CN103956196A - 一种液态水收集和冷却装置的液膜蒸发冷却板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及反应堆安全系统设计技术，具体涉及一种非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板。其结构包括顺次层叠设置的多孔蒸发板、过滤渗流板和集水槽底板，在所述的多孔蒸发板的上表面设有用于对液膜产生扰动作用的若干扰流颗粒，在所述的多孔蒸发板和过滤渗流板之间设有若干毛细扰流柱，过滤渗流板和集水槽底板之间形成集水槽流道。本发明可以在核电站发生存在安全壳内升温升压现象的事故工况时，为非能动安全壳热量导出系统提供温度尽量低的回水，确保其安全功能的高效表现，进而将安全壳压力和温度降低至可接受的水平，以保持安全壳的完整性。

Description

一种液态水收集和冷却装置的液膜蒸发冷却板

技术领域

本发明涉及反应堆安全系统设计技术，具体涉及一种非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板。

背景技术

从上世纪八十年代开始，美国、日本、法国、德国、俄罗斯等国家开展了非能动技术的研究，非能动安全壳热量导出系统的研发成为重要的研究热点领域。

一种非能动安全壳热量导出系统可以采用非能动方式把安全壳内的热量散发到最终热阱——大气。运行工况下，非能动安全壳热量导出系统设置在安全壳内部的换热器，可以通过壁面冷凝和对流传热，将安全壳内高温高湿空气的热量带出，借助自然循环驱动力（下降管段与上升管段之间的密度差），将被加热的管内冷却水排向安全壳外。产生的高温冷却水，一部分以蒸汽形式排往大气，另一部分以液态水的形式被重新收集，汇入水箱。为确保非能动安全壳热量导出系统可维持较长时间的安全功能，需要确保冷却水的充分利用和回收，为了最大程度的提高非能动安全壳热量导出系统的排热能力，显著降低安全壳失效的安全风险，需要尽量强化冷却水在收集过程中的冷却效果。

申请人同期提出的专利申请“一种非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置”中，描述了液态水回收和冷却装置的结构，如图1所示。该装置位于安全壳外冷却水箱的上方，包括风力强化装置1、液态水收集和蒸发过滤装置以及风道3，所述的风力强化装置1设置在风道3的顶端，液态水收集和蒸发过滤装置设置在风道3内部，在风道3的底部设置引风口4。所述的液态水收集和蒸发过滤装置位于安全壳热量导出系统的热水排出口2和水箱注水口11之间，其结构包括液态水收集板7和螺旋式液膜蒸发冷凝板8，所述螺旋式液膜蒸发冷凝板8呈螺旋式下降结构，螺旋式液膜蒸发冷凝板8的底端与多孔过滤集水板10连接，所述多孔过滤集水板10连接水箱注水口11。该装置中的螺旋式液膜蒸发冷凝板8的结构决定了水的蒸发和冷凝效果，对非能动安全壳热量导出系统的性能具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对核电站安全设计的需要，提供一种用于非能动安全壳热量导出系统的液态水收集和冷却装置的液膜蒸发冷却板。在核电站发生存在安全壳内升温升压现象的事故工况（包括设计基准事故和严重事故）时，作为液态水收集和冷却装置的重要核心部件，为非能动安全壳热量导出系统提供温度尽量低的回水，确保其安全功能的高效表现，进而将安全壳压力和温度降低至可接受的水平，以保持安全壳的完整性。

本发明的技术方案如下：一种液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板，包括顺次层叠设置的多孔蒸发板、过滤渗流板和集水槽底板，在所述的多孔蒸发板和过滤渗流板之间设有若干毛细扰流柱，过滤渗流板和集水槽底板之间形成集水槽流道。

进一步，如上所述的液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板，其中，在所述的多孔蒸发板的上表面设有用于对液膜产生扰动作用的若干扰流颗粒。

进一步，如上所述的液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板，其中，所述的多孔蒸发板和过滤渗流板均采用同时具有渗透过滤和涵蓄水源功能的多孔材料。

更进一步，所述多孔蒸发板的渗透率高于所述过滤渗流板的渗透率。

进一步，如上所述的液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板，其中，所述毛细扰流柱的设计高度根据过滤渗流板上表面的液膜厚度确定，在1-3cm之间，毛细扰流柱的间距在0.5-2cm之间。

进一步，如上所述的液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板，其中，所述的扰流颗粒的设计高度根据多孔蒸发板上表面的液膜厚度确定，在1-2mm之间，扰流颗粒的间距在0.5-2cm之间。

本发明的有益效果如下：（1）液态水收集和冷却装置的液膜蒸发冷却板，其多孔蒸发板和过滤渗流板层叠排列，形成两个蒸发表面，大幅度扩展了蒸发面积；（2）多孔蒸发板与过滤渗流板均为多孔材料，同时具有渗透过滤和涵蓄水源的功能，通过合理设计其亲水性特征和空隙率，能够既实现多孔蒸发板本身上表面液膜的持续流动，而不发生枯竭，又可以实现向下层的适度渗透，此外位于多孔蒸发板和过滤渗流板之间的毛细扰流柱，可以利用毛细作用，起到平衡上下两层多孔介质板含水量的功能，实现液膜蒸发冷却板（含上下两层蒸发表面）综合蒸发效率的最大化；（3）毛细扰流柱，以及多孔蒸发板上表面密集布置的若干扰流颗粒，可以对液膜产生明显的扰动作用，促进蒸发效率的提高。以上所有对蒸发作用的促进效果，可以大大提高一种用于非能动安全壳热量导出系统的液态水收集和冷却装置的蒸发冷却速率，从而降低回水温度，进而提高非能动安全壳热量导出系统的排热能力。

附图说明

图1为液态水回收和冷却装置的结构示意图；

图2为本发明液膜蒸发冷却板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所提供的液膜蒸发冷却板应用于非能动安全壳热量导出系统的液态水回收和冷却装置中。非能动安全壳热量导出系统包括设置在安全壳内部的换热器和设置在安全壳外部的水箱，换热器和水箱通过上升管段和下降管段连接。利用布置于安全壳内的换热器，通过换热器的换热管外壁面的冷凝和对流传热，将安全壳内高温湿空气的热量带出，借助自然循环驱动力（下降管段与上升管段间的密度差），将被加热的管内冷却水排向安全壳外，产生的高温冷却水，一部分以蒸汽形式散往大气，另一部分以液态水的形式被重新收集。

液态水回收和冷却装置设置在安全壳外部的水箱6的上方，其结构如图1所示，包括风力强化装置1、液态水收集和蒸发过滤装置以及风道3，所述的风力强化装置1设置在风道3的顶端，液态水收集和蒸发过滤装置设置在风道3内部，在风道3的底部设置引风口4，风道3内侧沿圆周方向还可以布置若干个二次流搅混翼9。所述的液态水收集和蒸发过滤装置位于换热器上升管段5的热水排出口2和水箱注水口11之间，其结构包括液态水收集板7和螺旋式液膜蒸发冷凝板8，所述螺旋式液膜蒸发冷凝板8呈螺旋式下降结构，螺旋式液膜蒸发冷凝板8的底端与多孔过滤集水板10连接，所述多孔过滤集水板10连接水箱注水口11。图中12为水箱中液面的位置。被加热的高温冷却水喷向液态水收集板7，液态水收集板7被设计成圆弧形，使得在实现有效的汽水分离功能的同时，液态水流向螺旋式液膜蒸发冷凝板8的顶部，随着冷凝板的斜面，水流螺旋下降，并展开成为液膜，在逆向流动且扰动强烈的风场中，蒸发作用明显，并同时得到明显的降温，低温的水流在螺旋式液膜蒸发冷凝板8的底部聚集，通过多孔过滤集水板10，最终进入水箱注水口11。

在液态水回收和冷却装置的收集过程中，高温冷却水会得到明显的冷却（降温20-40度），从而以较低温度的汇入水箱6。水箱6的布置位置高于换热器，水箱6底部通过下降管段与换热器入口相连，可在重力作用下将冷却剂源源不断的注入换热器，以完成持续的系统带热循环。

本发明所提供的液膜蒸发冷却板就是应用于如上所述的螺旋式液膜蒸发冷凝板8上，其结构如图2所示，包括顺次层叠设置的多孔蒸发板14、过滤渗流板16和集水槽底板17，在所述的多孔蒸发板14和过滤渗流板16之间设有若干毛细扰流柱15，过滤渗流板16和集水槽底板17之间形成集水槽流道18。

毛细扰流柱15位于多孔蒸发板14和过滤渗流板16之间，起到平衡上下两层多孔介质板含水量的作用，实现液膜蒸发冷却板的综合蒸发效率的最大化，同时也对过滤渗流板16上表面流过的液膜产生扰动作用，促进蒸发效率的提高。毛细扰流柱15可以用亲水纤维缠绕编制而成，毛细扰流柱15的设计值与过滤渗流板16上表面的液膜厚度有关，以1-2mm厚度的液膜为例，毛细扰流柱15的典型高度在1-3cm之间，间距在0.5-2cm之间。

所述的多孔蒸发板14表面密集布置了若干扰流颗粒13，在液膜通过多孔蒸发板14上表面时，对液膜产生扰动作用，促进蒸发效率的提高。扰流颗粒13的典型取值取决于液膜厚度，以1-2mm厚度的液膜为例，其典型高度在1-2mm之间，间距在0.5-2cm之间。

所述的多孔蒸发板14与过滤渗流板16均为多孔材料，同时具有渗透过滤和涵蓄水源的功能，其亲水性特征和空隙率的综合搭配效果，既可以实现多孔板本身上表面液膜的持续流动，而不枯竭，又可以实现向下层的适度渗透。材料的选择与液膜蒸发冷却板的设计安装倾角、名义流量和设计蒸发率有关。一般而言多孔蒸发板14比过滤渗流板16更易渗透，空隙率更高。多孔蒸发板14和过滤渗流板16均可采用选择金属类或非金属类的材质，金属类可选用金属铝泡沫多孔材料，非金属类可选用陶瓷多孔材料、石墨多孔介质材料等。

液膜蒸发冷却板上表面收集到液态的高温冷却水后，一方面水流在重力作用下沿多孔蒸发板14上表面扩展，形成液膜，并向下方持续流动，流动过程中不断蒸发降温，另一方面会有一部分水沿缝隙进入和贯穿多孔蒸发板14，进而滴落至更下层的过滤渗流板。类似的，过滤渗流板16表面形成液膜并向下持续流动，蒸发降温的同时，一部分冷却水进一步渗透，到达集水槽流道18内，并最终流向底部的非能动安全壳热量导出系统水箱的注入口。上下两层多孔冷却板（多孔蒸发板14和过滤渗流板16）上表面的液膜在流动过程中，持续受到扰流颗粒或毛细扰流柱的影响，被激发出更多的波纹，从而使得蒸发速率更加强化，此外毛细扰流柱也起到上下两层多孔冷却板含水量的自动平衡调节作用，使得上下两层液膜的水量更为均衡，以此实现综合蒸发速率的最大化。

借助本发明提供的液态水收集和冷却装置的液膜蒸发冷却板的过滤、回收、冷却，最终向非能动安全壳热量导出系统的水箱中汇入降温效果明显的低温冷却水，成为非能动安全壳热量导出系统良好的后续水源，进而促使非能动安全壳热量导出系统更好的实现对安全壳降温降压的安全功能，确保核电厂事故后的安全性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板，其特征在于：包括顺次层叠设置的多孔蒸发板（14）、过滤渗流板（16）和集水槽底板（17），在所述的多孔蒸发板（14）和过滤渗流板（16）之间设有若干毛细扰流柱（15），过滤渗流板（16）和集水槽底板（17）之间形成集水槽流道（18）。

2.如权利要求1所述的液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板，其特征在于：在所述的多孔蒸发板（14）的上表面设有用于对液膜产生扰动作用的若干扰流颗粒（13）。

3.如权利要求1或2所述的液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板，其特征在于：所述的多孔蒸发板（14）和过滤渗流板（16）均采用同时具有渗透过滤和涵蓄水源功能的多孔材料。

4.如权利要求3所述的液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板，其特征在于：所述多孔蒸发板（14）的渗透率高于所述过滤渗流板（16）的渗透率。

5.如权利要求1所述的液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板，其特征在于：所述毛细扰流柱（15）的设计高度根据过滤渗流板（16）上表面的液膜厚度确定，在1-3cm之间，毛细扰流柱（15）的间距在0.5-2cm之间。

6.如权利要求2所述的液态水回收和冷却装置的液膜蒸发冷却板，其特征在于：所述的扰流颗粒（13）的设计高度根据多孔蒸发板（14）上表面的液膜厚度确定，在1-2mm之间，扰流颗粒（13）的间距在0.5-2cm之间。