CN113494704A - 一种核动力余热排出装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核动力余热排出装置，包括蒸汽发生系统，所述蒸汽发生系统包括液体进口和蒸汽出口，所述蒸汽出口与蒸汽排出管道连接；所述蒸汽排出管道上设有向所述蒸汽排出管道内通入不凝气的气体管道，所述气体管道上设有自所述气体管道向所述蒸汽排出管道通入不凝气的单向阀；本发明的装置采用单向阀，当气体管道压力高于蒸汽排出管道压力时，空气进入蒸汽排出管道，空气具有良好的可压缩性，可以大大降低水锤压力；当气体管道压力小于蒸汽排出管道压力时，止回阀关闭，防止海水进入到空气侧。本发明通过止回阀的开启与闭合可自动消除蒸汽凝结诱发水锤现象，提高设备的安全性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于核动力工程技术领域，具体地说，涉及一种核动力余热排出装置。
背景技术
饱和蒸汽、湿蒸汽或过热蒸汽直接接触到过冷水时，蒸汽要发生凝结相变，这种凝结相变过程称之为蒸汽直接接触凝结(Steam Direct Contact Condensation-SDCC)。直接接触凝结过程中汽液两相凝结界面处的传热传质阻力极小，在凝结界面处具有极高的传热传质效率，因此，在化工、能源和核电等领域中被广泛的应用。例如：核电站中的余热回收系统，蒸汽引射器，核反应堆抑压安全系统等。
申请号为CN201810833698.1的中国专利公开了一种蒸汽排放过程凝结水锤抑制系统，包括：蒸汽排放系统、空气注射系统和流量控制系统，蒸汽出口用水平管连接，通过压力传感器监测不同位置压力波动得到凝结水击发生位置，从而控制电动调节阀选择不同空气注射主路的启停，蒸汽中含有空气会增大汽液间热阻，降低凝结换热系数。但是，在该专利中，不能自动消除管道中水锤，且无法预防管道中水倒灌，所以，能够找到一种自动消除核动力余热排出海水侧蒸汽凝结诱发水锤的装置对于核动力装置的安全运行具有重要的意义。
因此，如何设计出一种能够自动消除核动力余热排出海水侧蒸汽凝结诱发水锤，保证系统余热排出效率，提高核动力装置运行的安全性等有益效果的装置成为亟待解决的问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单的核动力余热排出装置。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
一种核动力余热排出装置，包括蒸汽发生系统，所述蒸汽发生系统包括液体进口和蒸汽出口，所述蒸汽出口与蒸汽排出管道连接；
所述蒸汽排出管道上设有向所述蒸汽排出管道内通入不凝气的气体管道，所述气体管道上设有自所述气体管道向所述蒸汽排出管道通入不凝气的单向阀。
进一步的，
所述蒸汽发生系统还包括高温水入口和冷却水出口，所述高温水入口和冷却水出口之间形成第一通道；所述液体进口和所述蒸汽出口之间形成第二通道，所述第一通道与所述第二通道之间相互隔离，并具有热量交换。
进一步的，
所述液体进口与海水管道连通，所述高温水入口与核动力装置中的高温水出口连通，所述冷却水出口与所述核动力装置中的冷却水入口连通。
进一步的，
所述蒸汽排出管道包括竖直段和倾斜段，所述竖直段与所述蒸汽出口连接，所述倾斜段为一大长径比倾斜管道，所述大长径比倾斜管道的中心轴线与水平线之间的夹角不超过5°，所述大长径比倾斜管道的长径比值大于40。
进一步的，
所述竖直段与所述倾斜段之间设有连接弯头，所述蒸汽排出管道上设有若干所述气体管道，靠近所述连接弯头的气体管道与所述连接弯头之间的距离不超过所述大长径比倾斜管道的长径比值的10倍。
进一步的，
相邻的两个气体管道之间的距离不超过所述大长径比倾斜管道的长径比值的10倍。
进一步的，
所述气体管道的一端与所述蒸汽排出管道连接，另一端设有储气罐，所述储气罐设有气体压缩机。
进一步的，
所述单向阀设置在邻近所述气体管道与所述蒸汽排出管道的连接处。
进一步的，
所述气体管道的直径不超过大长径比倾斜管道直径的1/5,所述气体管道的长径比值大于20。
进一步的，
所述不凝气包括空气。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
本发明采用止回阀，当气体管道压力高于大长径比倾斜管道压力时，空气进入到大长径比倾斜管道，与管道中的蒸汽进行混合，当蒸汽凝结诱发水锤时，空气作为不凝气具有良好的可压缩性，可以大大降低水锤压力，空气在海水自然对流驱动下，排出至海水中；当气体管道压力小于大长径比倾斜管道压力时，止回阀关闭，防止海水倒灌入舱体内，保证核动力装置运行安全；一旦蒸汽凝结诱发压力降低，空气又将自动进入到大长径比倾斜管道，空气作为不凝气用于消除蒸汽凝结诱发的水锤，如此循环。本发明通过止回阀的开启与闭合可自动消除蒸汽凝结诱发水锤现象，从而消除核动力余热排出过程海水侧蒸汽诱发水锤造成的噪声和振动，提高设备的安全性和可靠性。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1是本发明一种核动力余热排出装置的示意图；
图2是本发明不凝气抑制水锤的原理示意图；
图3是本发明不凝气抑制水锤的另一原理示意图；
图中：1、海水管道；2、冷却水出口；3、高温水入口；4、蒸汽出口；5、竖直段；6、大长径比倾斜管；7、气体管道；8、蒸汽排出管道；9、单向阀；10、储气罐；11、气体压缩机；12、舱体侧；13、海水侧；14、蒸汽腔；15、弹性体微团。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图3所示，本发明提供一种核动力余热排出装置，包括蒸汽发生系统，所述蒸汽发生系统包括液体进口和蒸汽出口4，所述蒸汽出口4与蒸汽排出管道8连接；所述蒸汽排出管道8上设有向所述蒸汽排出管道8内通入不凝气的气体管道7，所述气体管道7上设有自所述气体管道7向所述蒸汽排出管道8通入不凝气的单向阀9。
进一步的，所述蒸汽发生系统还包括高温水入口3和冷却水出口2，所述高温水入口3和冷却水出口2之间形成第一通道；所述液体进口和所述蒸汽出口4之间形成第二通道，所述第一通道与所述第二通道之间相互隔离，并具有热量交换。所述液体进口与海水管道1连通，所述高温水入口3与核动力装置中的高温水出口连通，所述冷却水出口2与所述核动力装置中的冷却水入口连通。
具体的，在核动力装置的余热排出系统中，蒸汽发生系统通常为换热器，换热器中进行热量交换的热端流体为核动力装置中排出的高温水，冷端流体为海水，海水从高温水中吸热，将热量传递至海水中并排入大海，利用大海无限广阔的特点将核动力装置中的余热排出，避免核动力装置内部能量过高造成危险；详细的，海水在换热器中被高温高压水加热至沸腾后，汽水混合物经蒸汽出口4进入蒸汽排出管道8中，汽水混合物质量流量较低时，蒸汽与海水在蒸汽排出管道8中相遇，会发生直接接触凝结现象，甚至发生凝结诱发水锤。蒸汽排出管道8中的蒸汽与海水相遇，由于蒸汽凝结作用，蒸汽被过冷水裹挟，形成封闭的蒸汽腔14，蒸汽持续凝结，体积骤缩，凝结区域产生低压区，周围海水在压差的作用下加速流动，加速的海水在惯性力作用下使得剩余的蒸汽被压缩并迅速崩塌。当蒸汽泡溃灭时，海水具有较高的速度，互相碰撞形成水锤。蒸汽排出管道8中发生水锤，压力呈现周期性剧烈波动。在管道中诱发强烈的振动和噪声，压力和温度剧烈波动，给设备的完整性、安全性和核动力装置的隐蔽性构成严重威胁。
本发明在蒸汽排出管道8上设置有向所述蒸汽排出管道8内通入不凝气的气体管道7，所述气体管道7上设有自所述气体管道7向所述蒸汽排出管道8通入不凝气的单向阀9，通过向蒸汽排出管道8中通入不凝气，利用不凝气良好的可压缩性形成弹性体，加速的海水碰撞到弹性体上后弹性体在碰撞的作用下收缩，很好地吸收并缓冲因碰撞产生的能量，使蒸汽排出管道8内不会形成水锤，此时，蒸汽排出管道8中压力有小幅度的上升，气体管道7中的压力小于蒸汽排出管道8中的压力，单向阀9则关闭。当蒸汽继续凝结诱发蒸汽排出管道8内压力降低，空气又将自动通过单向阀9进入到蒸汽排出管道8中，用于消除蒸汽凝结诱发的水锤，如此循环。如图2和图3所示，由于蒸汽排出管道8内不凝气的存在，管内压力振荡幅度降低。本发明通过单向阀9的开启与闭合可自动消除蒸汽凝结诱发水锤现象，从而消除核动力余热排出过程海水侧13蒸汽诱发水锤造成的噪声和振动，提高舱体侧12设备的安全性和可靠性。
进一步的，所述蒸汽排出管道8包括竖直段5和倾斜段，所述倾斜段为一大长径比倾斜管6道，所述大长径比倾斜管6道的中心轴线与水平线之间的夹角不超过5°，所述大长径比倾斜管6道的长径比大于40。
具体的，蒸汽排出管道8包括竖直段5和倾斜段，所述竖直段5与所述蒸汽出口4连接，汽水混合物首先通过一段距离的竖直段5后再进入倾斜段，最大限度地增大汽水混合物中的汽水比例，有利于防止水锤的产生，进一步的，如图2所示，本发明将倾斜段设计为一大长径比倾斜管6道，使得当汽水混合物质量流量较低时，海水侧13的海水进入蒸汽排出管道8中并与蒸汽在大长径比倾斜管6道中相遇后，通入的不凝气形成弹性体，而大长径比倾斜管6道可进一步增大海水进入大长径比倾斜管6道的速度，具有较大速度的海水使剩余的蒸汽迅速崩塌成小微团，不凝气形成弹性体微团15，那么，当海水碰撞到弹性体微团15上时，弹性体微团15在碰撞的作用下收缩，很好地吸收并缓冲因碰撞产生的能量，使蒸汽排出管道8内不会形成水锤，进一步快速地抑制了水锤的产生。
但是，倾斜段与水平线之间的夹角也不可过大，避免海水速度过快进入竖直段5，因此，本发明的大长径比倾斜管6道的中心轴线与水平线之间的夹角不超过5°，大长径比倾斜管6道的长径比值大于40。
进一步的，所述竖直段5与所述倾斜段之间设有连接弯头，所述蒸汽排出管道8上设有若干所述气体管道7，优选的，若干气体管道7并列排布，靠近所述连接弯头的气体管道7与所述连接弯头之间的距离不超过所述大长径比倾斜管6道的直径的10倍。相邻的两个气体管道7之间的距离不超过所述大长径比倾斜管6道的直径的10倍。
详细的，自竖直段5起第一个气体管道7距离连接弯头的距离不超过十倍大长径比倾斜管6道的直径，而多个气体管道7中相邻的两气体管道7之间的距离也不超过十倍大长径比倾斜管6道直径。这是由于大长径比倾斜管6管道的长度较长，水锤在管道内产生具有随机性，设置多个气体管道7，可以消除大长径比倾斜管6道中不同位置处的水锤，有利于提高核动力装置的整体的安全性。
进一步的，所述气体管道7的一端与所述蒸汽排出管道8连接，另一端设有储气罐10，所述储气罐10设有气体压缩机11。储气罐10用于储存气体，具有稳定压力的作用，可以避免气体压力波动大，降低气体压缩机11启停频率。为了保证进入蒸汽排出管道8中的气体不含有杂质，在气体管道7中还可设置气体过滤器。
进一步的，所述气体管道7的直径不超过大长径比倾斜管6道直径的1/5,所述气体管道7的长径比值大于20。这是由于如果气体管道7直径太大，空气流量就会很大，不利于蒸汽和海水的直接接触凝结，不利于排出余热。
更进一步的，所述单向阀9设置在邻近所述气体管道7与所述蒸汽排出管道8的连接处。这是由于单向阀9邻近气体管道7与大长径比倾斜管6道连接位置，可避免气体管道7和大长径比倾斜管6道之间存在海水，使得在气体管道7中发生水锤。
对于上述的不凝气，在与海水接触的过程中不随蒸汽一起冷凝，本发明上述的不凝气为空气，可节省成本，所述每个气体管道7上设置单向阀9，当气体管道7压力高于大长径比倾斜管6道压力时，空气进入到大长径比倾斜管6道，与管道中的蒸汽进行混合，当蒸汽凝结诱发水锤时，空气作为不凝气具有良好的可压缩性，形成弹性体微团15，可以大大降低水锤压力，空气在海水自然对流驱动下，排出至海水中；当气体管道7压力小于大长径比倾斜管6道压力时，止回阀关闭，防止海水倒灌入舱体内，保证核动力装置运行安全；一旦蒸汽凝结诱发压力降低，空气又将自动进入到大长径比倾斜管6道，空气作为不凝气用于消除蒸汽凝结诱发的水锤，如此循环。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种核动力余热排出装置，包括蒸汽发生系统，所述蒸汽发生系统包括液体进口和蒸汽出口，所述蒸汽出口与蒸汽排出管道连接；其特征在于：
所述蒸汽排出管道上设有向所述蒸汽排出管道内通入不凝气的气体管道，所述气体管道上设有自所述气体管道向所述蒸汽排出管道通入不凝气的单向阀。
2.根据权利要求1所述的一种核动力余热排出装置，其特征在于：
所述蒸汽发生系统还包括高温水入口和冷却水出口，所述高温水入口和冷却水出口之间形成第一通道；所述液体进口和所述蒸汽出口之间形成第二通道，所述第一通道与所述第二通道之间相互隔离，并具有热量交换。
3.根据权利要求2所述的一种核动力余热排出装置，其特征在于：
所述液体进口与海水管道连通，所述高温水入口与核动力装置中的高温水出口连通，所述冷却水出口与所述核动力装置中的冷却水入口连通。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种核动力余热排出装置，其特征在于：
所述蒸汽排出管道包括竖直段和倾斜段，所述竖直段与所述蒸汽出口连接，所述倾斜段为一大长径比倾斜管道，所述大长径比倾斜管道的中心轴线与水平线之间的夹角不超过5°，所述大长径比倾斜管道的长径比值大于40。
5.根据权利要求4所述的一种核动力余热排出装置，其特征在于：
所述竖直段与所述倾斜段之间设有连接弯头，所述蒸汽排出管道上设有若干所述气体管道，靠近所述连接弯头的气体管道与所述连接弯头之间的距离不超过所述大长径比倾斜管道的直径的10倍。
6.根据权利要求5所述的一种核动力余热排出装置，其特征在于：
相邻的两个气体管道之间的距离不超过所述大长径比倾斜管道的直径的10倍。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种核动力余热排出装置，其特征在于：
所述气体管道的一端与所述蒸汽排出管道连接，另一端设有储气罐，所述储气罐设有气体压缩机。
8.根据权利要求1-6任一所述的一种核动力余热排出装置，其特征在于：
所述单向阀设置在邻近所述气体管道与所述蒸汽排出管道的连接处。
9.根据权利要求4所述的一种核动力余热排出装置，其特征在于：
所述气体管道的直径不超过大长径比倾斜管道直径的1/5,所述气体管道的长径比值大于20。
10.根据权利要求1所述的一种核动力余热排出装置，其特征在于：
所述不凝气包括空气。
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