發夾式換熱器結構研究及熱工設計

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，在核工業中應用廣泛，其中管殼式換熱器以其結構簡單、傳熱面大，安全可靠性高等特點，成為核工業中應用最廣泛的換熱器結構形式。核工業中管殼式換熱器包括U形管式、發夾式、蛇管式、套管式等結構形式，發夾式換熱器是使用U形彎頭連接，具有單管程、單殼程結構的換熱器。在秦山30W、AP1000核電機組中擁有一定數量的發夾式管殼式換熱器，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，因此本文對發夾式結構換熱器進行初步研究并利用HTRI軟件進行熱工設計。

1 發夾式換熱器特點

1.1 發夾式換熱器結構特點

圖1 發夾式換熱器外形圖

發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，由于其形狀類似發夾，因此被叫做發夾式換熱器(見圖1)。當管束由單根換熱管組成時，即為套管式換熱器，其結構簡單，適用于高溫、高壓流體，特別是小流量流體的傳熱[1]。發夾式換熱器外形結構可以看成將單管程、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、殼體分離后的結構。因此，發夾式換熱器適用的殼體比傳統管殼式換熱器的殼徑要小的多，一般選用無縫管作為殼體。

發夾式換熱器可以實現全逆流換熱，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，具有單位體積傳熱面積大，管內傳熱系數高的特點；發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；發夾式換熱器還可以設計成管束可拆卸結構，管側管板通過一個支撐法蘭與管程密封法蘭用螺栓連接；殼側筒體與殼側密封法蘭焊接，管、殼兩側的法蘭連接中均裝有密封圈，保證設備的密封性；這種結構形式，可以在去除U段筒體后將管束從殼體中抽出。

圖2 發夾式換熱器結構圖

發夾式換熱器殼徑小、管束采用U形管且具有獨立管板的結構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，選用此種結構形式的換熱器較多。由于核電的特殊性，核電用發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 發夾式換熱器的優點

與傳統管殼式換熱器相比，發夾式換熱器的結構特點及原理決定了其具有以下優點[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、單殼程結構，管、殼側介質可以實現純逆流流動換熱，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，其結構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，減少結垢，延長設備壽命。

2 發夾式換熱器的熱工設計

發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，其計算模型中結構簡圖見圖3。由于之前軟件中無法輸入圖3中L1、L2參數，導致計算模型無法與實際結構完全一致，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夾式換熱器拉直轉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。但發夾式換熱器U段區域流體為縱向流換熱，直段區域為錯流換熱，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、L2參數的窗口，計算模型可以更接近設備原型。因此結合設計經驗，本文建議采用Xhpe與Xist模塊相結合的方法設計發夾式換熱器。首先，采用Xhpe模塊進行發夾式換熱器的傳熱性能計算與壓降計算，獲得設備結構的優化參數；然后，將得到的發夾式換熱器結構拉直、轉換成固定管板式結構(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果不滿足要求，則需對設備結構進行優化調整，再將調整后的結構參數代入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果滿足設計要求。

圖3 發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模塊計算相結合的結果與采用Xist模塊保守計算的結果相比，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模塊相結合的方法設計發夾式換熱器經濟性更高。

3 結論

本文介紹了發夾式換熱器的結構特點，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。結合設計經驗，建議采用Xhpe模塊與Xist模塊相結合的方法進行發夾式換熱器熱工設計。希望本文能為后續的發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：石油工業出版社，1984.

[2]吳德榮.化工工藝設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2009.

[3]張永生.多管式換熱器的研究及工業應用分析[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委員會.GB 151-1999 管殼式換熱器[S].北京:中國標準出版社,1999.