一种换热器的设计及抗震分析

2020年第3期 第47卷 机械 ·63· 一种换热器的设计及抗震分析 王登辉，何振林，刘安林，张雨果*，郭俊材，宋晓东，熊俊 （中国核动力研究设计院，四川 成都 610041） 摘要：以某换热器为对象，介绍了该换热器的设计过程。根据原设计结果对换热器进行初选，然后利用换热器软件HTRI对该换热器的工艺进行核算及优化，并与传统方法设计的参数进行对比，结果表明HTRI设计的换热面积只有传统设计方法的67%，总传热系数是传统设计方法的5倍。然后，对冷凝器进行了强度计算和在D级使用限制下的抗震分析，确保设备能安全稳定地运行。 关键词：冷凝器；HTRI；换热器；抗震分析 中图分类号：TL353+.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.011 文章编号：1006－0316 (2020) 03－0063－05 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 ) Abstract：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. Key words：condenser；HTRI；condenser；seismic analysis 管壳式换热器具有结构简单、清洁方便、造价低廉、运行压力高等优点，在我国核电厂换热设备中占90%以上。换热器的设计主要在遵循现行的法规、规范、标准和导则下，根据给定的工艺输入条件，正确合理地选择材料，并进行相应的结构和强度校核，达到安全使用的要求。重要设备还需进行抗震计算以满足其抗震要求。 传统的换热器设计方法有Kern法、Bell- ——————————————— Delaware法等[1]，设计时采用对数平均温差法（Logarithmic Mean Temperature Difference，LMTD），并假设流体的物性参数不随温度的改变而变化。对于没有相变的换热器的设计，当流体的物性在工况温度变化不是很大时，传统计算与软件计算结果相差不大，可达到工程要求的设计精度。但对于冷凝器这种含相变的换热器，流体的物性会随温度、压力等的变化而发生比较大的改变，造成换热面积偏差比较收稿日期：2019－10－18 作者简介：王登辉（1986－），男，河南淮滨人，硕士研究生，工程师，主要从事核电设备力学的研究工作。*通讯作者：张雨果（1987－），男，四川南充人，硕士研究生，工程师，主要从事核电设备设计的研究工作，E-mail：hugo028@sina.cn ·64· 机械 2020年第3期 第47卷 大，使换热器的传热效率过低或达不到热负荷的要求，传统计算与软件计算结果相差比较大。目前，比较常用的计算软件有HTRI、EDR等。 本文以基于HTRI法的冷凝器设计为例，对比了利用原设计方法和HTRI法的两种计算结果，并对冷凝器进行了强度计算。另外，为了保证冷凝器能够安全执行抗震II设备的功能，对冷凝器的结构强度和局部变形进行了综合评定。 1 设计输入 根据核电设备的安全功能和安全重要性，本文计算的换热器的管侧、壳侧和设备支撑为非安全级，为抗震Ⅱ类物项。其主要设计参数如表1所示。 2 材料 常用的压力容器材料除要具有一定的强度外，还应具有良好的抗断裂韧性、可制造性以及与其他介质的相容性等。考虑到该设备的服役环境和设计要求，建议传热管及管板材料选用304L。 3 工艺计算 根据设计输入，该设备为固定管壳式热交换器。采用HTRI软件对该设备进行热工水力计算。HTRI是由美国传热研究学会（Heat Transfer Research Inc.）开发的一套专门用于换热器设计的软件，该软件是基于多年来HTRI收集的工业级热传递设备的试验数据，并采用完全增量法计算模型，使用设备各局部位置的物性进行该位置的热传递和压降计算。 为进行换热器的热计算，最主要的是找到 热负荷和流体的进出口温度、传热系数、传热面积和这些量之间的关系式。无论是设计性热计算还是校核性热计算，采用的热工基本关系式有两个，即传热方程式和热平衡方程式[2-3]。 表1 主要设计参数 参数项 数据 壳侧 管侧 物料名称 二次蒸汽和二次 蒸汽冷凝液 冷却水进口温度/出口温度/℃ 100/80 32/37 工作压力/MPa(g) 0.10135 0.4 气相/液相质量流量/（kg·h-1）200 26285液相密度/（kg·m-3） 995.7 992 机械设计温度/℃ 115 115 机械设计压力/MPa 0.15 0.5 材料 0Cr18Ni9 － 腐蚀裕量/mm 2 2 管程/壳程数 1 1 污垢系数/（m2k·w-1） 0.000176 0.000176设备类型 固定管板式换热器 － （1）传热方程式 Q=∫F0kΔtdF =KFΔtm式中：Q为热负荷，W；k为热交换器任一微元传热面处的传热系数，W/(m2·℃)；dF为微元传热面积，m2；Δt为微元传热面处两种流体的温差，℃；Δtm为两种流体间的平均温差，℃；K为整个传热面的平均传热系数。 （2）热平衡方程式 根据能量平衡，有： Qh=m󰀅hcph(thi−tho)=Qc=m󰀅ccpc(tco−tci) 式中：Qh为热流体放出的热量，kW；Qc为冷流体吸收的热量，kW。m󰀅h和m󰀅c分别为热流体和冷流体的质量流量，kg/s；cph和cpc分别为热流体和冷流体的定压比热，J/(kg·℃)，作为常数，也取平均比热，实际上随温度变化；thi为热流进口温度，℃；tho为热流出口温度，℃；tco为冷流出口温度，℃；tci为冷流进口温度，℃。 但当冷凝液在低于饱和温度下离开换热器时，则有： Qh=m󰀅h⎡⎣r+cph(thi−tho)⎤⎦ 式中：r为饱和蒸汽的冷凝潜热，J/kg。 2020年第3期 第47卷 机械 ·65· 由本例的设计输入得： 然后，将Aspen HYSYS计算得到的物性参数导入HTRI软件中的HTRI-Xist模块，并根据GB/T 151－2014《热交换器》[4]，进行管壳式换热器的设计、校核、模拟计算，获得了正常运行工况下满足热工水力设计要求的换热器结构参数。该换热器类型为BEM型，壳侧筒体内径为257 mm，光管换热管数量为28根，规格为25 mm×2.5 mm，按正三角形排列，管间距为32 mm，换热面积4.3 m2。将计算结果和原设计进行对比，如表2所示。 表2 原设计和HTRI设计结果 Qh＝134 kW，Qc＝152.52 kW 冷凝介质和冷却介质热负荷的相对误差大于10%，Qh≠Qc，热负荷不平衡。 根据Aspen HYSYS流程模拟优化软件进行物性计算，保留热流体的工艺参数，修正冷流体的工艺参数，得到冷流体的进出口温度分别为36.41℃和32℃。则有： Qc＝134.5 kW Qh=Qc 总传热系数/ （管程/壳程压降）管程流速/对数平均温差/℃ 设计裕量/% /kPa （m·s-1）（kW·m-2·℃-1）传统设计 41 6.4 194 － ～0.56 － 190 28 4.3 1045 2.77/0.63 0.83 64 113 HTRI 25 3.8 1072 3.13/0.63 0.93 64 95 22 3.4 1102 3.6/0.63 1.06 64 76 误差 － 90% － － － － － 设计 换热管数/个换热面积/m2 由表2可知，在相同工况条件下： （1）原设计的结果偏大，计算过于保守，虽然设计结果可靠，但是增加了设备成本； （2）原设计的管程流速很慢，换热管内易结垢，影响传热效率，长时间运行不利于传热管的维护保养； （3）HTRI法计算的压降较大，亦即HTRI法把允许的压降尽量用于提高流速、加大雷诺数，使管内外的对流传热系数增加，对传热大为有利。 相反，保守的压降计算不但不能提高传热系数，反而把泵所提供的输送能量（泵压头）都白白消耗到调节阀上。 因此两种方法计算出的总传热系数相差很大，由表2可见HTRI法比传统设计提高了约5倍，而传热面积却下降了近一半。 体厚度计算、壳侧封头厚度计算、管箱筒体及管箱封头厚度计算、传热管壁厚计算、管板厚度计算以及管侧、壳侧开孔补强计算[5]。利用SW6过程设备强度计算软件进行了强度校核，换热器管侧、壳侧（除支撑外）各零部件强度计算满足GB 150《压力容器》[6]的要求。另外，根据JB/T 4712.1－2007《容器支座》[7]选择了鞍座BI273-F和BI273-S。 5 抗震计算 5.1 模态分析 首先，利用ANSYS有限元软件对冷凝器进行模态分析，采用分块Lanczos方法提取了换热器前三阶固有频率和振型，如表3、图1所示。 4 强度计算 该换热器工作环境复杂，需要对其强度进行计算和校核，强度计算的内容主要有壳侧筒 表3 冷凝器前三阶固有频率 模态阶数一阶 二阶 三阶 振型方向 固有频率/Hz 沿x方向振动 76 沿y方向振动 126 沿z方向振动 246 ·66· 机械 2020年第3期 第47卷 由于该换热器一阶固有频率远高于抗震设计要求的33 Hz，可判定其为刚性设备。 根据核安全法规HAF 0215《核电厂抗震设计与鉴定》[8]，对刚性设备进行抗震分析时可以采用等效静力法。 1 NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1 YZXFREQ=75.9703USUM (AVG)RSYS=0DMX =3.02615 SMX =3.02615MNMX 0.336239.6724781.008721.34496 1.68122.017432.353672.689913.02615（a）第一阶模态 1NODAL SOLUTIONSTEP=1 MXSUB =2FREQ=125.664USUM (AVG)RSYS=0 ZYXDMX =4.42892SMX =4.42892 MN 0.492102.9842041.476311.96841 2.460512.952613.444713.936814.42892（b）第二阶模态 1NODAL SOLUTION STEP=1SUB =3 MXZFREQ=246.233YXUSUM (AVG)RSYS=0 DMX =5.00877SMX =5.00877 MN 0.5565291.113061.669592.22612 2.782653.339183.895714.452245.00877（c）第三阶模态 图1 振型图 5.2 抗震计算 在抗震计算中的模型载荷包括： （1）内压：P＝0.4 MPa； （2）自重：即1.0g的加速度载荷沿-Z方向作用于冷凝器的全部质量上； （3）地震载荷：选用了楼面反应谱各方向加速度的包络最大值施加于设备的对应方向上；用SRSS法组合三向地震作用，并与静力计算（内压、自重）所得结果叠加，最终得到了设备事故工况地震作用下的应力分布，如图2所示。 事故工况下，最大薄膜应力发生在接管处，其值为27 MPa。最大薄膜加弯曲应力值发生在接管处，其值为40 MPa。膜应力和膜加弯曲应力均小于规范要求的应力限值，故满足强度要 求。参见ASME Ⅲ ND3300，按照核三级容器设计，使用第一强度理论，以最大主应力为应力分析判据，应力校核如表4所示。 表4 工况及应力准则（单位：MPa） 工况条件安全准则载荷组合 应力极限 σm σm＋σb事故 D级 P＋DW＋SSE σm≤2.0S σσ27 40 m＋b≤2.4S 注：P为设计压力和温度；DW为设备自重和所有稳态接管载荷；SSE为安全停车地震；σm为总体薄膜应力，为所考虑的实体截面的平均应力，不包括不连续应力和应力集中效应，仅包括由压力和其他机械载荷引起的应力；σb为弯曲应力，为所考虑实心截面应力线性变化部分，不包括不连续应力，应力集中，只是由机械载荷产生的应力；S为材料许用应力。 1NODAL SOLUTION S1 (AVG)MIDDLE DMX =.111473SMN =-.276411SMX =26.8126MX ZMNYX -.2764112.733485.743388.7532711.7632 14.773117.78320.792923.802726.8126（a）薄膜应力强度 1NODAL SOLUTION S1 (AVG)TOP RSYS=0DMX =.111473SMN =-3.22965SMX =21.8052 ZMN YXMX -3.229652.333647.89693-.4480035.11529 13.460219.023510.678616.241921.8052（b）顶部薄膜加弯曲应力强度 1 NODAL SOLUTIONS1 (AVG)BOTTOM RSYS=0DMX =.111473SMN =-.468492SMX =39.6917 ZMXYX MN -.4684928.45617.380526.30535.22953.9937512.9182 21.842730.767239.6917（c）底部薄膜加弯曲应力强度 图2 事故工况下的应力云图 6 结论 （1）通过HTRI软件进行的变物性计算较传统的定物性计算在精度上有很大改善，为高效低能耗换热器的设计提供了思路和方法，具有一定的工程应用价值。相同（下转第76页） ·76· 机械 2020年第3期 第47卷 3 结束语 网球自动发球装置旨在帮助练习者训练，提高练习者的网球运动水平，从而促使网球运动更加普及。实践应用表明：本文所设计的网球自动发球装置非常适合进行多样训练，用于专业网球训练效果良好，可以专门针对网球运动员的弱项进行训练，且发球质量具有良好的一致性，尤其适合作为初学者和业余爱好者的陪练设备；网球自动发球装置具有发球频率、发球角度和球速可调的特点，使得网球训练的最大问题即网球落点控制得以解决；网球自动发球装置所采用的机械化收球方式相比人工收球而言，大大减轻了练习者的劳动强度，有利于提高训练效果。 参考文献： [1]韩良，王德彬，龚焕. 智能网球车的研制[J]. 机电技术，2011，34（1）：49-54. 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