CN113432454B - 一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构 - Google Patents
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Abstract
一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构，涉及螺旋式换热器领域。本发明是为了解决如何在极其有限的空间内达到最大的换热面积，同时满足管内水动力和热力过程的问题。本发明所述的一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构包括管板、外壳、换热器管束、多片隔板和多组拉杆定距管；所述的换热器管束的两端均插入到管板上，构成双管程螺旋式管束结构；所述的换热器管束的横截面为非圆形结构；多片隔板上下并列设置并套装在换热器管束上，相邻的两片隔板之间设置有一组拉杆定距管；所述的外壳套在换热器管束外。本发明主要用于铅铋堆主容器中蒸发器的换热。
Description
技术领域
本发明涉及螺旋式换热器领域，尤其涉及一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构。
背景技术
发展新型核能系统是解决核能安全问题的根本出路。核电小型堆电功率300MW以下相较于大型核电站优势很多，包括投资灵活可控，建造时间短，对厂址的适应性好、应用更加广泛的优点被世界各核电大国争相发展。而小型模块化Small Modular Reactor,SMR反应堆的研发是国际核能应用开发的一个新的趋势，成为谋求核能应用市场多元化的一条重要途径。国际原子能机构认为SMR在安全性、经济型、核不扩散能力以及无需现场装料的能力方面与其他能源以及大型反应堆相比，有着非常大的优势。SMR建造灵活简单、用处广泛，可以有效解决电力不足地区的电网输电问题，被视为“核能工业的转折点”。因此第四代铅冷式快中子反应堆铅铋堆得到了世界各国的密切关注。铅铋堆核燃料的能量密度提高100到300倍，可以利用现有的核废料发电。铅铋堆所产生的核废料半衰期显著缩短，系统结构合理大幅改善运转的安全性，能缓解我国核燃料短缺问题。
但是，铅铋堆主容器直径仅1.9米、高度2米，整体尺寸相对于常规核反应堆大幅度缩减，蒸发器的布置区域宽度仅约200mm，结构极其紧凑；且因其高度限制，仅能设置一块管板，换热器管束无法下进上出，只能上进上出；蒸发器热负荷高，单机热负荷设计就有1.5MW，4个蒸发器就有6MW，如果换热面积小，则单位面积热负荷大，过高热负荷会造成蒸发过程传热恶化，因此换热面积越大越好；同时还需要满足管内预热—蒸发—过热水动力和热力过程，最后还得考虑实际生产制造的可行性、经济型和安全性。因此，在极其有限的空间内做到最大的换热面积，同时满足管内水动力和热力过程是铅铋堆蒸发器的技术难点。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：如何在极其有限的空间内达到最大的换热面积，同时满足管内水动力和热力过程的问题；进而提供一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：
所述的一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构包括管板、外壳、换热器管束、多片隔板和多组拉杆定距管；所述的换热器管束的两端均插入到管板上，构成双管程螺旋式管束结构；所述的换热器管束的横截面为非圆形结构；多片隔板上下并列设置并套装在换热器管束上，相邻的两片隔板之间设置有一组拉杆定距管；所述的外壳套在换热器管束外。
进一步的，所述的换热器管束包括多根中心直管段、多个端部弯曲段、盘管段和多根盘管引出直管段，所述的中心直管段的一端从管板的中间引出并竖直设置，中心直管段的另一端与端部弯曲段的一端固连，所述的端部弯曲段的另一端与盘管段的一端连接，所述的盘管段的另一端与盘管引出直管段的一端连接，所述的盘管引出直管段的另一端垂直插入管板；所述的盘管段与盘管引出直管段将中心直管段包围。
进一步的，所述的多片隔板分为多片内隔板和多片外隔板；所述的多片内隔板上下并列设置并套装在处于盘管段包围区的多根中心直管段上；所述的多片外隔板上下并列设置并套装在多根中心直管段和多根盘管引出直管段上。
进一步的，在中心直管段上靠近中心直管段与端部弯曲段的连接处设置有一片内隔板；在盘管引出直管段与中心直管段上靠近盘管引出直管段与盘管段连接处设置有一片外隔板。
进一步的，所述的中心直管段、端部弯曲段、盘管段和盘管引出直管段一体成形。
进一步的，所述的换热器管束的多根中心直管段以阵列的形式布置在管板上；所述的盘管段是由多根换热管沿着中心直管段的轴线方向螺旋盘绕在多根中心直管段的周围而成，且换热器管束所形成的盘管段至少为一层；多根盘管引出直管段分为两组且分布在多根中心直管段的两侧。
进一步的，所述的换热器管束所盘成的盘管段的横截面为椭圆形、跑道形或矩形。
进一步的，当换热器管束所形成的盘管段为多层时，相邻的两层盘管段之间采用错流布置。
进一步的，它还包括多个密封套筒，所述的多个密封套筒套在多根中心直管段的外面，相邻的两片内隔板之间设置一个密封套筒，且相邻的两片内隔板与密封套筒之间形成密闭的空间；相邻的两片外隔板之间设置一个密封套筒，且相邻的两片外隔板与密封套筒之间形成密闭的空间。
本发明与现有技术相比产生的有益效果是：
1、本发明中的换热管束采用跑道形—双管程—螺旋式的结构不仅使得蒸发器具有结构极其紧凑、换热面积大和传热系数高的特点，还满足了其热负荷高、水动力限制、流速变化大和传热过程种类多等热力性能要求。
2、通过对密封套筒的设置与取消，还可实现纯逆流与顺逆混合两种传热方式，以满足不同场景的需求。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为图1中A-A处的剖视图；
图3为图1中B-B处的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案：
如图1所示，所述的一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构包括管板1、外壳2、换热器管束3、多片内隔板4和多片外隔板5和多组拉杆定距管6；
所述的换热器管束3是由多根换热管组成，换热器管束3包括多根中心直管段3-1、多个端部弯曲段3-2、盘管段3-3和多根盘管引出直管段3-4，所述的中心直管段3-1的一端从管板1的中间引出并竖直设置，中心直管段3-1的另一端与端部弯曲段3-2的一端固连，所述的端部弯曲段3-2的另一端与盘管段3-3的一端连接，所述的盘管段3-3的另一端与盘管引出直管段3-4的一端连接，所述的盘管引出直管段3-4的另一端垂直插入管板1，所述的盘管段3-3与盘管引出直管段3-4将中心直管段3-1包围；
所述的中心直管段3-1、端部弯曲段3-2、盘管段3-3和盘管引出直管段3-4一体成形，形成一根换热管，换热器管束3与管板1构成双管程(下流程和上流程)螺旋式管束结构；
在蒸发器布置空间相同的情况下，为了换热面积最大化，要在布置空间内布置最多的换热面积，所述的换热器管束3的中心直管段3-1以阵列的形式布置在管板1上；所述的盘管段3-3是由多根换热管沿着中心直管段3-1的轴线方向螺旋盘绕在多根中心直管段3-1的周围而成，且换热器管束3所形成的盘管段至少为一层，盘管段的层数设置根据壳程空间大小而定；当换热器管束3所形成的盘管段为多层时，为了更好的传热效果，相邻的两层盘管段之间采用错流布置，且换热管在端部弯曲段3-2弯曲开始盘旋时，盘管段是按内层到外层的顺序逐层引出换热管；相比于传统的U管式双管程换热器(虽然空间利用率较高，但上流程和下流程各占50％的总换热面积)，本实施例中的上流程实布换热面积比例极大提高(占总的换热面积约80％)，此时所有换热管均可参与换热，换热面积最大化。
因管束与管板间有力的作用(如重力、压力、管内管外介质的冲刷力)，还有温差应力的作用(换热管内温度比其余的都要高很多)，换热管的盘管段在制造时，弯管质量和管束成型精度都很差，所以在盘管段3-3后引出盘管引出直管段3-4，所述的盘管引出直管段3-4的引出长度可以根据蒸发器的整体结构设置进行调整，且多根盘管引出直管段3-4分为两组并均匀分布在多根中心直管段3-1的两侧，使得管束与管板间均匀受力，并且明显比管束从管板上集中引出受力更加均匀。
因为铅铋堆主容器上还需设置泵、流道等结构，因此设置蒸发器数量有限，本铅铋堆工程只能设置4个蒸发器，为了最大利用铅铋堆主容器的空间，所述的换热器管束3所盘成的盘管段的横截面为椭圆形、跑道形或矩形；在铅铋堆主容器上优选为跑道形，相对于传统的圆形螺旋式换热器具有更大的布置空间(周围是圆形螺旋管、中间是实心柱子)；所述的外壳2套在换热器管束3外。
因为由于螺旋式盘管弹性大刚性差、换热管无支撑且跨距越大，在介质冲刷下换热管越容易振动，换热器越容易坏，因此根据换热管规格和介质参数(密度、流速、冲刷方向等)设置一定数量的隔板和拉杆定距管；
所述的多片内隔板4上下并列设置并套装在处于盘管段3-3包围区的多根中心直管段3-1上，所述的内隔板4与最内层盘管段间留有间隙，使得内隔板4对中心直管段3-1不仅起到约束作用，同时还可以避免盘管段3-3与中心直管段3-1间形成大的漏流通道；
所述的多片外隔板5上下并列设置并套装在多根中心直管段3-1和多根盘管引出直管段3-4上；所述的多片外隔板5的外侧壁与外壳2的内壁接触，通过反作用力对整个管束起到约束作用，从而降低管束振动。
相邻的两片内隔板4之间设置有一组拉杆定距管6，相邻的两片外隔板5之间设置有一组拉杆定距管6；在中心直管段3-1上靠近中心直管段3-1与端部弯曲段3-2的连接处设置有一片内隔板4；在盘管引出直管段3-4与中心直管段3-1上靠近盘管引出直管段3-4与盘管段3-3连接处设置有一片外隔板5。每组拉杆定距管6共有4根拉杆定距管6，所述的4根拉杆定距管6以2×2的阵列形式设置，4根拉杆定距管6设置在隔板外边缘但靠近换热管处，通过螺纹或焊接连接，保证能固定住隔板。内隔板4与拉杆定距管6之间的设置、外隔板5与拉杆定距管6之间的设置保证了换热管束的刚度，对管束形成支持作用。
实施例2，与实施例1不同的是所述的一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构还包括多个密封套筒7，在管内预热-蒸发-过热的水动力过程中，为了避免管内汽水倒流，采用将中心直管段3-1屏蔽的方法将换热管实际传热段设置成纯逆流，即所述的多个密封套筒7套在多根中心直管段3-1的外面，相邻的两片内隔板4之间设置一个密封套筒7，密封套筒7分为三段式结构，其中两段为弧形件，另外一段为相对设置的两块板片，两件弧形件分别焊接在4根拉杆定距管6的两侧，两块板片焊接在两根拉杆定距管6之间，相邻的两片内隔板4与密封套筒7和拉杆定距管6之间形成密闭的空间；
相邻的两片外隔板5之间设置一个密封套筒7，所述的密封套筒7为一环形件，所述的密封套筒7的形状与盘管段3-3的横截面形状相同，相邻的两片外隔板5与密封套筒7之间形成密闭的空间。此时仅盘管引出直管段3-4和盘管段3-3与壳侧介质进行换热，可以形成纯逆流结构，保证汽体始终向上流动，避免汽水倒流。
在铅铋堆中，隔板和拉杆定距管还可以用来固定密封套筒，形成稳定的密封空间，避免密封套筒和换热管碰撞。
铅铋堆蒸发器管内过程是预热-蒸发-过热(预热流质是水，蒸发是汽水、过热是汽)。由于蒸发过程是水变成汽，因此流质是汽水混合物。如果蒸发过程流质向下流动，那么其中的气体因重力作用，就有可能向上跑，即逆流(也可能不逆流，在介质流速极高的情况下就不会逆流。但实际工程应用中，介质流速不可能高，因为流速一高，设备冲几下就马上坏了)，所以蒸发过程只能在上流程，这就是其水动力过程要求。根据蒸发器热力特征，预热-蒸发-过热所需的换热面积占比约2％-45％-53％，因此预热用面积很小，而蒸发用面积很大，所以上流程面积必须占比最大化，这就是其热力过程要求。但根据上面所知，即使采用新结构后，下流程所占面积仍有约20％，如果不屏蔽掉，那么下流程就会蒸发，这样水动力过程就实现不了。因此我们在下流程上设置了一定长度的密封套筒，将大部分面积密封形成流动死区，只留了底部一点(如图1所示)，这样就满足了其水动力和热力过程的要求(因为下流程面积仅剩不足2％，这样就基本是纯逆换热结构了)。
可以看出，整机设计参数要求、结构参数要求、水动力和热力要求是互相匹配的，不是随便设置满足了其中某一点要求就行，得满足所有要求才能进行实际生产制造。目前已有管束结构没有能满足铅铋堆系统所有要求的。
我们设置密封套筒是针对铅铋堆的技术特点设置的，当管内过程不需要满足预热—蒸发—过热的水动力和热力过程时，就不用设置密封套筒，这时候就能获得最大的换热面积。所以密封套筒是根据具体要求选择是否设置，而不是必须有。
Claims (5)
1.一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构，其特征在于：它包括管板(1)、外壳(2)、换热器管束(3)、多片隔板和多组拉杆定距管(6)；
所述的换热器管束(3)的两端均插入到管板(1)上，构成双管程螺旋式管束结构；所述的换热器管束(3)的横截面为非圆形结构；
多片隔板上下并列设置并套装在换热器管束(3)上，相邻的两片隔板之间设置有一组拉杆定距管(6)；所述的外壳(2)套在换热器管束(3)外；
所述的换热器管束(3)包括多根中心直管段(3-1)、多个端部弯曲段(3-2)、盘管段(3-3)和多根盘管引出直管段(3-4)，所述的中心直管段(3-1)的一端从管板(1)的中间引出并竖直设置，中心直管段(3-1)的另一端与端部弯曲段(3-2)的一端固连，所述的端部弯曲段(3-2)的另一端与盘管段(3-3)的一端连接，所述的盘管段(3-3)的另一端与盘管引出直管段(3-4)的一端连接，所述的盘管引出直管段(3-4)的另一端垂直插入管板(1)；所述的盘管段(3-3)与多根盘管引出直管段(3-4)将多根中心直管段(3-1)包围；所述的换热器管束(3)所盘成的盘管段(3-3)的横截面为椭圆形、跑道形或矩形；上流程实布换热面积比例极大提高，占总的换热面积80％；
所述的多片隔板分为多片内隔板(4)和多片外隔板(5)；所述的多片内隔板(4)上下并列设置并套装在处于盘管段(3-3)包围区的多根中心直管段(3-1)上；所述的多片外隔板(5)上下并列设置并套装在多根中心直管段(3-1)和多根盘管引出直管段(3-4)上；
它还包括多个密封套筒(7)，所述的多个密封套筒(7)套在多根中心直管段(3-1)的外面，相邻的两片内隔板(4)之间设置一个密封套筒(7)，且相邻的两片内隔板(4)与密封套筒(7)之间形成密闭的空间；相邻的两片外隔板(5)之间设置一个密封套筒(7)，且相邻的两片外隔板(5)与密封套筒(7)之间形成密闭的空间，仅盘管引出直管段(3-4)和盘管段(3-3)与壳侧介质进行换热，可以形成纯逆流结构，保证汽体始终向上流动。
2.根据权利要求1所述的一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构，其特征在于：在中心直管段(3-1)上靠近中心直管段(3-1)与端部弯曲段(3-2)的连接处设置有一片内隔板(4)；在盘管引出直管段(3-4)与中心直管段(3-1)上靠近盘管引出直管段(3-4)与盘管段(3-3)连接处设置有一片外隔板(5)。
3.根据权利要求2所述的一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构，其特征在于：所述的中心直管段(3-1)、端部弯曲段(3-2)、盘管段(3-3)和盘管引出直管段(3-4)一体成形。
4.根据权利要求3所述的一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构，其特征在于：所述的换热器管束(3)的多根中心直管段(3-1)以阵列的形式布置在管板(1)上；所述的盘管段(3-3)是由多根换热管沿着中心直管段(3-1)的轴线方向螺旋盘绕在多根中心直管段(3-1)的周围而成，且换热器管束(3)所形成的盘管段(3-3)至少为一层；多根盘管引出直管段(3-4)分为两组且分布在多根中心直管段(3-1)的两侧。
5.根据权利要求4所述的一种非圆形截面双管程螺旋式换热器管束结构，其特征在于：当换热器管束(3)所形成的盘管段(3-3)为多层时，相邻的两层盘管段(3-3)之间采用错流布置。
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Legal Events
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20221014 Address after: 150000 building 33, high tech production base, Nangang District, Harbin City, Heilongjiang Province Applicant after: HARBIN BOILER Co.,Ltd. Applicant after: Qingdao Yuandongxin Energy Technology Co.,Ltd. Address before: 150046 No. three power road, Heilongjiang, Harbin 309 Applicant before: HARBIN BOILER Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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Address after: 150000 building 33, high tech production base, Nangang District, Harbin City, Heilongjiang Province Patentee after: HARBIN BOILER Co.,Ltd. Patentee after: Neutron Times (Qingdao) Innovation Technology Co.,Ltd. Address before: 150000 building 33, high tech production base, Nangang District, Harbin City, Heilongjiang Province Patentee before: HARBIN BOILER Co.,Ltd. Patentee before: Qingdao Yuandongxin Energy Technology Co.,Ltd. |