【正文】 當(dāng)然還有孫昂、于凱、王福艷、沈琪、劉龍、任一丹等一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)們，化工樓B208留下了我們奮斗的青春時(shí)光，這些都是很優(yōu)秀的同學(xué)，從他們身上我學(xué)到了很多，還有我的親愛(ài)的室友們，總是在第一時(shí)間放棄手頭的學(xué)習(xí)任務(wù)來(lái)幫助我解決問(wèn)題，他們是最無(wú)私的。正是在黃老師的指引下，才使得我對(duì)熱力計(jì)算和換熱設(shè)備設(shè)備設(shè)計(jì)知識(shí)有了更深的理解和掌握，掌握了查閱文獻(xiàn)，設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)的方法，熟悉了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，尤其是黃老師淵博的知識(shí)、開(kāi)闊的思路、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、卓越的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，使我在做人和做學(xué)問(wèn)方面受益匪淺,是我將來(lái)學(xué)習(xí)、工作的楷模。今后該課題研究的重點(diǎn)應(yīng)該是：建立合理的汽液兩相傳熱模型，對(duì)管板、換熱管布置等結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力與振動(dòng)進(jìn)行研究，并且需在役高壓加熱器的運(yùn)行參數(shù)，綜合利用各學(xué)科知識(shí)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段進(jìn)行設(shè)計(jì)。核電高加的設(shè)計(jì)需要將傳熱學(xué)、壓力容器、流體力學(xué)等知識(shí)結(jié)合起來(lái)，并且需要到應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程等現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)手段，結(jié)合豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)才能完成，本文只是我的階段性的成果，對(duì)這個(gè)課題的研究還會(huì)一直進(jìn)行下去，爭(zhēng)取早日取得重要的成果。 展望 在日本福島地震核泄漏核電審批叫停一年多以后，我國(guó)核電項(xiàng)目即將重啟，國(guó)家是鼓勵(lì)安全高效發(fā)展核電。參考國(guó)內(nèi)外常規(guī)火電站高壓加熱器的常見(jiàn)故障與處理措施，提出高加零部件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：為了防止高壓給水對(duì)管孔焊縫沖蝕，脹接一段30mm不銹鋼薄套管，對(duì)管板的“X”型不開(kāi)孔設(shè)計(jì)，在蒸汽冷凝段下部半圓形范圍的換熱管加置余弦引流翅片等。按GB150—2011《鋼制壓力容器》和GB151—1999《管殼式換熱器》進(jìn)行計(jì)算和強(qiáng)度校核，掌握了換熱器管板與殼程筒體以及管程封頭連接方式的選型，折流板的布置方式和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。圖415 彎曲管道流體流動(dòng)狀態(tài)第五章 總結(jié)與展望 總結(jié)通過(guò)深入分析核電常規(guī)島高壓加熱器各個(gè)結(jié)構(gòu)部件，了解到國(guó)外設(shè)計(jì)大型承壓換熱設(shè)備會(huì)將熱力、阻力、強(qiáng)度、振動(dòng)、變工況特性、重量等運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了計(jì)算, 選擇了最佳設(shè)計(jì)方案，充分體現(xiàn)出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的先進(jìn)性可靠性和合理性。并且AB段的漩渦區(qū)小于CD段的漩渦區(qū)，并且漩渦從CD段一直延伸到直管段。如圖415所示，在U型管外側(cè)AB段，壓力從A處開(kāi)始升高，至B處為最大，同時(shí)速度從A處開(kāi)始降低，然后再逐漸升高，直到D處。同時(shí)，次流使得流體微團(tuán)快速運(yùn)動(dòng)到換熱管壁面附近，使流體混合加強(qiáng)，強(qiáng)化傳熱效率。圖414 獨(dú)立擴(kuò)容室設(shè)置 U型管彎曲管道內(nèi)流體流動(dòng) 次流 換熱管內(nèi)冷流體流過(guò)U型管彎管段時(shí)，發(fā)生次流（二次流）。這種汽液兩相流沖刷在管束彎管段，會(huì)造成強(qiáng)烈的管束振動(dòng)，并且流體的熱能不能充分利用。前面所設(shè)計(jì)的引流翅片，能夠很好的彌補(bǔ)流體繞管后漩渦不足，張力較大的缺點(diǎn)，如圖413所示。在高加蒸汽冷凝段下部管束和疏水冷卻段全部管束，流體介質(zhì)繞管后，為層流分離。當(dāng)邊界層為層流時(shí)，圓柱體上的分離點(diǎn)離前駐點(diǎn)近些。數(shù)小時(shí)為層流邊界層。流通系數(shù) 流通面積 液體介質(zhì)流速 因此流體介質(zhì)繞過(guò)該部分管子的漩渦脫落樣式為圖（4）所示的紊流渦街，此范圍為亞臨界區(qū)，此時(shí)邊界層為層流分離，尾流為紊流渦街。因?yàn)樵谶x取截面，含氣率很小，可以近似認(rèn)為蒸汽已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化為液體。C)進(jìn)口壓力(bar)出口壓力(bar)進(jìn)口流量(kg/s)出口流量(kg/s)進(jìn)口焓值(kJ/kg)出口焓值(kJ/kg)殼程蒸汽取平均溫度220186。表43 核電高加7工藝參數(shù)　7高壓加熱器管程殼程1殼程2進(jìn)口溫度(186。下面以計(jì)算蒸汽冷卻段靠近殼體疏水液面的那部分管束的Re，來(lái)確定漩渦脫落形式。而光管的漩渦脫落形式與雷諾數(shù)Re的關(guān)系如圖49所示的幾種樣式：圖49 光管漩渦脫落形式其中：圖（1）5，無(wú)分離流動(dòng)；圖（2）40，尾流中有一對(duì)穩(wěn)定的漩渦；圖（3），層流渦街；圖（4），漩渦內(nèi)部向紊流過(guò)渡；,紊流渦街；圖（5），層流邊界層變?yōu)槲闪鞣蛛x，尾流變狹窄且不穩(wěn)定；圖（6），重新建立紊流渦街。其原理和加置該引流翅片的換熱管如圖47和圖48所示。核電高加蒸汽冷卻段下部換熱管為水平布置，蒸汽自上而下沖刷管子，放熱冷凝，使得管子周?chē)h(huán)繞一定厚度的液膜，由于黏性與表面張力難以自動(dòng)滴下，如圖所示。其傳熱效率比光管提高15%~25%。 管外冷凝可以較小的溫降獲得較大的傳熱系數(shù)，而膜狀冷凝和滴狀冷凝是兩種較好的冷凝方式，其中又以膜狀冷凝傳熱效率最顯著。流體流經(jīng)槽管，增加近壁區(qū)的湍流度，可以提高流體和壁面對(duì)流傳熱系數(shù)，可見(jiàn)圖45。如圖44所示，在核電常規(guī)島高壓加熱器管板上留出“X”型不開(kāi)孔區(qū)，在穿管時(shí)減少了72根U型管，相對(duì)于3004根的總管數(shù)，%的代價(jià)，可以換回較高的傳熱效率。圖43 不銹鋼防沖蝕套管 管束布管結(jié)構(gòu)改型圖44 核電高加“X”型不開(kāi)孔區(qū)示意圖借鑒張家港化機(jī)廠引進(jìn)國(guó)外的管式降膜蒸發(fā)器管板開(kāi)孔設(shè)計(jì)特點(diǎn)，通過(guò)減少互成120186。圖41 換熱管管口的渦流沖蝕 圖42 管板堆焊層受到的沖蝕 高壓給水對(duì)U型管管壁的沖蝕核電常規(guī)島高加水室壓力很高，高溫高壓給水對(duì)管板的沖蝕力極大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行， U型管和管板的焊接接頭處勢(shì)必受到磨損，為了保證40年的安全使用期限，提出改進(jìn)措施，來(lái)增加防護(hù)能力，防止管板泄露導(dǎo)致傳熱效率降低。在核電高加中，工藝過(guò)程腐蝕不是多發(fā)事故，但仍需要引起相關(guān)人員足夠重視。表42 高加堵管率統(tǒng)計(jì)表機(jī)組6號(hào)高加7號(hào)高加8號(hào)高加堵管根數(shù)堵管率/%堵管根數(shù)堵管率/%堵管根數(shù)堵管率/%1號(hào)15830872號(hào)6221503號(hào)1041931 工藝過(guò)程腐蝕 目前，我國(guó)常規(guī)火電機(jī)組高壓加熱器的換熱管常采用碳鋼管，其具有良好的高溫強(qiáng)度和傳熱性能，但抗沖蝕、腐蝕能力較差。通過(guò)分析表42，可以知道爆管的主要原因是過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致管子發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，最終斷管。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)高加故障的主要原因來(lái)自于某些設(shè)計(jì)不合理, 包括設(shè)計(jì)運(yùn)行水位偏低、疏水閥位置不合理、運(yùn)行方式不合理。由于高壓加熱器管束存在過(guò)熱蒸汽段、蒸汽凝結(jié)段、疏水冷卻段這三個(gè)不同的換熱區(qū)域，而三個(gè)換熱區(qū)域內(nèi)的折流板形式、介質(zhì)、結(jié)構(gòu)均不相同，所以，需要對(duì)三個(gè)換熱區(qū)域的振動(dòng)機(jī)理分別進(jìn)行分析，找出每個(gè)換熱區(qū)域的振動(dòng)機(jī)理，才能準(zhǔn)確地對(duì)高壓加熱器的管束進(jìn)行振動(dòng)分析。表41 核電高加振動(dòng)分析表過(guò)熱蒸汽段蒸汽冷凝段疏水冷卻段振動(dòng)機(jī)理紊流振動(dòng)流體彈性不穩(wěn)定管束振動(dòng)非常弱，可以不考慮漩渦分離流體彈性不穩(wěn)定 防止、減小高壓加熱器管束振動(dòng)的措施對(duì)于流動(dòng)誘發(fā)的各種不同激振機(jī)理，只有流體彈性不穩(wěn)定性才是全部涉及到各個(gè)換熱段所有各種流體介質(zhì)，而其他的激振機(jī)理在某些流體介質(zhì)中則是不重要的。同樣, 由于介質(zhì)是液體, 而液體中聲速很高, 聲速駐波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于旋渦頻率, 不可能產(chǎn)生聲共振。漩渦脫落會(huì)在該換熱段的管子發(fā)生。在疏水冷卻段內(nèi),設(shè)置雙弓形折流板, 當(dāng)疏水流過(guò)疏水冷卻段的折流板時(shí), 與過(guò)熱蒸汽冷卻段一樣, 也會(huì)形成很高的流速, 對(duì)換熱管形成較強(qiáng)烈的沖擊, 引起管子的振動(dòng)。前人相關(guān)的實(shí)踐統(tǒng)計(jì)也表明，該換熱區(qū)域內(nèi)的管子確實(shí)也沒(méi)有發(fā)生過(guò)振動(dòng)破壞的情況。由于蒸汽冷凝段的空間很大，并且飽和蒸汽凝結(jié)成液體，殼程流體介質(zhì)的體積急劇收縮，形成很小的壓力區(qū)，所以該段內(nèi)蒸汽根本沒(méi)有可能形成很高的流速，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于比過(guò)熱段內(nèi)的流速,完全可以忽略不計(jì)。附加的來(lái)自上級(jí)加熱器疏水也直接進(jìn)入凝結(jié)段，這些上級(jí)疏水和被管熱管冷凝的水都積聚在殼體的最底部，形成疏水空間，向右逐漸流向疏水冷卻段。在蒸汽氣空間，過(guò)熱蒸汽流過(guò)過(guò)熱蒸汽段后，熱量已經(jīng)傳給了給水，溫度已降低，接近于飽和蒸汽。蒸汽冷凝段的空間最大，主要為潛熱和液體冷凝傳熱，是高壓加熱器的主要傳熱區(qū)。聲共振, 盡管過(guò)熱蒸汽流動(dòng)流速很高，但由于過(guò)熱蒸汽冷卻段內(nèi)管子緊密排列，管子排布得異常充實(shí)，所以不可能發(fā)生聲共振的現(xiàn)象。整個(gè)過(guò)熱蒸汽冷卻段殼程流動(dòng)介質(zhì)為氣體。過(guò)熱蒸汽冷卻段設(shè)置在給水出口流程側(cè)，在過(guò)熱段內(nèi)過(guò)熱蒸汽通過(guò)折流板，流向凝結(jié)段,加熱給水, 使給水出口溫度大于或等于進(jìn)汽壓力下的飽和溫度?，F(xiàn)按照不同的換熱區(qū)域?qū)σ鸶邏杭訜崞鞴苁駝?dòng)機(jī)理逐一進(jìn)行分析。其有別于其它換熱器的情況在于，高壓加熱器殼程的介質(zhì)不是一成不變的，過(guò)熱蒸汽橫掠錯(cuò)列管束，有汽液兩相流橫掠管束產(chǎn)生漩渦脫落，并且汽液比例不斷變化，對(duì)管束的振動(dòng)影響不斷變化。1000MW核電機(jī)組的高參數(shù)、大容量特點(diǎn)決定了核電常規(guī)島高壓加熱器很高的給水流量與復(fù)雜的工作介質(zhì)，使高壓加熱器的內(nèi)部工況更趨嚴(yán)峻, 從而也對(duì)高壓加熱器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在下列關(guān)系式的實(shí)際應(yīng)用中：，將其功率放大或縮小，如何改變換熱面積，比如：已知一臺(tái)600MW的高壓加熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，要設(shè)計(jì)1200MW的高壓加熱器，并非簡(jiǎn)單的將換熱面積增加一倍，因?yàn)閾Q熱系數(shù)也隨換熱面積變化，比如10根換熱管漏管，通過(guò)上面關(guān)系可以計(jì)算出該臺(tái)高加的換熱效率損失多少，以調(diào)節(jié)汽輪機(jī)機(jī)組相應(yīng)參數(shù)。（2）根據(jù)三個(gè)串聯(lián)換熱器換熱量之和為高壓加熱器總換熱量，可列式子：兩邊同時(shí)除以A得： (*) 可見(jiàn)，三者之間關(guān)系不是簡(jiǎn)單只和面積有關(guān)，還與各自的對(duì)數(shù)平均溫差有關(guān)。（1）總K值由三個(gè)換熱段各個(gè)傳熱系數(shù)構(gòu)成，這里假設(shè)四者的關(guān)系如下：；其中，分別為過(guò)熱蒸汽段、蒸汽冷凝段、疏水冷卻段的換熱系數(shù)，通過(guò)上文可算得。 高壓加熱器疏水冷卻段為典型的非相變液—液換熱。在本文的計(jì)算中，所做的基本假設(shè)是：（1）液膜不飛濺；（2）液膜中的流動(dòng)為層流。忽略高壓加熱器運(yùn)行過(guò)程中，管子內(nèi)、外側(cè)各種污垢熱阻。為換熱管內(nèi)徑，；C為管內(nèi)換熱介質(zhì)工作壓力下的比熱容，；為管束內(nèi)換熱介質(zhì)平均溫度下的粘度，為管束內(nèi)換熱介質(zhì)的粘度校正系數(shù)。表31 高壓加熱器各個(gè)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度特征參數(shù)直板總長(zhǎng)（mm）管板厚（mm）上半部分折流板（mm）下半部分折流板（mm）767442016X1016X7疏冷段直管長(zhǎng)（mm）疏冷段管板厚（mm）疏冷段折流板（mm）直管總數(shù)21907010X26008表32為過(guò)熱蒸汽段、蒸汽冷凝段、疏水冷卻段三段換熱面積計(jì)算結(jié)果。根據(jù)高壓加熱器設(shè)計(jì)原理，按過(guò)熱蒸汽段、蒸汽冷凝段、疏水冷卻段三個(gè)換熱器串聯(lián)來(lái)進(jìn)行熱力計(jì)算，如圖31。而豎管用；兩式系數(shù)也不同。 努塞爾的理論分析可以推廣到水平圓管上的層流膜狀凝結(jié)，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算式為式中，相變熱按蒸汽飽和溫度確定，其他物性均取膜層平均溫度為定性溫度。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)蒸氣流動(dòng)方向與液膜向下的流動(dòng)同方向時(shí)，使液膜拉薄，h增大。蒸氣流速高（對(duì)于水蒸氣，流速大于10 ）時(shí)，蒸氣流速對(duì)液膜表面會(huì)產(chǎn)生明顯的粘滯應(yīng)力。飛濺和擾動(dòng)的程度取決于管束的幾何布置、流體物性等，情況比較復(fù)雜。（2） 管子排數(shù) 單根橫管時(shí)，傳熱公式為 對(duì)于沿流體方向由n排橫管組成的管束的傳熱，理論上只要將上式中的特征長(zhǎng)度換成即可計(jì)算。同時(shí)蒸氣分壓力的下降，使得相應(yīng)的飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的動(dòng)力，也使凝結(jié)過(guò)程削弱。爭(zhēng)氣在抵達(dá)液膜表面進(jìn)行凝結(jié)前，必須以擴(kuò)散方式穿過(guò)聚集在界面附近的不凝結(jié)氣體層。同時(shí)，對(duì)于膜狀凝結(jié)，強(qiáng)化傳熱的主要途徑是減薄液膜的厚度。鑒于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用上都只能實(shí)現(xiàn)膜狀凝結(jié)，所以從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)出發(fā)，為保證凝結(jié)效果，只能用膜狀凝結(jié)的計(jì)算式作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。這種情況與我們清洗實(shí)驗(yàn)器皿的日常經(jīng)驗(yàn)相符：器皿表面上形成一層液膜被認(rèn)為是洗凈的標(biāo)志。當(dāng)凝結(jié)液體不能很好地潤(rùn)濕壁面時(shí)，凝結(jié)液體在壁面上形成一個(gè)個(gè)的小液珠，稱(chēng)為珠狀冷凝。如果凝結(jié)液體能很好地潤(rùn)濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜，壁面總是被一層液膜覆蓋著，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）必須穿過(guò)液膜才能傳到冷卻面上去。凝結(jié)與沸騰傳熱廣泛地應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域中：電站汽輪機(jī)裝置中的凝汽器、鍋爐爐膛中的水冷壁、冰箱與空調(diào)中的冷凝器與蒸發(fā)器、化工裝置中的再沸器都是應(yīng)用實(shí)例[26]。圖215換熱管與管板的連接圖216 管板與殼體的連接為了避免應(yīng)力集中，管板與筒體，封頭焊接處，開(kāi)凹槽，如圖217。所以，脹接時(shí)只要保證管子剛與管板貼上即可，因而，脹管率要控制在較小的范圍之內(nèi)，以防因脹接產(chǎn)生過(guò)大的殘余應(yīng)力。表25 管板應(yīng)力分析計(jì)算過(guò)程序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果1管板壁厚計(jì)算—按按公式計(jì)算型連接方式a未被換熱管支撐的面積沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)取定51換熱管中心距取定21隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距取定100管板布管區(qū)面積2382114Ｕ形管根數(shù)取定3004管板布管區(qū)當(dāng)量直徑布管區(qū)當(dāng)量直徑比值管板內(nèi)直徑取定b假設(shè)管板厚度取定420c管板開(kāi)孔前抗彎剛度+12管板材料的彈性模量查GB150197000管板材料取　　定20MnMoⅣ管板材料泊松比取　　定管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)殼程圓筒與凸緣的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)系數(shù)和′查GB151圖26殼程圓筒厚度取定32殼程圓筒直徑取定2164殼程圓筒材料彈性模量查ASMEⅡD篇197000殼程圓筒材料取定SA516GR70管程圓筒與凸緣的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)