CN113035399A - 一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器，安全壳内置换热器采用螺旋管强化换热管，并在四周设置多个聚流板。安全壳内置换热器入口管线一端连通安全壳外置换热水箱底部出口管线，另一端伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器入口联箱，安全壳内置换热器出口管线一端连通安全壳外置换热水箱底部入口管线，另一端伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器出口联箱，形成非能动安全壳冷却系统。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，其利用多个聚流板拼接形成的漏斗形结构可增大非能动空气自然循环，实现高效传热，并且可抑制氢气燃爆对安全壳及换热器带来的潜在危害，为安全壳的完整性提供保障。

Description

一种自驱动引流式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，具体是指一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器。

背景技术

核能自20世纪以来已成为新的主要能源，随着核能技术的不断发展与成熟，核能的应用范围也日益广泛。从早期陆地上的核电站，扩展到船舶海洋以及航空航天行业上。

其中，核安全一直是研究人员关注的重点，也是广泛应用核能的前提。因此，在常规核电站下，为了有效保障核电厂的安全性，遏制事故的严重性，在第三代核电技术中引入了非能动安全壳冷却系统。

非能动安全壳冷却系统通常由安全壳外置换热水箱、安全壳内置换热器以及连接换热水箱和换热器的管线及阀门组成。系统发生事故时，大量高温蒸汽会释放到安全壳内，并贴近安全壳内置换热器进行冷凝换热，从而安全壳内置换热器内的冷却水会吸收热量而升温，使得安全壳内置换热器和安全壳外置换热水箱形成自然循环，不断地导出安全壳内蒸汽热量，从而维持安全壳内压力和温度在安全限值内，保证安全壳的完整性。

由于反应堆发生事故时，安全壳内会喷放大量高温高压气体，若不及时对这些高温高压气体进行冷却，安全壳的完整性可能会遭到破坏，进而污染环境。因此需考虑传热性能优异的非能动安全壳冷却系统。

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。

在反应堆发生事故期间，为了使安全壳内快速有效的实现降温降压，有必要发明一种自驱动引流式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，更高效的带走安全壳内的热量，留出更多的安全裕量，确保安全壳的完整性并为降低安全壳建造成本提供可行方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器，以实现非能动安全壳热量导出系统的高效运行，进而充分保障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：包括安全壳、安全壳内置换热器、安全壳外置换热水箱、用于连接换热器和换热水箱的管线，其特征在于：安全壳内置换热器采用螺旋管强化换热管，并在四周设置聚流板，聚流板与聚流板之间拼接后形成上宽下窄的漏斗形气体流动通道，聚流板通过支撑柱设置在安全壳内壁上。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述聚流板是多孔聚流板和凸起聚流板，聚流板开口的截面从底部至顶部依次增大，所述多孔聚流板设置于靠近安全壳内壁面一侧，凸起聚流板设置在靠近安全壳主流气空间的一侧。

2.所述的多孔聚流板具体指在不锈钢板上均匀开孔，形成多孔结构。

3.所述凸起聚流板是波纹聚流板或酒窝聚流板或褶形聚流板，波纹聚流板具体指在聚流板靠近换热器一侧加工成凸起波纹结构，酒窝聚流板具体指在聚流板两侧等间距设置凸起结构；褶形聚流板具体指在聚流板靠近换热器一侧加工成三角凸起结构。

4.所述的安全壳内置换热器采用的换热管为螺旋光管，换热管采用两列多排布置。

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四周设置了聚流板，并对聚流板进行了结构设计。一方面，该结构可大大促进安全壳气空间内的气体循环，并增强安全壳内置换热器的冷凝换热能力；另一方面，当安全壳内发生高浓度氢气燃爆时，聚流板可以起到阻挡压力波，保护安全壳边界，维护安全壳结构安全的作用。

2)本发明在安全壳内置换热器中引入了螺旋光管，通过对安全壳内置换热器的结构改造，使得安全壳内置换热器管内水发生二次流，从而增强管内对流换热，配合聚流板的作用进一步增强了安全壳内置换热器的冷凝换热能力。

3)本发明为在发生严重事故时，非能动安全壳冷却系统可以高效的带走安全壳内热量，留出更多的安全裕量，确保安全壳的完整性并为降低安全壳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是聚流板的结构示意图；

图3是多孔聚流板示意图；

图4是波纹聚流板示意图；

图5是酒窝聚流板示意图；

图6是褶形聚流板示意图；

图7a是螺旋光管换热器侧视图，图7b是螺旋光管换热器正视图。

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1-7，本发明提供一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器。其主要有安全壳外置换热水箱1、安全壳外置换热水箱入口管线2、安全壳外置换热水箱出口管线3、安全壳内置换热器出口管线4，安全壳内置换热器入口管线5、安全壳内置换热器6、波纹聚流板7、多孔聚流板8、安全壳气空间9、安全壳内壁面10、安全壳内置换热器入口联箱11、安全壳内置换热器出口联箱12、安全壳外置水箱排气口13、安全壳外置水箱排气口生物屏蔽网14、支撑柱15。

本发明一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器，包括换热管、换热器入口联箱、换热器出口联箱、聚流板组成。安全壳内置换热器采用螺旋管强化换热管，并在四周设置多个聚流板。安全壳内置换热器入口管线一端连通安全壳外置换热水箱底部出口管线，另一端伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器入口联箱，安全壳内置换热器出口管线一端连通安全壳外置换热水箱底部入口管线，另一端伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器出口联箱；

所述的安全壳内置换热器四周设置聚流板，多个聚流板拼接形成上宽下窄的漏斗形气体流动通道；

所述的聚流板分为四种，多孔聚流板、波纹聚流板、酒窝聚流板、褶形聚流板，波纹聚流板、酒窝聚流板、褶形聚流板统称为凸起聚流板，聚流板开口的截面从底部至顶部依次增大，采用支撑柱将聚流板固定，支撑柱两端分别与安全壳内壁面和聚流板外表面焊接；

所述的多孔聚流板具体指在9块不锈钢板上均匀开孔，形成多孔结构；波纹聚流板具体指在聚流板靠近换热器一侧加工成凸起波纹结构；酒窝聚流板具体指在聚流板两侧等间距设置凸起结构；褶形聚流板具体指在聚流板靠近换热器一侧加工成三角凸起结构；酒窝聚流板与褶形聚流板可与波纹聚流板灵活更换使用；

所述的安全壳内置换热器包括换热器入口联箱、换热管、换热器出口联箱，换热管分别连通换热器入口联箱和换热器出口联箱，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；

所述的安全壳内置换热器采用的换热管为螺旋光管，换热管采用两列多排布置，位于安全壳内部；

所述的安全壳内置换热器入口管线位于换热水箱下方，连接安全壳外置换热水箱出口管线与换热器入口联箱；

所述的安全壳内置换热器出口管线位于换热水箱下方，连接安全壳外置换热水箱入口管线与换热器出口联箱。

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，会有大量高温高压的蒸汽释放到安全壳气空间9内，使得安全壳内温度和压力不断上升。在蒸汽喷放初期，蒸汽产生的温度和压力上升主要由安全壳内壁面10、堆坑和安全壳其他内部构件吸收；在蒸汽喷放后期，安全壳内的热量主要由安全壳内置换热器6导出。

在反应堆事故发展期间，破口处会产生大量的高温高压蒸汽，其由于密度小，并具有初始动能，蒸汽会沿着安全壳内的气流向上流动。当蒸汽途径安全壳内置换热器6时，大量蒸汽会发生冷凝，由于安全壳内置换热器6附近温度低，并且冷凝后会有高密度的不凝性气体聚集，使得安全壳内置换热器6附近密度增大，沿安全壳内置换热器6向下流动，从而气体在安全壳气空间9内形成循环。为了在维持上述循环的条件下增强安全壳内置换热器6的冷凝换热能力，在安全壳内置换热器6四周设置了多孔聚流板7和波纹聚流板8(如图2)。多孔聚流板7和波纹聚流板8通过拼接形成一个上宽下窄的漏斗形气体通道，使得气体在维持循环的条件下，并在安全壳内置换热器6处形成一个加速作用，从而冲刷安全壳内置换热器6外壁面，增强其冷凝换热能力。当安全壳内置换热器6和安全壳内置换热器出口管线4被加热后，其内部水由于温度升高，密度会下降，从而在安全壳内置换热器出口管线4和入口管线5之间会由于密度差形成驱动力，使得安全壳外置换热水箱1和安全壳内置换热器6之间形成自然循环，持续的带走安全壳内的热量。

针对于换热器四周设置的聚流板，聚流板由9块不同面积的不锈钢板焊接组成，并且其所用的不锈钢板根据不同需求分别制成多孔聚流板8(如图3)、波纹聚流板7(如图4)、酒窝聚流板16(如图5)、褶形聚流板17(如图6)。采用支撑柱15将聚流板固定，支撑柱15两端分别与安全壳内壁面和聚流板外表面焊接。多孔聚流板8位于靠近安全壳内壁面10一侧，波纹聚流板7位于靠近安全壳主流气空间9一侧。聚流板主要起到两种作用，一是通过形成的漏斗形气体通道，使得气体通过时加速从而增强换热器的冷凝换热；二是在安全壳内设置聚流板，当安全壳内发生高浓度氢气燃爆时，聚流板可有效抵挡所产生的压力波。

多孔聚流板8采用了多孔结构，不仅对气体起到了引流作用，并且由于其多孔结构，大量蒸汽冷凝在螺旋光管18外表面冷凝后，其周围气体密度增大，并向下产生加速作用，从而使得螺旋光管18附近压力下降，产生一种抽吸作用，安全壳气空间9内蒸汽就会通过多孔结构对螺旋光管18产生横向扰动，从而增强换热器冷凝换热能力。

波纹聚流板7表面采用波纹结构，设置于靠近安全壳主流气空间侧，主要由于氢气燃爆主要发生在安全壳主流气空间，由于表面的波纹结构使得在接触氢气燃爆产生的压力波时不易弯曲，能有效的抵挡压力波。本发明示图中仅采用了波纹聚流板7和多孔聚流板8，上述酒窝聚流板16及褶形聚流板17也可灵活更换使用。

针对于安全壳内置换热器6，换热器内被加热的冷却水沿着换热器出口管线4及水箱入口管线2进入到安全壳外置水箱1中，而外置水箱1中的水经水箱出口管线3及换热器入口管线5进入到安全壳内置换热器6中，从而导出安全壳内的热量。为了增强安全壳内置换热器6的冷凝换热能力，其换热器采用了强化换热结构。具体包括：水平布置的换热器入口联箱11和出口联箱12及竖直布置的螺旋光管18(如图7)。螺旋光管18采用两列多排的布置方式，其特殊的结构主要有两种强化换热作用：一是螺旋结构会使得管内水在流动中发生二次流，从而增强管内对流换热；二是由于螺旋结构的外表面，使得在蒸汽冷凝期间，周围不凝性气体不易于在换热管外表面聚集，从而增强管外冷凝换热。

针对于安全壳外置换热水箱，随着换热器出口管线和水箱入口管线带入的热量不断增多，换热水箱水空间不断被加热到饱和状态，从而在气空间的水蒸气不断增多，气空间的水蒸气通过排气口13排放到大气中。为防止外界生物等进入到安全壳外置水箱，在安全壳外置水箱排气口中安装了生物屏蔽网14。

安全壳外置水箱1采用了优质钢筋混凝土外壳，在其外壳表面涂覆有耐腐蚀耐高温的材料。

综上，本发明的目的在于提供一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器，其主要由换热管、换热器入口联箱、换热器出口联箱、聚流板组成。安全壳内置换热器采用螺旋管强化换热管，并在四周设置多个聚流板。安全壳内置换热器入口管线一端连通安全壳外置换热水箱底部出口管线，另一端伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器入口联箱，安全壳内置换热器出口管线一端连通安全壳外置换热水箱底部入口管线，另一端伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器出口联箱，形成非能动安全壳冷却系统。所述的聚流板由9块不同面积的不锈钢板焊接组成，多个聚流板拼接后形成上宽下窄的漏斗形气体流动通道。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，其利用多个聚流板拼接形成的漏斗形结构可增大非能动空气自然循环，实现高效传热，并且可抑制氢气燃爆对安全壳及换热器带来的潜在危害，为安全壳的完整性提供保障。

Claims (6)

1.一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器，包括安全壳、安全壳内置换热器、安全壳外置换热水箱、用于连接换热器和换热水箱的管线，其特征在于：安全壳内置换热器采用螺旋管强化换热管，并在四周设置聚流板，聚流板与聚流板之间拼接后形成上宽下窄的漏斗形气体流动通道，聚流板通过支撑柱设置在安全壳内壁上。

2.根据权利要求1所述的一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器，其特征在于：所述聚流板是多孔聚流板和凸起聚流板，聚流板开口的截面从底部至顶部依次增大，所述多孔聚流板设置于靠近安全壳内壁面一侧，凸起聚流板设置在靠近安全壳主流气空间的一侧。

3.根据权利要求2所述的一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器，其特征在于：所述的多孔聚流板具体指在不锈钢板上均匀开孔，形成多孔结构。

4.根据权利要求2或3所述的一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器，其特征在于：所述凸起聚流板是波纹聚流板或酒窝聚流板或褶形聚流板，波纹聚流板具体指在聚流板靠近换热器一侧加工成凸起波纹结构，酒窝聚流板具体指在聚流板两侧等间距设置凸起结构；褶形聚流板具体指在聚流板靠近换热器一侧加工成三角凸起结构。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器，其特征在于：所述的安全壳内置换热器采用的换热管为螺旋光管，换热管采用两列多排布置。

6.根据权利要求4所述的一种自驱动引流式安全壳内置高效换热器，其特征在于：所述的安全壳内置换热器采用的换热管为螺旋光管，换热管采用两列多排布置。

Images