王振鋒，宋印璽

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，在核工業(yè)中應用廣泛，其中管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)簡單、傳熱面大，安全可靠性高等特點，成為核工業(yè)中應用最廣泛的換熱器結(jié)構(gòu)形式。核工業(yè)中管殼式換熱器包括U形管式、發(fā)夾式、蛇管式、套管式等結(jié)構(gòu)形式，發(fā)夾式換熱器是使用U形彎頭連接，具有單管程、單殼程結(jié)構(gòu)的換熱器。在秦山30W、AP1000核電機組中擁有一定數(shù)量的發(fā)夾式管殼式換熱器，例如：廢液冷卻器、硼回預熱器、過剩下泄熱交換器、硼回凝水冷卻器、CVS再生熱交換器等。

目前對于發(fā)夾式換熱器的研究較少，其熱工設計也是鮮見報道，因此本文對發(fā)夾式結(jié)構(gòu)換熱器進行初步研究并利用HTRI軟件進行熱工設計。

1 發(fā)夾式換熱器特點

1.1 發(fā)夾式換熱器結(jié)構(gòu)特點

圖1 發(fā)夾式換熱器外形圖

發(fā)夾式換熱器是單管程、單殼程，管束及殼體均為U形形狀的換熱器，殼體通過U形彎頭連接，U形彎頭與兩段殼體焊在一起或者通過法蘭連接，由于其形狀類似發(fā)夾，因此被叫做發(fā)夾式換熱器(見圖1)。當管束由單根換熱管組成時，即為套管式換熱器，其結(jié)構(gòu)簡單，適用于高溫、高壓流體，特別是小流量流體的傳熱[1]。發(fā)夾式換熱器外形結(jié)構(gòu)可以看成將單管程、單殼程的固定管板式換熱器彎制成U形形狀，也可以看成是將雙管程、雙殼程的U形管式換熱器的管箱、殼體分離后的結(jié)構(gòu)。因此，發(fā)夾式換熱器適用的殼體比傳統(tǒng)管殼式換熱器的殼徑要小的多，一般選用無縫管作為殼體。

發(fā)夾式換熱器可以實現(xiàn)全逆流換熱，不存在冷熱流體間溫度交叉的問題[2]；且由于殼體、管間距設計的較小，可以提高流體流速、提高傳熱系數(shù)，具有單位體積傳熱面積大，管內(nèi)傳熱系數(shù)高的特點；發(fā)夾式換熱器管束兩端采用兩塊獨立的管板，減小了管板直徑，進而可以減小管板的厚度，降低設備成本；發(fā)夾式換熱器還可以設計成管束可拆卸結(jié)構(gòu)，管側(cè)管板通過一個支撐法蘭與管程密封法蘭用螺栓連接；殼側(cè)筒體與殼側(cè)密封法蘭焊接，管、殼兩側(cè)的法蘭連接中均裝有密封圈，保證設備的密封性；這種結(jié)構(gòu)形式，可以在去除U段筒體后將管束從殼體中抽出。

圖2 發(fā)夾式換熱器結(jié)構(gòu)圖

發(fā)夾式換熱器殼徑小、管束采用U形管且具有獨立管板的結(jié)構(gòu)特點使其適用于高壓、高溫差及存在溫度交叉的工況條件。因此在核電站高壓、高溫差或存在溫度交叉的工況下，選用此種結(jié)構(gòu)形式的換熱器較多。由于核電的特殊性，核電用發(fā)夾式換熱器的管箱與管板大多采用全焊接連接，殼體與管板以及U形段殼體與直段殼體間均采用焊接連接。殼程內(nèi)直段設置折流板，流體錯流換熱，U形段設置管束支撐，流體縱流換熱，如圖2所示。

1.2 發(fā)夾式換熱器的優(yōu)點

與傳統(tǒng)管殼式換熱器相比，發(fā)夾式換熱器的結(jié)構(gòu)特點及原理決定了其具有以下優(yōu)點[3]：

(1)管程和殼程分別采用獨立的封閉體系，可以在高溫差和高壓差條件下使用，能夠防止熱力振動。

(2)采用U形管束及兩塊獨立管板，管束可以自由伸縮，從而消除溫差應力，具備溫差補償效應，適用于管殼側(cè)溫差較大的工況。

(3)殼體直徑較小，可以承受更高的壓力。

(4)單管程、單殼程結(jié)構(gòu)，管、殼側(cè)介質(zhì)可以實現(xiàn)純逆流流動換熱，換熱效率更高，而且可以解決溫度交叉問題。

(5)對于小流量流體傳熱的工況，其結(jié)構(gòu)可以獲得更高的流體流速，使其處于一個合理的水平，從而提高換熱效率，減少結(jié)垢，延長設備壽命。

2 發(fā)夾式換熱器的熱工設計

發(fā)夾式換熱器熱工設計主要有傳熱計算、壓降計算與流致振動計算三方面[2]，需按照TEMA或者GB151[4]進行相關計算。發(fā)夾式換熱器中包含流體錯流換熱與U段流體縱向流換熱，手工計算比較繁瑣，工作量較大。在實際工程中，通常采用通用換熱器設計軟件進行計算。

核電站中發(fā)夾式換熱器一般采用HTRI軟件Xhpe模塊進行計算，其計算模型中結(jié)構(gòu)簡圖見圖3。由于之前軟件中無法輸入圖3中L1、L2參數(shù)，導致計算模型無法與實際結(jié)構(gòu)完全一致，而且該模塊中無法進行流致振動計算，因此很多設計人員將發(fā)夾式換熱器拉直轉(zhuǎn)換成固定管板式換熱器采用Xist模塊計算，可以一次完成熱工設計。但發(fā)夾式換熱器U段區(qū)域流體為縱向流換熱，直段區(qū)域為錯流換熱，而固定管板式換熱器流體都為錯流換熱，此外采用Xhpe模塊計算中不考慮L2部分換熱管參與換熱，而Xist模塊中認為直管段均參與換熱。因此設計人員在建立模型時都會進行保守處理，以保證設備滿足設計要求。

隨著軟件功能的完善，Xhpe模塊中增加了輸入圖3中L1、L2參數(shù)的窗口，計算模型可以更接近設備原型。因此結(jié)合設計經(jīng)驗，本文建議采用Xhpe與Xist模塊相結(jié)合的方法設計發(fā)夾式換熱器。首先，采用Xhpe模塊進行發(fā)夾式換熱器的傳熱性能計算與壓降計算，獲得設備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)；然后，將得到的發(fā)夾式換熱器結(jié)構(gòu)拉直、轉(zhuǎn)換成固定管板式結(jié)構(gòu)(見圖4)，再通過Xist模塊進行流致振動分析。如果流致振動分析結(jié)果不滿足要求，則需對設備結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整，再將調(diào)整后的結(jié)構(gòu)參數(shù)代入Xhpe中，重復第一步對設備進行計算分析。直至設備的熱工計算結(jié)果滿足設計要求。

圖3 發(fā)夾式換熱器模型示意圖

作者按上述兩種不同方法分別對核電站再生換熱器進行了計算對比，采用Xhpe與Xist模塊計算相結(jié)合的結(jié)果與采用Xist模塊保守計算的結(jié)果相比，換熱性能相差較大，超過5%的偏差。因此本文建議采用Xhpe與Xist模塊相結(jié)合的方法設計發(fā)夾式換熱器經(jīng)濟性更高。

3 結(jié)論

本文介紹了發(fā)夾式換熱器的結(jié)構(gòu)特點，指出其適用于高壓、高溫差、存在溫度交叉或者小流量流體傳熱的工況條件。結(jié)合設計經(jīng)驗，建議采用Xhpe模塊與Xist模塊相結(jié)合的方法進行發(fā)夾式換熱器熱工設計。希望本文能為后續(xù)的發(fā)夾式換熱器選型設計提供一定的參考。

參考文獻

[1]尾花英朗.熱交換器設計手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，1984.

[2]吳德榮.化工工藝設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[3]張永生.多管式換熱器的研究及工業(yè)應用分析[J]. 化工設備與管道，2012，49(4)：21-26.

[4]全國壓力容器標準化技術(shù)委員會.GB 151-1999 管殼式換熱器[S].北京:中國標準出版社,1999.