CN107660306B - 被动自然循环冷却系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种根据本发明的被动自然循环冷却系统，该被动自然循环冷却系统可包括：被动冷凝储箱，该被动冷凝储箱形成为将冷却水接纳在其中；以及冷凝水再循环装置，该冷凝水再循环装置设置在被动冷凝储箱的内部部分或上部部分处，并且冷凝冷却水，以使得冷却水在被动冷凝储箱内部循环。该冷凝水再循环装置可包括导管和多个分隔器，该导管从被动冷凝储箱的上部部分向上延伸，而该多个分隔器设置在该被动冷凝储箱或导管内部。

Description

被动自然循环冷却系统和方法

技术领域

本发明涉及一种被动自然循环冷却系统以及使用该被动自然循环冷却系统的冷却方法，该被动自然循环冷却系统设置在被动冷凝储箱中。

背景技术

被动冷凝储箱用作散热器，以在包括一体反应器的各种反应器中出现事故的情形下去除反应器的热量(反应器的显热和反应器芯部的余热)。反应器的热量最终通过被动辅助给水系统传递至被动冷凝储箱。因此，被动冷凝储箱中的冷却水蒸发，且热量排放至环境。

被动辅助给水系统中的热交换器是水冷却型(韩国的SMART反应器、美国Westinghouse公司的AP1000)、空气冷却型(法国的SCOR)或以混合的方式具有水冷却和空气冷却的混合冷却型(日本的IMR)。

参照参考文献1来理解热交换器的冷却方法。

[参考文献1]IAEA-TECDOC-1624，水冷却核动力设备中的被动安全系统和自然循环，IAEA，2009

通常，水冷却热交换器的有利之处在于，借助该水冷却热交换器的优良冷却效率来减小该热交换器的容量。然而，在发生事故的情形下，被动冷凝储箱内部接收来自热交换器的热量的冷却水逐渐地蒸发并最终耗尽。因此，对于超出冷却水存储容量的长期冷却，被动冷凝储箱内部的冷却水必须定期地重新填注。

另一方面，空气冷却热交换器的有利之处在于，由于不存在被动冷凝储箱，而无需对冷却水进行定期重新填注，但空气冷却热交换器的冷却效率低于水冷却热交换器的冷却效率。空气冷却热交换器的效率取决于空气与之接触的管道壁表面的热传递效率。由于空气冷却热交换器在通过管道的壁表面将热量传递至外部(外部空气)的同时热传递效率降低，因而热交换器的尺寸和数量应增大。

此外，混合冷却型热交换器的热传递性能在以空气冷却方式操作时、与以水冷却方式相比显著地降低，且由此须使用相对较大的热交换器来替代水冷却热交换器。

为了冷却被动辅助给水系统的热交换器的内部，广泛地采用具有优良热传递效率的蒸汽冷凝型冷凝热交换器。由于被动辅助给水系统的热交换器通常在高温和高压下操作，因而设计压力极高。因此，须进一步考虑稳定性。当热交换器的尺寸增大时，经济效益显著地下降。

在反应器发生事故的情形下从反应器传递热量并非总是恒定的。不同于常用的锅炉，在反应器芯部关闭之后的相当长时间段，核反应器在芯部中产生余热。因此，当反应器由于事故或类似情况而关闭时，大量余热在事故的早期阶段从芯部排放出，且所排放的余热根据时间流逝而显著地减小。因此，从反应器传递至被动冷凝储箱的热量根据事故发生后的时间流逝而显著地减少。

相关技术的被动冷凝储箱考虑这些反应器的事故特征而设计，并且该被动冷凝储箱的上部部分向大气压力开通。当热量在发生事故情形下传递至被动冷凝储箱时，该被动冷凝储箱中已接收热量的冷却水在升温之后蒸发且然后该冷却水的相态改变为蒸汽。蒸汽然后通过被动冷凝储箱的开口部分排放至外部，以使得热负载由于气化热量而减小。

然而，相关技术结构具有如下问题：由于被动冷凝储箱的长期操作，该被动冷凝储箱中的冷却水逐渐减少且最终耗尽。此外，可通过定期地重新填注冷却水来延长冷却功能。然而，如果向被动冷凝储箱的通入口由于在发生事故的情形下放射性材料泄漏而失效，则被动冷凝储箱的重新填注实际上具有限制。

发明内容

本发明的一方面是提供一种被动自然循环冷却系统和使用该被动自然循环冷却系统的冷却方法，该被动自然循环冷却系统能够通过补偿由于被动冷凝储箱的容量限制而损失冷却功能的缺点、来长时间维持冷却功能。

本发明的另一方面是提供一种被动自然循环冷却系统和使用该被动自然循环冷却系统的冷却方法，即使发生基站停电或由于放射性材料泄漏而驾驶员无法进入的情形下，该被动自然循环冷却系统能够仅仅由自然驱动力操作而无需驾驶员(或操作者)的单独动作。

根据本发明的被动自然循环冷却系统可包括被动冷凝储箱和冷凝水再循环装置，该被动冷凝储箱构造成将冷却水接纳在其中，而该冷凝水再循环装置设置在该被动冷凝储箱中或之上并且构造成冷凝冷却水，以使得该冷却水在被动冷凝储箱内部循环。冷凝水再循环装置可包括导管和多个分隔器，该导管从被动冷凝储箱的上部部分向上延伸，而该多个分隔器设置在该被动冷凝储箱或导管中。

多个分隔器可包括第一分隔器，该第一分隔器从被动冷凝储箱的内壁的一个侧部朝向另一侧部以倾斜的方式向下延伸，以分别将下部和上部部分分隔成第一和第二空间。

在本发明的一个实施例中，多个分隔器可进一步包括第二和第三分隔器中的至少一个，该第二和第三分隔器中的至少一个沿着导管的纵向方向延伸，以使得沿着导管升起的蒸汽泄漏程度最低。

在一实施例中，第二和第三分隔器可彼此隔开。该第二分隔器可从第一分隔器向上延伸。第三分隔器可从导管的上部内壁向下延伸，以产生沿着第二分隔器升起的蒸汽的向下流动通路。

在一实施例中，第一分隔器可设有蒸汽收集引导管件。该蒸汽收集引导管件可延伸到第一分隔器的下部空间以及导管的由第二分隔器隔开的内部空间中。

在一实施例中，蒸汽收集引导管件进入第一分隔器的下部空间的插入长度可基于与预设水液位和压力相关的信息来确定。

在一示例性实施例中，该导管可在其中设有热交换器，以将导管内部的冷却水的热量传递至外部空气，且该热交换器可包括呈管束形式的外部空气流动通路，这些外部空气流动通路以穿透过导管的方式形成。

在一实施例中，在第一分隔器上方可设有排放阀和安全阀，该排放阀用于填注水，而该安全阀用于抑制被动冷凝储箱内预设范围或更高的压力升高。

在一实施例中，导管可设有形成在该导管上部侧部上的外部空气出口，且外部空气出口可在其中设有冷凝水收集结构，该冷凝水收集结构用于进一步收集冷凝水。

根据本发明的另一实施例的被动自然循环冷却系统可进一步包括热交换器，该热交换器安装在第一分隔器下方，以接收来自第一空间内的冷却水的热量。

在一实施例中，热交换器可包括入口、出口以及本体部分，该入口形成在第一分隔器上以允许第二空气中的冷却水引导通过该入口，该出口在与入口隔开的位置处形成在第一分隔器上，以允许通过入口引入的冷却水通过该出口流出，而该本体部分在第一分隔器的后表面上连接入口和出口，并且构造成使得经引入的冷却水在通过本体部分的同时、通过与第一空间内的冷却水交换热量而蒸发。

较佳地是，该出口可定位成高于第一分隔器上方的入口。

该本体部分可形成为从入口向出口向上倾斜。

该本体部分可包括多个管道，这些管道形成为管束以增大热交换面积。

入口和出口可分别设置成多个。该本体部分可包括多个第一管件、多个第二管件以及多个第三管件，第一管件各自具有连接于多个入口的每个的一个侧部和向下延伸的另一侧部，第二管件各自具有连接于多个第一管件的每个的另一侧部的一个侧部以及沿倾斜方向形成的另一侧部，而第三管件各自具有连接于多个第二管件的每个的另一侧部的一个侧部以及向上延伸以连接于多个出口的每个的另一侧部。

该本体部分可进一步包括第一连接部分和第二连接部分，该第一连接部分连接多个第一管件和多个第二管件，以使得从多个第一管件的每个引入的冷却水结合并且然后再次扩散到多个第二管件中，而该第二连接部分连接多个第二管件和多个第三管件，以使得从多个第二管件的每个引入的冷却水结合并且然后再次扩散到多个第三管件中。

第一交换器可设置成多个，且每个第一交换器的入口和出口的高度可在第一分隔器上按序地减小。

冷凝水再循环装置可进一步包括第二分隔器，该第二分隔器位于第一分隔器上方且与第一分隔器隔开，以冷凝从第二空间中冷却水蒸发的蒸汽和在热交换器中产生的蒸汽。

该第二分隔器能以倾斜的方式从被动冷凝储箱的一个侧部朝向另一侧部向下延伸。

第二分隔器可较佳地设有多个突部，这些突部以突出的方式形成在该第二分隔器的一个表面上，以增大热交换效率。

多个分隔件可形成在导管的内壁上，以诱使容纳在沿着导管上升的空气中的蒸汽冷凝。

导管的外壁可由这样的材料形成，该材料具有低太阳辐射吸收率、高反射率以及朝向周围空气的高发射率，以抑制导管内部的温度升高。

发明效果

根据具有前述结构的本发明，在多阶冷凝水再循环装置中，被动冷凝储箱中蒸发的蒸汽能在每个步骤中将热量传递至冷凝水再循环装置的部件之后冷凝，且形成流动通路以使得冷凝水在被动冷凝储箱内循环。这可导致从被动冷凝储箱泄漏出的蒸汽冷凝且再循环。因此，即使在被动冷凝储箱由于在发生反应器事故的情形下发生辐射泄漏而无法重新填注有冷却水时，该被动冷凝储箱能由自然驱动力操作，从而被动地收集经冷凝水并将冷却水重新填注到该被动冷凝储箱中，由此恒定地维持冷却水液位，而无需扩展被动冷凝储箱的容量。因此，甚至在长时间中断电力使用且发生各种反应器事故时，仍能维持被动冷凝储箱的冷却功能。

此外，根据本发明，通过长时间维持被动冷凝储箱的功能，能长时间去除从反射器发出的显热和余热。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的被动辅助给水系统的概念图。

图2是根据本发明的一个实施例的被动自然循环冷却系统的投影立体图。

图3是根据本发明的一个实施例的被动自然循环冷却系统的放大部分的投影立体图。

图4A和4B是根据本发明的另一实施例的热交换器的视图。

图5A至5C是说明根据本发明一个实施例的根据冷却水液位操作的热交换器的视图。

图6是说明根据本发明的一个实施例的被动自然循环冷却系统和安全壳的概念图。

图7A至7E是按序地说明冷却根据本发明的被动自然循环冷却系统的方法的概念图。

图8是根据本发明的另一个实施例的被动自然循环冷却系统的投影立体图。

图9A至9B是按序地说明冷却根据本发明另一实施例的被动自然循环冷却系统的方法的概念图。

图10是根据第一详细实施例的被动自然循环冷却系统的视图。

图11A和11B是根据第二详细实施例的被动自然循环冷却系统的视图。

图12A和12B是根据第三详细实施例的被动自然循环冷却系统的视图。

具体实施方式

之后，将参考附图更详细地给出对根据本发明的被动自然循环冷却系统及其冷却方法的描述。为了参照附图进行简单描述，相同或等效的部件将用相同的附图标记表示，并且其描述不再予以重复。这里使用的单数表示可包括复数表示，除非它表示与上下文确定不同的含义。

此外，冷却水指代液态，但也可在一些情形中用来指代蒸汽。

在描述根据本发明的被动自然循环冷却系统之前，将首先描述相关联的被动辅助给水系统。

图1是根据本发明的被动辅助给水系统的概念图。该被动辅助给水系统构造成甚至在发生反应器事故的情形下将反应器关闭之后、去除在反应器芯部(未示出)中持续地产生的余热。

之后，将详细地描述被动辅助给水系统的各部件以及它们的功能。

被动辅助给水系统包括蒸汽发生器10、冷凝热交换器入口连接管件31、冷凝热交换器出口连接管件41以及冷凝热交换器20，该蒸汽发生器连接于主蒸汽管件30和主给水管件40，该冷凝热交换器入口连接管连接于主蒸汽管件30，该冷凝热交换器出口连接管件连接于主给水管件40，而该冷凝热交换器连接于冷凝热交换器入口连接管件31和冷凝热交换器出口连接管件41。

蒸汽发生器10连接于反应器(未示出)，以通过使用从反应器传递的热量来产生蒸汽。蒸汽发生器10的上部部分的一个侧部连接于主蒸汽管件30，而该蒸汽发生器的下部部分的一个侧部连接于主给水管件40。

也就是说，蒸汽发生器10通过主给水管件40接收水，并且通过主蒸汽管件30供给所产生的蒸汽。所产生的蒸汽供给至涡轮机(未示出)，以通过涡轮机的转动而产生电力。

然而，由于在发生反应器事故的情形下与产生电力相比、更为重要地是降低反应器(未示出)和蒸汽发生器10的温度，因而入口阀32和出口阀42打开以启用被动辅助给水系统。

当操作该被动辅助给水系统时，通过主蒸汽管件30供给的蒸汽的一部分通过冷凝热交换器入口连接管件31供给至冷凝热交换器20。

冷凝热交换器20设置在被动冷凝储箱100内，以将冷却水接纳在其中。因此，通过冷凝热交换器20的蒸汽将热量传递至被动冷凝储箱100内的冷却水，将该蒸汽的相态改变为液态，且然后再次通过冷凝热交换器出口连接管件41流入到主给水管件40中。

另一方面，虽然被动冷凝储箱100中的冷却水由于接收通过冷凝热交换器20的热量而蒸发，以使得热负载通过气化热量而减小。然而，当冷却水完全地蒸发并耗尽时，被动冷凝储箱100不再操作，由此导致长期冷却受限制。

因此，冷凝水再循环装置200改进被动冷凝储箱100的热交换方法，以在根本上消除被动冷凝储箱100中冷却水耗尽的问题。由于被动冷凝储箱100中的冷却水可通过冷凝水再循环装置200的操作而循环，因而被动冷凝储箱100能在较长的时间段内执行热量耗散功能。

之后，参照图2和3，将更详细地描述被动自然循环冷却系统。

图2是根据本发明一个实施例的包括冷凝水再循环系统200的被动自然循环冷却系统的投影立体图，而图3是根据本发明一个实施例的被动自然循环冷却系统的放大部分的投影立体图。

本发明的被动自然循环冷却系统包括被动冷凝储箱100、冷凝热交换器20以及冷凝水再循环装置200。

被动冷凝储箱100形成为将冷却水接纳在其中。被动冷凝储箱100较佳地形成为使得该被动冷凝储箱的后表面是平坦的以与地表面相对应，从而稳定地接纳冷却水。此外，虽然图1至2示出呈基本上矩形平行六面体形状的被动冷凝储箱100，但该被动冷凝储箱100可形成为各种形状，例如圆柱形形状。此外，被动冷凝储箱100可位于安全壳50外部。

冷凝热交换器20设置在被动冷凝储箱100中，以与冷却水接触。具体地说，冷凝热交换器20较佳地位于被动冷凝储箱100的内部空间中的下部部分处，以即使冷却水的水液位改变仍尽可能沉入在冷却水中。如上所述，冷凝热交换器20用于将从蒸汽发生器10接收的热量传递至被动冷凝储箱100的冷却水。

冷凝水再循环装置200设置在被动冷凝储箱100内部或之上。冷凝水再循环装置200冷凝从被动冷凝储箱100蒸发的冷却水，以使得冷却水在被动冷凝储箱100内部循环。

冷凝水再循环装置200包括第一分隔器210。

第一分隔器210从被动冷凝储箱100的内壁的一个侧部向下延伸至被动冷凝储箱100的另一侧部。第一分隔器210的一个侧部可一体地形成在被动冷凝储箱100的内壁的一个侧部上。替代地，第一分隔器210和被动冷凝储箱100可单独地形成并且以焊接或螺接方式联接于彼此。同时，第一分隔器210的另一侧部并不连接于被动冷凝储箱100。

第一分隔器210可形成为具有预定厚度的板形状，并且板的大表面可定位成面向被动冷凝储箱100的下部和/或上部部分。

第一分隔器210能以预定倾斜角度向下延伸。替代地，第一分隔器能以一定曲率延伸。在该情形中，第一分隔器210较佳地向上凸起。

被动冷凝储箱100的内部空间相对于第一分隔器210分隔成第一和第二空间110和120。具体地说，相对于第一分隔器210，第一空间110位于下部部分处，而第二空间120位于上部部分处。

由于第一分隔器210的另一侧部并不连接于被动冷凝储箱100，因而第一和第二空间110和120并不完全地彼此隔开，而是在该第一和第二空间之间具有一部分以彼此连通。由于冷却水能自由地运动通过该部分，防止被动冷凝储箱由于第一空间中产生的蒸汽压力而产生超压。

由于第一分隔器210位于第一空间110的上部部分处，第一空间110中蒸发的冷却水由第一分隔器210密封。由于第一空间110中收集的蒸汽而产生的蒸汽压力降低第一空间110中冷却水的水液位。这将在下文中详细描述。

除了第一分隔器210以外，冷凝水再循环装置200可进一步包括热交换器220。热交换器220安装在第一分隔器210的下部部分上，以接收来自第一空间110中冷却水的热量。

热交换器220包括入口226、本体部分227以及出口228。

入口226形成在第一分隔器210上，以使得第二空间120中的冷却水通过该入口流入到热交换器220中。出口228在与入口226隔开的位置处形成在第一分隔器210上，以使得通过入口226引入的冷却水通过该出口流出。本体部分227在第一分隔器210的后表面上连接入口226和出口228。

入口226和出口228形成为穿透过第一分隔器210的孔洞的形状，以使得本体部分227的至少一部分能插入到入口226和出口228中。此外，本体部分227可形成为中空管道形状，以使得流体能在其中流动。

通过入口226引入的冷却水在沿着本体部分227的内部流动的同时与第一空间110内部的冷却水交换热量。具体地说，由于冷凝热交换器20设置在第一空间110中，因而第一空间110中的冷却水首先接收来自冷凝热交换器20的热量。由于本体部分227中的冷却水与第一空间110中的冷却水相比在温度上相对较低，因而热量从第一空间110中的冷却水传递至本体部分227中的冷却水。本体部分227中已接收热量的冷却水升温和/或蒸发，并且通过自然对流现象通过出口228排出。

此时，出口228在第一分隔器210上定位成高于入口226。此外，冷却水的初始水液位位于出口228之上。之后将描述关于此的细节。

此外，本体部分227沿从入口226向出口228的方向倾斜，以使得在本体部分227中产生的热蒸汽能仅仅通过出口228而非入口226排出。这是由于液态的冷却水和气态的蒸汽可共同存在于本体部分227中，且相对高温的蒸汽趋于通过对流现象而上升。

也就是说，第二空间120中的冷却水可沿按序地通过入口226、本体部分227和出口228的方向运动。

图4A和4B示出根据本发明的一个实施例的热交换器220。在下文中，将参照图4A和4B描述热交换器220的结构。

热交换器220的入口226和出口228可分别设置成多个，且本体部分227可设有形成为管束的多个管道，以增大热交换面积。

具体地说，本体部分227可包括多个第一管件221、第二管件222以及第三管件223。

多个第一管件221的每个的一个侧部连接于多个入口226的每个并且向下延伸。多个第二管件222的每个的一个侧部连接于多个第一管件221的每个的另一侧部。多个第三管件223的每个的一个侧部连接于多个第二管件222的每个的另一侧部。此外，多个第三管件223的每个的另一侧部向上延伸并且连接于多个出口228的每个。此时，第二管件222形成为从入口226朝向出口228倾斜。

除了多个第一管件221、第二管件222以及第三管件223以外，本体部分227可进一步包括第一和第二连接部分224和225。

第一连接部分224连接第一管件221和第二管件222，以使得多个第一管件221中的冷却水能结合在一起并且扩散到多个第二管件222中。也就是说，第一连接部分224的一个侧部连接于多个第一管件221，而该第一连接部分的另一侧部连接于多个第二管件222。

第二连接部分225连接第二管件222和第三管件223，以使得第二管件222中的冷却水能结合在一起并且扩散到多个第三管件223中。也就是说，第二连接部分225的一个侧部连接于多个第二管件222，而该第二连接部分的另一侧部连接于多个第三管件223。

参照图4B，多个销222a可沿着热交换器220的第二管件222的每个的周界联接，以增大热交换面积。

参照图2和3，热交换器220设置成多个以使得第一空间(区域)中的水液位能维持成高于冷凝热交换器20中的水液位。

具体地说，多个热交换器220a、220b和220c安装成使得每个热交换器220的入口226和228的高度在第一分隔器210上按序地减小。

热交换器220的每个的入口226和出口228的高度按序地减小，以使得即使第二空间120中冷却水的水液位改变，仍可操作热交换器220中的至少一个。

这将参照图5更详细地进行描述。

图5示出三个热交换器220a、220b和220c，以解释根据冷却水的水液位操作的热交换器220。

如图5A所示，当足够大量的冷却水填注在被动冷凝储箱100中时，第二空间120中冷却水的水液位变得足够高。在该情形中，第二空间120中的冷却水可均引入到三个热交换器220a、220b和220c中。也就是说，操作所有三个热交换器220a、220b和220c。

然而，如图5B或5C所示，当由于被动冷凝储箱110中的冷却水的一部分蒸发至被动冷凝储箱100的外部而使得冷却水的量比该冷却水的初始量更为减少时，第二空间120的冷却水的水液位降低。在该情形中，第二空间120中的冷却水可引入到两个或一个热交换器中。因此，仅仅操作多个热交换器220a、220b和220c中的一些。

也就是说，多个热交换器220a、220b和220c的高度可不同地设置，以使得操作至少一个热交换器220，而无需考虑第二空间120中冷却水的水液位。这可致使改进冷凝水再循环装置200的性能。

除了第一分隔器210和热交换器220以外，冷凝水再循环装置200可进一步包括第二分隔器230。下文中，将返回参照图2和3来描述第二分隔器230。

第二分隔器230以隔开方式位于第一分隔器210之上，以冷凝从第二空间120中冷却水蒸发的蒸汽和在热交换器220中产生的蒸汽。

具体地说，第二分隔器230以倾斜方式从导管260的内壁的一个侧部向下延伸至另一侧部。第二分隔器230的一个侧部可一体地形成在被动冷凝储箱100的内壁的一个侧部上。替代地，第二分隔器230和被动冷凝储箱100可单独地形成并且以焊接或螺接方式联接于彼此。另一方面，第二分隔器230的另一侧部并不连接于被动冷凝储箱100。

类似于第一分隔器210，第二分隔器230可形成为具有预定厚度的板形状，并且板的大表面可定位成面向被动冷凝储箱100的下部部分和/或上部部分。

第二分隔器230能以预定倾斜角度向下延伸。替代地，第二分隔器230能以一定曲率延伸。在该情形中，第二分隔器230还可形成为向上凸起。

第二分隔器230将热量带离周围的热蒸汽以冷凝蒸汽。经冷凝的冷却水由于重力向下运动并且再次与第二空间120中的冷却水结合。之后将详细地描述相变过程

第二分隔器230包括多个突部240以增大热交换效率，这些突部从第二分隔器230的一个表面突出。多个突部240可位于第二分隔器230的上表面或下表面上，以向上或向下突出。在外部空气具有相对较低温度的情形下，多个突部240用于增大第二分隔器230的接触面积。同时，多个突部240也可形成为呈销或板形式的结构。

此外，冷凝水再循环装置200可进一步包括外部空气入口250和导管260。

外部空气入口250形成在被动冷凝储箱100的另一侧部处以诱使外部空气引入。

导管260安装在被动冷凝储箱100的上部部分处并且向上延伸，以使得通过外部空气入口250引入的空气升起。

此外，参照图6，导管260能以线性形式向上形成，但替代地形成为与安全壳50的外观相对应，以使得附连于安全壳50。也就是说，导管260可具有预定曲率并且形成为弧形形状。此外，导管260可附连在距安全壳(容纳罩)一定距离处。

此外，导管260可具有矩形或圆形形状，但并不局限于特定的形状。

通过外部空气入口250引入的空气接收被动冷凝储箱100的内部热量以在密度上降低，并且沿着导管260向上流动以排放至外部。考虑到此种对流，外部空气入口250位于比导管260低的位置处。

此外，第二分隔器230位于如下通路上：通过外部空气入口250引入的空气流动通过该通路。第二分隔器230的温度由于空气冷却而变得比周围蒸汽低，以使得第二分隔器230能执行与高温蒸汽的热交换。

多个分隔件261可形成在导管260的内壁上，以使得容纳在向上流动的空气中的蒸汽的出流程度最小并且诱使该蒸汽冷凝。每个分隔件261的一个侧部形成在导管260的内壁的一个侧部上。此外，每个分隔件261的另一侧部向下延伸，以使得停留在分隔件261上的冷却水能下降到第二空间120中。另一方面，多个分隔件261以交错的形状形成以增大蒸汽流动通路，由此有效地诱使冷凝。

导管260的外壁较佳地由具有低吸水率、高反射率以及高发射率的材料形成，以抑制导管260内部由于太阳能热量而引起的温度升高并且将导管260内部的热量辐射至外部。具体地说，导管260的外壁可涂覆有具有白基颜色的材料。

参照图6，防止回流结构270可进一步安装在被动冷凝储箱100中。防止回流结构270可从被动冷凝储箱100的另一侧部向内延伸。防止回流结构270防止被动冷凝储箱100中的冷却水溢流至外部。

之后，将随后参照图7描述被动自然循环冷却方法。

参照图7A，当被动辅助给水系统并不操作时，被动冷凝储箱100中的冷却水维持恒定的水液位。此时，冷却水的初始水液位位于出口228之上。

参照图7B，当被动辅助给水系统开始操作时，被动冷凝储箱100中的冷却水通过接收来自冷凝热交换器20的热量而升温或蒸发。冷却水在第一和第二空间110和120两者中经受蒸发。然而，由于冷凝热交换器20设置在第一空间中，冷却水在第一空间中的蒸发更为主动地发生。与此同时，由于位于第一空间110的上部部分处的第一分隔器210的影响，在第一空间110中产生的蒸汽收集在第一分隔器210下方。高于大气压力的蒸汽压力由于收集在第一空间110的上部部分处的蒸汽而形成在第一分隔器210下方。经收集的蒸汽用于向下推动冷却水，以使得第一空间110中的水液位低于第二空间120中的水液位。在蒸汽工作时，蒸汽的温度可随着内部能量降低而下降。

参照图7C，当从第一空间110蒸发的其中一些冷却水碰撞抵靠于第一分隔器210时，此种冷却水将热量传递至第一分隔器210上方的冷却水，且然后冷凝以返回收集到第一空间110中。此外，第一空间110中蒸发的其中一些冷却水与热交换器220内的冷却水交换热量。此种冷却水然后冷凝并且返回收集到第一空间110中。也就是说，第一空间110中的蒸汽由第一分隔器210和热交换器220循环至冷却水，且同时形成循环A。

参照图7D，第二空间120中的冷却水流入到热交换器220中，例如流动c所示。第二空间120中的冷却水在通过热交换器220的内部的同时、通过接收来自第一空间110中蒸汽的热量而蒸发，例如由流动d所示。在热交换器220中产生的蒸汽排放至第一分隔器210的上部部分，例如流动e所示。排放至热交换器220外部的蒸汽以及在第二空间120中蒸发的蒸汽向上流动以将热量传递至第二分隔器230，经冷凝并且然后循环至冷却水，同时形成循环B。

参照图7E，通过外部空气入口250引入的外部空气接收来自第二分隔器230的热量，且由此该外部空气的温度升高。空气然后经由对流现象通过导管260排放至外部。

此时，蒸汽冷凝在第二分隔器230的表面上，并且沿着第二分隔器230向下流动，例如循环C所示。经冷凝冷却水返回收集到第二空间120中。

当蒸汽在未经冷凝的情形下向上升至导管260的上部部分时，导管260的上部部分的温度相对低于被动冷凝储箱100的下部部分的温度，且由此蒸汽可冷凝在导管260的内壁上，以返回收集到第二空间120中。

虽然迄今为止已描述了热交换器220安装在第一分隔器210下方的实施例，但也可省略热交换器220或者将热交换器安装在导管上方。

下文中，将参照附图详细描述省略热交换器220的另一实施例。

图8是根据本发明的另一个实施例的被动自然循环冷却系统的投影立体图。图9A至9B是按序地说明冷却根据本发明另一实施例的被动自然循环冷却系统的方法的概念图。

参照图8，根据本发明另一实施例的被动自然循环冷却系统可包括被动冷凝储箱100、冷凝热交换器20以及冷凝水再循环装置。

冷凝水再循环装置是这样的装置，该装置用于冷凝从被动冷凝储箱100的上部部分中的冷却水蒸发的蒸汽并且使蒸汽再循环回至被动冷凝储箱100。该冷凝水再循环装置可包括第一至第三分隔器310、330和340以及蒸汽收集引导管件320。

第一分隔器310的详细描述与本发明的一个实施例的分隔器相同或类似，且下文将不进行描述。

第二和第三分隔器330和340可安装在导管350内部并且沿导管350的纵向方向延伸，以增大通过导管350上升的蒸汽的流动通路并且最终延长热传递时间。这里，第二和第三分隔器330和340可彼此隔开。

该第二分隔器330可从第一分隔器310向上延伸。更具体地说，第二分隔器330的一个侧部形成在第一分隔器310上。第二分隔器形成为弧形表面，以整体上对应于导管350的形状，并且然后在导管350内延伸并维持距导管350的内壁的预定间隔。

第三分隔器340可从导管350的上部内壁向下延伸，以产生沿着第二分隔器320升起的蒸汽的向下流动通路。

蒸汽收集引导管件320形成在第一分隔器310上，以使得在第一空间110中产生的蒸汽能运动至第二空间120。此时，蒸汽收集引导管件320可延伸到导管350的由第二分隔器330所限定的内部空间中。

可调节蒸汽收集引导管件320的直径或深度，以满足被动冷凝储箱100的设计压力范围。此外，安全阀之类可设置在蒸汽收集引导管件320内部。

同时，参照图8，根据本发明另一实施例的被动自然循环冷却系统可进一步包括防止回流结构101、冷凝水引导板351、冷凝水收集结构352以及防止污染结构353。

例如上文参照图6所描述的，防止回流结构101可从被动冷凝储箱100的另一侧部朝向该被动冷凝储箱的内部延伸。防止回流结构101可防止被动冷凝储箱100内部的冷却水溢流至外部。

冷凝水引导板351安装在导管350的内壁上，以诱使导管350中冷凝的经冷凝水再循环回至第二空间120。

冷凝水收集结构352邻近于形成在导管350的上部部分上的外部空气出口安装，以最终冷凝通过外部空气出口排出的蒸汽。

防止污染结构353可在冷凝水收集结构352的上部部分上形成为弧形形状。

之后，将参照图9A和9B逐步地描述使用根据本发明另一实施例的被动自然循环冷却系统的冷却方法。

参照图9A，冷凝热交换器20将从蒸汽发生器10接收的热量传递至被动冷凝储箱100的冷却水。此时，由于冷凝热交换器20设置在第一空间110中，冷却水在第一空间110中发生沸腾。

参照图9B，由于冷却水在第一空间110中的蒸汽，空腔(区域)形成在第一分隔器310下方。这里，空腔仅仅由蒸汽收集引导管件320向第一分隔器的下部部分的突出深度而形成。蒸汽通过蒸汽收集引导管件320传递至第一分隔器310的上部部分。也就是说，当冷却水存在于第一分隔器310上方时，已通过蒸汽收集引导管件320排放至第一分隔器310的上部部分的蒸汽直接地重新冷凝，且蒸汽的一部分由于蒸汽压力和浮力、通过其中存在冷却水的区域流入到导管350中。

此时，第一空间110的压力由于空腔的形成而升高，但考虑到升高压力，可调节蒸汽收集引导管件320的直径和深度或者可设置安全阀。

通过蒸汽收集引导管件320升起的蒸汽由于外部空气在安全壳50和导管350之间的流动而经受对流热传递。由于蒸汽在被动冷凝储箱100中持续地产生，热蒸汽由于热负载存在于导管350的上部部分中。由于流动通路阻挡在导管的上部部分处且热蒸汽由于浮力而趋于向上流动，因而蒸汽在第二和第三分隔器330和340之间缓慢地反向流动。蒸汽与通过外部空气入口流向导管350的上部部分的外部空气混合(合并、结合)，且然后再次向上流至导管350的上部部分。此时，由于导管350和第三分隔器340之间的温度差而持续地引起热传递。此外，经加热蒸汽由于浮力而在速度上增大，且由此增强热传递效应。此时，导管350的整个外壁由板型热交换器构成，以使得热传递面积增大若干倍或更大，由此改进由于对流热传递带来的散热能力。

通过此种多阶段冷却方法，被动冷凝储箱100中的蒸汽泄漏速度最小，热交换时间延长，且最终总体热量增大。因此，蒸汽尽可能冷凝，且然后返回收集到被动冷凝储箱中。

如上所述，在根据本发明另一实施例的被动自然循环冷却系统中，在导管350内部的分隔器数量增多时，蒸汽留在导管350中的时间延长，由此增大总体热传递量。

迄今为止，已详细地描述了导管350的上部侧部打开的实施例。之后，将具体地描述导管350的上部侧部气密地闭合的另一实施例。

导管的上部侧部经密封的另一实施例可包括第一至第三详细实施例。

参照图10，根据第一实施例的被动自然循环冷却系统可包括被动冷凝储箱100、第一和第二分隔器410和430以及蒸汽收集引导管件420。

在该实施例中，第二分隔器430的一个侧部可与第一分隔器410隔开。第二分隔器430可延伸成弧形形状，以与导管440在导管440内的形状相对应。第二分隔器430的另一侧部可向上延伸至导管440的上部侧部，并且可设置成与导管440的上部内壁隔开。

同时，蒸汽收集引导管件420可延伸到导管440的由第二分隔器430所限定的内部空间中。

根据该结构，第一空间110中的蒸汽沿着蒸汽收集引导管件420流入到导管和第二分隔器430之间的空间内。蒸汽由于相对于环境温度的温度差引起的自然对流而流动至导管440的上部侧部。在该实施例中，由于导管440的上部侧部闭合时，到达导管440的上部侧部的蒸汽沿着第二分隔器430向下流动。

热交换器450可安装在导管440中，以增大热交换效率。

图11A和11B是根据第二详细实施例的被动自然循环冷却系统的视图。在该第二详细实施例中，除了热交换器450以外的部件可与第一详细实施例的部件相同或类似。

参照图11A，热交换器450可安装在被动自然循环冷却系统的导管440的上部侧部中。热交换器450沿着导管440的厚度方向形成并且可包括外部空气流动通路。

参照图11B，热交换器450包括穿透过第二分隔器430的多个外部空气流动通路451和452。

多个外部空间流动通路451和452能以交替的方式设置。更具体地说，沿着第一排导管440设置的外部空气流动通路451和沿着第二排设置的外部空气流动通路452以交替的方式设置。之后，外部空气流动通路沿着第三排的设置与第一排的设置相同，且外部空气流动通路沿着第四排的设置与第三排的设置相同，以使得持续地重复同一型式。

沿着包括第一和第三排的奇数排设置的外部空气流动通路可构造成使得外部空气在其中沿着第一方向流动，并且沿着包括第二和第四排的偶数排设置的外部空气流动通路可构造成使得外部空气在其中沿着第二方向流动。

这样，蒸汽能沿着导管440在这些外部空气流动通路之间流动。也就是说，能进一步通过外部空气流动通路451和452便于导管440中蒸汽和外部空气之间的热传递。

图12A和12B是根据第三详细实施例的被动自然循环冷却系统的视图。在该第三详细实施例中，除了热交换器以外的部件可与第一详细实施例的部件相同或类似。

在第三详细实施例中，多个热交换器450a、450b和450c安装在导管440内。多个热交换器450a、450b和450c可彼此隔开预定距离。

换言之，在第三详细实施例中，热蒸汽可由于浮力效应收集在导管440的最上端部中。容纳罩的外部空气的流动通路通过设置成束热交换器而形成，这些热交换器以穿透的方式(交错布置)在最上端部中垂直于空气流。然而，外部空气的流动通路与导管440内部的流动通路隔离。外部空气向上流过成束交错的热交换器，以冷却最上端部内的空气。预期对流热传递会由于烟囱效应而增强。

由于被动冷凝储箱100中持续地产生的蒸汽引起的动量会加速蒸汽泄漏(溢流)。因此，热交换器能设置在内部流动通路内的多个台阶部中以增大压降，从而使得蒸汽泄漏最小并同时起到热交换器的作用来延长热传递时间并增强热传递性能。

前述被动自然循环冷却系统和方法并不局限于上文描述的实施例的构造和方法，但这些实施例可构造成使得所有或其中一些实施例选择性地组合以能够做出各种修改。

工业应用性

本发明能用在设置于被动冷凝储箱中的冷却系统的领域中。

Claims (21)

1.一种被动自然循环冷却系统，包括：

被动冷凝储箱，所述被动冷凝储箱构造成将冷却水接纳在其中；

冷凝热交换器，所述冷凝热交换器设置在所述被动冷凝储箱中以与所述冷却水接触，并且构造成将从蒸汽发生器传递的热量传递至所述冷却水；以及

冷凝水再循环装置，所述冷凝水再循环装置设置在所述被动冷凝储箱中或之上，并且构造成冷凝所述冷却水，以使得所述冷却水在所述被动冷凝储箱内部循环，

其中，所述冷凝水再循环装置包括：

导管，所述导管从所述被动冷凝储箱的上部部分向上延伸；以及

第一分隔器，所述第一分隔器从所述被动冷凝储箱的内壁的一个侧部朝向另一侧部以倾斜的方式向下延伸，所述第一分隔器与所述内壁的所述另一侧部形成使下部空间和上部空间彼此连通的部分，

其中，所述第一分隔器的至少一部分构造成浸没在所述冷却水中，并且

其中，所述冷凝热交换器设置在所述第一分隔器的所述下部空间内。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述被动自然循环冷却系统还包括：

第二分隔器，所述第二分隔器从所述第一分隔器向上延伸并且沿所述导管的纵向方向延伸。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述被动自然循环冷却系统还包括：

第三分隔器，所述第三分隔器与所述第二分隔器间隔开并且从所述导管的上部内壁向下延伸，以产生沿着所述第二分隔器升起的蒸汽的向下流动通路。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一分隔器设有蒸汽收集引导管件，并且

其中所述蒸汽收集引导管件延伸到所述第一分隔器的下部空间以及所述导管的由所述第二分隔器隔开的内部空间中。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述蒸汽收集引导管件进入所述第一分隔器的下部空间的插入长度基于与预设水液位和压力相关的信息来确定。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导管在其中设有热交换器，以将所述导管内部的冷却水的热量传递至外部空气，并且

其中所述热交换器包括呈管束形式的外部空气流动通路，所述外部空气流动通路以穿透过所述导管的方式形成。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述第一分隔器上方设有排放阀和安全阀，所述排放阀用于填注水，而所述安全阀用于抑制所述被动冷凝储箱内预设范围或更高的压力升高。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导管设有形成在所述导管的上部侧部上的外部空气出口，并且

其中所述外部空气出口在其中设有用于进一步收集冷凝水的冷凝水收集结构。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：热交换器，所述热交换器安装在所述第一分隔器下方，以接收来自所述第一分隔器的下部空间内的冷却水的热量。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述热交换器包括：

入口，所述入口形成在所述第一分隔器上，以允许所述第一分隔器的上部空间中的冷却水引导通过所述入口；

出口，所述出口在与所述入口隔开的位置处形成在所述第一分隔器上，以允许通过所述入口引入的冷却水通过所述出口流出；以及

本体部分，所述本体部分在所述第一分隔器的后表面上连接所述入口和所述出口，并且构造成使得经引入的冷却水在通过所述本体部分的同时、通过与所述所述第一分隔器的下部空间内的冷却水交换热量而蒸发。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述出口定位成高于所述第一分隔器上方的入口。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述本体部分形成为从所述入口向所述出口向上倾斜。

13.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述本体部分包括多个管道，所述多个管道形成为管束以增大热交换面积。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述入口和所述出口分别设置成多个，并且

所述本体部分包括：

多个第一管件，第一管件各自具有连接于所述多个入口的每个的一个侧部和向下延伸的另一侧部；

多个第二管件，第二管件各自具有连接于所述多个第一管件的每个的另一侧部的一个侧部以及沿倾斜方向形成的另一侧部；以及

多个第三管件，第三管件各自具有连接于所述多个第二管件的每个的另一侧部的一个侧部以及向上延伸以连接于所述多个出口的每个的另一侧部。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述本体部分进一步包括：

第一连接部分，所述第一连接部分连接所述多个第一管件和所述多个第二管件，以使得从所述多个第一管件的每个引入的冷却水结合并且然后再次扩散到所述多个第二管件中；以及

第二连接部分，所述第二连接部分连接所述多个第二管件和所述多个第三管件，以使得从所述多个第二管件的每个引入的冷却水结合并且然后再次扩散到所述多个第三管件中。

16.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述冷凝热交换器设置成多个，并且

其中所述冷凝热交换器的每个的入口和出口的高度在所述第一分隔器上按序地减小。

17.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述冷凝水再循环装置进一步包括：

第二分隔器，所述第二分隔器位于所述第一分隔器上方且与所述第一分隔器隔开，以冷凝从所述第一分隔器的上部空间中冷却水蒸发的蒸汽和在所述热交换器中产生的蒸汽。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述第二分隔器以倾斜的方式从所述被动冷凝储箱的一个侧部朝向另一侧部向下延伸。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述第二分隔器设有多个突部，所述多个突部以突出的方式形成在所述第二分隔器的一个表面上，以增大热交换效率。

20.如权利要求1所述的系统，其特征在于，多个分隔件形成在所述导管的内壁上，以诱使容纳在沿着所述导管上升的空气中的蒸汽冷凝并且防止蒸汽泄漏。

21.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导管的外壁由这样的材料形成，所述材料具有低太阳辐射吸收率、高反射率以及朝向周围空气的高发射率，以抑制所述导管内部的温度升高。