多头螺旋管式蒸汽发生器的设计(研究生论文)

蒸汽发生器是高温气冷反应堆的主要设备之一。高温反应堆产生的热量被氦气冷却剂吸收，在蒸汽发生器中传递给二次回路。氦气自上而下流过发生器，水在外力作用下进入发生器并产生水蒸汽自下而上流过传热面管束。
蒸汽发生器的传热面由多头螺旋管组成。螺旋管束有很多优点：它可以充分利用换热器的空间；没有急剧的弯曲，不会增加气或水侧的压力损耗，同时也简化了工艺，减少了焊点；对受热膨胀有很好的适应性；有很高的传热系数。
在很多工业领域中，螺旋管式热交换器都得到广泛的应用，它可适用于单相流体、蒸汽以及可压缩流体的流动。螺旋管束可用于化学反应器、储藏罐和一些核反应发生器。在大规模的能源动力系统中，它还可用作太阳能集电器的接受器。
多头螺旋管式换热器在换热面结构设计、传热和压降计算方面报道的文献较少。本文从实际工程设计出发，对多头螺旋管式换热器的设计进行了研究，提出了多头螺旋管束受热面结构的设计方法，推荐了螺旋管内外的传热系数和压降的计算关系式。根据所提出设计方法和螺旋管内外的传热系数和压降的计算关系式对260MW蒸汽发生器进行了设计计算。(优秀毕业设计网 www.2bysj.cn)

关键词　热交换器，传热，压降，螺旋管

ABSTRACT
The steam generator is one of the important equipments in the high-temperature gas-cooled reactor. The heat generated in the high-temperature reactor and absorbed by the helium coolant is transferred the secondary circuit in steam generator. The helium flows downward through the steam generator. The water is forced into the steam generator and the resuting water/steam flow is directed upwards through the heating surface bundles.
The heating surface of the steam generator is composed of several helically wound tubes(helicoils).There are a number of obvious advantages in banks of helical tubes: they permit a very good utilization of the expensive casing volume; they do not require sharp tube bends，which increase the pressure loss on the steam/water side and which also may impose manufacturing problems or may require additional welds; and finally， they exhibit high heat transfer coefficients.
Many industries use helically and spirally coiled heat exchanger tubes for single-phase， evaporating， and condensing flows. Coils are used in chemical reactors， storage tanks， and on some nuclear stream generators. In a new application， a coiled tube has been proposed for the receiver of a concentrating-type solar collector in a large-scale power generation system.
Referenses on design of heated surface structure、calculation of heat transfer and pressure drop for heat exchanger with multi-start helical coiled tubes are less. Design method of the heat exchanger with multi-start helical coiled tubes is researched to meet of engineering practice. The structure design of multi-start helical tubes bundle is present. The correlations to caculate heat transfer coefficient and pressure drop for the inside and out side of helical coild tubes are commended.

Key Word:　heat exchanger，heat transfer， pressure drop，helical coiled tubes

 本课题要完成的工作
1、采用保持传热管的螺旋上升角和径向相对节距一定，通过调整螺旋盘管头数和轴向相对节距的方法来设计多头螺旋管束受热面结构。
2、推荐螺旋管内单项流体和汽水两相流体以及管外气体横向冲刷管束的换热系数计算关系式。
3、推荐螺旋管内单项流体和汽水两相流体以及管外气体横向冲刷管束的压降计算关系式。
4、根据以上设计和计算方法对260MW多头螺旋管式蒸汽发生器进行设计计算。

设计原则及基本工作原理
蒸汽发生器是核动力装置中的重要设备，进行蒸汽发生器的方案设计与技术设计必须慎重，必须考虑其经济性、安全性和工作性能。下面是有关经济性、安全可靠性的一些基本原则。
选用合理的一、二回路介质和流速。提高流速一方面使水阻力增加，泵耗功率增加，另一方面使放热系数增大，传热面积少，蒸发器可更紧凑。所以应根据降低泵功耗和减小传热面积的要求来选择流速。一回路载热剂流速通常取3~5m/s，二回路过热蒸汽流速对于低压一般取30~50m/s，对于中压一般取20~30m/s。
传热管的管径和管长对传热性能有很大影响。减小管径，增加管长可提高传热系数，减小传热面积。但一回路阻力也增加，应通过计算求出最佳的管径和管长。
提高蒸汽参数可提高核动力装置的热效率。在自然循环蒸汽发生器中将传热器设计成带有一体化预热器结构，也可提高装置的热效率。目前蒸汽发生器的工作压力多在6.5MPa左右，有的工作压力提高到8.0MPa，与此相对应的载热剂压力为15.5~17.5MPa。
采用改变一回路平均温度的运行方式，对自然循环蒸汽发生器是有利的。当负荷降低时使平均一回路负荷亦降低。可避免二回路侧压力急剧升高现象，从而可减少筒体壁厚。
管极是蒸汽发生器的重要部件，其制造成本对蒸汽发生器有重大影响。在结构设计上应尽量减小管极的直径和厚度，这样就可以减小筒体和封头的尺寸。
总之，在设计蒸汽发生器时，要考虑一、二回路两种工质的种类和参数，正确地选用结构方案、材料、传热管的尺寸、最佳传热系数以及载热流体等，取得蒸汽发生器的最佳技术和经济指标。
图2-1是具有代表性的多头螺旋管式换热器示意图。蒸汽发生器是一回路冷却剂，把从反应堆获得的热量传给二回路工质——水，产生蒸汽的热交换设备就是蒸汽发生器。本次设计的蒸汽发生器为立管式内直流螺旋管式蒸汽发生器。
一回路工质是氦气，二回路工质是水，它们都是强迫流动。从反应堆来的高温高压氦气从上向下进入螺旋盘管间隙和在管内流动的水进行换热，放热后降低了温度的氦气再由泵打回反应堆吸热。水由泵打入螺旋管内，依次通过预热段、蒸发段、过热段产生品质合格的蒸汽送往汽轮机高压缸，在高压缸做完功的蒸汽被送往蒸汽发生器再热，再热后的蒸汽送往中压缸、低压缸作功，做完功的蒸汽排入凝汽器，被冷却水冷却成凝结水和补给水一起被泵打到蒸汽发生器中重新加热。

目　　录
摘　　要 I
ABSTRACT II
第1章 绪　　论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 换热器的发展和现状 4
1.2.1 换热器概述 4
1.2.2 换热器研究工作进展[9] 5
1.2.3 管壳式换热器的发展概述[11] 6
1.3 本课题要完成的工作 8
第2章 多头螺旋管式蒸汽发生器的设计方法 9
2.1 设计原则及基本工作原理 9
2.2 换热面结构的设计方法 10
2.3 设计计算步骤 14
第3章 关于设计的推荐公式 15
3.1 总传热系数 15
3.2 管外（壳侧）放热系数ho 16
3.3 管内放热系数  19
3.3.1 无相变时的放热系数 20
3.3.2 有相变时的放热系数 21
3.4 管内压降关系式 23
3.4.1 摩擦阻力压降计算 23
3.4.2 局部阻力压降计算 25
3.4.3 重位压降计算 27
3.4.4 加速压降计算 27
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3.5 管外侧压力损失 29
3.6 多值性的校验 30
3.7 管间脉动的校验 31
3.8 节流圈的选取[25]： 33
第4章 260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计 35
4.1 设计参数 35
4.2 结构设计 35
4.3 主要计算结果 37
结　　论 40
致　　谢 41
参考文献 42