熱工計算在01WF8型高溫氫氣爐設計中的應用

尤亞飛

摘 要：通過對高溫氫氣爐結構和性能指標分析。在側屏蔽屏層、上下屏蔽層等屏蔽輻射熱損失熱量、水冷電極傳導熱損失、熱短路損失、其它熱損失、加熱氫氣所需熱量，加熱料盤和料架所需熱量、側屏蔽層及加熱體的熱耗、上下屏蔽層熱耗、加熱樣品需要熱量、對流熱損失、結構蓄熱量等一系列計算的基礎上，建立了熱平衡方程。計算結果表名設備功率及加熱體壽命設計合理，但屏蔽層變形嚴重。通過試驗適當增加各屏蔽層厚度，減少屏蔽層間距等措施，基本消除了屏蔽層變形。

關鍵詞：高溫氫氣爐 熱工計算 屏蔽層

中圖分類號：TK175 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（a）-0218-02

UO2芯塊熱穩定性試驗用01WF8型高溫氫氣爐（簡稱高溫氫氣爐）由核工業第五設計研究院設計，功率為30 kW，工作溫度1730 ℃，它通過輻射屏蔽達到隔熱目的，也稱屏蔽爐。由于鉬的抗輻射性能極好，同時在任何溫度時，純氫作為燒結氣氛對鉬是惰性的，因此高溫氫氣爐屏蔽層和加熱體均采用鉬作為屏蔽和加熱材料。高溫爐的屏蔽層和加熱體是十分重要的部件，它的設計與計算關系到設備功率的合理確定、加熱體的壽命及各屏蔽層的耐溫狀況，從而影響到功率設計是否過剩、各屏蔽層的變形和壽命等。該設備自投入生產使用以來，存在變形嚴重，使用壽命短等問題。

結合該設備的實際運行情況，通過對屏蔽層和加熱體的熱工計算來探討和解決發現的問題，從而保證設備的穩定運行和試驗結果的可靠性。

1 設備結構及技術指標

01WF8型高溫氫氣爐該設備由側屏蔽層、上屏蔽層、下屏蔽層、加熱體、電極（3個）、料架、爐殼及電器系統組成。其中側屏蔽層、上屏蔽層、下屏蔽層均為高溫鉬材和不銹鋼組成，加熱體為鉬材，爐殼為不銹鋼，電極為紫銅。

該設備設計時采用低電壓大電流，設備工作時保護氣氛為氫氣。電極和加熱體連在一起，電流通過電極使加熱體發熱，熱量通過側屏蔽層、上屏蔽層、下屏蔽層的反射和傳導以及氣體流動的對流發生熱交換，保證爐膛溫度，同時使用冷卻水對爐殼和電極進行冷卻，保證設備的正常運行。

高溫氫氣爐采用的屏蔽材料及層數是根據其結構、爐膛溫度、電爐功率等參數確定的。本設備確定的側、上、下屏蔽層均采用十層反射層。內三層采用高溫鉬材，中間四層為普通鉬材。外三層反射屏采用不銹鋼片制作。

側屏蔽層采用十層反射層，每層皆為圓筒形，內側反射屏直徑為180 mm，外側反射屏直徑為270 mm。上下屏蔽層采用相同設計，每層為圓片狀。加熱體采用高溫鉬電加熱體，把高溫鉬做成三相圓筒形片狀。它由三片0.5 mm厚的高溫鉬片圍成筒狀，電熱體由上部三個導電極引入。

2 熱工計算

本次熱工計算主要包括：屏蔽層輻射熱損失Q屏蔽、水冷電極傳導Q電極、熱損失熱短路損失Q短路、其它熱損失Q其它、加熱氫氣所需熱量Q氫、結構蓄熱量Q蓄、加熱樣品需要的熱量Q樣、對流熱損失Q對流。

2.1 屏蔽層輻射熱損失Q屏蔽的計算

進行屏蔽輻射熱損失的計算，是確定爐子功率的必要條件，也可用于各屏蔽層溫度計算。用以確定各屏蔽層的材料，以免實際爐溫超過屏蔽材料最高承受溫。

首先對側屏蔽層各層溫度進行假設，包括熱源和爐殼，若計算溫度與假定溫度的最大誤差為小于5%，則假定溫度成立。經計算，側屏蔽層的計算溫度與假定溫度的最大誤差為3.22%，因此假定溫度成立。

3.4 屏蔽層

由理論計算可知，屏蔽層第8、9層溫度都低于900 ℃，選不銹鋼作為屏蔽材料是正確的，既可以節省貴重鉬材，也可以增加屏蔽層強度。但側面屏蔽層的第8、9層、上下屏蔽層的第8、9層變形嚴重，這主要是由于不銹鋼選材偏薄造成。如果將1～7層鉬片厚度改為0.5 mm，第8、9層不銹鋼厚度改為1.0 mm，減小層間距，保持屏蔽層整體安裝尺寸不變，屏蔽層變形的狀況應可以得到極大改善。

3.4.1 變形情況

該屏蔽層易變形，使用壽命短，上下屏蔽層平均每年必須更換一次。

3.4.2 材質分析

對不銹鋼材質進行溶解后光譜分析其化學成分，結果如表2。

根據分析結果，可以認為屏蔽層所用不銹鋼的材質與設計要求是一致的，為：0Cr18Ni9。

3.4.3 設計溫度

通過理論計算和實際測量，屏蔽層不銹鋼層溫度相差不大，說明其屏蔽層溫度設計與分布是合理的。

3.4.4 材質選擇

承受870 ℃以下的反復加熱不銹鋼的材質選擇0Cr18Ni9，它的熔點是：由理論計算和實際測量可知，屏蔽層第8、9層溫度都低于900 ℃，第8～10層選0Cr18Ni9不銹鋼作為屏蔽材料是正確的，還可節省貴重鉬材。

3.4.5 屏蔽層強度

由前面可以推測，不銹鋼層變形嚴重主要是由于不銹鋼選材偏薄造成，不排除熱處理方式等其它原因，但可以嘗試在保持屏蔽層總厚度不變情況下，通過減小層間距，將鉬片厚度和不銹鋼厚度適當加厚，增加其強度，來改善屏蔽層變形情況。

3.4.6 改進措施

考慮到屏蔽層的變形，在材質保持不變的基礎上，經過試驗，對屏蔽層的結構設計圖紙做了修改，見表3。

在爐溫1730 ℃運行時，其累計運行時間已超過1500 h，且加熱體變形不大，由此可見做為加熱體，其設計是合理的。

4 結語

（1）該設備功率設計過剩，通過理論計算和應用情況，設備設計功率23 kW即可滿足使用要求。（2）該設備屏蔽層選材偏薄，導致部分反射層變形嚴重，通過增加反射層厚度和減小層間距，既可以保持整體安裝，也可以延長反射層的使用壽命，可有效降低生產使用成本和維修次數。（3）該設備的加熱體設計合理，在實際有效使用期內，其變形量可以接受，實際使用壽命和設計壽命基本吻合。

參考文獻

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