CN106251917B - 一种管式非能动空气冷却系统外部灾害防护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种管式非能动空气冷却系统的外部灾害防护装置，该装置由入口防护装置和出口防护装置组成。出口防护装置安装在管道出口顶端，包括两个内凹形导流板，两个联动转动风扇以及相关的连接和固定结构。上述出口结构类似空气流动的收缩装置，流经上部风扇的空气流速在该装置内增大推动风扇转动，下部风扇在上部风扇的带动下可以对出口空气流动产生抽吸效应，降低出口处空气压强。入口防护装置安装在管道入口底端，包括一个向下凸起的圆盘，一个喇叭状导流板，以及相关的连接和固定机构。上述入口结构类似于空气流动的扩张装置，增大入口处空气压强。借助上述流体力学原理，增加了这类非能动系统出入口的空气压力差，提高了系统的排热能力。

Description

一种管式非能动空气冷却系统外部灾害防护装置

技术领域

本发明涉及一种灾害防护装置，特别是一种管式非能动空气冷却系统外部灾害防护装置。

背景技术

采用空气作为工质的管式空气冷却系统，由于结构简单造价低廉广泛用于各种工业中。尤其是非能动设计的管式空气冷却系统，由于系统设计简单、运行成本低、适用范围广泛等特点，尤其是其运行不需额外的动力源，被大量用于执行各种复杂系统丧失动力源条件下的应急冷却功能，在核工业、能源工业、化工业均有大量常见案例。如目前正处于设计研发阶段的铅冷快堆，采用了管式空气自然循环系统冷却反应堆容器的设计。

管式非能动空气冷却系统一般由入口管道、冷却段、出口管道、烟囱等组成，是一种运行在大气环境中的开放式系统。由于管式非能动空气冷却系统可能受到多种复杂的外界环境影响，其烟囱效应的强度主要受室内外温差以及室内外压差的影响，在通风条件不好，外部气象条件不稳定时，尤其是在超强台风等极端气象条件造成的复杂空气流场内，系统受外部损害及性能稳定性的问题需解决，系统冷却效果会受到不同程度的影响。

对于核反应堆设计中采用管式空气冷却系统作为非能动余热排出系统的情况，这种系统的可靠性和稳定性要求尤其严格，系统性能关系到核反应堆堆芯余热是否能够顺利导出。如果丧失外部电源时，非能动系统失效或性能严重降低，将导致核反应堆余热累积，严重时会造成堆芯熔毁，放射性物质泄漏等。目前这类管式非能动余热排出系统的设计，普遍存在的一个缺陷是：应对外部极端气象灾害的能力较薄弱，特别是狂风等灾害，易引发丧失电网等次生灾害，因此对用于移除核反应堆余热的管式非能动空气冷却系统的性能要求极高。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：本发明针对上述缺陷，不增加系统能动装置的前提下，利用流体力学中不同空气流场下的压力变化提高管式非能动空气冷却系统的灾害防御能力。根据伯努利原理，本发明能提高非能动余热排出系统在大风环境中的工作能力；同时本发明能防止出口受到雨雪的侵蚀；入口防护装置提高了入口的面积，减小了入口阻塞的概率。

本发明采用的技术方案为：一种管式非能动空气冷却系统外部灾害防护装置，由入口防护装置和出口防护装置两部分组成；

所述的入口防护装置由两块水平的圆盘形入口防护装置导流板组成，两块入口防护装置导流板为上方的入口防护装置导流板和下方的入口防护装置导流板，两块入口防护装置导流板由刚性结构连接，上方的入口防护装置导流板与入口相接处上凸；上方入口防护装置导流板与入口相接处的旋转接口为可转动结构连接，保证入口防护装置导流板的水平；

所述的出口防护装置由两块球冠形的出口防护装置导流板和两个风扇组成，两块出口防护装置导流板为上部球冠形出口防护装置导流板和下部球冠形出口防护装置导流板，两块出口防护装置导流板由刚性结构连接，下部球冠形出口防护装置导流板与烟囱出口之间由刚性结构镂空连接；两个风扇分别为下方风扇和上方风扇，两个风扇之间由风扇连接轴连接，上方风扇在风的作用下单向转动，上方风扇牵引下方风扇的转动。

其中，两块入口防护装置导流板由细棒连接，入口防护装置可绕旋转接口处的连接轴实现偏离垂直方向30度夹角内的转动。

其中，两块球冠形的出口防护装置导流板为两个内凹形导流板，出口防护装置包含两个同轴连接俯视顺时针转动风扇，且下方风扇扇叶设计可增强空气沿烟囱出口向上流动的抽吸作用。

本发明与现有相比的优点在于：

(1)本发明由入口防护装置和出口防护装置两部分构成，可防护的外部灾害类型更多，因此本发明适用范围更广。

(2)本发明的出口防护装置设计了两种增强空气非能动循环的加强型方案，在空气导流板和两个同轴风扇的协同作用下，出口防护装置达到增强非能动循环最佳的效果，使得该装置的排热能力及运行可靠性优于已有方案。

(3)本发明的入口防护装置包含可转动连接点，根据不同的安装施工需求可调整入口装置导流板的倾角并固定，该设计可使本发明易于施工安装，便于推广使用。

附图说明

图1为铅基反应堆非能动余热排出系统示意图，其中，1为堆芯；2为铅铋冷池；3为铅铋热池；4为主换热器；5为主容器；6为安全容器；7为热空气上升通道；8为圆柱形热隔离层；9为冷空气下降通道；10为堆坑；11为烟囱；12为包容体；

图2为入口装置剖面图，其中，21为旋转接口，22为入口防护装置导流板；

图3为出口装置剖面图，其中，31为风扇连接轴，32为连接棒，33为烟囱出口，34为下方风扇，35为上方风扇，36为出口防护装置导流板。

具体实施方式

为了更加清楚的讲述本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述管道式非能动空气冷却系统，以铅基反应堆余热排出系统的设计为实施例介绍。

铅基反应堆余热排出系统由安全容器、圆柱形隔离层、热空气上升管道、冷空气下降通道、混凝土内侧热隔离层、地坑和包容体外的烟囱等组成。该事故余热排出系统的排热机理是：主容器的热传导、主容器向安全容器的热辐射、安全容器的热传导、安全容器向热空气管道和圆柱形隔热层的热辐射、空气管道内的对流换热、空气自然对流排出热量。热空气上升管道、冷空气下降管道、冷热空气管道热隔离层、热空气出口外接烟囱通道等组成。该系统的排热机理是：待冷却物体边界向热空气管道和圆柱形隔热层的热辐射、空气管道内的对流换热、空气自然对流排出热量。

如图1所示，铅基反应堆非能动余热排出系统包括：堆芯1、铅铋冷池2、铅铋热池3、主换热器4、主容器5、安全容器6、热空气上升通道7、圆柱形热隔离层8、冷空气下降通道9、堆坑10、烟囱11和包容体12。连接关系：堆芯1在主容器5的中下部，堆芯1的上部为铅铋冷池2，下部为铅铋热池3。安全容器6套在主容器5外部，圆柱形热隔离层7套在安全容器6外部，安全容器6、热空气上升通道7、圆柱形热隔离层8都位于堆坑10中。热空气上升通道7位于安全容器6与圆柱形热隔离层7之间，冷空气下降通道9位于圆柱形热隔离层8与堆坑10之间。

所述铅基反应堆非能动余热排出系统总共有四个空气入口和四个空气出口，空气出入口在没有防护装置的保护下，容易受到雨雪的侵蚀，导致U型管中有积水，阻隔冷空气下降通道与热空气上升通道，引起整个系统的失效。非能动系统的驱动力为自然力，与阻力在数量级上相近，大风环境中的非能动余热排出系统工作状态会处于波动状态，容易引起系统的失效。另外，空气出入口有被杂物堵住的风险。

考虑到在狂风等极端气象条件下，非能动余热排出系统所处空气流场复杂，往往导致系统排热能力降低的实际问题，因此在本发明的构思中，分别在系统进气管道入口和烟囱顶端的出口处，设置了特定结构的风道装置来解决此问题。图2和图3是按照本发明一个优选实施例的入口和出口灾害防护装置的结构示意图，将上述两个装置，分别安置在图1所述系统空气管道下方入口处和烟囱管道出口处。入口灾害防护装置包括旋转接口21和入口防护装置导流板22，其中：旋转接口21的转轴采用可实现偏离垂直方向30度夹角内的转动；导流板22由上下两块圆盘形导流板连接而成，下部导流板中心处为球面，球面中心与旋转接口中心一致。出口灾害防护装置包括风扇连接轴31，连接棒32，烟囱出口33，下方风扇34，上方风扇35和出口防护装置导流板36，其中：风扇连接轴31与导流板使用低摩擦单向滚动轴承连接，保证上方风扇35沿俯视顺时针方向转动；导流板36中心处为上下两个平行平面，导流板边缘处剖面为喇叭状；下方风扇34扇叶沿俯视顺时针方向转动时，形成向上流动的空气流。入口防护装置和出口防护装置使用材料均为碳钢。

当外部气流进入出口防护装置时，由于该装置中心狭窄、外周扩张状的结构设计，亚音速气体在该类型空间结构内会沿流动正方向会逐渐加速，随着空气流速的增大，推动该装置单向转动抽风风扇上部扇叶的转动。由于风扇上部和下部扇叶为同轴固定连接，上部扇叶带动下部扇叶同时逆向转动，在烟囱出口处形成负压，起到增强烟囱效应的效果。

按照以上构思，当任意方向的空气气流通过出口圆盘状结构装置时，都会流过高逐渐收缩的空间，气流被加速，然后在烟囱出口位置的圆盘中心凹陷区域形成负风压，减小该位置处的气体压强，对烟囱内部气体起到抽吸作用。这种对称式的结构设计，使得各方向的气流均能流入出口装置，对于极端气候条件下空气流场特别复杂的情况尤其适用，而且便于实际安装和使用。

对于入口防护装置，由于该圆盘形装置中心区域凸起，外部气流进入该装置内时，首先流经水平段，进入中心区域时由于结构空间的增加，气流会迅速减速，气体压强将随之迅速增加，在该装置中心区域形成一个压力峰。这种设计会导致系统的入口处空气压力高于环境压力，进一步增大管式非能动空气冷却系统出入口的空气压力差，增强烟囱效应效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的某一具体实施例而已，并不用以限制本发明。任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，基于本发明所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种管式非能动空气冷却系统外部灾害防护装置，其特征在于：由入口防护装置和出口防护装置两部分组成；

所述的入口防护装置由两块水平的圆盘形入口防护装置导流板(22)组成，两块入口防护装置导流板(22)为上方的入口防护装置导流板和下方的入口防护装置导流板，两块入口防护装置导流板(22)由刚性结构连接，上方的入口防护装置导流板(22)与入口相接处上凸；上方入口防护装置导流板(22)与入口相接处的旋转接口(21)为可转动结构连接，保证入口防护装置导流板(22)的水平；

所述的出口防护装置由两块球冠形的出口防护装置导流板(36)和两个风扇(34、35)组成，两块出口防护装置导流板(36)为上部球冠形出口防护装置导流板和下部球冠形出口防护装置导流板，两块出口防护装置导流板(36)由刚性结构连接，下部球冠形出口防护装置导流板(36)与烟囱出口(33)之间由刚性结构镂空连接；两个风扇(34、35)分别为下方风扇和上方风扇，两个风扇(34、35)之间由风扇连接轴(31)连接，上方风扇在风的作用下单向转动，上方风扇牵引下方风扇的转动；

两块入口防护装置导流板由细棒连接，入口防护装置可绕旋转接口(21)处的连接轴实现偏离垂直方向30度夹角内的转动；

两块球冠形的出口防护装置导流板为两个内凹形导流板，出口防护装置包含同轴连接俯视顺时针转动两个风扇(34、35)，且下方风扇(34)扇叶设计可增强空气沿烟囱出口(33)向上流动的抽吸作用。