CN104344758A - 一种螺旋流式防沉积倒u型管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，包括筒状倒U型管管壁及其内部设置的螺旋折流板，螺旋折流板的螺旋面通过与倒U型管中心线垂直正交、其长度为倒U型管半径的直线段做螺旋运动而形成，螺旋折流板的外边缘与倒U型管内壁相接，螺旋折流板的螺旋角为20°-50°。增加螺旋折流板，这样流体由原来的直线流动变成连续的螺旋状流动，以螺旋流的方式冲刷传热管束，防止颗粒物沉积于管壁。该倒U型管具有结构简单，方便拆装的特点，可有效提高蒸汽发生器U型管的经济性及安全可靠性。

Description

一种螺旋流式防沉积倒U型管

技术领域

本发明涉及机械设备和核能领域，涉及到蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管。

背景技术

核电站是利用核裂变或核聚变反应所释放的能量产生电能的发电厂。核电站的内部它通常由一回路系统和二回路系统组成。反应堆是核电站的核心。反应堆工作时放出的热能，由一回路系统的冷却剂带出，用以产生蒸汽。因此，整个一回路系统被称为“核供汽系统”，它相当于火电厂的锅炉系统。由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统，与火电厂的汽轮发电机系统基本相同。

自从核电站问世以来，在工业上成熟的发电堆主要有以下三种：轻水堆、重水堆和石墨汽冷堆。它们相应地被用到三种不同的核电站中，形成了现代核发电的主体。

目前，热中子堆中的大多数是用轻水慢化和冷却的所谓轻水堆。轻水堆又分为压水堆和沸水堆。现以压水堆为例说明蒸汽发生器的作用。

压水堆核电站的一回路系统与二回路系统完全隔开，它是一个密闭的循环系统。该核电站的原理流程为：主泵将高压冷却剂送入反应堆，一般冷却剂保持在120～160个大气压。在高压情况下，冷却剂的温度即使300℃多也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管，把热量传给管外的二回路水，使水沸腾产生蒸汽；冷却剂流经蒸汽发生器后，再由主泵送入反应堆，这样往复循环，不断地把反应堆中的热量带出并转换产生蒸汽。从蒸汽发生器出来的高温高压蒸汽，推动汽轮发电机组发电。做过功的废汽在冷凝器中凝结成水，再由凝结给水泵送入加热器，重新加热后送回蒸汽发生器。这就是二回路循环系统。

由此可见，蒸汽发生器是连接一、二回路的重要设备，被称为一、二回路的枢纽。蒸汽发生器能否安全、可靠地运行对整个核动力装置的经济性和安全可靠性有着十分重要的影响。而所谓的蒸汽发生器中的传热管则为整齐排列的倒U型管束，倒U型管束是蒸汽发生器最重要的换热组件，由堆芯流出的高温冷却剂经由倒U型管束与管外的水进行换热后再流回堆芯，不断循环往复，进行热传递，倒U型管束换热能力的好坏决定了蒸汽发生器换热能力的大小。

然而在反应堆运行时，由于燃料棒、堆内构件等部件会受高压过冷冷却剂的腐蚀冲刷、磨蚀-腐蚀、FAC（管道流体加速腐蚀）效应的影响，会产生许多细小的颗粒物。这些颗粒物会随冷却剂进入蒸汽发生器，附着在倒U型管内壁上，相当于在传热过程中增加了一层传热热阻，降低传热效率，影响了核动力装置的经济性。同时又因为颗粒物的附着，导致倒U型管内冷却剂的流量分配不均衡，引起管束振动，恶劣的情况下会影响核动力装置的安全性及可靠性。

目前国内主要的防沉积措施主要有机械式、通电式、袋式、湿式等。但由于倒U型管壁薄，管径小，对上述措施的实施均有限制，目前国内的大型核电站如秦山二期核电站、大亚湾核电站和岭奥核电站中对流经倒U型管的冷却剂中的颗粒物均无良好的防沉积效果。

目前，尚未有对作为核心部件的倒U型管结构进行改进的报道，这是由于倒U型管壁薄、管径小，对防沉积方式有进一步的限制。

如能对通过对倒U型管结构进行合理设计并选用适当的材料，可能会开发出具有良好的防沉积效果的倒U型管，以获得更好的经济性和安全可靠性。

发明内容

为了解决一回路系统中颗粒物的在倒U型管中的附着而引起的安全可靠性降低及核动力装置经济性下降的问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：通过在倒U型管中设置螺旋折流板，对一回路冷却剂产生良好的导向作用，改变一回路冷却剂的流动方式，由直线流动变成连续的螺旋状流动，由于换热器折流板壳程中的一回路冷却剂呈螺旋式的柱塞流动方式，在壳程横截面径向产生速度梯度，由于蒸汽发生器中的每根倒U型管换热管都置于作为换热介质的一回路冷却剂的旋涡中，提高了一回路冷却剂的流体径向湍流程度，有利于冲刷壳程内的颗粒物及沉淀物，有效防止颗粒物沉积于倒U型管管壁上，从而完成本发明。

本发明的目的在于提供如下技术方案。

第一方面，本发明提供蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于：该倒U型管包括：筒状倒U型管管壁及其内部设置的螺旋折流板，

其中，螺旋折流板的螺旋面通过与倒U型管中心线垂直正交、其长度为倒U型管半径的直线段做下述螺旋运动而形成：所述直线在沿所述倒U型管中心线方向作等速移动的同时，又绕所述倒U型管中心线作等角速的旋转运动，

即，螺旋折流板的螺旋面为阿基米德螺旋面，螺旋折流板的外边缘与倒U型管内壁相接，螺旋折流板的螺旋角为20°-50°，

其中，倒U型管内部流通一回路冷却剂，倒U型管外流过二回路冷却剂。

第二方面，本发明提供上述蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于，螺旋折流板的螺旋角为30°-40°。

第三方面，本发明提供上述蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于，所述的倒U型管管壁与螺旋折流板均由inconel合金制成。

第四方面，本发明提供上述蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于，所述的倒U型管管壁与螺旋折流板均由inconel690合金制成。

第五方面，本发明提供上述蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于，螺旋折流板的厚度为1mm-1.5mm。

第六方面，本发明提供上述蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于，螺旋折流板的厚度为约1.2mm。

第七方面，本发明提供上述蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于，倒U型管外径为17mm-22mm，倒U型管管壁的外径为壁厚为1mm-2mm。

根据本发明提供的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管具有以下优点：

（1）螺旋折流板对一回路冷却剂有很好的导向作用，改变冷却剂的流动方式，由直线流动变成连续的螺旋状流动，由于换热器壳程中的介质呈螺旋式的柱塞流动方式，在壳程横截面径向产生速度梯度，将每根换热管都置于换热介质旋涡中，提高了流体的径向湍流程度，有利于冲刷壳程内的颗粒物及沉淀物，防止颗粒物沉积于管壁，从而保证传热效率及冷却剂流量分配均衡，增加核动力装置的经济性及安全性。

（2）根据本发明提供的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管能有效避免传统防沉积措施的不足，对管壁薄、管径小的倒U型管同样适用。

（3）根据本发明提供的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管生产工艺简单，无需外界动力，可操作性强。

（4）根据本发明提供的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管结构简单，拆装方便。

附图说明

图1示出根据本发明优选实施方式的倒U型管整体结构示意图；

图2根据本发明提供的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管倒U型管截断示意图；

图3根据本发明提供的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管倒U型管截断剖面图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1-3中所示，提供蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，包括筒状倒U型管管壁1及其内部设置的螺旋折流板2，螺旋折流板2的螺旋面为阿基米德螺旋面。

在本文中，所用术语“阿基米德螺旋面”是指螺旋折流板的螺旋面通过与倒U型管中心线垂直正交、其长度为倒U型管半径的直线段做下述螺旋运动而形成。

在本文中，所用术语“螺旋运动”是指与倒U型管中心线垂直正交、其长度为倒U型管半径的直线段在沿所述倒U型管中心线方向作等速移动的同时，又绕所述倒U型管中心线作等角速的旋转运动。

在本文中，所用术语“螺旋折流板的径向尺寸”是指做螺旋运动的直线段的长度。

在根据本发明的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管中，所述倒U型管的管壁1是核电反应器中一回路冷却剂和二回路冷却剂的传热界面，倒U型管内流通一回路冷却剂，倒U型管外流通二回路冷却剂。其中，一回路冷却剂通过对流换热将热量传到倒U型管壁面内侧，然后经过管壁内的导热传到壁面外侧，最后通过对流换热将热量传给二回路冷却剂。

在根据本发明的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管中，螺旋折流板2的外边缘与倒U型管内壁相接，螺旋折流板2的螺旋角为20°-50°，优选为30°-40°。当螺旋折流板2的螺旋角在上述范围内时，能有效防止颗粒物在倒U型管上沉积。当螺旋折流板2的螺旋角大于50°时，由于其中作为流动介质的一回路冷却剂的螺旋状流动不强，防止颗粒物沉积效果劣化，反之，当螺旋折流板2的螺旋角小于20°时，由于螺旋流道过长，作为流动介质的一回路冷却剂的速度梯度不足，导致防止颗粒物沉积效果不足。

特别地，当螺旋折流板2的螺旋角为30°-40°时，能获得非常优异的防沉积效果。

图2为图1中部分透明管段放大图，如图2所示，一回路冷却剂沿着螺旋折流板盘旋上升（或下降）流过倒U型管。一回路冷却剂以螺旋流的方式冲刷倒U型管内壁，防止颗粒物在管壁沉积。从而减少了由颗粒物构成的传热热阻，进而提高传热性能。此外，光滑的U型管内壁使冷却剂流量分配趋于均衡，从而增加了核动力装置的安全性、可靠性。

在根据本发明的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管中，本发明人经研究发现，倒U型管管壁1与螺旋折流板2优选由inconel合金制成，特别优选由inconel690合金制成，该合金具有显著的抗氧化能力及高温氧气中抗氧化性。

在根据本发明的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管中，为了确保防沉积效果，同时确保传热效率，螺旋折流板2的厚度优选为1mm-1.5mm，更优选为约1.2mm。当螺旋折流板的厚度在此范围内时，一方面能改善传热效率和防沉积效果，另一方面能保证其使用寿命。

在根据本发明的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管中，为了确保传热效率，在优选的实施方案中，倒U型管外径为17mm-22mm，优选18-20mm，倒U型管管壁的外径为壁厚为1mm-2mm，优选约1.5mm。

实施例

以下通过具体实例进一步描述本发明。

实施例1

如图1-3所示，生产蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其中管壁和螺旋折流板均由inconel690合金制成，管壁厚1.5mm，倒U型管外径为20mm，螺旋折流板的螺旋面为阿基米德正螺旋面，厚度为1.2mm，螺旋角为35°，螺旋折流板的径向尺寸与倒U型管内径相同，螺旋折流板的外缘与管壁相接。

与未加螺旋折流板的U型管相比，防沉积效果提升10%，传热效果提升10%。

实施例2

生产与实施例1类似的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其中管壁厚1mm，倒U型管外径为17mm，螺旋折流板厚度为1mm，螺旋角为50°。

与未加螺旋折流板的U型管相比，防沉积效果提升15%，传热效果提升15%。

实施例3

生产与实施例1类似的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其中管壁厚1.5mm，倒U型管外径为20mm，螺旋折流板厚度为1.5mm，螺旋角为70°。

与未加螺旋折流板的U型管相比，防沉积效果提升15%，传热效果提升17%。

对比例1

生产与实施例1类似的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，区别仅在于螺旋折流板的螺旋角为70°。

与未加螺旋折流板的U型管相比，防沉积效果提升5%，传热效果提升12%。

对比例2

生产与实施例1类似的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，区别仅在于螺旋折流板的径向尺寸为12mm。

与未加螺旋折流板的U型管相比，防沉积效果提升8%，传热效果提升10%。

对比例3

生产与实施例1类似的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，区别仅在于螺旋折流板的径向尺寸为7mm。

与未加螺旋折流板的U型管相比，防沉积效果提升7%，传热效果提升8%。

以上接合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于：该倒U型管包括：筒状倒U型管管壁（1）及其内部设置的螺旋折流板（2），

其中，螺旋折流板（2）的螺旋面通过与倒U型管中心线垂直正交、其长度为倒U型管半径的直线段做下述螺旋运动而形成：所述直线在沿所述倒U型管中心线方向作等速移动的同时，又绕所述倒U型管中心线作等角速的旋转运动，

即，螺旋折流板（2）的螺旋面为阿基米德螺旋面，螺旋折流板（2）的外边缘与倒U型管内壁相接，螺旋折流板（2）的螺旋角为20°-50°，

其中，倒U型管内部流通一回路冷却剂，倒U型管外流过二回路冷却剂。

2.根据权利要求1所述的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于，螺旋折流板（2）的螺旋角为30°-40°。

3.根据权利要求1所述的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于，所述的倒U型管管壁（1）与螺旋折流板（2）均由inconel合金制成。

4.根据权利要求1所述的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于，所述的倒U型管管壁（1）与螺旋折流板（2）均由inconel690合金制成。

5.根据权利要求1所述的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于，螺旋折流板（2）的厚度为1mm-1.5mm。

6.根据权利要求1所述的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于，螺旋折流板（2）的厚度为约1.2mm。

7.根据权利要求1所述的蒸汽发生器用螺旋流式防沉积倒U型管，其特征在于，倒U型管外径为17mm-22mm，倒U型管管壁（1）的外径为壁厚为1mm-2mm。