換熱器在核電站的應用及其性能分析

高鑫　劉超杰

（中國核電工程有限公司 調試部，北京　100000）

換熱器在核電站的應用及其性能分析

高鑫劉超杰

（中國核電工程有限公司 調試部，北京100000）

本文介紹了換熱器的形式在核電廠的主要應用及其建立了換熱器的火用分析模型，對板式換熱器的特點及其結構簡單做了介紹，對設備冷卻水板式換熱器的性能進行了計算分析，可以看出換熱器的火用效率滿足運行的要求，同時可以應用到核電廠各個換熱器的經濟性分析，為在線分析其經濟性提供了依據。對換熱器的日常維護進行了簡單的介紹，以保持換熱器在較高效率的情況下運行。

換熱器，火用效率，核電站，性能分析

換熱器是核電站的關鍵設備，其性能的優劣直接影響到核電站的安全經濟性能與效率，其數量眾多，型號各異，主要包括：各個設備冷卻器、蒸汽發生器、凝汽器和高壓、低壓加熱器、循環冷卻器等。在核電站一回路、二回路，及其各輔助系統中得到廣泛應用［1］。

1　換熱器的分類

根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本可以分為三大類，即：間壁式、混合式，蓄熱式。

1.1間壁式換熱器

間壁式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁面的導熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進行換熱。因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應用最廣。間壁式換熱器根據傳熱面的結構不同可分為夾套式換熱器、沉浸式蛇管換熱器、噴淋式換熱器、管殼式換熱器（蒸汽發生器、高壓加熱器、低壓加熱器、凝汽器等），板式熱交換器（RRI/SEC板式換熱器等）。

1.2混合式換熱器

混合式熱交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進行傳熱的，這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱效率。由于兩流體混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，除氧器等。

1.3蓄熱式換熱器

蓄熱式換熱器通過固體物質構成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質先通過加熱固體物質達到一定溫度后，冷介質再通過固體物質被加熱，使之達到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉式、閥門切換式等。

換熱器按用途分為：

冷卻器、加熱器、預熱器、過熱器、蒸發器；

2換熱器火用分析

熱力學第二定律是關于熱與功轉化方向性的定律，熱力學第二定律有多種描述方法，其本質就是自發過程的不可逆性的描述。自然界的過程總是朝著孤立系統的熵增加的方向進行，它表示著能量耗散和功耗散的程度。各種形式的能量轉換成有用功的能量是不同的，火用是能量的一種固有屬性，熱力系統經過可逆過程過渡到與環境處于平衡狀態時所能做出的最大有用功，成為系統的火用［2］ ［3］。

而能量中的火無則是不可逆過程中發生的火用向火無轉化，無論采用什么方法也不可能轉變為有用功的那部分能量，隨著能量轉換過程的進行，最終它將轉移給環境，而這部分火用的消失，或稱為不可逆過程的火用損失，簡稱為火用損失。

穩定物質流從任一給定狀態流經開口系統以可逆的方式轉變到環境狀態，并且只與環境交換熱量時，所能做出的最大有用功，稱為焓火用，計算公式為；

按照國際水蒸汽性質會議通過的決議，液相水在三相點的熵和熱力學能的數值規定為零。本文都以三相點做為計算的參考點。

2.1簡單傳熱模型及各種型式換熱器的火用平衡方程

圖2-1　簡單換熱模型

換熱器內流體的傳熱過程，可視為一種或兩種以上流體之間的相互傳熱，可以把其中任何一種流體看作冷流體，其余流體看作熱流體，

（1）設備的目的火用效率

2.2.板式換熱器的性能分析

板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過半片進行熱量交換。它與常規的管殼式換熱器相比，在相同的流動阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數要高出很多。板式換熱器是用薄金屬板壓制成具有一定波紋形狀的換熱板片，然后疊裝，用夾板、螺栓緊固而成的一種換熱器。工作流體在兩塊板片間形成的窄小而曲折的通道中流過。冷熱流體依次通過流道，中間有一隔層板片將流體分開，并通過此板片進行換熱，如圖2-2所示：板式換熱器的結構及換熱原理決定了其具有結構緊湊、占地面積小、傳熱效率高、操作靈活性大、應用范圍廣、熱損失小、安裝和清洗方便等特點［4］ ［5］ ［6］。

圖2-2 板式換熱器結構

2.2.1板式換熱器的性能計算

RRI/SEC板式熱交換器為研究對象，RRI001/003RF和RRI002/004RF在正常運行負荷的運行條件的情況下進行計算［7］，可以看出運行的各個參數如表1所示：

表1　換熱器計算數據表

從計算數據可以看出，RRI001/003RF的換熱火用效率大于RRI002/004RF，其都大于目的火用效率，滿足設備運行的工況要求，RRI001/003RF火用損較小，壓力損失較小，換熱器的不可逆損失較小。隨著時間的推移，設備表面污垢系數逐漸增大，影響傳熱效率，不可逆損失將增大，火用效率降低，溫差和摩阻引起的不可逆損失增大，因此要定時對設備進行清潔管理，保持設備的性能，提高其效率。

2.2.2板式換熱器的維護保養

日常操作應特別注意防止溫度、壓力的波動，首先應保證壓力穩定，絕不允許超壓運行。

換熱設備經長時間運轉后，由于介質的腐蝕、沖蝕、積垢等原因，使管子內外表面都有不同程度的結垢，甚至堵塞。所以在停工檢修時必須進行徹底清洗，常用的清洗（掃）方法有風掃、水洗、汽掃、化學洗清和機械清洗等。

3　結論

通過建立的火用效率表達式對RRI/SEC板式熱交換器進行計算可以看出，板式換熱器在運行中的經濟性能，可以判斷出設備是否滿足運行的性能要求，對于達不到經濟性能的換熱器可以采取措施來提高換熱器的效率。定期進行換熱器的清洗除垢等措施，保持設備的清潔，增大換熱器的效率。

［1］ 閻克智編.《核電廠通用機械設備》.原子能出版社，2010.12月第1版：244-261

［2］ 朱明善編.《能量系統的火用分析》.清華大學出版社，1988年4月第1版:10-30

［3］ 李汝輝等.《能量的有效利用》.北京: 北京航空航天大學出版社，1992:20-45

［4］ 崇麟編.板式換熱器工程設計手冊［M］.北京: 機械工業出版社，1998: 78 － 82.

［5］ 曲寧.板式換熱器傳熱與流動分析［D］.濟南: 山東大學，2005.

［6］ 倪曉華，夏清，蕭淵.板式換熱器的換熱與壓降計算.流體機械，30 （2002）: 22-32.

［7］ 戚屯鋒，秦山第二核電廠中級運行培訓教材，北京：原子能出版社，2008:135-136

高鑫（1989.1-）男，本科學歷，助理工程師，研究方向：核電廠放射性廢物處理。

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1003-5168（2015）11-069-02