變化。圖4.3－l表示流體在壁面兩側(cè)的流動情況以及和流體流動方向垂直的某一截面上流體的溫度分布情況。以上分析可知，對流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層內(nèi)，因此，減薄滯流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對流傳熱的重要途徑。4.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.2換熱器634.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.3熱傳導(dǎo)方程—傅立葉定律物體內(nèi)各點間的溫度差是熱傳導(dǎo)的必要條件.設(shè)內(nèi)外管壁等溫面溫度之差為Δt=Tw-tw;壁面之間的距離為Δn,則冷熱流體之間的溫度梯度為:傅立葉定律:通過冷熱兩表面的導(dǎo)熱速率與溫度梯度和傳熱面積有關(guān),即:dQ∝dsdQ=λds

∵Δt=Tw-twΔn=b

∴dQ=λds

積分后得:Q=λS式中:Q——導(dǎo)熱速率,即單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱,W;S——等溫面面積,m2b——壁面厚度,m;Tw-tw——冷熱壁面溫度差,℃λ——導(dǎo)熱系數(shù),W/m2℃4.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.3熱傳導(dǎo)方程644.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.4對流傳熱速率方程:對流傳熱用理論計算比較困難,一般用半經(jīng)驗方法來處理,即:對流傳熱速率==系數(shù)x推動力上式中推動力為流體與壁面之間的溫差;阻力則為與流體接觸的壁面大小成反比,由于換熱器換熱速率隨換熱器的位置變化而變化,因此可采用微分方程來表達(dá),即:dQ=

式中:dQ—局部對流傳熱系數(shù),W;dS—微元傳熱面積,m2T—換熱器任一截面上流體的平均溫度,℃;Tw—換熱器任一截面上與流體接觸一側(cè)壁面的溫度,℃;α—比例系數(shù),又稱局部對流傳熱系數(shù),W/(m2·℃).4.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程4.3.4對流傳熱速654.3換熱器傳熱的基本方式及傳熱過程(續(xù))對流傳熱速率方程又稱為牛頓冷卻定律.工程計算中常使用平均對流傳熱系數(shù)α為常數(shù),因此上述微分方程式可以積分為:

Q=αSΔt

式中α—平均對流傳熱系數(shù),W/(m2·℃);S—總傳熱面積.

m2Δt

—流體與壁面之間的平均溫度差,℃.應(yīng)該指出