CN113035397B - 一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，切击式吸气系统包括输水结构、喷流结构、吸气结构、排水管以及排气管。切击式吸气系统可将蒸汽冷凝的水流势能转化为射流动能，带动吸气结构转动，产生一种抽吸力，从而吸走换热管附近的不凝性气体膜，使得蒸汽更好的在换热管外表面冷凝换热。本发明在安全壳内发生破口事故时可高效的带走安全壳内部热量，其利用切击式吸气系统可有效减薄不凝性气体膜，增强蒸汽与管束的接触，实现高效传热，确保事故条件下安全壳内部可高效的降温降压，增强安全壳的安全性并为降低安全壳的建造成本提供可行方案。

Description

一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器
技术领域
本发明涉及的是非能动安全壳冷却系统高效换热设备，具体是指一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器。
背景技术
21世纪是人类发展的重要阶段，同时也是常规能源短缺的阶段，核能因其清洁高效的特点，自发现以来，一直备受人们的关注。随着核能技术的不断发展与成熟，核能已逐步成为新的主要能源，其能量密度大、清洁高效的特点使得应用越来越广泛。
核能在给人类带来清洁高效的能源的同时，也带来了诸多风险。随着核电技术的发展，核电站的安全问题也越来越受重视。因此，为了缓解事故发生的严重后果和有效保障核电厂的安全性，在第三代核电技术中引入了非能动安全壳冷却系统。
上述的非能动安全壳冷却系统通常由安全壳内置换热器、安全壳外置换热水箱以及连接换热水箱和换热器的管线及阀门组成。当反应堆发生事故时，安全壳内会喷放大量高温蒸汽，其会与内置换热器的换热管接触冷凝换热，从而上管段的冷却水会不断吸热从而温度升高，由于上管段和下管段的密度差使得换热器和换热水箱形成自然循环，持续地导出安全壳内热量，防止安全壳超温超压，确保安全壳的完整性。
在发生事故时，为了防止安全壳内大量热量不能及时导出的问题，因此需考虑安全壳非能动换热器的强化换热措施。在现有的专利中，公开号为CN108122622A、CN106782698A的专利提供了新型的非能动安全壳外置换热水箱结构，使得换热水箱具有长期高效的运行能力。公开号为CN202614053U、CN108206064A、CN206907494U的专利分别提供了新型的非能动换热系统结构，有利于系统的集成，节省空间。这些专利的特点都在于主要关注PCCS中除内置换热器的其他设备，通过改动提升PCCS的自然循环能力以及长期运行能力，但提升PCCS的换热能力关键在于安全壳内置换热器换热能力的提升。
在事故的发展过程中，PCCS将长期运行逐渐导出安全壳内热量，在PCCS运行期间，蒸汽会在安全壳内置换热器表面大量冷凝，同时安全壳内置换热器外表面会聚集大量不凝性气体，使得每根换热管外表面都会形成气膜抑制蒸汽冷凝传热，已公开的专利未能针对这一问题形成有效的方案。
因此，有必要发明一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，以增强安全壳内置换热器的冷凝能力，高效的带走安全壳内的热量，确保事故条件下安全壳内部可以高效的降温降压，增强安全壳的安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，以实现安全壳内热量高效导出，确保安全壳结构上的完整性并为降低安全壳的建造成本提供可行方案。
本发明的目的是这样实现的：安全壳内置的换热器包括换热器入口联箱、换热器出口联箱、换热管束、用于连接换热器和安全壳外置换热水箱的上管段和下管段，换热管束分别联通换热器入口联箱和换热器出口联箱，还包括切击式吸气系统以及储气隔间，切击式吸气系统通过支撑柱与安全壳内壁面连接，切击式吸气系统包括输水结构、喷流结构、吸气结构、排水管以及排气管，输水结构与喷流结构相连，喷流结构与吸气结构相连；输水结构包括相互连接的漏斗及漏斗输水管，漏斗位于换热管束下方；喷流结构包括与漏斗输水管连接的喷管、设置喷管端部的喷嘴；吸气结构包括设置在喷嘴出口处的转轮、齿轮转向箱、吸气叶轮及吸气管，转轮所在轴通过齿轮转向箱将运动传递给吸气叶轮所在轴，喷嘴和转轮位于主动壳体内，吸气叶轮位于从动壳体内，吸气管的一端连接在从动壳体上、另一端伸至换热管束处；所述排水管一端设置在转轮下部的主动壳体上、另一端伸至堆坑侧壁面处；排气管一端设置在吸气叶轮下部、另一端伸至安全壳底部。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.换热器管束采用螺旋光管。
2.所述转轮包括轮盘及设置在转盘上的水斗。
3.所述齿轮转向箱为实现运动换向的啮合齿轮结构。
4.安全壳内置换热器入口联箱和出口联箱采用环形联箱，换热器入口联箱设置为安全壳内置换热器入口，换热器出口联箱设置为安全壳内置换热器出口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明在安全壳内置换热器中引入了切击式吸气系统。其利用蒸汽冷凝后产生的水流势能，转化为的动能来吸走换热管周围的不凝性气体膜，可有效减薄管束轴向方向的气膜厚度，增强蒸汽与换热管之间的接触，强化安全壳内置换热器的冷凝换热能力。
2)本发明采用的切击式吸气系统是非能动设备，依靠安全壳内置换热器附近大量蒸汽凝结的水的重力势能，进行能量转换，最终为吸气设备提供动能。
3)本发明采用了吸气管道(排气管10)，可将吸气设备吸走的不凝性气体通过管道存放到安全壳内部气空间底部，使得不凝性气体不参与安全壳内部主流气空间的循环，增大参与冷凝换热的蒸汽质量份额，从而增强换热器的换热能力。
4)本发明在安全壳内置换热器中引入了螺旋光管，其特殊的螺旋结构，使得换热管内水发生二次流从而增强了管内对流换热，并且抑制了外部的不凝性气体在管外表面的沉积，增强了安全壳非能动换热器的冷凝换热能力。
5)本发明在反应堆发生严重事故时，可以高效的带走安全壳内热量，确保安全壳内部快速的降温降压，维持安全壳内的压力、温度在安全限值内，确保了安全壳结构上的完整性并未降低安全壳的建造成本提供可行方案。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是切击式吸气系统示意图；
图3是吸气结构示意图；
图4a是吸气结构仰视图，图4b是吸气结构俯视图；
图5a是直管管束换热器正视图，图5b是直管管束换热器俯视图；
图6a是螺旋管管束换热器正视图，图6b是螺旋管管束换热器俯视图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1-5，本发明提供一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器。主要有安全壳内置换热器1、换热器入口联箱2、换热器出口联箱3、上管段4，下管段5、输水结构6、喷流结构7、吸气结构8、吸气管9、排气管10、排水管11、安全壳气空间管12、安全壳内壁面13、支撑柱14。
本发明一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，包括换热器入口联箱、换热管、换热器出口联箱以及切击式吸气系统。安全壳内置换热器管束优选采用直管光管或螺旋光管。安全壳内置换热器管束下部设置切击式吸气系统。上管段一端连通安全壳外置换热水箱底部入口，另一端伸入安全壳内部并连通换热器出口联箱；下管段一端连通安全壳外置换热水箱底部出口，另一端伸入安全壳内部并连通换热器入口联箱；
所述的安全壳内置换热器入口联箱和出口联箱采用环形联箱，换热器入口联箱设置为安全壳内置换热器入口，换热器出口联箱设置为安全壳内置换热器出口；所述的换热管优选为直管光管或螺旋光管，换热管设置多根，优选采用环形均匀布置，其换热管分别连通安全壳内置换热器入口联箱和安全壳内置换热器出口联箱；所述的切击式吸气系统包括输水结构、喷流结构、吸气结构、排水管以及排气管，输水结构与喷流结构相连，喷流结构与吸气结构相连，切击式吸气系统通过支撑柱与安全壳内壁面相连；所述的输水结构包括漏斗及漏斗输水管；喷流结构包括喷管及喷嘴，其作用是把水流势能转换成射流动能；吸气结构包括转轮、主轴、吸气叶轮、吸气管及壳体，吸气叶轮设置在壳体下部；所述的转轮包括轮盘及水斗，转轮通过主轴与吸气叶轮相连，吸气管进气口设置在换热管附近，并且从下至上间距依次增大布置，出气口连接壳体上部；所述的排水管一端设置在转轮下部，一端设置在堆坑侧壁面附近；排气管一端设置在吸气叶轮下部，一端设置在安全壳底部角落；所述的上管段一端通过贯穿件伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器出口联箱，另一端连通换热水箱底部入口；所述的下管段一端通过贯穿件伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器入口联箱，另一端连通换热水箱底部出口。
本发明主要应用于反应堆运行时发生的一回路或主蒸汽管道发生破裂事故。在反应堆发生事故期间，安全壳气空间12内会有大量高温高压的蒸汽喷放，安全壳内压力和温度会不断上升。在喷放初期，蒸汽产生的温度和压力上升主要由安全壳内壁面13、堆坑和安全壳其他内部构件吸收；在喷放后期，安全壳内的热量主要由安全壳内置换热器1导出。
在反应堆事故期间，破口处释放的大量高温高压气体具有密度小和一定的初始动能，从而使得气体沿着安全壳内的气流向上流动。当蒸汽与安全壳内置换热器1接触时，蒸汽会大量冷凝，同时换热管外表面会聚集大量不凝性气体，从而每根换热管外表面都会形成气膜抑制蒸汽冷凝传热。为了减小气膜的抑制影响，促进蒸汽的冷凝换热，设计了一种切击式吸气系统，该系统包括三部分：输水结构6(如图2)、喷流结构7(如图2)及吸气结构8(如图3,4)。切击式吸气系统可将蒸汽冷凝的水流势能转化为一种吸气的动能，从而吸走换热管附近的不凝性气体膜，使得蒸汽更好的在换热管外表面冷凝换热。通过设计的切击式吸气系统，蒸汽在安全壳内置换热器1间高效冷凝换热，冲刷安全壳内置换热器1外壁面。当安全壳内置换热器1和上管段4被加热后，换热管内冷却水温度升高，密度下降，上管段4与下管段5之间会由于密度差形成驱动力，使得安全壳内置换热器1和安全壳外置换热水箱之间形成自然循环，持续的带走安全壳内的热量。
切击式吸气系统包括输水结构6、喷流结构7、吸气结构8、排水管11及排气管10。输水结构6与喷流结构7相连，喷流结构7与吸气结构8相连，切击式吸气系统通过支撑柱14与安全壳内壁面13相连。
输水结构6包括漏斗15及漏斗输水管16，其作用是收集蒸汽冷凝后从安全壳内置换热器1上流下的水；喷流结构7包括喷管17及喷嘴18，其作用是把水流势能转换成射流动能；吸气结构包括转轮20、主轴22、水斗21、吸气叶轮24、吸气管9及齿轮转向箱23；转轮20通过主轴22以及齿轮转向箱23与吸气叶轮24相连，设定转轮20为主动轮，吸气叶轮24为从动轮；喷流机构7、主动轮及排水管11固定在主动壳体19上，从动轮、吸气管9及排气管10固定在从动壳体25上。吸气管9进气口设置在换热管附近，并且从下至上间距依次增大布置，出气口连接从动壳体25上部，优选如图4所示布置。
当大量蒸汽在安全壳内置换热器1上冷凝后，会产生大量冷凝后的水，从而在安全壳内置换热器1上沿重力方向向下流动，此时输水结构6中的漏斗15收集冷凝后的水，通过漏斗输水管16继续向下流动，到达喷流机构7时，由于其水流势能及喷嘴18的存在，使得对转轮20产生喷流，击打水斗21，使得转轮20快速转动，其转动力通过主轴22以及齿轮转向箱23传递给吸气叶轮24，使得吸气叶轮24在吸气结构8中快速转动，产生负压，形成一种抽吸力，通过吸气管9，吸走换热管附近的不凝性气体膜，增强蒸汽与管束的接触，实现高效传热。
喷嘴18喷出的水击打完水斗21后通过排水管11排到堆坑里储存。吸气叶轮24吸入的不凝性气体可通过排气管10排到安全壳底部角落，从而不参与主流气空间12的气体循环，减少主流气空间12的不凝性气体份额，增加蒸汽的冷凝效率。
针对于换热器入口联箱2和出口联箱3，考虑到安全壳气空间12内的大部分高温高压蒸汽会自上而下的冲刷安全壳内置换热器1，因此为避免联箱结构阻碍蒸汽流动，将联箱结构设计为环形联箱(如图5,6)，便于蒸汽更好的冲刷安全壳内置换热器1。
安全壳内置换热器1的换热管优选采用直管光管26(如图5)或螺旋光管27(如图6)。换热管设置多根，优选采用环形均匀布置(如图5,6)，其换热管分别连通换热器入口联箱2和换热器出口联箱3。螺旋光管27其特殊的螺旋结构，使得换热管内水发生二次流从而增强了管内对流换热，并且抑制了外部的不凝性气体在管外表面的沉积，增强了安全壳内置换热器1的冷凝换热能力。
综上，本发明的目的在于提供一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，其主要由换热器入口联箱、换热管、换热器出口联箱以及切击式吸气系统组成。安全壳内置换热器内换热管采用直管光管或螺旋光管。换热器出口联箱通过上管段与安全壳外置换热水箱相连，换热器入口联箱通过下管段与安全壳外置换热水箱相连，从而形成非能动安全壳冷却系统。所述的切击式吸气系统包括输水结构、喷流结构、吸气结构、排水管以及排气管。切击式吸气系统可将蒸汽冷凝的水流势能转化为射流动能，带动吸气结构转动，产生一种抽吸力，从而吸走换热管附近的不凝性气体膜，使得蒸汽更好的在换热管外表面冷凝换热。本发明在安全壳内发生破口事故时可高效的带走安全壳内部热量，其利用切击式吸气系统可有效减薄不凝性气体膜，增强蒸汽与管束的接触，实现高效传热，确保事故条件下安全壳内部可高效的降温降压，增强安全壳的安全性并为降低安全壳的建造成本提供可行方案。

Claims (9)

1.一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，安全壳内置的换热器包括换热器入口联箱、换热器出口联箱、换热管束、用于连接换热器和安全壳外置换热水箱的上管段和下管段，换热管束分别联通换热器入口联箱和换热器出口联箱，其特征在于：还包括切击式吸气系统以及储气隔间，切击式吸气系统通过支撑柱与安全壳内壁面连接，切击式吸气系统包括输水结构、喷流结构、吸气结构、排水管以及排气管，输水结构与喷流结构相连，喷流结构与吸气结构相连；输水结构包括相互连接的漏斗及漏斗输水管，漏斗位于换热管束下方；喷流结构包括与漏斗输水管连接的喷管、设置喷管端部的喷嘴；吸气结构包括设置在喷嘴出口处的转轮、齿轮转向箱、吸气叶轮及吸气管，转轮所在轴通过齿轮转向箱将运动传递给吸气叶轮所在轴，喷嘴和转轮位于主动壳体内，吸气叶轮位于从动壳体内，吸气管的一端连接在从动壳体上、另一端伸至换热管束处；所述排水管一端设置在转轮下部的主动壳体上、另一端伸至堆坑侧壁面处；排气管一端设置在吸气叶轮下部、另一端伸至安全壳底部。
2.根据权利要求1所述的一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，其特征在于：换热器管束采用螺旋光管。
3.根据权利要求1或2所述的一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，其特征在于：所述转轮包括轮盘及设置在转盘上的水斗。
4.根据权利要求1或2所述的一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，其特征在于：所述齿轮转向箱为实现运动换向的啮合齿轮结构。
5.根据权利要求3所述的一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，其特征在于：所述齿轮转向箱为将水平运动转换为竖直运动的啮合齿轮结构。
6.根据权利要求1或2所述的一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，其特征在于：安全壳内置换热器入口联箱和出口联箱采用环形联箱，换热器入口联箱设置为安全壳内置换热器入口，换热器出口联箱设置为安全壳内置换热器出口。
7.根据权利要求3所述的一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，其特征在于：安全壳内置换热器入口联箱和出口联箱采用环形联箱，换热器入口联箱设置为安全壳内置换热器入口，换热器出口联箱设置为安全壳内置换热器出口。
8.根据权利要求4所述的一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，其特征在于：安全壳内置换热器入口联箱和出口联箱采用环形联箱，换热器入口联箱设置为安全壳内置换热器入口，换热器出口联箱设置为安全壳内置换热器出口。
9.根据权利要求5所述的一种采用切击式吸气系统的安全壳内置高效换热器，其特征在于：安全壳内置换热器入口联箱和出口联箱采用环形联箱，换热器入口联箱设置为安全壳内置换热器入口，换热器出口联箱设置为安全壳内置换热器出口。
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竖直管束外含空气蒸汽冷凝的实验研究;王璐 等;核安全;第13卷(第4期);第79-83页 *

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CN113035397A (zh) 2021-06-25

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