一種換熱器的設計及抗震分析

王登輝，何振林，劉安林，張雨果，郭俊材，宋曉東，熊俊

一種換熱器的設計及抗震分析

王登輝，何振林，劉安林，張雨果*，郭俊材，宋曉東，熊俊

（中國核動力研究設計院，四川 成都 610041）

以某換熱器為對象，介紹了該換熱器的設計過程。根據原設計結果對換熱器進行初選，然后利用換熱器軟件HTRI對該換熱器的工藝進行核算及優化，并與傳統方法設計的參數進行對比，結果表明HTRI設計的換熱面積只有傳統設計方法的67%，總傳熱系數是傳統設計方法的5倍。然后，對冷凝器進行了強度計算和在D級使用限制下的抗震分析，確保設備能安全穩定地運行。

冷凝器；HTRI；換熱器；抗震分析

管殼式換熱器具有結構簡單、清潔方便、造價低廉、運行壓力高等優點，在我國核電廠換熱設備中占90%以上。換熱器的設計主要在遵循現行的法規、規范、標準和導則下，根據給定的工藝輸入條件，正確合理地選擇材料，并進行相應的結構和強度校核，達到安全使用的要求。重要設備還需進行抗震計算以滿足其抗震要求。

傳統的換熱器設計方法有Kern法、Bell- Delaware法等[1]，設計時采用對數平均溫差法（Logarithmic Mean Temperature Difference，LMTD），并假設流體的物性參數不隨溫度的改變而變化。對于沒有相變的換熱器的設計，當流體的物性在工況溫度變化不是很大時，傳統計算與軟件計算結果相差不大，可達到工程要求的設計精度。但對于冷凝器這種含相變的換熱器，流體的物性會隨溫度、壓力等的變化而發生比較大的改變，造成換熱面積偏差比較大，使換熱器的傳熱效率過低或達不到熱負荷的要求，傳統計算與軟件計算結果相差比較大。目前，比較常用的計算軟件有HTRI、EDR等。

本文以基于HTRI法的冷凝器設計為例，對比了利用原設計方法和HTRI法的兩種計算結果，并對冷凝器進行了強度計算。另外，為了保證冷凝器能夠安全執行抗震II設備的功能，對冷凝器的結構強度和局部變形進行了綜合評定。

1 設計輸入

根據核電設備的安全功能和安全重要性，本文計算的換熱器的管側、殼側和設備支撐為非安全級，為抗震Ⅱ類物項。其主要設計參數如表1所示。

2 材料

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

3 工藝計算

根據設計輸入，該設備為固定管殼式熱交換器。采用HTRI軟件對該設備進行熱工水力計算。HTRI是由美國傳熱研究學會（Heat Transfer Research Inc.）開發的一套專門用于換熱器設計的軟件，該軟件是基于多年來HTRI收集的工業級熱傳遞設備的試驗數據，并采用完全增量法計算模型，使用設備各局部位置的物性進行該位置的熱傳遞和壓降計算。

為進行換熱器的熱計算，最主要的是找到熱負荷和流體的進出口溫度、傳熱系數、傳熱面積和這些量之間的關系式。無論是設計性熱計算還是校核性熱計算，采用的熱工基本關系式有兩個，即傳熱方程式和熱平衡方程式[2-3]。

表1 主要設計參數

（1）傳熱方程式

式中：為熱負荷，W；為熱交換器任一微元傳熱面處的傳熱系數，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，℃；為整個傳熱面的平均傳熱系數。

（2）熱平衡方程式

根據能量平衡，有：

但當冷凝液在低于飽和溫度下離開換熱器時，則有：

式中：為飽和蒸汽的冷凝潛熱，J/kg。

由本例的設計輸入得：

根據Aspen HYSYS流程模擬優化軟件進行物性計算，保留熱流體的工藝參數，修正冷流體的工藝參數，得到冷流體的進出口溫度分別為36.41℃和32℃。則有：

然后，將Aspen HYSYS計算得到的物性參數導入HTRI軟件中的HTRI-Xist模塊，并根據GB/T 151－2014《熱交換器》[4]，進行管殼式換熱器的設計、校核、模擬計算，獲得了正常運行工況下滿足熱工水力設計要求的換熱器結構參數。該換熱器類型為BEM型，殼側筒體內徑為257 mm，光管換熱管數量為28根，規格為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。將計算結果和原設計進行對比，如表2所示。

表2 原設計和HTRI設計結果

由表2可知，在相同工況條件下：

（1）原設計的結果偏大，計算過于保守，雖然設計結果可靠，但是增加了設備成本；

（2）原設計的管程流速很慢，換熱管內易結垢，影響傳熱效率，長時間運行不利于傳熱管的維護保養；

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

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

因此兩種方法計算出的總傳熱系數相差很大，由表2可見HTRI法比傳統設計提高了約5倍，而傳熱面積卻下降了近一半。

4 強度計算

該換熱器工作環境復雜，需要對其強度進行計算和校核，強度計算的內容主要有殼側筒體厚度計算、殼側封頭厚度計算、管箱筒體及管箱封頭厚度計算、傳熱管壁厚計算、管板厚度計算以及管側、殼側開孔補強計算[5]。利用SW6過程設備強度計算軟件進行了強度校核，換熱器管側、殼側（除支撐外）各零部件強度計算滿足GB 150《壓力容器》[6]的要求。另外，根據JB/T 4712.1－2007《容器支座》[7]選擇了鞍座BI273-F和BI273-S。

5 抗震計算

5.1 模態分析

首先，利用ANSYS有限元軟件對冷凝器進行模態分析，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高于抗震設計要求的33 Hz，可判定其為剛性設備。

根據核安全法規HAF 0215《核電廠抗震設計與鑒定》[8]，對剛性設備進行抗震分析時可以采用等效靜力法。

圖1 振型圖

5.2 抗震計算

在抗震計算中的模型載荷包括：

（1）內壓：＝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量上；

（3）地震載荷：選用了樓面反應譜各方向加速度的包絡最大值施加于設備的對應方向上；用SRSS法組合三向地震作用，并與靜力計算（內壓、自重）所得結果疊加，最終得到了設備事故工況地震作用下的應力分布，如圖2所示。

事故工況下，最大薄膜應力發生在接管處，其值為27 MPa。最大薄膜加彎曲應力值發生在接管處，其值為40 MPa。膜應力和膜加彎曲應力均小于規范要求的應力限值，故滿足強度要求。參見ASME Ⅲ ND3300，按照核三級容器設計，使用第一強度理論，以最大主應力為應力分析判據，應力校核如表4所示。

表4 工況及應力準則（單位：MPa）

注：為設計壓力和溫度；為設備自重和所有穩態接管載荷；S為安全停車地震；σ為總體薄膜應力，為所考慮的實體截面的平均應力，不包括不連續應力和應力集中效應，僅包括由壓力和其他機械載荷引起的應力；σ為彎曲應力，為所考慮實心截面應力線性變化部分，不包括不連續應力，應力集中，只是由機械載荷產生的應力；為材料許用應力。

圖2 事故工況下的應力云圖

6 結論

（1）通過HTRI軟件進行的變物性計算較傳統的定物性計算在精度上有很大改善，為高效低能耗換熱器的設計提供了思路和方法，具有一定的工程應用價值。相同工況下，HTRI法計算得到的換熱器的總傳熱系數、管內流速、管內壓力降較大，所需換熱面積較小。HTRI法總傳熱系數比傳統設計的總傳熱系數高約5倍，傳熱面積卻下降了近一半。對減小換熱器體積和加工制造都有重要的指導意義。

（2）通過對換熱器前三階模態進行分析，按照等效靜力法對換熱器進行了抗震分析，并對結果進行了應力評定，膜應力和膜加彎曲應力均小于規范要求的應力限值，滿足相應規范的應力限值要求，確保該換熱器在地震條件下能夠保持結構完整性。

[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. 冷換設備工藝計算手冊[M]. 北京：中國石化出版社，2008.

[3]中國石化集團上海工程有限公司. 化工工藝設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社，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中的應用[J]. 機械，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. 核電廠抗震設計與鑒定[S].

[9]王登輝. 900 t高速鐵路架橋機的結構計算分析[J]. 機械，2013（12）：22-23，55.

[10]龔曙光. ANSYS基礎應用及范例分析. 北京：機械工業出版社，2003.

[11]邢靜忠，王永崗. 有限元基礎與ANSYS入門[M]. 北京：機械工業出版社，2004.

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

[13]王新敏. ANSYS工程機構數值分析[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，主要從事核電設備力學的研究工作。

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