CN103578583A - 一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及强化换热技术领域，具体涉及一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体。该外壳体由安装在反应堆压力容器外侧的流道外壳体组件，和安装在流道外壳体组件底部并将流道外壳体组件内外导通的导流组件组成；所述流道外壳体组件由相互连接为一体的流道外壳筒形壳体组件和流道外壳封头组件组成，流道外壳体组件的内壁与反应堆压力容器的外壁形成用来强化沸腾换热和提高沸腾换热临界热流的间隙流道；所述导流组件将流道外的冷却液相在内外压差的作用下导入反应堆压力容器外的汽液两相流中和反应堆压力容器外壁处并产生射流效果，可以显著强化反应堆压力容器外表面的沸腾换热过程和提高临界热流密度，从而可以显著提高反应堆压力容器的安全性。

Description

一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体

技术领域

本发明涉及强化换热技术领域，具体涉及一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体，用于在严重核事故下的大型核电反应堆压力容器下部球形封头外壁面的沸腾换热强化以提高核电反应堆的安全性。

背景技术

大型核电反应堆发生严重事故时可能导致堆芯熔化，将熔融物冷却和持留在反应堆压力容器内是缓解事故的关键措施。通过向反应堆腔室充水，使反应堆压力容器底部半球形封头淹没，在反应堆压力容器外部进行池内沸腾冷却，是缓解严重事故的一项重要措施。利用反应堆压力容器外侧水的沸腾换热和非能动自然循环流动，将半球形封头内熔融物的衰变热带走，从而保持反应堆压力容器的完整性，可避免和延缓后续后果更为严重的事故进程的发生以及核泄漏造成的大量放射性物质向环境的释放。目前大型核电反应堆的反应堆压力容器外设置外壳体（或称为保温层），反应堆压力容器外侧与外壳体内侧形成间隙流道，在严重核事故下反应堆压力容器外的间隙流道结构可以明显强化非能动沸腾换热，从而可以明显提高其安全性。随着大型核电反应堆功率越来越大以及对安全性的要求越来越高，迫切需要进一步提高反应堆压力容器外流道的强化非能动沸腾换热性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可显著强化沸腾换热和提高沸腾换热临界热流密度的具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体。

本发明采用的技术方案为：

该外壳体由安装在反应堆压力容器外侧的流道外壳体组件，和安装在流道外壳体组件底部并将流道外壳体组件内外导通的导流组件组成；所述导流组件包括密集布置的多个内外导通的导流管件。

所述流道外壳体组件由相互连接为一体的流道外壳筒形壳体组件和流道外壳封头组件组成，流道外壳体组件的内壁与反应堆压力容器的外壁形成用来强化沸腾换热和提高沸腾换热临界热流的间隙流道；所述流道外壳封头组件由流道外壳封头壳体、流道外壳封头壳体上端的流道外壳封头连接加强件组成；导流组件设置在流道外壳封头壳体上。

所述导流管件为内外导通的单一导流管和复合导流管中的一种或者两种的组合，导流管件上至少设置有一个导流管进水口和一个导流管出水口；所述单一导流管为具有单一导流管进水口和单一导流管出水口的连通管件；所述复合导流管为具有导流主管、导流分流管和导流支管且具有多个导流支管出水口的连通管件。

所述导流管件的导流管出水口为斜切口；所述导流管件上设置扰流元件。

所述流道外壳封头组件由多个流道外壳封头瓣形单元组装连接而成。

所述流道外壳封头组件的底部中心设置流道外壳封头进口流道，多个阵列布置的导流管件均匀分布在流道外壳封头进口流道周围。

本发明的有益效果为：

反应堆压力容器外的流道外壳体设置导流构件，将流道外的冷却液相在内外压差的作用下导入反应堆压力容器外的汽液两相流中和反应堆压力容器外壁处并产生射流效果，流道中的导流组件以及导流所产生的射流破坏了汽液两相流边界层，对沸腾换热面附近的流体形成强扰流，并在反应堆压力容器外近壁处产生多纵向涡，多纵向涡有利于汽液混合以及液相容易到达沸腾换热表面和汽相容易脱离沸腾换热表面，可以显著强化反应堆压力容器外表面的沸腾换热过程和提高临界热流密度，从而可以显著提高反应堆压力容器的安全性。

附图说明

图1是本发明的第一实施例提供的一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体的三维剖视结构示意图。

图2是本发明的第一实施例提供的一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体的原理结构示意图。

图3是本发明的第一实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维结构示意图。

图4是本发明的第一实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维剖视结构示意图。

图5是本发明的第二实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维剖视结构示意图。

图6是本发明的第三实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维剖视结构示意图。

图7是本发明的第三实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维剖视结构示意图。

图8是本发明的第三实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维剖视结构示意图。

图9是本发明的第三实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维剖视结构示意图。

图10是本发明的第四实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维剖视结构示意图。

图11是本发明的第四实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维剖视结构示意图。

图12是本发明的第四实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维剖视结构示意图。

图中标号：

1-反应堆压力容器；2-流道外壳体组件；3-导流组件；4-反应堆安全壳；5-间隙流道；6-堆芯熔融物；21-流道外壳筒形壳体组件；211-流道外壳筒形壳体；212-出汽口；213-流道外壳筒形壳体连接加强件；22-流道外壳封头组件；220-流道外壳封头瓣形单元；221-流道外壳封头壳体；2211-流道外壳封头圆柱壳；2212-流道外壳封头锥形壳；2213-流道外壳封头球形壳；222-流道外壳封头进口流道；223-流道外壳封头连接加强件；30-导流管件；31-单一导流管；32-复合导流管；33-扰流元件；301-导流管进水口；302-导流管出水口；311-单一导流管进水口；312-单一导流管出水口；321-导流主管，322-导流分流管；323-导流支管；324-导流主管进水口；325-导流支管出水口。

具体实施方式

本发明提供了一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

第一实施例

如图1至图4所示，一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体，包括流道外壳体组件2和导流组件3。流道外壳体组件2安装在反应堆压力容器1外侧且由支撑构件支撑固定，流道外壳体组件2由相互连接为一体的流道外壳筒形壳体组件21和流道外壳封头组件22等组成，流道外壳体组件2的内壁与反应堆压力容器1的外壁形成可以强化沸腾换热和提高沸腾换热临界热流的间隙流道5，且在流道外壳体组件2上设置将流道外壳体组件2的内外导通的导流组件3，所述导流组件3包括密集布置的多个导流管件30。所述设置有导流组件的间隙流道结构可以在严重事故情况下将流道外壳体组件2外的用于冷却反应堆压力容器外壁的液相导入反应堆压力容器1外的近壁处，从而显著强化沸腾换热和提高沸腾换热临界热流。

进一步地，本实施例的流道外壳体组件2由相互连接为一体的流道外壳筒形壳体组件21和流道外壳封头组件22等组成。其中，流道外壳筒形壳体组件21由流道外壳筒形壳体211和下端的流道外壳筒形壳体连接加强件213组成，在流道外壳筒形壳体组件21的上部设置有出汽口212；流道外壳封头组件22由流道外壳封头壳体221、上端的流道外壳封头连接加强件223组成，在流道外壳封头壳体221上设置有导流组件3，导流组件3可以将流道外壳封头壳体221外的液相导入流道外壳封头壳体221内的间隙流道5中。本实施例的流道外壳封头壳体221由流道外壳封头圆柱壳2211、流道外壳封头锥形壳2212和流道外壳封头球形壳2213组成，目的是尽量降低间隙流道5中流体流动的阻力和加速沸腾换热过程中汽液两相流的非能动流动速度以获得更佳的强化换热效果，也可以是流道外壳封头圆柱壳、流道外壳封头锥形壳和流道外壳封头球形壳中的一种或几种的组合。

进一步地，导流组件3包括阵列式密集布置在流道外壳封头组件22上且将流道外壳封头组件22的内外导通的多个导流管件30，在所述导流管件30设置有至少一个导流进水口301和一个导流出水口302，导流进水口301位于流道外壳封头组件22的外侧，导流出水口302位于流道外壳封头组件22的内侧。本实施例中的导流组件3包括阵列式密集布置在流道外壳封头组件22上的多个单一导流管31以及扰流元件和加强件，每个单一导流管31均与流道外壳封头组件22连接且将流道外壳体组件2内外导通，可以将流道外壳体组件2外的用于冷却反应堆压力容器外壁的液相导入反应堆压力容器1外的近壁处。本实施例的导流进水口301为单一导流管进水口311，导流出水口302为单一导流管出水口312。

本实施例的导流组件3的多个导流管件30可分为多组阵列，密集布置在流道外壳封头组件22上。具体为，在流道外壳封头组件22的流道外壳封头壳体221上设置了5组单一导流管31，其中在流道外壳封头组件22的底部中心位置设置了1组阵列布置的多个单一导流管（实施例中为7个，如图3所示），以及在流道外壳封头壳体221上设置了4组周向阵列布置的多个单一导流管（实施例图中具体为共32+44+58+70=204个，如图3所示）。每个单一导流管31具有单一导流管进水口311和单一导流管出水口312，单一导流管进水口311位于流道外壳封头壳体221的外侧，单一导流管出水口312位于流道外壳封头壳体221的内侧，单一导流管进水口311与单一导流管出水口312由单一导流管31内部连通。也就是，所述单一导流管31为具有单一导流管进水口311和单一导流管出水口312的连通管件。在严重事故情况下向反应堆安全壳4内注入冷却水，在流道外壳封头组件22上阵列式密集设置的多组单一导流管31将注入的冷却水从流道外壳体组件2的外部导入间隙流道5中的反应堆压力容器1的近壁处，冷却水在反应堆压力容器1的外壁处沸腾，所产生的蒸汽和部分或少量未完全汽化的冷却水在间隙流道5中非能动向上流动，蒸汽由间隙流道5上部的出汽口212排出，以冷却反应堆压力容器1的外壁和带出堆芯熔融物的衰变热。由于导入的冷却水在流道内外压差（汽液密度差所形成）的作用下，由单一导流管出水口312注入反应堆压力容器1的近壁处以补充近壁处的液相，并对反应堆压力容器1的外壁形成一定的冲击射流，以及使得反应堆压力容器1的近壁处汽液两相流形成多纵向涡流动，有利于汽液混合以及液相容易到达沸腾换热表面和汽相容易脱离沸腾换热表面，从而也可以强化沸腾换热和提高沸腾换热临界热流，进而显著提高反应堆压力容器的安全性。

该实施例的工作原理如图2所示。当反应堆发生严重事故时堆芯发生融化，堆芯熔融物6落入反应堆压力容器1的下部的球形封头内，此时通过向反应堆安全壳4内注水使得反应堆压力容器底部半球形封头淹没，来对反应堆压力容器外壁进行非能动池内沸腾冷却。只要核事故下反应堆压力容器外壁的热流通量没有超过沸腾换热临界热流密度（简称CHF），反应器的外壁面就可以通过非能动核态沸腾换热的方式得到充分的冷却，从而保证反应堆压力容器的完整性，从而阻止核废料的泄漏。在反应堆压力容器1的外侧安装的流道外壳体组件2以及在流道外壳体组件2上设置的导流组件3，可以显著提高其CHF从而显著提高其安全性，主要表现在：在流道外壳体组件2上设置的导流组件3，不仅有利于补充反应堆压力容器1外壁处沸腾换热所需的液相，尤其在高热流沸腾换热条件下使得换热表面不易干涸，可以显著提高沸腾换热临界热流；同时也有利于促进汽液两相流的混合，产生多纵向涡，破坏两相流边界层，显著强化反应堆压力容器1外壁处的沸腾换热和延缓膜态沸腾的出现。

此外，本实施例的导流组件3的部分单一导流管出水口312为斜切口，可以进一步强化换热，以及在部分单一导流管31上设置扰流元件以强化换热过程。

第二实施例

图5是本发明的第二实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维剖视结构示意图。本实施例的流道外壳体组件2的流道外壳封头组件22由流道外壳封头壳体221、流道外壳封头进口流道222和流道外壳封头连接加强件223组成，流道外壳封头进口流道222位于流道外壳封头组件22的底部，其功效是在严重事故下将将流道外壳体组件2外的用于冷却反应堆压力容器外壁的液相导入间隙流道5中；流道外壳封头连接加强件223与流道外壳封头壳体221连接为一体，其功效是与流道外壳筒形壳体组件21连接和加强流道外壳封头组件22的刚度和强度。

本实施例二与实施例一的主要不同是，实施例二在流道外壳封头组件22上设置流道外壳封头进口流道222，替代实施例一的导流组件3中位于流道外壳封头组件22底部的部分单一导流管31，实施例二的结构相对简单一些，而实施例一的强化换热效果相对要好一些。

第三实施例

图6是本发明的第三实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维剖视结构示意图。本实施例的流道外壳体组件2的流道外壳封头组件22由多个流道外壳封头瓣形单元220组装连接而成，以便于检维修。

图6中设置在流道外壳封头组件22上的导流组件3为多组阵列布置的单一导流管31，其单一导流管31为圆形或者椭圆形管，还可以为三角形、菱形、方形管，在单一导流管31上还可以设置扰流元件33以进一步强化换热，如图7、图8和图9所示。也就是，所述导流组件3的连通管件可以为圆形、椭圆形管、三角形、菱形和方形管件的一种或者几种的组合。

本实施例三与实施例二的主要不同是，实施例二的流道外壳封头组件22为整体式结构，实施例三为多个流道外壳封头瓣形单元组装式结构，实施例二的结构相对简单，而实施例三的结构相对便于检维修。

第四实施例

图10是本发明的第四实施例提供的流道外壳封头组件和导流组件的三维剖视结构示意图。本实施例的导流组件3的导流管件30为阵列布置的多个复合导流管32，复合导流管32包括导流主管321、导流分流管322和多个导流支管323，其中一个复合导流管32至少包括多个导流支管出水口325。复合导流管32可以包括一个导流主管进水口324（导流进水口301）和多个导流支管出水口325（导流出水口302），其中导流主管进水口324位于流道外壳封头组件22的外侧，多个导流支管出水口325位于流道外壳封头组件22的内侧。本实施例的一个复合导流管32包括一个导流主管321和7个导流支管323，也就是具有一个导流主管进水口324和7个导流支管出水口325。此外，本实施例的导流组件3的部分导流支管出水口325为斜切口，可以进一步强化换热。

图11和图12分别为另外一种复合导流管32的结构示意图，在图11中一个复合导流管32包括9个导流支管323，具有9个导流支管出水口325，在图12中一个复合导流管32包括15个导流支管323，具有15个导流支管出水口325。

本实施例四与实施例一的主要不同是，实施例一的导流组件3为阵列布置的多个单一导流管，而实施例四的导流组件3为阵列布置的多个复合导流管，实施例一的结构相对简单，而实施例四的强化换热性能更佳。实施例四和实施例一的导流组件3为单一导流管或者复合导流管中的一种，也可以为单一导流管和者复合导流管的组合。

Claims (6)

1.一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体，其特征在于，由安装在反应堆压力容器（1）外侧的流道外壳体组件（2），和安装在流道外壳体组件（2）底部并将流道外壳体组件（2）内外导通的导流组件（3）组成；所述导流组件（3）包括密集布置的多个内外导通的导流管件（30）。

2.根据权利要求1所述的一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体，其特征在于，所述流道外壳体组件（2）由相互连接为一体的流道外壳筒形壳体组件（21）和流道外壳封头组件（22）组成，流道外壳体组件（2）的内壁与反应堆压力容器（1）的外壁形成用来强化沸腾换热和提高沸腾换热临界热流的间隙流道（5）；所述流道外壳封头组件（22）由流道外壳封头壳体（221）、流道外壳封头壳体（221）上端的流道外壳封头连接加强件（223）组成；导流组件（3）设置在流道外壳封头壳体（221）上。

3.根据权利要求1所述的一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体，其特征在于，所述导流管件（30）为内外导通的单一导流管（31）和复合导流管（32）中的一种或者两种的组合，导流管件（30）上至少设置有一个导流管进水口（301）和一个导流管出水口（302）；所述单一导流管（31）为具有单一导流管进水口（311）和单一导流管出水口（312）的连通管件；所述复合导流管（32）为具有导流主管（321）、导流分流管（322）和导流支管（323）且具有多个导流支管出水口（325）的连通管件。

4.根据权利要求3所述的一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体，其特征在于，所述导流管件（30）的导流管出水口（301）为斜切口；所述导流管件（30）上设置扰流元件。

5.根据权利要求2所述的一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体，其特征在于，所述流道外壳封头壳体（22）由多个流道外壳封头瓣形单元（220）组装连接而成。

6.根据权利要求2所述的一种具有导流构件的强化沸腾换热流道外壳体，其特征在于，所述流道外壳封头组件（22）的底部中心设置流道外壳封头进口流道（222），多个阵列布置的导流管件（30）均匀分布在流道外壳封头进口流道（222）周围。

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