CN109585045B - 一种用于反应堆的换热装置及非能动余热排出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于反应堆的换热装置及非能动余热排出系统，涉及反应堆换热领域，换热装置包括壳体、相变储热结构和自然循环换热结构，壳体内具有密闭空间，壳体上端设有高温水入口、下端设有高温水出口，相变储热结构设于密闭空间上部，相变储热结构包括相变材料空间和穿过相变材料空间的若干相变储热传热管，相变材料空间内设有相变储热材料，高温水入口与相变储热结构间设有一入口均流孔板，自然循环换热结构设于密闭空间下部，自然循环换热结构包括冷却水空间和穿过冷却水空间的若干自然循环传热管，本发明能够吸收反应堆停堆初期时余热功率较大所带来的冲击，保证非能动余热排出系统的安全可靠运行。

Description

一种用于反应堆的换热装置及非能动余热排出系统

技术领域

本发明涉及反应堆换热领域，具体涉及一种用于反应堆的换热装置及非能动余热排出系统。

背景技术

由于缓发中子和裂变产物的存在，反应堆停堆之后仍然会释放出大量余热，若不能及时将余热导出则会造成反应堆的堆芯熔毁，反应堆内的放射性物质释放出堆芯威胁人员和环境安全。当前先进反应堆普遍配备了非能动余热排出系统，可在不依赖外部能源的情况下安全可靠地导出堆芯余热，大幅提升反应堆固有安全性。

余热排出系统冷却能力由反应堆余热功率决定，但反应堆余热功率并非一成不变，而是与反应堆停堆时间有关，初始停堆时反应堆余热功率较高，此后会逐渐减小，由此造成了停堆初期传热系统传热温差和热流密度均较大，不利于系统稳定运行。非能动余热排出系统利用自然循环原理导出热量，而自然循环的构建需要一定的时间，这种机制会造成余热排出能力的建立落后于余热功率。通常情况下反应堆余热排出系统按照初始余热功率进行设计，以满足极限工况的需求，由此会形成停堆后期余热排出系统冷却能力远大于堆芯余热功率的情况，导致系统设计冗余较大。此外，余热排出系统在较大功率瞬变下也容易受到热冲击和流动不稳定性的影响，不利于系统安全可靠运行。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于反应堆的换热装置及非能动余热排出系统，能够有效吸收反应堆停堆初期时余热功率较大所带来的冲击，保证非能动余热排出系统的安全可靠运行。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于反应堆的换热装置，所述换热装置用于与反应堆和冷却水箱连接，所述换热装置包括：

壳体，所述壳体内具有一密闭空间，所述壳体上端设有与所述反应堆连接的高温水入口，所述壳体下端设有用于与所述反应堆连接的高温水出口；

相变储热结构，所述相变储热结构设于所述密闭空间上部，所述相变储热结构包括相变材料空间和穿过所述相变材料空间设置的若干相变储热传热管，所述相变材料空间内设有相变储热材料，所述相变储热传热管一端与所述高温水入口连通，且所述高温水入口与所述相变储热结构间设有一入口均流孔板；

自然循环换热结构，所述自然循环换热结构设于所述密闭空间下部，所述自然循环换热结构包括冷却水空间和穿过所述冷却水空间设置的若干自然循环传热管，所述冷却水空间用于容纳所述冷却水箱中的冷却水，且所述自然循环传热管一端与所述相变储热传热管远离所述高温水入口的一端连通，所述自然循环传热管的另一端与所述高温水出口连通。

在上述技术方案的基础上，所述相变储热结构还包括两相变储热结构管板，相变储热传热管两端分别固定于两所述相变储热结构管板上，所述相变储热结构管板、相变储热传热管和壳体围合形成所述相变材料空间。

在上述技术方案的基础上，所述相变材料空间内还设有惰性气体。

在上述技术方案的基础上，若干所述相变储热传热管的排列方式与所述入口均流孔板上孔的位置相匹配。

在上述技术方案的基础上，所述自然循环换热结构还包括两自然循环换热结构管板，所述自然循环传热管两端分别固定于两所述自然循环换热结构管板上，所述自然循环换热结构管板、自然循环传热管和壳体围合形成所述冷却水空间。

在上述技术方案的基础上，所述冷却水空间内设有多个折流板。

在上述技术方案的基础上，所述壳体底部设有用于连通所述冷却水箱和冷却水空间的冷却水进口和冷却水出口，所述冷却水出口位于所述冷却水进口的上方。

本发明还提供一种用于反应堆的非能动余热排出系统，包括：

上述的换热装置，所述换热装置用于通过一第一管路与所述反应堆连通；

冷却水箱，所述冷却水箱通过一第二管路与所述换热装置内的所述冷却水空间连通。

在上述技术方案的基础上，所述第一管路和第二管路上分别设有电磁阀和隔离阀。

在上述技术方案的基础上，所述换热装置与所述反应堆和冷却水箱连接时，所述冷却水箱的高度大于所述换热装置高度大于所述反应堆高度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种用于反应堆的换热装置，通过设置的相变储热结构，能够通过设置在其中的相变储热材料对反应堆停堆初期时余热进行吸收，从而有效避免了反应堆停堆初期时余热功率较大所带来的冲击，且设置的入口均流孔板能够提高反应堆高温水更加均匀地进入到相变储热结构中，从而提升相变储热结构吸收热量的速率。

附图说明

图1为本发明实施例中换热装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中非能动余热排出系统的结构示意图。

图中：1-换热装置，2-壳体，21-密闭空间，22-高温水入口，23-高温水出口，24-冷却水进口，25-冷却水出口，3-相变储热结构，31-相变材料空间，32-相变储热传热管，33-相变储热结构管板，34-相变储热材料，35-惰性气体，4-自然循环换热结构，41-冷却水空间，42-自然循环传热管，43-自然循环换热结构管板，44-折流板，5-反应堆，6-冷却水箱，7-入口均流孔板，8-第一管路，81-电磁阀，9-第二管路，91-隔离阀。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种用于反应堆的换热装置，换热装置1用于与反应堆5和冷却水箱6连接，换热装置1包括壳体2、相变储热结构3和自然循环换热结构4，壳体2内具有一密闭空间21，壳体2上端设有与反应堆5连接的高温水入口22，壳体2下端设有用于与反应堆5连接的高温水出口23，相变储热结构3设于密闭空间21上部，相变储热结构3包括相变材料空间31和穿过相变材料空间31设置的若干相变储热传热管32，相变材料空间31内设有相变储热材料34，其中，相变储热材料34为石蜡、蔗糖或赤藻糖醇，优选地，该相变储热材料34为赤藻糖醇，相变储热传热管32一端与高温水入口22连通，自然循环换热结构4设于密闭空间21下部，自然循环换热结构4包括冷却水空间41和穿过冷却水空间41设置的若干自然循环传热管42，冷却水空间41用于容纳冷却水箱6中的冷却水，且自然循环传热管42一端与相变储热传热管32远离高温水入口22的一端连通，自然循环传热管42的另一端与高温水出口23连通。

反应堆5内高温水先通过相变储热结构3，再通过自然循环换热结构4；正常情况下，相变储热结构3内的相变储热材料34处于固体状态，当受到经过相变储热传热管32内高温水的加热之后即可快速吸收热量，并逐渐融化为液体通过相变储存大量热量。反应堆事故停堆初期，换热装置1与反应堆5的回路由于初始密度差的存在通过自然循环将热量导出至相变储热结构3，此时热量将传递至相变储热结构3，高温水被冷却后继续经过自然循环换热结构4；当水温达到一定程度之后，与冷却水箱6连接的回路会逐渐建立自然循环，并将反应堆5堆芯的余热传递至冷却水箱6。在反应堆5停堆一段时间后，反应堆5堆芯的余热功率逐渐降低，换热装置1与反应堆5的回路温度也逐渐降低，此时，相变储热材料34已被加热为温度较高的液体，相变储热材料34吸收的热量会释放出来，并最终通过自然循环换热结构4的自然循环作用传递至冷却水箱6。

通过相变储热结构3和自然循环换热结构4的设置，能够在保证反应堆5堆芯余热以非能动的形式导出的基础上，基于储能原理吸收初始停堆时的高余热功率，并在停堆后期基于自然循环原理将储存的热量与反应堆5堆芯低功率余热一起导出，整个热量导出过程无需泵等能动部件的驱动，通过结合相变储能技术和自然循环技术的优势，该装置无需外部能源即可平稳有效导出堆芯余热的储热式非能动余热排出系统，能够克服传统非能动余热排出系统停堆初期运行容易出现不稳定、停堆后期自然循环能力低、系统设计冗余度较高的问题。

高温水入口22与相变储热结构3间设有一入口均流孔板7，优选地，若干相变储热传热管32的排列方式与入口均流孔板7上孔的位置相匹配，可以使通过高温水入口22的高温水更加均匀地进入到相变储热结构3中，从而能够提升相变储热结构3吸收热量的速率。相变储热结构3还包括两相变储热结构管板33，相变储热传热管32两端分别固定于两相变储热结构管板33上，相变储热结构管板33、相变储热传热管32和壳体2围合形成相变材料空间31，其中，相变材料空间31内还设有惰性气体35，能够吸收相变储热材料34融化后导致的体积变化，维持相变储热结构3的结构完整性.

自然循环换热结构4还包括两自然循环换热结构管板43，自然循环传热管42两端分别固定于两自然循环换热结构管板43上，自然循环换热结构管板43、自然循环传热管42和壳体2围合形成冷却水空间41，冷却水空间41内设有多个折流板44，能够提高冷却水空间41内的行程，从而提高该自然循环换热结构4的换热效率，改善自然循环换热结构4的换热特性。

壳体2底部设有用于连通冷却水箱6和冷却水空间41的冷却水进口24和冷却水出口25，冷却水出口25位于冷却水进口24的上方，通过将冷却水出口25设于冷却水进口24的上方，能够进一步保证冷却水对自然循环传热管42的换热效率。

参见图2所示，本发明实施例还提供一种用于反应堆的非能动余热排出系统，包括：

上述的换热装置1，换热装置1用于通过一第一管路8与反应堆5连通；

冷却水箱6，冷却水箱6通过一第二管路9与换热装置1内的冷却水空间41连通。

其中，换热装置1、反应堆5以及相关的第一管路8和组成一个自然循环回路，在自然循环驱动力作用下将反应堆5堆芯余热导出至换热装置1中。换热装置1、冷却水箱6以及相关的第二管路9组成另外一个自然循环回路，在自然循环驱动力作用下将换热装置1中的热量导出至冷却水箱2中，在第一管路8和第二管路9上分别设有电磁阀81和隔离阀91，隔离阀91用于检修时对相关回路进行隔离，正常运行条件下，隔离阀91处于开启状态，电磁阀81处于关闭状态。当发生断电事故之后，电磁阀81会自动开启，上述两个自然循环回路分别连通。

换热装置1与反应堆5和冷却水箱6连接时，冷却水箱6的高度大于换热装置1高度大于反应堆5高度，即储热式换热装置1的热中心高于反应堆3的热中心，冷却水箱2的热中心高于储热式换热装置1的热中心，能够保证自然循环的顺利进行。

其中，相变储热结构3位于自然循环换热结构4的上方，实现非能动余热导出系统热中心位差的提升，同时，反应堆5流出的高温冷却剂依次通过相变储热结构3和自然循环换热结构5，减小了管路阻力，增强系统自然循环能力。

同时，由于相变储热结构3能够通过设置在其中的相变储热材料34对反应堆5停堆初期时余热进行吸收，可以有效吸收反应堆停堆初期时余热功率较大所带来的冲击，消除反应堆5堆芯余热功率初期较大与非能动系统自然循环功率提升延迟之间的不匹配因素，展平非能动系统传热温差和热流密度，使得非能动余热排出系统运行更加平稳，避免出现热冲击以及流动不稳定性的问题，有利于提升非能动余热排出系统的运行性能。相比于传统非能动余热排出系统按照停堆初期余热功率进行设计，本实施例中非能动余热排出系统的自然循环设计功率会有所降低，由此可进一步减小相关换热器以及管路附件的体积和重量。储热式换热装置整体采用模块化设计，具备结构紧促、易于加工、安装和维护的优点。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种用于反应堆的换热装置，所述换热装置(1)用于与反应堆(5)和冷却水箱(6)连接，其特征在于，所述换热装置(1)包括：

壳体(2)，所述壳体(2)内具有一密闭空间(21)，所述壳体(2)上端设有与所述反应堆(5)连接的高温水入口(22)，所述壳体(2)下端设有用于与所述反应堆(5)连接的高温水出口(23)；

相变储热结构(3)，所述相变储热结构(3)设于所述密闭空间(21)上部，所述相变储热结构(3)包括相变材料空间(31)和穿过所述相变材料空间(31)设置的若干相变储热传热管(32)，所述相变材料空间(31)内设有相变储热材料(34)，所述相变储热传热管(32)一端与所述高温水入口(22)连通，且所述高温水入口(22)与所述相变储热结构(3)间设有一入口均流孔板(7)；

自然循环换热结构(4)，所述自然循环换热结构(4)设于所述密闭空间(21)下部，所述自然循环换热结构(4)包括冷却水空间(41)和穿过所述冷却水空间(41)设置的若干自然循环传热管(42)，所述冷却水空间(41)用于容纳所述冷却水箱(6)中的冷却水，且所述自然循环传热管(42)一端与所述相变储热传热管(32)远离所述高温水入口(22)的一端连通，所述自然循环传热管(42)的另一端与所述高温水出口(23)连通；

所述相变储热结构(3)还包括两相变储热结构管板(33)，相变储热传热管(32)两端分别固定于两所述相变储热结构管板(33)上，所述相变储热结构管板(33)、相变储热传热管(32)和壳体(2)围合形成所述相变材料空间(31)。

2.如权利要求1所述的一种用于反应堆的换热装置，其特征在于：所述相变材料空间(31)内还设有惰性气体(35)。

3.如权利要求1所述的一种用于反应堆的换热装置，其特征在于：若干所述相变储热传热管(32)的排列方式与所述入口均流孔板(7)上孔的位置相匹配。

4.如权利要求1所述的一种用于反应堆的换热装置，其特征在于：所述自然循环换热结构(4)还包括两自然循环换热结构管板(43)，所述自然循环传热管(42)两端分别固定于两所述自然循环换热结构管板(43)上，所述自然循环换热结构管板(43)、自然循环传热管(42)和壳体(2)围合形成所述冷却水空间(41)。

5.如权利要求1所述的一种用于反应堆的换热装置，其特征在于：所述冷却水空间(41)内设有多个折流板(44)。

6.如权利要求1所述的一种用于反应堆的换热装置，其特征在于：所述壳体(2)底部设有用于连通所述冷却水箱(6)和冷却水空间(41)的冷却水进口(24)和冷却水出口(25)，所述冷却水出口(25)位于所述冷却水进口(24)的上方。

7.一种用于反应堆的非能动余热排出系统，其特征在于，包括：

如权利要求1所述的换热装置(1)，所述换热装置(1)用于通过一第一管路(8)与所述反应堆(5)连通；

冷却水箱(6)，所述冷却水箱(6)通过一第二管路(9)与所述换热装置(1)内的所述冷却水空间(41)连通。

8.如权利要求7所述的非能动余热排出系统，其特征在于：所述第一管路(8)和第二管路(9)上分别设有电磁阀(81)和隔离阀(91)。

9.如权利要求7所述的非能动余热排出系统，其特征在于：所述换热装置(1)与所述反应堆(5)和冷却水箱(6)连接时，所述冷却水箱(6)的高度大于所述换热装置(1)的高度，所述换热装置(1)的高度大于所述反应堆(5)的高度。

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