核电站冷却器、加热器设计原则培训教材-

核电站用冷却器、加热器设计原则和要求培训教材主讲：刘自旺南方风机股份有限公司2014年7月31日内容目录术语和定义空气换热器的分类空气换热器的规格标记空气换热器在核电站HVAC系统上的功能空气换热器设计遵循的主要标准空气换热器设计原则及其它技术要求空气换热器的检查和试验方法空气换热器的检验规则标牌、包装、运输和贮存要求项目总体执行原则术语和定义1.空气冷却器用冷水溶液间接等湿和减湿冷却空气的表面式热交换设备。2.空气加热器用蒸汽、热水溶液间接加热空气的表面式热交换设备。3.额定供冷量空气冷却器在额定试验工况下的总除热量，即空气显热量和潜热量之和，单位为W或kW。（说明：以下的冷却器、加热器亦简称为空气换热器、换热器、冷水盘管）4.额定供热量空气加热器在额定试验工况下总显热加热量，单位为W或kW。5.额定空气阻力

空气换热器在额定试验工况下，空气流过空气换热器的压力损失称为额定空气阻力，单位为Pa。6.额定液体阻力空气换热器在额定试验工况下，水溶液流过空气换热器的压力损失称为额定液体阻力，单位为Pa。

7.相似空气换热器

在空气换热器规格较大无法进行实型试验时，为获得其热工及阻力性能制作的空气换热器小样称为相似空气换热器。8.标准空气状态指温度20℃、相对湿度65%、大气压力101.3kPa、密度1.2kg/m3的空气状态。二.空气换热器的分类1.按换热器用途分：空气冷却器；空气加热器；空气冷却器、加热器两用换热器。2.按换热管型式分：

套片式、绕片式、轧片式、镶片式、焊片式。3.按基管材料分

钢管、铜管、铝管、复合管。4.肋片材料

钢片、铜片、铝片。三.空气换热器的规格标记

如：6×36×1800×3.2-6定义为：6排管×36管/排×有效长度1800mm×肋片间距3.2mm---每组管程为6回路四.空气换热器在核电站HVAC系统上的功能换热器用于冷却或加热核电站通风及空调系统中的空气，使空气达到设计要求范围内一定的温度和湿度，以满足设备使用及人员的舒适条件。五.换热器设计遵循的主要标准

GB/T14296-2008空气冷却器与加热器

JG/T21-1999空气冷却器与空气加热器性能试验方法

HAF.J0053

核设备抗震鉴定试指南

ASMEAG-1-2009核空气和气体处理规范

ASMEB16.5-2009管法兰和法兰管件

NB/T20038-2011

核空气和气体处理规范设计和制造通用条件六.空气换热器设计原则及其它技术要求5.1

换热器总体设计原则结合各项目相应技术规格书、支持性文件、相关标准（如国际标准ASMEAG-1RA部分）中的要求，主要包括：

材料选择方面的要求（RA-3000）

设计原则上的要求（RA-4000）

设备制造原则（RA-6000）

设备性能试验方面的要求（RA-5000）

针对各项技术规格书的要求及上述标准中要求执行的相关内容，结合各项目的实际情况，换热器主要从设计、制造、试验几个方面去规范和遵循，具体描述如下：A.材料选择原则

为了响应设备在技术规格书及标准中对材料的要求，并进一步保证设备设计寿命达到40年或60年总运行期的要求，对设备材料进行针对性的选择，具体主要有以下几方面：肋片为正弦波纹紫铜片，片厚为δ0.24mm，AG-1为0.23；换热基管为紫铜管，紫铜管的外径为Φ16mm，壁厚为1.0mm；U型弯头为紫铜管，紫铜管的外径为Φ16mm，壁厚为1.2mm；进出水管、集水管材料均采用316L不锈钢无缝管制造；进出水管焊接法兰及附带配对法兰制造标准依据为ASMEB16.5。框架的材料均采用304或316L不锈钢板冷压成型，核级框架材料厚度≥3.0mm。非核级框架材料厚度为2～3mm

根据设备大小、排数进行核算取合适的板厚。说明：优先满足技术规格书的要求，技术规格书引用的标准为设备的最低要求。B.设计原则

换热器按照购买方正式批准的图纸及技术文件制造，采用设计成熟和制造工艺，选用高效换热性能的肋片形式，优化水路管程设计，其基本设计原则如下：对技术规格书的设计工况进行校核计算。空气换热器的设计压力为水系统最大压力的1.1倍，冷却器不小于1.2MPa；加热器不小于1.0MPa。（说明：优先于规格书要求）。水侧的阻力损失原则上不大于40kPa。具体根据技术规格书要求来确定，当超出设计要求时，要以书面形式提出澄清，正式发给上游确认。空气侧的压力损失按实际选型给出，当与技术规格书不一致时，要以书面形式提出澄清，正式发给上游确认。管内水流速设计范围按0.6～2.13m/s考虑，尽可能按1.0～1.8m/s来设计。空气流经冷却器的迎面风速按≤2.5m/s设计。当风速大于2.5～3.2m/s的湿工况的冷却器，下游加装不锈钢挡水板。考虑管内外污垢系数后，设备换热能力的余量按设计值的按+1~10%考虑。规格书另有规定，优先规格书的要求。用软件计算时，冷却器管内外污垢系数取0.0005，加热器取0.0007。换热器集水管都加装加固件，集水管所承受的外力和自重均由换热器框架来承担，保证集水管的进出水接管与基管的钎焊接头不受外力损坏。进水汇集管最低点配置了3/8带堵头排水口，出水汇集管最高点配置了3/8带堵头排气口。非机组配套用换热器在其非操作侧设计了保护铜U弯头的护板，以便在安装维护时保护设备的铜U弯不所磕碰损伤。为保证换热器在搬运、操作运行期间不会产生任何变形，当框架长度≥1100～1700mm正中间加装一件中间管板；长度≥1800～2500mm均布加装两件中间管板；长度≥2500～3500mm均布加装三件中间管板；高度超过≥1200～1600mm时，在长度方向两侧各加装一根定位拉杆，高度超过≥1600～2600mm时，在长度方向两侧各加装两根定位拉杆；高度超过≥2600～3600mm时，在长度方向两侧各加装三根定位拉杆。

具体详见如下实物图所示：换热器换热管连接方式为水流和空气成逆流交叉高效换热并实现重力排水的水路设计，又称“排空式”设计。逆流换热原理：在换热器设备上，最低温度的空气与最低温度的水间接接触，而最高温度的空气与最高温度的水相间接接触。水温呈梯度上升，空气温度呈梯度下降。B.空气换热器制造原则要求翅片套上基管后采用机械胀管胀牢，保证翅片与基管紧密接触，过盈为0.18～0.2mm。所有的紫铜的焊接均采用承插火焰钎焊，包括紫铜承插不锈钢的焊接。可靠的焊接确保换热器无泄漏：基管之间通过铜弯头连接，基管和集水管接管之间的连接，均采用手工火焰钎焊焊接方法；为增大焊接的接触面积，保证焊接强度和气密性，基管端部用气动工具进行扩孔使形成良好的承插钎焊接头；进出水汇集管（不锈钢）与进出水接管（紫铜管）的连接采用承插火焰钎焊焊接，其先进的工艺就是集水管上的每个进出水口焊接一个不锈钢套管，将进出水接管（紫铜管）承插入不锈钢套管，形成一个合理且焊后强度高的火焰钎焊焊接头。采用此制作工艺解决了紫铜管与紫铜、紫铜管与碳钢法兰熔化焊难以保证无泄漏的问题，同时解决了进出水接管（紫铜管）承插汇集管（紫铜管）没有形成一个合理的钎焊接头而钎焊焊后强度较低的一个缺陷。进出水集水管由早期的紫铜管现更为316L材料制造，不但提高了其强度、刚度，而且还减少了其热量损失。所有的集水管、框板的焊接均采用熔化焊，如手工电弧焊、氩弧焊、二氧化碳焊。进出水汇集管的选材与工艺制作方面作了较大的创新与改进：集水管的材料（包括法兰）全为不锈钢（316L），其优点就是不锈钢的熔化焊焊接采用非常成熟的焊接方法，保证对密封性焊缝不易出现泄漏气孔，且形成的焊缝接头光滑、美观、强度高。两侧端板、中间护板（支撑板）穿铜管（基管）通孔采用先进工艺衬铜护环，此工艺确保热热器在运输、运行及安全停堆地震载荷（SSE）作用下，基管不会出现裂缝和磨损，彻底解决了因传统工艺穿管孔直接与基管接触从而在以上情况下出现磨损、裂缝造成漏水现象。采用此工艺制造也减少了热热器泄漏率，如气体从管板孔漏出。部分设备配有外面不结露的干式滴水盘，安装在风管上的冷却器均要配置保温型滴水盘，滴水盘和排水管采用不锈钢304/316L制造，三面呈立体倾斜坡度的水盘和最低点设置排水管口，保证了凝结水顺畅排除；滴水盘外表面粘贴厚度为20mm，耐火等级为B1级的三元乙丙橡胶保温层材料，避免了滴水盘结露的缺陷。滴水盘的深度为100mm，大小可充分包容整个冷却器及系统软接管，保证冷却器产生的冷凝水完全收集在滴水盘中。5.2空气换热器外观及其它设计要求盘管肋片整齐、片距均匀，无卷边、裂纹、毛刺，不充许有明显的碰撞损坏。盘管肋片与基管应接触紧密。盘管的耐压与密封性试验时盘管应无渗漏，不能有超过设计允许的残余变形。盘管应装有冷凝水收集系统，如冷凝水盘。盘管肋片冲孔的翻边应无开裂。焊缝应牢固、光滑无过烧、裂纹、气孔等缺陷。盘管的弯头应无明显皱折和变形口。需经热浸镀锌部件，其镀层应均匀光滑。肋片应为板翅片，肋片采用铜片。肋片套上管子后，采用机械胀管胀牢，保证肋片和管壁紧密接触。盘管应外带法兰，能使盘管和框架，盘管和盘管相互连接又能单独地方便拆装。冷却器盘管凝结水的排水盘应能全部及时排除全部凝结水对于上下叠装的冷却器则应设置中间滴水盘以收集上部盘管的凝结水。凝结水排水管必须在排水盘最低处接出，

排水管的尺寸要能保证凝结水通畅无阻，排水盘在运行压力下无积水。加热盘管迎面风速不超过4.0m/s(NB/T20039)。冷却盘管迎面风速不超过2.5m/s，超过2.5m/s加装挡水板。盘管应带排水短管和放气咀，排水管应能靠重力排除盘管内积水。安装于风管中的冷却盘管应配置保温滴水盘，滴水盘的大小应能充分包容整个盘管及软连接管，滴水盘的深度不能小于100mm。5.3空气换热器尺寸要求换热器的长、宽和排深尺寸的公差等级不低于GB1804中IT16级或中等m级的规定。详细要求遵守国家标准GB/T14296（5.2章节）。法兰内框两对角线之间尺寸之差：

a.对角线尺寸≥≤1000mm允许误差±3mm

b.对角线尺寸＞1000mm允许误差±4mm空气换热器直线度为1000:2。空气换热器外观法兰平面度：

a.设备长度≤1000mm平面度3mm

b.设备长度＞1000mm平面度3mm空气换热器在100个片间距总和的允许偏差为2%。端部肋片距相邻端板间隙（δ1）应≤2倍肋片间距；肋片距上（下）框板间隙（δ2）应小于3mm。5.4热工及阻力特性

实测值应符合如下规定：实测额定供冷（热）量应大于或等于额定值的95%；实测空气侧阻力小于或等于额定值的110%或“额定值+5Pa”，取大值；实测额定液体阻力应小于或等于额定值的110%或“额定值+3kPa”，取其大值。（说明：技术规格书通常会注明实测冷（热）量不小于额定值。设计时要充分考虑余量。）七.空气换热器的检查和试验方法6.1空气换热器外观（目测）肋片应与基管应接触紧密；黑色金属制件表面应做防锈处理；内外表面应清洁无油迹；肋片应整齐、片口距均匀，无卷边、裂纹、毛刺，不应有明显的碰撞损坏；肋片冲孔的翻边应无开裂；焊缝应牢固、光滑，无过烧、裂纹、气孔等缺陷；弯头应无明显皱折和变形；6.2空气换热器尺寸长度尺寸采用最小分度不大于1mm的长度量具，直线度和平面度依据GB/T1958规定的方法逐项进行测量。6.3空气换热器耐压及密封性空气换热器耐压及密封性检查用液压试验方法或气压试验方法。（说明：核电站用冷却器规定用液压和气压两种）A.液压试验方法将放置在试验台上的空气换热器充入液压介质，同时排排尽空气换热器内空气，升压至试验压力，保持压力，检查泄漏及耐压情况。试验后排尽介质，并用压缩空气吹干。B.气压试验方法封堵被试空气换热器另一端，从另一端接入气压介质，将整个空气换热器浸泡在水中，升压至试验压力，保持压力，检查泄漏及耐压情况。C.试验压力和保持压力的时间规定用液压方法做耐压及密封性试验时，试验压力应为设计压的1.5倍，保持至少3min；(技术规格书要求保持30min)用气压方法做耐压及密封性试验时，试验压力应为设计压力的1.2倍，保持压力至少1min。D试验用仪表要求

空气换热器在耐压及密封性试验时，压力表精度等级不得低于1.5级，具定期计量检验合格，其压力表量程应是试验压力的1.5倍~2.5倍。E试验不合格处理方法耐压及密封性检查不合格的产品返修后必须重新进行该项试验。6.4热工及阻力特性空气换热器热工性能及阻力特性试验应按JG/T21的规定进行。当空气换热器规格较大无法通过实型试验获得其热工及阻力性能时，可采用相似空气换热器进行测试，相似换热器迎风面积范围为0.19m2~0.93m2，结构满足下列要求：基管的材质、直径、壁厚、排数、排列方式、间距、内部结构相同；肋片材料、形状、厚度、肋片间距相同；空气换热器断面长高比例相等；空气换热器管行程布置保证管内液体流速相同；制造工艺相同。试验项目与参数范围进行热工及阻力特性试验时，在测试范围内的每种变化参数的取值不得少于四个，且可能按对数等分。进行空气冷却器试验时，需有翅片表面干燥和冷却去湿两种条件的试验（北空所通常做21组工况，得出传热系数K，空气侧干、湿工况阻力，水侧阻力，接触系数公式。额定值检查按如下工况进行八.空气换热器的检验规则7.1检验分类和项目空气换热器分为型式检验和出厂检验两种类检验项目按如下表规定执行7.2出厂检验每台空气换热器由制造厂检验合格后，方可出厂；出厂检验项目有：

外观检验；

尺寸检验；

管接头互换性检验；

耐压和密封性。7.3型式检验产品在属于下列情况之一要进行型式试验。

新产品定型鉴定时定型产品的结构、制造工艺、材料变更且对产品性能有影响时；转厂生产时；停产一年以上，恢复生产时；国家质量监督机构监督抽查提出要求时。型式检验项目有：

外观检验；

尺寸检验；

管接头互换性检验；

耐压和密封性。热工及阻力性能型式检验的数量：抽取具有代表实型空气换热器的每种相似换热器一台，进行型式试验。7.4检验判定原则按额定值或技术文件中技术参数作为合格判定值；按下表规定的检验项目检