CN101572128B - 均压式密度锁 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种均压式密度锁。它包括由带有冷却水入口和冷却水出口的恒温段外壳体、位于恒温段外壳体内的恒温段管束组成的恒温段，由密度分层段壳体、位于密度分层段壳体内的密度分层段管束组成的密度分层段，密度分层段连接于恒温段的上方；在密度分层段上方设置紊流均压段，紊流均压段由紊流均压段壳体和安装与紊流均压段壳体内的打孔圆锥结构组成，在打孔圆锥结构上开有圆孔，在圆孔外侧布置扰流翼。本发明采用三级稳定分层结构，有效地解决了上方速度分布不均所造成的通道问压力不均问题，消除了各通道间的界面振荡和界面波的传递，增强了密度锁内密度分层的稳定性，实现了在反应堆稳定运行中，主冷却剂回路与非能动余热排出回路的有效隔离。

Description

均压式密度锁

(一)技术领域

本发明涉及的是一种反应堆非能动安全系统设备，具体涉及到安装在反应堆非能动余热排出系统与主回路系统之间管道回路上的一种均压式密度锁结构。

(二)背景技术

上个世纪80年代，以美国西屋公司为代表的研究机构，在反应堆的设计中首次采用了非能动安全技术，到目前为止，已有很多核电站采用了非能动安全系统保障反应堆的安全运行。这些非能动安全系统中一个重要的方法就是密度锁技术。“密度锁”这一概念最早是由Babala等人提出的，他们认为存在密度差的两部分流体之间可以形成一个分界面，在一定条件下这一分界面可以有效地阻止两部分流体的相互搅混，利用这一原理制成适当的装置放在有密度差的流体通道中，这样的装置具有“锁住”流体通道的功能，为此把它称为“密度锁”。在反应堆中，它安装在反应堆主冷却剂系统与余热排出系统之间，正常工况下，主冷却剂和低温含硼溶液之间形成稳定的分层，该分层可以将主回路与余热排出回路隔离，从而确保反应堆的正常运行；一旦发生事故，密度锁将自动开启，含硼溶液注入主冷却剂系统，使反应堆停堆，并通过自然循环将堆芯热量带走。

目前在采用密度锁技术的新概念反应堆设计中，反应堆置于一个含高浓度硼酸水的巨大冷却水池中，反应堆主冷却剂系统通过上、下密度锁与大水池隔离。专利号为JP1123196的日本专利申请文件、专利号为US4939754的专利申请文件、专利号为US4526742的专利申请文件中，以及2005年12月出版的《核动力工程》第26卷第6期中报道的《密度锁在反应堆非能动安全中的作用分析》、2008年1月出版的《核动力工程》第29卷第1期中报道的《密度锁内分层传热特性的初步探讨》、2009年1月出版的《原子能科学技术》第43卷第1期中报道的《密度锁内稳态分层特性的实验研究》等文献中，对密度锁的结构和分层特性都进行了相关论述。已有的密度锁结构有以下几个缺陷：第一、现有的密度锁结构是由许多两端开口的小通道组成的，其上方没有任何均匀流体流动速度场或消耗流体紊流动能的装置。当密度锁上方存在流体流动时，速度的变化将导致密度锁内各通道间压力出现分布不均的现象，这会导致子通道间形成大环流，从而破坏流体分层的稳定性；第二、由于速度分布不均的存在，速度场变化会引起密度锁结构各通道间压力分布变化，因此，在现有的密度锁结构中，密度分层段的各个小通道内分层界面会产生上下振荡，这导致了密度锁径向温度分布不均，径向的温度差会导致小通道内流体的径向传热，从而破坏小通道的界面稳定性。综上所述，当密度锁上方流体流动时，现有的密度锁结构无法解决由于流场变化所引起的压力不均问题，从而造成密度锁通道间的自然循环、界面振荡和径向的温度分布不均问题。因此，如果能通过改进密度锁结构的设计，把密度锁技术应用到技术成熟的分散式布置的压水堆中，则对提高反应堆安全性和经济性有很大帮助。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效地均匀密度锁分层段上方的流体的压力，能保证反应堆在正常运行工况下密度锁内冷热流体的稳定分层，并能有效的隔离主冷却系统和非能动余热排出系统的均压式密度锁。

本发明的目的是这样实现的：

它包括恒温段、密度分层段，所述的恒温段由带有冷却水入口和冷却水出口的恒温段外壳体、位于恒温段外壳体内的恒温段管束组成，所述的密度分层段由密度分层段壳体、位于密度分层段壳体内的密度分层段管束组成，密度分层段连接于恒温段的上方；在密度分层段上方设置紊流均压段，所述的紊流均压段由紊流均压段壳体和安装与紊流均压段壳体内的打孔圆锥结构组成，在打孔圆锥结构上开有圆孔，在圆孔外侧布置扰流翼。

本发明还可以包括：

1、紊流均压段壳体内壁上有支撑圆环，所述的打孔圆锥结构与支撑圆环的相接处采用焊接的方式连接，打孔圆锥结构的底圆与均压段壳体内壁面相切。

2、支撑圆环与密度分层段的密度分层段管束的上管板之间有一定的距离。

3、在密度分层段内，密度分层段管束的最大节圆与密度分层段壳体内壁面相切，密度分层段管束上部四分之一处的管壁上布置有倒刺，倒刺的长度为密度分层段管束的单元流动通道边长的1/4，密度分层段管束下部二分之一处的管壁上横向开有扁孔。

4、所述的倒刺与密度分层段管束之间呈30度夹角。

5、所述的扁孔有5-10层。

为了克服已有技术的不足，本发明在现有密度锁结构的基础上，添加了一个均匀速度场的装置，有效地均匀了密度锁分层段上方的流体的压力不均，提供了一种能保证反应堆在正常运行工况下，密度锁内冷热流体的稳定分层，并能有效的隔离主冷却系统和非能动余热排出系统的均压式密度锁。

本发明由紊流均压段，密度分层段、恒温段组成。紊流均压段安装在紊流均压式密度锁上方，它主要由外壳体和紊流均压结构组成；紊流均压结构是一个与外壳体内壁相切的打孔圆锥结构，其上表面带有扰流翼。密度分层段安置在紊流均压段的下方，位于均压式密度锁的中部，由管束和外壳体组成，管束的上半部分壁面带有增加单向流动阻力的倒刺，下半部分壁面打孔，使相邻子通道内的流体均温均压。恒温段由管板、管束和管束间隙组成，管束间隙与外壳体上的冷却水进出口相通。在间隙内通入小流量冷却水可有效带走恒温层内的热量，维持分层界面位置。

所述的紊流均压结构的底面与外壳体的内壁相切，放置于外壳体内部的支撑圆环上，并在相连处焊接。

所述支撑圆环焊接于外壳体内壁上，距离外壳体的下端面有一定距离，保证流经紊流均压段的流体均匀混合后再进入密度分层段。

所述的紊流均压结构是指一个打孔圆锥结构。所述圆孔直径为5-6mm，紧密排列在圆锥表面的同心圆上，孔隙率为40％-50％。圆锥上同一个同心圆左右两个半圆上的圆孔数不同，也就是说，圆孔不是均匀排列在同心圆上的。圆孔垂直于圆锥表面，圆孔中心线与圆锥中心线相交，最大的同心圆上的圆孔中心相交点要保证在密度分层段的上方。

所述的紊流均压结构外表面带有扰流翼，它位于圆孔外侧，当流体从圆锥结构上方流经紊流均压结构时，在扰流翼的作用下，流体发生有旋流动，使流体速度均匀化，避免流速差异而造成的压力分布不均问题，而当流体从圆锥结构下方流经紊流均压结构时，扰流翼在流线下游，不增加流动阻力。

所述的紊流均压结构是第一级稳定分层的装置，它防止了由于流场速度分布不均所造成的压力不均，阻碍了由于压力不均引起的子通道间大环流。

所述的密度分层段安置在紊流均压段的下方，它由外壳体和管束组成。所述外壳体为圆筒形壳体，其上下两端可以通过法兰与紊流均压段及恒温段相连。所述的管束放置于外壳体内，管束外缘与外壳体内壁相切。

所述管束的每个单元流动通道横截面为正方形，所述单元流动通道的1/4以上的管壁处布置一定角度的倒刺，倒刺长度约为流动单元通道边长的1/4，所述倒刺增加了从主回路流向余热排出回路的流动沿程阻力，倒刺按照一定角度安装可以有效抑制通道中的界面振荡。在所述的单元流动通道下半段的管壁上，横向打有面积为50mm²的扁孔，长约为10mm宽为5mm，两端为两个半圆，每两个扁孔之间的竖直距离约10mm，单元流动通道的同一管壁上有5-10个扁孔纵向排列。所述扁孔即能平衡相邻通道的压力不均，减少径向温度差，又能过滤界面波，有效抑制界面波的传递，增强界面的稳定性。

所述的恒温段位于均压式密度锁下方，由管板、管束和管束间隙组成。根据研究表明，密度锁内流体分层可以分为混合层、界面层和恒温层。界面层就如同阀门中的瓣膜一样隔离两种不同运动状态不同温度的流体。混合层内是处于对流运动状态的高温工质，而恒温层内是处于静止状态的低温工质。恒温层内工质基本保持冷态不变，但由于长期导热的作用，温度也会缓慢上升。为了实现冷热流体密度分层的稳定性，在所述恒温层内在管束间隙内通入小流量的冷却水，使得冷却水与密度锁内恒温层内工质保持小功率的换热，从而将密度锁上方热流体传给冷流体的热量源源不断的导出，保证冷热流体的稳定分层。所述管束的流通面积与所述管束间隙中流体的流通面积比为10∶1。所述恒温段的管束内流体为密度锁内工质，而管束间隙内为冷却水。所述恒温层外壳体上留有冷却水进出口接管，下方为冷却水入口接管，上方为冷却水出口接管。冷却水从入口流入自下而上的流经管束，最后从出口流出。

所述的均压段，密度分层段和恒温段可以通过法兰连接。

本发明均压式密度锁分成紊流均压段，密度分层段和恒温段三个独立的单元。所述的紊流均压段安装在均压式密度锁上方，它主要由外壳体和紊流均压结构组成；紊流均压结构是一个上表面带有扰流翼的打孔圆锥结构，该圆锥结构外缘与外壳体内壁相切。密度锁上方的流体流过时，在扰流翼作用下均匀搅混，沿着扰流翼尾部的方向进入圆锥，并在圆锥中心线处交混，均匀了速度分布，减少压力不均。由于密度锁上方流速不均导致压力不均，所以紊流均压结构上的扰流翼和非均匀布置的圆孔对均匀来流起到了很大作用。流体流经均压段发生了充分的搅混，从而实现流体在进入密度分层段时，各通道内的压力已基本达到均衡，保证了密度分层段内流体分层不会因为子通道之间存在过大的压力差而形成大环流，最终导致分层消失。

密度分层段安置在紊流均压段下方，位于均压式密度锁的中部，由管束和外壳体组成，管束的上半部分壁面带有增加单向流动阻力的倒刺。当热流体在上、冷流体在下时，由于密度差而形成分层时，在密度分层内会形成内波震荡，也就是所谓的

波动，其频率可以表示为：

N²＝-gdρ/ρdz

根据上式，要想避免这种内波震荡，可以改变流体的流通截面或是通过改变一个方向流动阻力来破坏内波震荡或是沿管道的径向输入热量，即改变密度沿轴向的变化量来实现，采用第三种方法相对复杂。因此，在本发明中是采用第二种方法，即增加单向流通阻力的方法。安装一定角度的倒刺可以减小内波振荡的频率，从而减少密度锁内界面的振荡。当流体流经倒刺时，正向和反向振动频率不同，紊流动能在此处得到消耗，倒刺的存在加速了振荡的阻尼，从而可以有效地避免密度分层内由于内波震荡引起的密度分层不稳定性。

经过所述的紊流均压结构和倒刺结构对密度锁内的分层稳定性起到了两重保护。为了保证界面的更加稳定，本发明中管束在一半的位置上横向打有扁孔，界面波流经所述扁孔时，扁孔限制了波的传递，起到了滤波作用，所述扁孔还可以展平了邻通道内流体的温度梯度，减少了子通道内的微小的压力不均，为界面稳定性提供了更可靠的保证。

所述的恒温段位于均压式密度锁下方，由管板、管束和管束间隙组成。根据研究表明，密度锁内流体分层可以分为混合层、界面层和恒温层。界面层就如同阀门中的瓣膜一样隔离两种不同运动状态不同温度的流体。混合层内是处于对流运动状态的高温工质，而恒温层内是处于静止状态的低温工质。恒温层内工质基本保持冷态不变，但由于长期导热的作用，温度也会缓慢上升。为了实现冷热流体密度分层的稳定性，在所述恒温层内在管束问隙内通入小流量的冷却水，使得冷却水与密度锁内恒温层内工质保持小功率的换热，从而将密度锁上方热流体传给冷流体的热量源源不断的导出，保证冷热流体的稳定分层。

所述的均压段，密度分层段和恒温段可以通过法兰连接，使之形成一个整体的紊流均压式密度锁结构。

本发明均压式密度锁采用三级致稳结构，有效地解决了密度锁上方流场分布不均、平行管束间压力不均、密度分层界面波动、通道间界面上下振荡、平行管束径向的温度分布不均等问题，保证了密度锁内密度分层的稳定性，实现了在反应堆稳定运行中，余热排出回路的有效隔离。

与传统的密度锁结构相比，本发明均压式密度锁具有以下优点和效果：

(1)通过增加均流均压的装置，使进入密度锁分层段的流体速度均匀化，避免了通道间的压力分布不均；

(2)通过在密度分层段增加单项阻力，消除了内波震荡和平行通道中的压力不均对密度锁稳定性的影响，保证了密度锁内冷热流体界面的稳定分层，减小了由于回路工况波动，而造成的界面震荡；

(3)通过在密度锁分层段横向开有扁孔，减少了界面波的传递，展平了子通道内的温度梯度，同时进一步减少了子通道内的压力不均；

(4)与之前的密度锁相比，安装在现有反应堆的一回路系统中，在反应堆正常运行时，增强了密度锁隔离主冷却剂回路和余热排出回路的能力；当反应堆出现事故时，密度分层界面的压力平衡被打破，密度锁自动开启，使余热排出冷却水通过密度锁进入反应堆，并冷却堆芯，带走余热。

(5)本发明应用到核反应堆非能动余热排除系统中，及提高了反应堆运行的安全性，又对提高安全性提供了很大帮助。

(6)本发明结构简单，便于安装维修，并适用于各种连接管道。

(四)附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是图1的I处紊流均压结构局部放大示意图；

图5是图1的II处局部放大图；

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-5，本发明新型均压式密度锁由紊流均压段壳体1、打孔圆锥结构2、支撑圆环11、法兰3、密度分层段壳体4、密度分层段管束5、倒刺12、扁孔6、恒温段上管板7、恒温段壳体8、管束间隙9、冷却水入口10、冷却水出口13、恒温段外壳体14、恒温段管束15和恒温段下管板16组成。其中紊流均压段壳体1、打孔圆锥结构2、支撑圆环11及法兰3组成了紊流均压段。密度分层段壳体4、密度分层段管束5、倒刺12、扁孔6组成了密度分层段。恒温段壳体8、管束间隙9、冷却水入口10、冷却水出口13、恒温段外壳体14、恒温段管束15和恒温段下管板16组成了恒温段。

在均压段内，打孔圆锥结构2与均压段壳体1相切，并放置在支撑圆环11上。打孔圆锥结构2与支撑圆环11的相接处采用焊接的方式连接。为了均匀密度锁上方的流速，在打孔圆锥结构2上开有圆孔17，并在圆孔17外侧布置扰流翼18。绕流翼18使流经其外侧的流体在流动过程中产生旋度，消耗其紊流动能，而不影响反向流动工质的运动状态。支撑圆环11与密度分层段保持一定的距离，使流经均压结构的流体充分混合后再进入密度分层段。

在密度分层段内，密度分层段管束5与密度分层段壳体4相切，密度分层段管束5四分之一以上的管壁处布置一定角度的倒刺12，倒刺12的长度约为密度分层段管束5的单元流动通道边长的1/4，倒刺12增加了从主回路流向余热排出回路的流动沿程阻力，倒刺12按照一定角度安装也可有效抑制通道中的界面振荡。密度分层段管束5的下半段的管壁上，横向开有扁孔6，密度分层段管束5的单元流动通道内纵向排列有5-10个扁孔6。扁孔6可以减少界面波传递，平衡相邻通道的压力不均，并且有利于减少径向温度差，展平径向流体温度梯度。

在恒温段内，冷却水从冷却水入口10进入，经过管束间隙9向上流动，最终经冷却水出口13流出。恒温段管束15内为密度锁内工质，与管束间隙9的流体以对流换热的方式进行热量交换。从而将密度锁上方热流体传给冷流体的热量源源不断的导出，保证冷流体温度恒定，从而保证冷热流体的稳定分层。

本发明均压式密度锁的紊流均压段，密度分层段和恒温段三个独立的单元之间通过法兰3等连接，在均压式密度锁正常工作时，紊流均压段壳体1与一回路主管道、恒温段壳体8与余热排出回路均通过法兰进行密封连接，主冷却剂由均压段壳体1进入，余热排出冷却水由恒温段壳体8进入，在密度分层段，高温的主冷却剂与低温的余热排出冷却水形成密度分层，从而有效的隔离了主回路与非能动余热排出回路。

Claims (7)

1.一种均压式密度锁，它包括恒温段、密度分层段，所述的恒温段由带有冷却水入口和冷却水出口的恒温段外壳体、位于恒温段外壳体内的恒温段管束组成，所述的密度分层段由密度分层段壳体、位于密度分层段壳体内的密度分层段管束组成，密度分层段连接于恒温段的上方；其特征是：在密度分层段上方设置紊流均压段，所述的紊流均压段由紊流均压段壳体和安装于紊流均压段壳体内的打孔圆锥结构组成，在打孔圆锥结构上开有圆孔，在圆孔外侧布置扰流翼。

2.根据权利要求1所述的均压式密度锁，其特征是：紊流均压段壳体内壁上有支撑圆环，所述的打孔圆锥结构与支撑圆环的相接处采用焊接的方式连接，打孔圆锥结构的底圆与均压段壳体内壁相切。

3.根据权利要求2所述的均压式密度锁，其特征是：支撑圆环与密度分层段的密度分层段管束的上管板之间有一定的距离。

4.根据权利要求1、2或3所述的均压式密度锁，其特征是：在密度分层段内，密度分层段管束的最大节圆与密度分层段壳体内壁相切，密度分层段管束上部四分之一段的管壁上布置有倒刺，每根倒刺的长度为密度分层段管束的单元流动通道边长的1/4，密度分层段管束下半段的管壁上横向开有扁孔。

5.根据权利要求4所述的均压式密度锁，其特征是：所述的倒刺与密度分层段管束之间呈30度夹角。

6.根据权利要求4所述的均压式密度锁，其特征是：所述的扁孔有5-10层。

7.根据权利要求5所述的均压式密度锁，其特征是：所述的扁孔有5-10层。

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