王登輝，何振林，劉安林，張雨果，郭俊材，宋曉東，熊俊

一種換熱器的設(shè)計(jì)及抗震分析

王登輝，何振林，劉安林，張雨果*，郭俊材，宋曉東，熊俊

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041）

以某換熱器為對(duì)象，介紹了該換熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程。根據(jù)原設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)換熱器進(jìn)行初選，然后利用換熱器軟件HTRI對(duì)該換熱器的工藝進(jìn)行核算及優(yōu)化，并與傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明HTRI設(shè)計(jì)的換熱面積只有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的67%，總傳熱系數(shù)是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的5倍。然后，對(duì)冷凝器進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和在D級(jí)使用限制下的抗震分析，確保設(shè)備能安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

冷凝器；HTRI；換熱器；抗震分析

管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清潔方便、造價(jià)低廉、運(yùn)行壓力高等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)核電廠換熱設(shè)備中占90%以上。換熱器的設(shè)計(jì)主要在遵循現(xiàn)行的法規(guī)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則下，根據(jù)給定的工藝輸入條件，正確合理地選擇材料，并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度校核，達(dá)到安全使用的要求。重要設(shè)備還需進(jìn)行抗震計(jì)算以滿足其抗震要求。

傳統(tǒng)的換熱器設(shè)計(jì)方法有Kern法、Bell- Delaware法等[1]，設(shè)計(jì)時(shí)采用對(duì)數(shù)平均溫差法（Logarithmic Mean Temperature Difference，LMTD），并假設(shè)流體的物性參數(shù)不隨溫度的改變而變化。對(duì)于沒(méi)有相變的換熱器的設(shè)計(jì)，當(dāng)流體的物性在工況溫度變化不是很大時(shí)，傳統(tǒng)計(jì)算與軟件計(jì)算結(jié)果相差不大，可達(dá)到工程要求的設(shè)計(jì)精度。但對(duì)于冷凝器這種含相變的換熱器，流體的物性會(huì)隨溫度、壓力等的變化而發(fā)生比較大的改變，造成換熱面積偏差比較大，使換熱器的傳熱效率過(guò)低或達(dá)不到熱負(fù)荷的要求，傳統(tǒng)計(jì)算與軟件計(jì)算結(jié)果相差比較大。目前，比較常用的計(jì)算軟件有HTRI、EDR等。

本文以基于HTRI法的冷凝器設(shè)計(jì)為例，對(duì)比了利用原設(shè)計(jì)方法和HTRI法的兩種計(jì)算結(jié)果，并對(duì)冷凝器進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算。另外，為了保證冷凝器能夠安全執(zhí)行抗震II設(shè)備的功能，對(duì)冷凝器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和局部變形進(jìn)行了綜合評(píng)定。

1 設(shè)計(jì)輸入

根據(jù)核電設(shè)備的安全功能和安全重要性，本文計(jì)算的換熱器的管側(cè)、殼側(cè)和設(shè)備支撐為非安全級(jí)，為抗震Ⅱ類物項(xiàng)。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2 材料

常用的壓力容器材料除要具有一定的強(qiáng)度外，還應(yīng)具有良好的抗斷裂韌性、可制造性以及與其他介質(zhì)的相容性等。考慮到該設(shè)備的服役環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，建議傳熱管及管板材料選用304L。

3 工藝計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入，該設(shè)備為固定管殼式熱交換器。采用HTRI軟件對(duì)該設(shè)備進(jìn)行熱工水力計(jì)算。HTRI是由美國(guó)傳熱研究學(xué)會(huì)（Heat Transfer Research Inc.）開(kāi)發(fā)的一套專門用于換熱器設(shè)計(jì)的軟件，該軟件是基于多年來(lái)HTRI收集的工業(yè)級(jí)熱傳遞設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并采用完全增量法計(jì)算模型，使用設(shè)備各局部位置的物性進(jìn)行該位置的熱傳遞和壓降計(jì)算。

為進(jìn)行換熱器的熱計(jì)算，最主要的是找到熱負(fù)荷和流體的進(jìn)出口溫度、傳熱系數(shù)、傳熱面積和這些量之間的關(guān)系式。無(wú)論是設(shè)計(jì)性熱計(jì)算還是校核性熱計(jì)算，采用的熱工基本關(guān)系式有兩個(gè)，即傳熱方程式和熱平衡方程式[2-3]。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）傳熱方程式

式中：為熱負(fù)荷，W；為熱交換器任一微元傳熱面處的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；d為微元傳熱面積，m2；Δ為微元傳熱面處兩種流體的溫差，℃；Δt為兩種流體間的平均溫差，℃；為整個(gè)傳熱面的平均傳熱系數(shù)。

（2）熱平衡方程式

根據(jù)能量平衡，有：

但當(dāng)冷凝液在低于飽和溫度下離開(kāi)換熱器時(shí)，則有：

式中：為飽和蒸汽的冷凝潛熱，J/kg。

由本例的設(shè)計(jì)輸入得：

根據(jù)Aspen HYSYS流程模擬優(yōu)化軟件進(jìn)行物性計(jì)算，保留熱流體的工藝參數(shù)，修正冷流體的工藝參數(shù)，得到冷流體的進(jìn)出口溫度分別為36.41℃和32℃。則有：

然后，將Aspen HYSYS計(jì)算得到的物性參數(shù)導(dǎo)入HTRI軟件中的HTRI-Xist模塊，并根據(jù)GB/T 151－2014《熱交換器》[4]，進(jìn)行管殼式換熱器的設(shè)計(jì)、校核、模擬計(jì)算，獲得了正常運(yùn)行工況下滿足熱工水力設(shè)計(jì)要求的換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)。該換熱器類型為BEM型，殼側(cè)筒體內(nèi)徑為257 mm，光管換熱管數(shù)量為28根，規(guī)格為25 mm×2.5 mm，按正三角形排列，管間距為32 mm，換熱面積4.3 m2。將計(jì)算結(jié)果和原設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 原設(shè)計(jì)和HTRI設(shè)計(jì)結(jié)果

由表2可知，在相同工況條件下：

（1）原設(shè)計(jì)的結(jié)果偏大，計(jì)算過(guò)于保守，雖然設(shè)計(jì)結(jié)果可靠，但是增加了設(shè)備成本；

（2）原設(shè)計(jì)的管程流速很慢，換熱管內(nèi)易結(jié)垢，影響傳熱效率，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行不利于傳熱管的維護(hù)保養(yǎng)；

（3）HTRI法計(jì)算的壓降較大，亦即HTRI法把允許的壓降盡量用于提高流速、加大雷諾數(shù)，使管內(nèi)外的對(duì)流傳熱系數(shù)增加，對(duì)傳熱大為有利。

相反，保守的壓降計(jì)算不但不能提高傳熱系數(shù)，反而把泵所提供的輸送能量（泵壓頭）都白白消耗到調(diào)節(jié)閥上。

因此兩種方法計(jì)算出的總傳熱系數(shù)相差很大，由表2可見(jiàn)HTRI法比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提高了約5倍，而傳熱面積卻下降了近一半。

4 強(qiáng)度計(jì)算

該換熱器工作環(huán)境復(fù)雜，需要對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和校核，強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容主要有殼側(cè)筒體厚度計(jì)算、殼側(cè)封頭厚度計(jì)算、管箱筒體及管箱封頭厚度計(jì)算、傳熱管壁厚計(jì)算、管板厚度計(jì)算以及管側(cè)、殼側(cè)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算[5]。利用SW6過(guò)程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，換熱器管側(cè)、殼側(cè)（除支撐外）各零部件強(qiáng)度計(jì)算滿足GB 150《壓力容器》[6]的要求。另外，根據(jù)JB/T 4712.1－2007《容器支座》[7]選擇了鞍座BI273-F和BI273-S。

5 抗震計(jì)算

5.1 模態(tài)分析

首先，利用ANSYS有限元軟件對(duì)冷凝器進(jìn)行模態(tài)分析，采用分塊Lanczos方法提取了換熱器前三階固有頻率和振型，如表3、圖1所示。

表3 冷凝器前三階固有頻率

由于該換熱器一階固有頻率遠(yuǎn)高于抗震設(shè)計(jì)要求的33 Hz，可判定其為剛性設(shè)備。

根據(jù)核安全法規(guī)HAF 0215《核電廠抗震設(shè)計(jì)與鑒定》[8]，對(duì)剛性設(shè)備進(jìn)行抗震分析時(shí)可以采用等效靜力法。

圖1 振型圖

5.2 抗震計(jì)算

在抗震計(jì)算中的模型載荷包括：

（1）內(nèi)壓：＝0.4 MPa；

（2）自重：即1.0的加速度載荷沿-方向作用于冷凝器的全部質(zhì)量上；

（3）地震載荷：選用了樓面反應(yīng)譜各方向加速度的包絡(luò)最大值施加于設(shè)備的對(duì)應(yīng)方向上；用SRSS法組合三向地震作用，并與靜力計(jì)算（內(nèi)壓、自重）所得結(jié)果疊加，最終得到了設(shè)備事故工況地震作用下的應(yīng)力分布，如圖2所示。

事故工況下，最大薄膜應(yīng)力發(fā)生在接管處，其值為27 MPa。最大薄膜加彎曲應(yīng)力值發(fā)生在接管處，其值為40 MPa。膜應(yīng)力和膜加彎曲應(yīng)力均小于規(guī)范要求的應(yīng)力限值，故滿足強(qiáng)度要求。參見(jiàn)ASME Ⅲ ND3300，按照核三級(jí)容器設(shè)計(jì)，使用第一強(qiáng)度理論，以最大主應(yīng)力為應(yīng)力分析判據(jù)，應(yīng)力校核如表4所示。

表4 工況及應(yīng)力準(zhǔn)則（單位：MPa）

注：為設(shè)計(jì)壓力和溫度；為設(shè)備自重和所有穩(wěn)態(tài)接管載荷；S為安全停車地震；σ為總體薄膜應(yīng)力，為所考慮的實(shí)體截面的平均應(yīng)力，不包括不連續(xù)應(yīng)力和應(yīng)力集中效應(yīng)，僅包括由壓力和其他機(jī)械載荷引起的應(yīng)力；σ為彎曲應(yīng)力，為所考慮實(shí)心截面應(yīng)力線性變化部分，不包括不連續(xù)應(yīng)力，應(yīng)力集中，只是由機(jī)械載荷產(chǎn)生的應(yīng)力；為材料許用應(yīng)力。

圖2 事故工況下的應(yīng)力云圖

6 結(jié)論

（1）通過(guò)HTRI軟件進(jìn)行的變物性計(jì)算較傳統(tǒng)的定物性計(jì)算在精度上有很大改善，為高效低能耗換熱器的設(shè)計(jì)提供了思路和方法，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。相同工況下，HTRI法計(jì)算得到的換熱器的總傳熱系數(shù)、管內(nèi)流速、管內(nèi)壓力降較大，所需換熱面積較小。HTRI法總傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的總傳熱系數(shù)高約5倍，傳熱面積卻下降了近一半。對(duì)減小換熱器體積和加工制造都有重要的指導(dǎo)意義。

（2）通過(guò)對(duì)換熱器前三階模態(tài)進(jìn)行分析，按照等效靜力法對(duì)換熱器進(jìn)行了抗震分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了應(yīng)力評(píng)定，膜應(yīng)力和膜加彎曲應(yīng)力均小于規(guī)范要求的應(yīng)力限值，滿足相應(yīng)規(guī)范的應(yīng)力限值要求，確保該換熱器在地震條件下能夠保持結(jié)構(gòu)完整性。

[1]Ayub Z H. A new chart method for evaluating single-phase shell side heat transfer coefficient in a single segmental shell and tube heat exchanger[J]. Applied Thermal Engineering，2005，25（14）：2412-2420.

[2]劉巍，等. 冷換設(shè)備工藝計(jì)算手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)石化出版社，2008.

[3]中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司. 化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[4]GB/T 151－2014. 熱交換器[S].

[5]董偉雄. 有限元分析在管殼式換熱器定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械，2016（5）：22-25.

[6]GB 150. 壓力容器[S].

[7]JB/T 4712.1－2007. 容器支座[S].

[8]HAF 0215. 核電廠抗震設(shè)計(jì)與鑒定[S].

[9]王登輝. 900 t高速鐵路架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析[J]. 機(jī)械，2013（12）：22-23，55.

[10]龔曙光. ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例分析. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[11]邢靜忠，王永崗. 有限元基礎(chǔ)與ANSYS入門[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[12]祝效華，余志祥. ANSYS高級(jí)工程有限元分析范例精選[M]. 北京：電子工業(yè)出社，2004.

[13]王新敏. ANSYS工程機(jī)構(gòu)數(shù)值分析[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

Design and Seismic Analysis of a Condenser

WANG Denghui，HE Zhenlin，LIU Anlin，ZHANG Yuguo，GUO Juncai，SONG Xiaodong，XIONG Jun

( Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China )

One condenser is studied in this paper and introduce the design of the heat exchanger. Based on the results of the original design, heat exchanger primaries is performed. Process rating and optimization of condenser is carried out by HTRI software, and the results is compared with original design parameters. The design result show that heat transfer area of HTRI design is 67% of traditional design method. Overall heat transfer coefficient is 5 times that of traditional design methods. Then strength analysis and seismic analysis is performed to ensure its safe and stable operation.

condenser；HTRI；condenser；seismic analysis

TL353+.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.011

1006－0316 (2020) 03－0063－05

2019－10－18

王登輝（1986－），男，河南淮濱人，碩士研究生，工程師，主要從事核電設(shè)備力學(xué)的研究工作。

張雨果（1987－），男，四川南充人，碩士研究生，工程師，主要從事核電設(shè)備設(shè)計(jì)的研究工作，E-mail：hugo028@sina.cn