核电站用表冷器的优化设计

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1、2014年第35卷S2核电站用表冷器的优化设计付慧杰，耿振龙（河南核净洁净技术有限公司，郑州450001）摘要：通过对核电站用表冷器的设计分析，针对核电用表冷器的特殊使用要求，从表冷器框架材料、翅片材料、翅片结构形式、管束排布方式、抗震性能等方面进行了分析论述，确定了最优设计方案，经过制造及试验验证，符合预期的设计要求。关键词：核电站；表冷器；翅片；管束排布；抗震在各种不同堆型的核电站中，空调机组作为维护系统正常运行的重要设备，根据工艺设计需要，分布于各通风系统中。表冷器作为组合式空调机组的关键部件，

2、具有冷却、加热的双重功能，其合理设计和优化至关重要。机组出现的冷量（热量）不足、运行后风量减小、表冷段带水等现象，大都与表冷器密切相关。核电站用表冷器对环境的适应性及抗震性能有其特殊要求，如耐辐照、抗震等，特别是第三代核电技术对核电站所用设备的抗震提出了更高的要求，由原二代核电设备抗震加速度0.2g提高至0.3g。表冷器由框架、管束、翅片、进出水集水管等组成。本文就核电站用表冷器的设计进行了分析阐述。1表冷器所用材料的选择核电站内有辐照、有腐蚀性蒸汽等场所所使用的表冷器在材料的选择上尤为重要。不锈钢相

3、对碳钢而言，在耐辐照、防锈蚀等方面有绝对的优势。对辐照要求不高的环境，如选用碳钢材质，可进行表面处理后喷涂耐辐照油漆。核电用空调机组的使用寿命为40年或60年。由此，表冷器框架选用不锈钢材质更有优势。民用表冷器常用铜管铝翅片，铝材翅片有其自身的优势，导热性较好且价位低廉。根据相关技术规格书要求，铝材不能用于安全壳内使用的空调机组，滤锌材料不得用于有腐蚀性蒸汽的场所。并且通常情况下，铜的导热系数约是铝的1.7倍（紫铜：407W（m·k），铝：238W（m·k）。表冷器的冷却工况下，凝露时由于析出的水分依

4、附在翅片表面上，使空气阻力大大增加，同样规格的翅片在其它参数相同的情况下，湿工况比干工况最多时阻力可增加1倍以上见图1（参见文献[1]），如果是同一台机组，在风机与电机配置不变的情况下的风量明显低于干工况下的风量。要保证机组风量不至于有太大的变化，可加大风机电机功率或使用亲水箔翅片材料。图1不同片距时干、湿工况（标准工况）空气阻力比较综上，核电站用表冷器选择不锈钢框架，铜管铜翅片较为理想。2翅片结构形式的确定翅片的结构形式对翅片管式换热器的传热性能和阻力性能有很大的影响。目前常用的翅片片型有平板型、波

5、纹型及开缝型。波纹型、开缝型翅片相对平片而言，增加了气流的紊流度，增大了空气侧的换热系数，但增加了空气流动阻力和动力消耗。开缝翅片在湿工况时，开缝处易聚积冷凝水，堵塞风道，制冷能力大幅下降。正弦波纹翅片是介于平直翅片和冲缝翅片之间的一种波纹翅片的形式，它能加大空气气流道长度，并能对气流造成充分的混合。具有良好的传热和阻力性能。由此，波纹翅片是优先考虑的片型。根据文献[2]“…采用（j/f）（即传热因子/阻力系数）衡量翅片表面性能时，以三角形波纹翅片最好…”，因此，在需要良好的传热系数，并且空气侧阻力尽

6、量小的设计要求下，选取三角形波纹翅片是最佳选择。片型确定之后，应选择合适的片距，以获得较大的冷量和风量，提高其经济性。张恩泽等[3]对表冷器翅片间距对换热性能的影响进行了研究，并得出结论“…6排管波纹片表冷器…，在常用片距2.4mm～3.4mm范围内…，不论是单位体积换热量还是从单位阻力换热量来衡量…，间距为3.26mm～3.33mm时…，其性能都是较好的…”。3表冷器排数及管束排布的确定表冷器排数一般用4～8排，超过8排时，一般用降低进水温度的办法较经济，进水温度不能降低时，可采用10排。排数能增加

7、表冷器的接触系数，但是排数的增加也会是空气侧阻力增大，而且排数过多时，后面几排还会因为冷水与空气之间的温差过小而减弱传热作用。此外，排数对表冷器的维护与寿命影响较大，当排数超过6排就会妨碍表冷器的清洁工作，长时间运行之后增大空气侧阻力。若排数设计更多，则应将表冷器盘管分段并联设置。表冷器管束的排布有有顺排和叉排两种，其中以正方形顺排和正三角形叉排最为常见，叉排的吸热系数高于顺排，但空气流动阻力却大于顺排。为充分发挥翅片的效率，采用叉排。见图2。602014年第35卷S2图2管束排布方式4表冷器迎面风速

8、和水速的确定在空调工程中，影响表冷器传热系数的主要因素为其内外表面的换热膜系数和析湿系数。外表面的换热膜系数与空气的迎面风速或质量流速有关，管内换热膜系数与水的流速有关。实际的工作中，通过实验的方法将总传热系数整理成以下的经验公式：11K=（+）-（1）mpnA´V´xB´wy式中，V为迎面风速，m/s；ω为水流速，m/s；A、B为由试验得出的系数，无因次；ξ为析湿系数；ym、p、n—由试验得出的指数，无因次。由公式（1）可以看出，当其他条件不变时，提高