dq063高温气冷堆多头螺旋管式蒸汽发生器的设计与计算
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dq063高温气冷堆多头螺旋管式蒸汽发生器的设计与计算,毕业设计
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东北电力学院学士学位论文毕业答辩 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 高温气冷反应堆多头螺旋管式蒸汽发生器的 设计与计算 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 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 课题的主要内容 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 课题的工程背景 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 课题的工程背景 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 。 核能的发展前景 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 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 核反应堆的类型 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 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 。 课题的工程背景 蒸汽发生器的作用 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 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 。 课题的工程背景 蒸汽发生器的型式 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 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 。 课题的工程背景 热交换器的分类 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 课题的工程背景 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 。 本课题的研究内容 nts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 nts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 基本工作原理 冷水 高温氦气 主蒸汽 nts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. 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 本相同 。 设计原则 nts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 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 nts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 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 。 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 。 nts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 。 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 。 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 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： 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 。 DMStg L /换热面结构的设计方法 nts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 nts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 图 3-1 传热计算示意图 10t管内污垢层t wot 2t管壁管外污垢层氦气侧oh对流传热t He导热1/ r i导热导热r o1/ KdxQih对流传热水-蒸汽侧t witd2D1Dd ints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 iiiiooddhddrddKbrhu111nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 管外 （ 壳侧 ） 放热系数 ho 螺旋管内外传热计算关系式 333.061.0,388.0 KcdGFFFKdh pe f fnie f faonts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 传热管倾斜 （ 螺旋上升角 ） 修正系数 iF 2 3 5/61.0s i n1000c o s901c o s iF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 螺旋管内外传热计算关系式 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 管排数修正系数 nF32112.0316.0558.01nnnF n 是流动方向的管排数 ， 时 ， n10n 1nF螺旋管内外传热计算关系式 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 管子排列修正系数 effaF ,螺旋管内外传热计算关系式 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 2,bae f faFFF当顺列布置时 ， 当规则错列布置时 aaeff FF baeff FF nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 管内放热系数 hi 螺旋管内外传热计算关系式 1、 无相变时的放热系数 1.04.085.0PrRe023.0 DdNui nts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 m i cm a ctp hhh nts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 dKdxGFhfffm a c4.08.0Pr1023.0 对流放热系数 nts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 SptrcKh s a ts a tgffpffm i c75.024.024.024.029.05.049.045.079.00 0 1 2 2.0 核沸腾放热系数 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 管外侧压力损失 螺旋管内外压降计算关系式 gnGCCfpnie f fas22732.32, nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 为传热管倾斜 （ 螺旋上升角 ） 修正系数 iC 3 5 5.18.1 co sco s iC螺旋管内外压降计算关系式 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 为管排修正系数 nCnCn3 7 5.01 螺旋管内外压降计算关系式 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 管内压降关系式 螺旋管内外压降计算关系式 ldjszw pppp jbmcld ppp nts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 221GdLpimc 两相流体 11222 xGdLpimcnts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 2、 局部阻力压降计算 螺旋管内外压降计算关系式 单相流体 vwp jbjb2)( 21两相流体 )1(12202 xwp jbnts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 hgp zw 1两相流体 )1(2 hghgp zszwnts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 )()()( 122121 vvwwwwp js 两相流体 )()()()( 1221222 XXvvwvvwp js nts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 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 设计参数 260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计 热功率 MW 260 一次回路质量流量 kg/s 112.06 氦气入口 /出口温度 700/253 氦气压力 MPa 7 一次侧压力损失 MPa 0.038 二次回路质量流量 kg/s 101.3 给水 /蒸汽温度 180/530 蒸汽压力 MPa 19 压力损失 MPa 2 nts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； 2.计算传热面积； 3.初步确定管束结构； 4.建立热工水力计算模型； 5.计算管束阻力； 6.校核传热系数； 7.校核传热面积； 8.校核管束阻力； 9.校核管间脉动； 10.确定管束结构 。 nts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 o 5.1/ dS T 受热面螺旋管排列结构 螺旋管层数 13 46 79 1012 1315 1618 1920 2125 2628 螺旋管头数 3 4 5 6 7 8 9 10 11 nts东北电力学院学士学位论文毕业答辩 热工水力模型 260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计 水侧 氦气侧 19MPa 530 7MPa 700 107.86MW 20.3 MPa 367.032 7 MPa 538 58.18MW 2 0.6 MPa 368.26 7MPa 441 93.14MW 21 MPa 180 7 MPa 253 预热段 蒸发段 过热段 nts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 。 146.71CrZijlqh nts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 及阻力比 ， 然后确定蒸发管是处于稳定区还是脉动区 。 tB 1K nts东北电力学院学
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