CN112361866B - 用于高温气冷堆的中间换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高温气冷堆的中间换热器，包括壳体(110)、中心筒(120)、换热组件(130)、一次侧绝热层(140)和风机(M)。壳体(110)上设有一次侧介质进口(114)。中心筒(120)的远离一次侧介质进口(114)的第一端部由壳体(110)支撑。换热组件(130)由中心筒(120)支撑。风机(M)集成在壳体(110)内，被布置成将来自换热组件(130)冷一次侧介质向一次侧介质出口(115)供应。由此，中心筒的承受最大应力的第一端部处于可能的最低温度，防止了高温蠕变以及疲劳失效。并且，还实现了中间换热器的集成式设计，减少了管道连接点，降低了失效风险，简化了中间换热器的安装和更换。

Description

用于高温气冷堆的中间换热器

技术领域

本发明涉及一种用于高温气冷堆的中间换热器。

背景技术

中间换热器是利用高温气冷堆的高温工艺热的必需部件。用于高温气冷堆的中间换热器是隔离具有放射性的一回路介质和通往工艺热应用用户的中间回路介质的核一级设备。因此，中间换热器的安全及可靠性对于高温气冷堆的安全性及经济性具有重要意义。

现有的换热器一般使用温度较低，所引起的热膨胀较小，无需考虑金属材料蠕变以及温度升高导致的金属材料强度大幅降低的问题。一些传统的换热器，比如固定管板式换热器、U型管式换热器、浮头式换热器及填料函式换热器，不仅不能用于高温高压，而且还不适用于工质的大温差。另一些传统的换热器，比如螺旋管式换热器或者蒸汽发生器，其主要承压结构(换热器壳体)及承重结构(螺旋管束支撑)的设计没有考虑高温导致的许用应力降低、以及高温蠕变疲劳问题，不能用作高温高压换热器。

高温气冷堆产生的工质高温超过金属的蠕变温度，因此给换热器设计带来了很大挑战。温度升高不仅大幅降低材料的高温瞬时断裂强度，还将大大降低其蠕变及疲劳性能。因此，工质温度提高后(尤其是温度高于600℃之后)，除需采用耐高温金属材料外，换热器的结构形式还需要特别设计，尤其需要关注解决热膨胀量大、高温金属材料许用应力低、高温材料的蠕变疲劳等问题。

发明内容

本发明提供了一种用于高温气冷堆的中间换热器，其壳体内集成有风机。本发明提供的这种中间换热器大大降低了高温部件运行温度，减小了部件热应力，从而使其能够长期可靠地在高温下运行。本发明提供的中间换热器包括：壳体，所述壳体上设置有一次侧介质进口、一次侧介质出口、二次侧介质进口和二次侧介质出口；中心筒，所述中心筒布置于所述壳体内，所述中心筒包括远离所述一次侧介质进口的第一端部和靠近所述一次侧介质进口的第二端部，所述中心筒在所述第一端部处由所述壳体支撑，所述中心筒的所述第一端部与所述二次侧介质出口流体连通；换热组件，所述换热组件布置于所述壳体内并围绕所述中心筒设置，所述换热组件与所述中心筒流体连通，且所述换热组件由所述中心筒支撑，所述二次侧介质进口与所述换热组件流体连通，从而提供从所述二次侧介质进口经由所述换热组件、所述中心筒至所述二次侧介质出口的二次侧介质流动路径；一次侧绝热层，所述一次侧绝热层布置于所述壳体内并围绕所述换热组件的外侧设置，并且所述一次侧绝热层与所述壳体间隔开，以在所述一次侧绝热层与所述壳体之间形成通道，所述一次侧绝热层配置为引导来自所述一次侧介质进口的热一次侧介质流经所述换热组件表面，并且引导离开所述换热组件的冷一次侧介质经由所述通道流向所述一次侧介质出口，以及集成在所述壳体内的风机，所述风机被配置为将所述冷一次侧介质向所述一次侧介质出口供应。以这种方式，使得中心筒的承受最大应力的第一端部处于可能的最低温度，防止了高温蠕变以及疲劳失效。并且，还实现了中间换热器的集成式设计，减少了管道连接点，降低了失效风险，简化了中间换热器的安装和更换。

优选的是，所述中心筒悬吊于所述壳体中。以这种方式，允许换热组件被布置在一次侧介质进口的上方，从而能够减少厂房的高度。

优选的是，所述中心筒悬吊于所述壳体的上壳体封头。以这种方式，使得中心筒的竖直位置更加稳定。

优选的是，所述中心筒悬吊于所述壳体的壳体筒体的上部。以这种方式，在壳体顶部留出安装风机的空间。

优选的是，所述中心筒的所述第一端部由所述壳体的下壳体封头支撑。以这种方式，允许换热组件被布置在一次侧介质进口的下方，从而能够防止停堆时中间换热器与堆芯之间的自然对流。

优选的是，还包括集箱结构和出口连接管，所述集箱结构连接到所述中心筒的所述第二端部并与所述中心筒流体连通，所述换热组件通过所述出口连接管与所述集箱结构流体连通。以这种方式，与热一次侧介质接触的换热组件、集箱结构和出口连接管只承受自身重力，由此保证其一次应力是最低的，并且可自由膨胀。

优选的是，其中所述出口连接管通过对接焊连接到所述集箱结构。以这种方式，可增加出口连接管与集箱结构的连接部的高温强度，并避免胀接及角焊缝，从而避免高温蠕变及疲劳失效。

优选的是，还包括中心筒绝热层，所述中心筒绝热层设置于所述中心筒的内侧。以这种方式，将中心筒壁面与二次侧介质热绝缘，由此降低中心筒壁面温度。

优选的是，所述二次侧介质进口与所述二次侧介质出口同心布置。以这种方式，允许进口连接管采用环形管板。

优选的是，所述二次侧介质进口与所述二次侧介质出口分开布置。以这种方式，使得加工制造更容易实现。

优选的是，还包括进口连接管，所述二次侧介质进口通过所述进口连接管与所述换热组件流体连通。

附图说明

通过参照附图所示实施例的以下详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本发明的多个实施例进行说明，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例，其中中心筒悬吊于壳体内并且二次侧介质进口和二次侧介质出口环形设置；

图2示出了根据本发明的另一个实施例，其中中心筒悬吊于壳体内并且二次侧介质进口和二次侧介质出口分开设置；

图3示出了根据本发明的又一个实施例，其中中心筒悬吊于壳体内并且二次侧介质进口和二次侧介质出口环形设置；

图4示出了根据本发明的又一个实施例，其中中心筒悬吊于壳体内并且二次侧介质进口和二次侧介质出口分开设置；

图5示出了根据本发明的又一个实施例，其中中心筒的第一端部连接到壳体的下壳体封头并且二次侧介质进口和二次侧介质出口环形设置；以及

图6示出了根据本发明的又一个实施例，其中中心筒的第一端部连接到壳体的下壳体封头并且二次侧介质进口和二次侧介质出口分开设置。

具体实施方式

针对现有技术中存在的种种问题，本发明提出了一种用于高温气冷堆的中间换热器。通过合理的管束布置、管程、壳程进出口位置设计、管束支撑结构、关键高温部件设计等，该中间换热器不仅解决了高温换热条件下换热器本身的可靠性问题，还提高了高温换热器的集成性。

现在将参照附图中所示的各种示例性实施例对本发明的原理进行说明。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。

如图1所示，中间换热器整体由100指示。中间换热器100包括壳体110。壳体110包括壳体筒体111、上壳体封头112和下壳体封头113。上壳体封头112和下壳体封头113通过适当的方式连接到壳体筒体111，从而形成壳体110，本发明在此方面不受限制，上壳体封头和下壳体封头形式并非必须，也不限于半球形，只要形成一个具有腔体的壳体即可。在壳体110上设置有一次侧介质进口114、一次侧介质出口115、二次侧介质进口116和二次侧介质出口117。

在壳体110内提供中心筒120、换热组件130和一次侧绝热层140。中心筒120包括远离一次侧介质进口114的第一端部和靠近一次侧介质进口114的第二端部。中心筒120的第一端部与壳体110连接从而中心筒120由壳体110支撑。

换热组件130用于实现一次侧介质与二次侧介质之间的换热。根据图示实施例，换热组件130围绕着中心筒120设置并由中心筒120支撑，但换热组件也可以采用其他支撑方式。换热组件130一边与中心筒120流体连通，另一边与壳体上的二次侧介质进口116流体连通。换热组件130包括螺旋管，当然也可以采用除了螺旋管以外的其他可能的形式。一次侧介质与二次侧介质均可采用氦气，也可以采用其他合适的介质。

一次侧绝热层140围绕换热组件130的外侧设置从而引导来自一次侧介质进口114的热一次侧介质流经换热组件130的表面。并且一次侧绝热层140设置成与壳体110间隔开，从而在一次侧绝热层140和壳体110之间形成通道。该通道用于引导离开换热组件130的冷一次侧介质流向一次侧介质出口115。

由此，壳体110、中心筒120和一次侧绝热层140限定了从一次侧介质进口114到一次侧介质出口115的一次侧介质流动路径。而壳体上的二次侧介质进口116、换热组件130、中心筒120到壳体上的二次侧介质出口117限定了二次侧介质流动路径。

具体来说，热一次侧介质经由一次侧介质进口114流入壳体110；然后在一次侧绝热层140的引导下流经换热组件130的表面，从而实现与二次侧介质的换热；离开换热组件130的冷一次侧介质经由壳体110和一次侧绝热层140之间的通道流向一次侧介质出口115从而离开壳体110。

可见，从中心筒120的第一端部到中心筒120的第二端部，一次侧介质的温度逐渐升高。中心筒120的承受最大应力的第一端部处于可能的最低温度，由此防止高温蠕变及疲劳失效。另外，作为换热器的主要承压部件的壳体110与冷一次侧介质接触，从而降低了壳体110的温度。

在壳体110内设置风机M。所述风机M被配置为将冷一次侧介质向一次侧介质出口115供应。风机M通过管道150与一次侧绝热层140和壳体110之间的通道流体连通。将风机M设置在壳体110内，形成了集成式的中间换热器，由此可以大幅减少管道连接节点和管道长度，从而降低了事故风险，并且使中间换热器的安装更加简单。

如图1、2、3和4所示，中心筒120悬吊于壳体110内。由此允许换热组件130被布置于一次侧介质进口114的上方。由于在实际操作中，反应堆(未示出)也位于一次侧介质进口114的上方，因此使得换热组件130和反应堆(未示出)均位于一次侧介质进口114的上方，由此可以减少整个厂房的高度。

如图1和2所示，中心筒120可悬吊于壳体110的上壳体封头112。这使得中心筒120的竖直位置更加稳定。如图3和4所示，中心筒120可悬吊于壳体110的壳体筒体111的上部。这允许在壳体110的顶部处留出用于安装风机M的空间。

如图5和6所示，中心筒120的第一端部连接到下壳体封头113，由此中心筒120由壳体110支撑。这允许换热组件130被布置在一次侧介质进口114的下方。由于反应堆(未示出)位于一次侧介质进口114的上方，所以将换热组件130布置于一次侧介质进口114的下方可有效防止停堆后作为冷源的中间换热器100与作为热源的堆芯之间的自然对流。

在壳体110内提供进口连接管132、出口连接管134和集箱结构122。进口连接管132将换热组件130与二次侧介质进口116流体连通。出口连接管134将换热组件130与集箱结构122流体连通。集箱结构122与中心筒120的第二端部相连并与中心筒120流体连通。出口连接管134与集箱结构122优选采用对接焊进行连接，由此可以增加高温强度，并避免胀接及角焊缝，从而避免高温蠕变及疲劳失效。

由此，进口连接管132、换热组件130、出口连接管134、集箱结构122和中心筒120形成了二次侧介质流动路径。具体来说，冷二次侧介质经由二次侧介质进口116流入壳体110内；然后经由进口连接管132流入换热组件130，从而实现与一次侧介质的换热；离开换热组件130的热二次侧介质经由出口连接管134流入集箱结构122；此后，经由中心筒120所提供的热二次侧介质流道126从二次侧介质出口117流出壳体110。

在中心筒120的内侧上提供中心筒绝热层124，以用作热二次侧介质管道绝热层，从而将中心筒120壁面与热二次侧介质热绝缘，由此降低中心筒120壁面温度。

换热组件130、中心筒120、进口连接管132和集箱结构122的热膨胀差最小，由此出口连接管134承受热应力最小。

如图1、3、5所示，二次侧介质进口116可与二次侧介质出口117环形设置，这允许进口连接管132采用环形管板。如图2、4、6所示，二次侧介质进口116可与二次侧介质出口117分开设置，位于壳体的不同侧，这使得加工制造更容易实现。

换热组件130、集箱结构122和出口连接管134承受最高温度。由于换热组件130、集箱结构122和出口连接管134都连接到中心筒120并由中心筒120支撑，所以换热组件130、集箱结构122和出口连接管134只承受自身重力，由此保证其一次应力是最低的，并且可自由膨胀。

应当理解，上述实施例的描述仅仅为了使得本领域的技术人员能够更好地理解并进一步实现本发明，而并不意在以任何方式限制本发明的范围。本领域的普通技术人员将明白本发明可以有多种替代和变型。因此，虽然具体描述了一些替代实施方式，本领域普通技术人员将明白或相对容易地开发其他实施方式。本发明旨在包括这里描述的实施例的所有替代、改型和变型，以及落入以上描述的本发明精神和范围内的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于高温气冷堆的中间换热器，其特征在于，包括：

壳体（110），所述壳体（110）上设置有一次侧介质进口（114）、一次侧介质出口（115）、二次侧介质进口（116）和二次侧介质出口（117），所述二次侧介质进口（116）和所述二次侧介质出口（117）位于同一侧并远离所述一次侧介质进口（114）；

中心筒（120），所述中心筒（120）布置于所述壳体（110）内，所述中心筒（120）包括远离所述一次侧介质进口（114）的第一端部和靠近所述一次侧介质进口（114）的第二端部，所述中心筒（120）在所述第一端部处由所述壳体（110）支撑，所述中心筒（120）的所述第一端部与所述二次侧介质出口（117）流体连通，

集箱结构（122）和出口连接管（134），所述集箱结构（122）连接到所述中心筒（120）的所述第二端部并与所述中心筒（120）流体连通；

换热组件（130），所述换热组件（130）通过所述出口连接管（134）与所述集箱结构（122）流体连通，所述换热组件（130）布置于所述壳体（110）内并围绕所述中心筒（120）设置，所述换热组件（130）与所述中心筒（120）流体连通，且所述换热组件（130）由所述中心筒（120）支撑，所述二次侧介质进口（116）与所述换热组件（130）流体连通，从而提供从所述二次侧介质进口（116）经由所述换热组件（130）、所述集箱结构（122）、所述中心筒（120）至所述二次侧介质出口（117）的二次侧介质流动路径，

一次侧绝热层（140），所述一次侧绝热层（140）布置于所述壳体（110）内并围绕所述换热组件（130）的外侧设置，并且所述一次侧绝热层（140）与所述壳体（110）间隔开，以在所述一次侧绝热层（140）与所述壳体（110）之间形成通道，所述一次侧绝热层（140）配置为引导来自所述一次侧介质进口（114）的热一次侧介质流经所述换热组件（130）表面，并且引导离开所述换热组件（130）的冷一次侧介质经由所述通道流向所述一次侧介质出口（115），以及

集成在所述壳体（110）内的风机（M），所述风机（M）被配置为将所述冷一次侧介质向所述一次侧介质出口（115）供应。

2.根据权利要求1所述的中间换热器，其特征在于，所述中心筒（120）悬吊于所述壳体（110）中。

3.根据权利要求2所述的中间换热器，其特征在于，所述中心筒（120）悬吊于所述壳体（110）的上壳体封头（112）。

4.根据权利要求2所述的中间换热器，其特征在于，所述中心筒（120）悬吊于所述壳体（110）的壳体筒体（111）的上部。

5.根据权利要求1所述的中间换热器，其特征在于，所述中心筒（120）的所述第一端部由所述壳体（110）的下壳体封头（113）支撑。

6.根据权利要求1所述的中间换热器，其特征在于，其中所述出口连接管（134）通过对接焊连接到所述集箱结构（122）。

7.根据权利要求1所述的中间换热器，其特征在于，还包括中心筒绝热层（124），所述中心筒绝热层（124）设置于所述中心筒（120）的内侧。

8.根据权利要求1所述的中间换热器，其特征在于，所述二次侧介质进口（116）与所述二次侧介质出口（117）同心布置。

9.根据权利要求1所述的中间换热器，其特征在于，所述二次侧介质进口（116）与所述二次侧介质出口（117）分开布置。

10.根据权利要求1所述的中间换热器，其特征在于，还包括进口连接管（132），所述二次侧介质进口（116）通过所述进口连接管（132）与所述换热组件（130）流体连通。

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