CN109801720B - 一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，包括多组换热管，每组换热管由多个以同一螺旋旋转轴绕制的螺旋管组成，所有换热管具有相同的螺距和螺旋圈数，每组螺旋管的螺旋起始端面圆心位于同一平面，且每组螺旋换热管具有同一进水口和同一蒸汽出口，根据换热管的排列方式和核反应堆冷却剂流速分布，螺旋换热器(自其大螺旋半径R至小螺旋半径r)可分为“叉排‑管径递增”、“叉排‑管径递减”、“叉排‑管径先增后减”和“叉排‑管径先减后增”四种螺旋换热管设计方案。这样的变管径螺旋换热管可以高效地把核反应堆的堆功率转换成蒸汽内能，推动汽轮机做功，提高核反应堆内置式螺旋换热器的换热效率和换热管现场螺旋绕制的灵活性。

Description

一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器
技术领域
本发明涉及核反应堆换热器技术领域，尤其涉及一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器。
背景技术
人类一直在谋求清洁高效的能源安全，也已经在使用核电很多年了，核动力系统在国内外的能源结构中也发挥着不可或缺的作用，目前非常成熟的核电厂核反应堆的尺寸都是大型的，不利于核反应堆应用于海岛供电、移动式核动力平台、太空核动力和船舶电站等；且其核反应堆与蒸汽发生器是通过第一回路压力边界的管道连接的，其管道上的阀门和接头会有冷却剂泄漏的风险存在，同时其第一压力边界的管道也存在管道破口的风险，如何取消第一回路压力边界的管道系统早就呈现到国内外核反应堆工程师面前了，现阶段，世界各国都正在努力研发体积更小、功率密度更高效的小型化核反应堆和微型核反应堆，其主要特点是把蒸汽发生器、主泵、控制棒驱动机构等主设备直接与压力容器组合成一个整体化结构(即：核反应堆)，是未来核反应堆的重点发展方向之一。
国际国内的研发机构已提出了多种形式的一体化反应堆，美国研发了多款核反应堆，包括西屋公司主导研发的IRIS反应堆、美国能源部联合研发的小型MASLWR反应堆和美国NuScale公司正在研发的Nu-Scale反应堆，韩国原子能研究所也在研发SMART反应堆，日本原子能研究所也在研发MRX反应堆等。
而换热器是核动力系统中一、二回路的核能传递关键设备，随着越来越多的小型堆研发进程需要，一种全新的内置式核蒸汽发生器研发也在加速研发过程中，使核反应堆朝着更加高效性、紧凑性、一体化和模块化的方向发展，而一种换热效率高并符合核反应堆发展趋势的内置式多用途变管径螺旋管换热器就是在这个工程背景下研发出来的一个技术解决方案，具有非常重要的工程意义。
发明内容
本发明提供一种兼顾核反应堆紧凑性、高功率密度和一体化特性的一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，包括多组换热管，每组换热管由多个以同一螺旋旋转轴绕制的螺旋管组成，所有螺旋绕制的换热管具有相同的螺距和螺旋圈数，每组螺旋管的螺旋起始端面圆心(或终止端面圆心)位于同一平面，每组螺旋换热管具有同一个进水口和同一个蒸汽出口，同时，根据换热管的螺旋排列方式和核反应堆冷却剂流速分布，螺旋换热器(自其大螺旋半径R至小螺旋半径r)可分为“叉排-管径递增”、“叉排-管径递减”、“叉排-管径先增后减”和“叉排-管径先减后增”四种螺旋换热管设计方案。这四种螺旋换热器的管径是根据核反应堆冷却剂的稳态流速分布而设计的，当冷却剂流速自螺旋换热器大螺旋半径R至小螺旋半径r的范围内逐渐增大/减小，螺旋换热管的管径在相同区域范围内也会相应地逐渐增大/减小，即，螺旋换热器在核反应堆冷却剂流速高的位置布置管径大的换热管，这样的变管径螺旋换热管可以高效地把核反应堆的堆功率转换成蒸汽内能，推动汽轮机做功，进一步提高核反应堆内置式螺旋换热器的换热效率和换热管的现场螺旋绕制的灵活性。
为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：
一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，包括多组不同管径的螺旋换热管；每组螺旋换热管都以同一螺旋旋转轴进行螺旋绕制且其管径大小不等，同时，每组螺旋换热管的绕制起始端面都位于同一平面，且其螺旋绕制过程中的螺距和螺旋圈数相等。所有螺旋换热器按自上往下按行编号，自螺旋旋转轴心往外按列编号，按列编号相同的螺旋换热管的螺旋起始端面中心位于同一圆周上，这种核反应堆内置式多用途变管径螺旋管换热器可以根据核反应堆冷却剂流速分布进行调整，在不同位置设置不同的螺旋换热管管径，使其能够把核反应堆高功率密度转换成蒸汽内能，推动汽轮机做功。
进一步的，所述的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器放置于核反应堆内部，属于核反应堆堆芯组件之一，与核反应堆是一体化结构。
进一步的，所述的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器是由多组螺旋换热管以同一螺旋旋转轴进行螺旋绕制而成的，螺旋绕制的螺距和螺旋圈数相等
进一步的，所述螺旋管换热器的同一组螺旋换热管具有同一个冷却水进口和蒸汽出口。每组换热管中的单独一个螺旋缠绕管由一根管直接绕制而成。
进一步的，所述的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器每组螺旋管的螺旋起始端面圆心(或终止端面圆心)位于同一平面。
进一步的，所述的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器有“叉排-管径递增”、“叉排-管径递减”、“叉排-管径先增后减”和“叉排-管径先减后增”螺旋排管方案，且螺旋直径满足以下计算规律：设m代表多组换热管的排，n代表多组换热管的列，K和L均为大于0的自然数；
dm(K+1)nL＝(dmKnL+dmKn(L+1))/2，其中，dmKnL表示第K行第L列螺旋管的螺旋绕制直径；dm(K+1)nL表示第K+1行第L列螺旋管的螺旋绕制直径；dmKn(L+1)表示第K行第L+1列螺旋管的螺旋绕制直径。
进一步的，所述的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器的管径变化取决于核反应堆冷却剂流速分布，当冷却剂流速自螺旋换热器大螺旋半径R至小螺旋半径r的范围内逐渐增大/减小，螺旋换热管的管径在相同区域范围内也会相应地逐渐增大/减小，即，螺旋换热器在核反应堆冷却剂流速高的位置布置管径大的换热管。
进一步的，所述的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器的螺旋排管方案之一“叉排-管径递增”螺旋管换热器，其换热管径自螺旋换热器大螺旋半径R至小螺旋半径r的范围内逐渐增大。
进一步的，所述的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，其特征在于：每组螺旋换热管都以同一螺旋旋转轴进行螺旋绕制而成的，且其管径大小不等。
进一步的，所述的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，其特征在于：“叉排-管径递增”螺旋管换热器处于同一排的多个螺旋缠绕管，螺旋直径最大的螺旋缠绕管的管径最大，螺旋直径最大的螺旋缠绕管的管径最小，设m代表多组换热管的排，n代表多组换热管的列，设mKnL为处于第K排第L列位置处的螺旋缠绕管，K和L均为大于0的自然数；自处于mKnN位置处的螺旋缠绕管的管径至处于mKn1位置处的螺旋缠绕管的管径依次增大；K为任意大于0的数值，表示第K行螺旋管。
进一步的，所述的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，其特征在于：“叉排-管径递减”螺旋管换热器处于同一排的多个螺旋缠绕管，螺旋直径最大的螺旋缠绕管的管径最大，螺旋直径最大的螺旋缠绕管的管径最小，设m代表多组换热管的排，n代表多组换热管的列，设mKnL为处于第K排第L列位置处的螺旋缠绕管，K和L均为大于0的自然数；自处于mKnN位置处的螺旋缠绕管的管径至处于mKn1位置处的螺旋缠绕管的管径依次减小；K为任意大于0的数值，表示第K行螺旋管。
进一步的，所述的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，其特征在于：“叉排-管径先减后增”螺旋管换热器处于同一排的多个螺旋缠绕管，螺旋直径最大和最小的两个螺旋缠绕管的管径最大，设m代表多组换热管的排，n代表多组换热管的列，设mKnL为处于第K排第L列位置处的螺旋缠绕管，K和L均为大于0的自然数；
当n为奇数时，处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管管径最小，且自处于mKnL位置处的螺旋缠绕管的管径至处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管的管径依次减小；自处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管的管径至处于mKn1位置处的螺旋缠绕管的管径依次增大；
当n为偶数时，处于mKn((n-1)/2)、mKn((n+1)/2)位置处的两个螺旋缠绕管的管径相同并最小，且自处于mKnL位置处的螺旋缠绕管管径至处于mKn((n-1)/2)位置处的螺旋缠绕管管径依次减小，自处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管的管径至处于m1n1位置处的螺旋缠绕管的管径依次增大。
进一步的，所述的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，其特征在于：“叉排-管径先增后减”螺旋管换热器处于同一排的多个螺旋缠绕管，螺旋直径最大和最小的两个螺旋缠绕管的管径最大，设m代表多组换热管的排，n代表多组换热管的列，设mKnL为处于第K排第L列位置处的螺旋缠绕管，K和L均为大于0的自然数；
当n为奇数时，处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管管径最小，且自处于mKnL位置处的螺旋缠绕管的管径至处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管的管径依次增大；自处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管的管径至处于mKn1位置处的螺旋缠绕管的管径依次减小；
当n为偶数时，处于mKn((n-1)/2)、mKn((n+1)/2)位置处的两个螺旋缠绕管的管径相同并最小，且自处于mKnL位置处的螺旋缠绕管管径至处于mKn((n-1)/2)位置处的螺旋缠绕管管径依次增大，自处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管的管径至处于m1n1位置处的螺旋缠绕管的管径依次减小。
进一步的，所述的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器是在核反应堆组装现场直接螺旋绕制而成的，直接固定于核反应堆压力容器结构上，不需要考虑其整体运输的风险。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器具有更紧凑高效的结构。
(2)本发明的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器主要选择“叉排+变管径”的螺旋排管方案，能进一步提高核反应堆内置式换热器换热效率。
(3)本发明的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器排管方案包括4种类型，可根据实际热交换效率和使用场景选择不同的排管方案。
(4)本发明的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器可以应用于太空飞船散热器，解决太空真空环境下朝向太阳面的高温和背离太阳的低温，调节太空环境下飞船的室内温度。
附图说明
图1为本发明的一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器应用于核能的原理图；
图2为本发明的多组螺旋绕制换热管的结构示意图；
图3为本发明的螺旋绕制管“叉排”结构示意图；
图4为本发明的“叉排-管径递增”螺旋管换热器示意图；
图5为本发明的“叉排-管径递减”螺旋管换热器示意图；
图6为本发明的“叉排-管径先增后减”螺旋管换热器示意图；
图7为本发明的“叉排-管径先减后增”螺旋管换热器示意图；
图8为本发明的螺旋管换热器与冷却水供给管接头示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
实施例1：一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，参见图1至图8。
基于【发明内容】部分所述方案，为便于理解和说明，本实施例以四组换热管组成的螺旋换热器为例进行说明。
如图2所示，该螺旋换热器由四组螺旋换热管组成，四组螺旋换热管分别为第一组螺旋换热管31、第二组换热管32、第三组换热管33和第四组换热管34；第一组螺旋换热管31和第三组螺旋换热管33都由5个以同一螺旋旋转轴螺旋绕制而成，第二组螺旋换热管32和第四组螺旋换热管34都由4个以同一螺旋旋转轴螺旋绕制而成，四组螺旋换热管的端面都处于同一平面，并具有相同的螺距和螺旋圈数，且同列螺旋绕制管的螺旋起始端面圆心位于同一圆周上，四组换热管中处于相同列的螺旋绕制管的螺旋直径可以相同。
而考虑到在不同结构的核反应堆中和不同工况下，流体在换热器各处的速度分布不同，为进一步优化换热器的换热效率，在本发明设计中，每组同列螺旋换热管的螺旋直径交错的叉排，构成等差数列，(当m代表多组换热管的排，n代表多组换热管的列，mKnL为处于第K排第L列位置处的螺旋绕制管，K和L均为大于0的自然数)，“叉排”排管方式的螺旋换热器所有管径都满足：dm2n1＝(dm1n1+dm1n2)/2，其中，m2n1表示第二行第一列螺旋管的螺旋绕制直径；m1n1表示第一行第一列螺旋管的螺旋绕制直径；m1n2表示第一行第二列螺旋管的螺旋绕制直径。
依此类推，dm(K+1)nL＝(dmKnL+dmKn(L+1))/2，其中，dmKnL表示第K行第L列螺旋管的螺旋绕制直径；dm(K+1)nL表示第K+1行第L列螺旋管的螺旋绕制直径；dmKn(L+1)表示第K行第L+1列螺旋管的螺旋绕制直径。
根据流体在换热器各处的速度分布不同，本发明的螺旋换热器包含“叉排-管径递增”螺旋管换热器、“叉排-管径递减”螺旋管换热器、“叉排-管径先增后减”螺旋管换热器和“叉排-管径先减后增”螺旋管换热器，如图4至图7。
具体来说：
1、“叉排-管径递增”螺旋管换热器的排管方案如图4所示，在本实施例中，K、L均为大于0的自然数，L小于等于11。其次，其换热管的管径自m1n11处(螺旋换热器大螺旋半径R)至m1n1处(小螺旋半径r)逐渐增大。
2、“叉排-管径递减”螺旋管换热器的排管方案如图5所示，在本实施例中，K、L均为大于0的自然数，L小于等于11。其次，其换热管的管径自m1n11处(螺旋换热器大螺旋半径R)至m1n1处(小螺旋半径r)逐渐减小。
3、“叉排-管径先增后减”螺旋管换热器排管方案如图6所示，mKnL为处于第K排第L列位置处的螺旋缠绕管，在本实施例中，K、L均为大于0的自然数，此实例中，L小于等于11；处于同一排的11个螺旋缠绕管，螺旋直径最大处的m1n4和最小处的m1n1的两个螺旋缠绕管的管径最小，而处于中间m1n6处的螺旋缠绕管管径最大，螺旋缠绕管m1n1处的管径至螺旋缠绕管m1n6处的管径逐渐增大，螺旋缠绕管m1n6处的管径至螺旋缠绕管m1n11处的管径逐渐较小。
4、“叉排-管径先减后增”螺旋管换热器排管方案如图7所示，mKnL为处于第K排第L列位置处的螺旋缠绕管，在本实施例中，K、L均为大于0的自然数，此实例中，L小于等于11；处于同一排的11个螺旋缠绕管，螺旋直径最大处的m1n4和最小处的m1n1的两个螺旋缠绕管的管径最大，而处于中间m1n6处的螺旋缠绕管管径最小，螺旋缠绕管m1n11处的管径至螺旋缠绕管m1n6处的管径逐渐增减小，螺旋缠绕管m1n6处的管径至螺旋缠绕管m1n1处的管径逐渐增大。
本实施例中，本发明设计的核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器安装于堆芯罐体1的外壁上，如图1和图8所示，螺旋换热器的同一组换热管的两端分别通过接头5连接一个冷却剂进口2和一个冷却剂出口4。
所述接头5为90°弯管，一端与所述螺旋绕制管3相连，另一端通过法兰与冷却剂进口2连接。
所述冷却剂进口2和冷却剂出口4为单开口圆管，该圆管管壁布置有额外接头，对应着外部输入/出口。同时每组螺旋换热管所用接头5的数量与所述螺旋换热器该组换热管的数量(该组换热器的列数n)一致。
使用中，冷却剂在所述罐体1内堆芯被加热至高温高压，而后经罐体1顶部侧壁冷却剂通道流出并从上往下流入换热器内，随即，进入核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器内的各个螺旋绕制管间的空虚内，并流动与各个螺旋绕制管进行热交换，把内置式多用途变管经螺旋换热器换热管内的冷却水加热至高温高压的蒸汽，实现核反应堆堆功率的输出。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，包括多组换热管；其特征在于，螺旋换热器由多组具有相同螺距和螺旋圈数的换热管螺旋绕制而成，每组换热管由多个同轴心而不同管径的螺旋缠绕管组成，同一组的换热器螺旋缠绕管的螺旋起始端面圆心位于同一平面，且同列螺旋缠绕管的螺旋起始端面圆心具有相同螺旋半径；
螺旋换热器中的多组换热管螺旋组合的方式包括“叉排-管径递增”、“叉排-管径递减”、“叉排-管径先增后减”和“叉排-管径先减后增”；螺旋换热器的螺旋直径满足以下计算规律：设m代表多组换热管的排，n代表多组换热管的列，K和L均为大于0的自然数：
dm(K+1)nL＝(dmKnL+dmKn(L+1))/2，其中，dmKnL表示第K行第L列螺旋管的螺旋绕制直径；
dm(K+1)nL表示第K+1行第L列螺旋管的螺旋绕制直径；dmKn(L+1)表示第K行第L+1列螺旋管的螺旋绕制直径；
螺旋换热器为“叉排-管径递增”组合状态下，处于同一排的多个螺旋缠绕管，螺旋直径最大的螺旋缠绕管的管径最大，螺旋直径最大的螺旋缠绕管的管径最小，设m代表多组换热管的排，n代表多组换热管的列，设mKnL为处于第K排第L列位置处的螺旋缠绕管，K和L均为大于0的自然数；自处于mKnN位置处的螺旋缠绕管的管径至处于mKn1位置处的螺旋缠绕管的管径依次增大；K为任意大于0的数值，表示第K行螺旋管；
螺旋换热器为“叉排-管径递减”组合状态下，处于同一排的多个螺旋缠绕管，螺旋直径最大的螺旋缠绕管的管径最大，螺旋直径最大的螺旋缠绕管的管径最小，设m代表多组换热管的排，n代表多组换热管的列，设mKnL为处于第K排第L列位置处的螺旋缠绕管，K和L均为大于0的自然数；自处于mKnN位置处的螺旋缠绕管的管径至处于mKn1位置处的螺旋缠绕管的管径依次减小；K为任意大于0的数值，表示第K行螺旋管；
螺旋换热器为“叉排-管径先减后增”组合状态下，处于同一排的多个螺旋缠绕管，螺旋直径最大和最小的两个螺旋缠绕管的管径最大，设m代表多组换热管的排，n代表多组换热管的列，设mKnL为处于第K排第L列位置处的螺旋缠绕管，K和L均为大于0的自然数：
当n为奇数时，处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管管径最小，且自处于mKnL位置处的螺旋缠绕管的管径至处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管的管径依次减小；自处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管的管径至处于mKn1位置处的螺旋缠绕管的管径依次增大；
当n为偶数时，处于mKn((n-1)/2)、mKn((n+1)/2)位置处的两个螺旋缠绕管的管径相同并最小，且自处于mKnL位置处的螺旋缠绕管管径至处于mKn((n-1)/2)位置处的螺旋缠绕管管径依次减小，自处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管的管径至处于m1n1位置处的螺旋缠绕管的管径依次增大；
螺旋换热器为“叉排-管径先增后减”组合状态下，处于同一排的多个螺旋缠绕管，螺旋直径最大和最小的两个螺旋缠绕管的管径最大，设m代表多组换热管的排，n代表多组换热管的列，设mKnL为处于第K排第L列位置处的螺旋缠绕管，K和L均为大于0的自然数；
当n为奇数时，处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管管径最小，且自处于mKnL位置处的螺旋缠绕管的管径至处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管的管径依次增大；自处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管的管径至处于mKn1位置处的螺旋缠绕管的管径依次减小；
当n为偶数时，处于mKn((n-1)/2)、mKn((n+1)/2)位置处的两个螺旋缠绕管的管径相同并最小，且自处于mKnL位置处的螺旋缠绕管管径至处于mKn((n-1)/2)位置处的螺旋缠绕管管径依次增大，自处于mKn((n+1)/2)位置处的螺旋缠绕管的管径至处于m1n1位置处的螺旋缠绕管的管径依次减小；
高温高压的冷却剂并从上往下流入换热器内，进入核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器内的各个螺旋绕制管间的空虚内，并流动与各个螺旋绕制管进行热交换，把内置式多用途变管经螺旋换热器换热管内的冷却水加热至高温高压的蒸汽。
2.根据权利要求1所述的一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，其特征在于，该螺旋换热器由多组不同管径的螺旋换热管组成，所有螺旋换热管的螺距和螺旋圈数相等，且同列的螺旋缠绕管的螺旋绕制直径相同。
3.根据权利要求1所述的一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，其特征在于，同一组螺旋换热管具有同一冷却水进口和同一蒸汽出口；每组换热管中的单独一个螺旋缠绕管由一根管直接绕制而成。
4.根据权利要求1所述的一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，其特征在于，每组螺旋换热管都以同一螺旋旋转轴进行螺旋绕制而成的，且其管径大小不等。
5.根据权利要求1所述的一种核反应堆内置式多用途变管径螺旋换热器，其特征在于，每组螺旋管的螺旋起始端面圆心或终止端面圆心位于同一平面。
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