CN113628769B - 一种核电厂用紧凑高效换热设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于核电厂换热技术领域，具体涉及一种核电厂用紧凑高效换热设备，包括若干层交错层叠设置的冷却水侧换热板(15)和反应堆冷却剂侧换热板(14)，以及穿过所述冷却水侧换热板(15)和所述反应堆冷却剂侧换热板(14)的喷淋水换热管(16)。本发明的整体部分采用增材制造技术制造，一体化加工能够增加设备强度，承受很大的工作压力，同时保证良好的密封性能，可实现两种不同工况各自作用时流体间的换热，有利于简化和优化系统设计，提高核电厂的经济性。

Description

一种核电厂用紧凑高效换热设备

技术领域

本发明属于核电厂换热技术领域，具体涉及一种核电厂用紧凑高效换热设备。

背景技术

核电厂在运行过程中需要大量的换热设备，这些换热设备几乎全是传统的实现两种流体换热的管壳式换热设备和板式换热设备。然而管壳换热设备体积大、热效率低、经济性差；板式换热设备密封结构多、承压能力低、安全性较差。并且，随着核电技术的发展，微堆、小堆等堆型的出现，对换热设备的换热效率、安全性、经济性等方面有了更高的要求。单台传统的换热设备在功能上只能实现两种流体间的换热，无法用于或同时用于多种换热工况；受限于自身结构和加工制造方法，也无法提升换热效率。总之，传统的换热设备存在的问题不利于缩小核电厂厂房大小、优化布置空间、提升核电厂经济性和安全性。

发明内容

针对现有的换热设备存在的以上技术问题，本发明的目的是提供一种基于增材制造技术的核电厂用结构紧凑、传热效率高、经济性好的多功能换热设备，既能够单独用于反应堆停堆条件下导出反应堆的余热，又能单独用于事故工况下安全壳喷淋水的热量导出。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种核电厂用紧凑高效换热设备，与反应堆冷却剂系统、冷却水系统以及喷淋水系统连接，其中，包括若干层交错层叠设置的冷却水侧换热板和反应堆冷却剂侧换热板，以及穿过所述冷却水侧换热板和所述反应堆冷却剂侧换热板的喷淋水换热管，通过所述冷却水侧换热板、所述反应堆冷却剂侧换热板和所述喷淋水换热管实现所述反应堆冷却剂系统、所述冷却水系统以及所述喷淋水系统之间的相互换热。

进一步，所述冷却水侧换热板和所述反应堆冷却剂侧换热板相互平行，所述冷却水侧换热板和所述反应堆冷却剂侧换热板为蝴蝶状平板结构，所述冷却水侧换热板的一侧平面设有冷却水换热通道，所述反应堆冷却剂侧换热板的一侧平面设有冷却剂换热通道。

进一步，

所述反应堆冷却剂侧换热板的两端分别为冷却剂入口段和冷却剂出口段，所述反应堆冷却剂侧换热板的中部为换热段，设置平行的冷却剂换热通道，所述冷却剂入口段和所述冷却剂出口段与所述冷却剂换热通道之间设有角度；

所述冷却水侧换热板的两端分别为冷却水入口段和冷却水出口段，所述冷却水侧换热板的中部为换热段，设置平行的冷却水换热通道，所述冷却水入口段和所述冷却水出口段与所述冷却水换热通道之间设有角度；

所述冷却水侧换热板的所述冷却水入口段和所述反应堆冷却剂侧换热板的所述冷却剂出口段位于同一侧但彼此分开；

所述冷却水侧换热板的所述冷却水出口段和所述反应堆冷却剂侧换热板的所述冷却剂入口段位于同一侧但彼此分开；

所述冷却水侧换热板的换热段和所述反应堆冷却剂侧换热板的换热段彼此交错层叠设置。

进一步，所述喷淋水换热管从交错层叠设置的所述冷却水侧换热板的换热段和所述反应堆冷却剂侧换热板的换热段之间穿过，所述喷淋水换热管与所述冷却水换热通道和所述冷却剂换热通道不连通；所述冷却水侧换热板的换热段和所述反应堆冷却剂侧换热板的换热段与贯穿它们的所述喷淋水换热管共同组成设备芯体。

进一步，

所述冷却水侧换热板的所述冷却水入口段和所述冷却水出口段分为端口部分和过渡部分，所述端口部分为远离中部的所述换热段的部分，所述过渡部分为连接所述换热段的部分；所述端口部分采用流线型凸起点状流道；所述过渡部分采用连续流道，所述连续流道的间距随流动距离的增大而由窄变宽；

所述反应堆冷却剂侧换热板的所述冷却水入口段和所述冷却水出口段分为端口部分和过渡部分，所述端口部分为远离中部的所述换热段的部分，所述过渡部分为连接所述换热段的部分；所述端口部分采用流线型凸起点状流道；所述过渡部分采用连续流道，所述连续流道的间距随流动距离的增大而由窄变宽。

进一步，所述喷淋水换热管由交替排列的类椭圆形换热管组成。

进一步，所述反应堆冷却剂侧换热板、所述冷却水侧换热板和所述喷淋水换热管采用增材制造的方式加工，形成一个整体。

进一步，

在所述冷却剂入口段上设有第三整流装置，在所述第三整流装置上设有第三法兰；在所述冷却剂出口段上设有第一整流装置，在所述第一整流装置上设有第一法兰；所述反应堆冷却剂系统通过所述第三法兰和所述第一法兰与所述反应堆冷却剂侧换热板连通；所述反应堆冷却剂系统中的冷却剂从所述第三法兰经所述第三整流装置进入所述反应堆冷却剂侧换热板，然后经所述第一整流装置从所述第一法兰返回所述反应堆冷却剂系统中；

在所述冷却水入口段上设有第二整流装置，在所述第二整流装置上设有第二法兰；在所述冷却水出口段上设有第四整流装置，在所述第四整流装置上设有第四法兰；所述冷却水系统通过所述第二法兰和所述第四法兰与所述冷却水侧换热板连通；所述冷却水系统中的冷却水从所述第二法兰经所述第二整流装置进入所述冷却水侧换热板，然后经所述第四整流装置从所述第四法兰返回所述冷却水系统中；

在所述喷淋水换热管的一端设有第五整流装置，在所述第五整流装置上设有第五法兰；在所述喷淋水换热管的另一端设有第六整流装置，在所述第六整流装置上设有第六法兰；所述喷淋水系统通过所述第五法兰和所述第六法兰与所述喷淋水换热管连通；所述喷淋水系统中的喷淋水从所述第六法兰经所述第六整流装置进入所述喷淋水换热管，然后经所述第五整流装置从所述第五法兰返回所述喷淋水系统中。

进一步，所述第一整流装置、所述第二整流装置、所述第三整流装置、所述第四整流装置、所述第五整流装置以及所述第六整流装置的内部设置有分流和汇流装置，使得进入所述反应堆冷却剂侧换热板、所述冷却水侧换热板以及所述喷淋水换热管的流体更均匀、减小流动过程中的能量损失。

进一步，位于最顶层和最底层的所述冷却水侧换热板或所述反应堆冷却剂侧换热板上设置边板。

本发明的有益效果在于：

1.冷却水侧换热板15和反应堆冷却剂侧换热板14交错层叠设置，换热板均采用流线型凸起流道，并且流线型凸起流道交替排列，既大大增加了换热面积，又保证流动阻力不过多增加，还可以提高流体湍动程度，提高换热能力。

2.根据流体流动距离和结构形式，冷却水侧换热板15和反应堆冷却剂侧换热板14的流道由窄变宽，使得流道结构合理，流体分布更均匀。

3.交错层叠设置的冷却水侧换热板15和反应堆冷却剂侧换热板14以及贯穿它们的喷淋水换热管16组成设备芯体，这种结构在设备运行过程中可以吸收热变形，减小热应力。

4.喷淋水换热管16由交替排列的类椭圆形换热管组成，流体流经这些换热管时，会被充分搅动，促进流体湍动，提高传热性能，类椭圆形换热管结构也可减小流体阻力，实现换热效率和流动阻力的平衡。

5.本发明的整体部分采用增材制造技术制造，一体化加工能够增加设备强度，承受很大的工作压力，同时保证良好的密封性能。

6.本发明可实现两种不同工况各自作用时流体间的换热，有利于简化和优化系统设计。

7.本发明能够有效隔离反应堆冷却剂侧换热板14、冷却水侧换热板15和喷淋水换热管16中的三种流体，使得三种流体间不产生相互影响，保证各系统内介质的纯净。

8.本发明比表面积大，换热效率高，设备体积小、材料费用低，在优化核电厂布置空间的基础上，提高核电厂的经济性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的一种核电厂用紧凑高效换热设备的示意图；

图2是本发明具体实施方式中所述的一种核电厂用紧凑高效换热设备的俯视图；

图3是本发明具体实施方式中所述的一种核电厂用紧凑高效换热设备的示意图(包括设备芯体部分的剖视效果)；

图4是图3中换热段21部分的局部放大示意图；

图5是本发明具体实施方式中所述的一种核电厂用紧凑高效换热设备的示意图(包括冷却水侧换热板部分的剖视效果)；

图6是图5中冷却水出口段20部分的局部放大示意图(冷却剂入口段17、冷却剂出口段18和冷却水入口段19的结构与冷却水出口段20部分的结构一致)；

图中：1-第一法兰，2-第一整流装置，3-第二整流装置，4-第二法兰，5-第三法兰，6-第三整流装置，7-第四整流装置，8-第四法兰，9-第五法兰，10-第五整流装置，11-第六整流装置，12-第六法兰，13-边板，14-反应堆冷却剂侧换热板，15-冷却水侧换热板，16-喷淋水换热管，17-冷却剂入口段，18-冷却剂出口段，19-冷却水入口段，20-冷却水出口段，21-换热段，22-端口部分，23-过渡部分。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1、图3所示，本发明提供的一种核电厂用紧凑高效换热设备，与反应堆冷却剂系统、冷却水系统以及喷淋水系统连接，其中，包括若干层交错层叠设置的冷却水侧换热板15和反应堆冷却剂侧换热板14(如底层第一层为反应堆冷却剂侧换热板14，向上第二层为冷却水侧换热板15，向上第三层为反应堆冷却侧换热板14，依次类推)，以及穿过冷却水侧换热板15和反应堆冷却剂侧换热板14的喷淋水换热管16，通过冷却水侧换热板15、反应堆冷却剂侧换热板14和喷淋水换热管16实现反应堆冷却剂系统、冷却水系统以及喷淋水系统之间的相互换热。

冷却水侧换热板15和反应堆冷却剂侧换热板14相互平行，冷却水侧换热板15和反应堆冷却剂侧换热板14为蝴蝶状平板结构，冷却水侧换热板15的一侧平面设有冷却水换热通道(流线型凸起流道)，反应堆冷却剂侧换热板14的一侧平面设有冷却剂换热通道(流线型凸起流道)。

如图2、图5所示，反应堆冷却剂侧换热板14的两端分别为冷却剂入口段17和冷却剂出口段18，反应堆冷却剂侧换热板14的中部为换热段21，设置平行的冷却剂换热通道，冷却剂入口段17和冷却剂出口段18与冷却剂换热通道之间设有角度；

冷却水侧换热板15的两端分别为冷却水入口段19和冷却水出口段20，冷却水侧换热板15的中部为换热段21，设置平行的冷却水换热通道，冷却水入口段19和冷却水出口段20与冷却水换热通道之间设有角度；

冷却水侧换热板15的冷却水入口段19和反应堆冷却剂侧换热板14的冷却剂出口段18位于同一侧但彼此分开(不是层叠在一起)；

冷却水侧换热板15的冷却水出口段20和反应堆冷却剂侧换热板14的冷却剂入口段17位于同一侧但彼此分开(不是层叠在一起)；

冷却水侧换热板15的换热段21和反应堆冷却剂侧换热板14的换热段21彼此交错层叠设置。

如图4所示，喷淋水换热管16从交错层叠设置的冷却水侧换热板15的换热段21和反应堆冷却剂侧换热板14的换热段21之间穿过，喷淋水换热管16与冷却水换热通道和冷却剂换热通道不连通；冷却水侧换热板15的换热段21和反应堆冷却剂侧换热板14的换热段21与贯穿它们的喷淋水换热管16共同组成设备芯体。

如图6所示，冷却水侧换热板15的冷却水入口段19和冷却水出口段20分为端口部分22和过渡部分23，端口部分22为远离中部的换热段21的部分，过渡部分23为连接换热段21的部分；端口部分22采用流线型凸起点状流道；过渡部分23采用连续流道，连续流道的间距随流动距离的增大而由窄变宽；

反应堆冷却剂侧换热板14的冷却水入口段19和冷却水出口段20分为端口部分22和过渡部分23，端口部分22为远离中部的换热段21的部分，过渡部分23为连接换热段21的部分；端口部分22采用流线型凸起点状流道；过渡部分23采用连续流道，连续流道的间距随流动距离的增大而由窄变宽。

喷淋水换热管16由交替排列的类椭圆形换热管组成。

反应堆冷却剂侧换热板14、冷却水侧换热板15和喷淋水换热管16采用增材制造的方式加工，形成一个整体。

在冷却剂入口段17上设有第三整流装置6，在第三整流装置6上设有第三法兰5；在冷却剂出口段18上设有第一整流装置2，在第一整流装置2上设有第一法兰1；反应堆冷却剂系统通过第三法兰5和第一法兰1与反应堆冷却剂侧换热板14连通；反应堆冷却剂系统中的冷却剂从第三法兰5经第三整流装置6进入反应堆冷却剂侧换热板14，然后经第一整流装置2从第一法兰1返回反应堆冷却剂系统中；

在冷却水入口段19上设有第二整流装置3，在第二整流装置3上设有第二法兰4；在冷却水出口段20上设有第四整流装置7，在第四整流装置7上设有第四法兰8；冷却水系统通过第二法兰4和第四法兰8与冷却水侧换热板15连通；冷却水系统中的冷却水从第二法兰4经第二整流装置3进入冷却水侧换热板15，然后经第四整流装置7从第四法兰8返回冷却水系统中；

在喷淋水换热管16的一端设有第五整流装置10，在第五整流装置10上设有第五法兰9；在喷淋水换热管16的另一端设有第六整流装置11，在第六整流装置11上设有第六法兰12；喷淋水系统通过第五法兰9和第六法兰12与喷淋水换热管16连通；喷淋水系统中的喷淋水从第六法兰12经第六整流装置11进入喷淋水换热管16，然后经第五整流装置10从第五法兰9返回喷淋水系统中；

如图1所示，反应堆冷却剂系统、冷却水系统以及喷淋水系统的管路上设有阀门，用于不同工况下开启或关闭反应堆冷却剂、冷却水、喷淋水以及调节流量。

第一整流装置2、第二整流装置3、第三整流装置6、第四整流装置7、第五整流装置10以及第六整流装置11的内部设置有分流和汇流装置，使得进入反应堆冷却剂侧换热板14、冷却水侧换热板15以及喷淋水换热管16的流体更均匀、减小流动过程中的能量损失。

如图3所示，位于最顶层和最底层的冷却水侧换热板15或反应堆冷却剂侧换热板14上设置边板13。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (9)

1.一种核电厂用紧凑高效换热设备，与反应堆冷却剂系统、冷却水系统以及喷淋水系统连接，其特征是：包括若干层交错层叠设置的冷却水侧换热板（15）和反应堆冷却剂侧换热板（14），以及穿过所述冷却水侧换热板（15）和所述反应堆冷却剂侧换热板（14）的喷淋水换热管（16），所述冷却水侧换热板（15）和所述反应堆冷却剂侧换热板（14）相互平行，所述冷却水侧换热板（15）的一侧平面设有冷却水换热通道，所述反应堆冷却剂侧换热板（14）的一侧平面设有冷却剂换热通道；所述喷淋水换热管（16）从交错层叠设置的所述冷却水侧换热板（15）的换热段和所述反应堆冷却剂侧换热板（14）的换热段之间穿过，所述喷淋水换热管（16）与所述冷却水换热通道和所述冷却剂换热通道不连通；所述冷却水侧换热板（15）的换热段和所述反应堆冷却剂侧换热板（14）的换热段与贯穿它们的所述喷淋水换热管（16）共同组成设备芯体，通过所述冷却水侧换热板（15）、所述反应堆冷却剂侧换热板（14）和所述喷淋水换热管（16）实现所述反应堆冷却剂系统、所述冷却水系统以及所述喷淋水系统之间的相互换热。

2.如权利要求1所述的一种核电厂用紧凑高效换热设备，其特征是：所述冷却水侧换热板（15）和所述反应堆冷却剂侧换热板（14）为蝴蝶状平板结构。

3.如权利要求2所述的一种核电厂用紧凑高效换热设备，其特征是：

所述反应堆冷却剂侧换热板（14）的两端分别为冷却剂入口段（17）和冷却剂出口段（18），所述反应堆冷却剂侧换热板（14）的中部为换热段（21），设置平行的冷却剂换热通道，所述冷却剂入口段（17）和所述冷却剂出口段（18）与所述冷却剂换热通道之间设有角度；

所述冷却水侧换热板（15）的两端分别为冷却水入口段（19）和冷却水出口段（20），所述冷却水侧换热板（15）的中部为换热段（21），设置平行的冷却水换热通道，所述冷却水入口段（19）和所述冷却水出口段（20）与所述冷却水换热通道之间设有角度；

所述冷却水侧换热板（15）的所述冷却水入口段（19）和所述反应堆冷却剂侧换热板（14）的所述冷却剂出口段（18）位于同一侧但彼此分开；

所述冷却水侧换热板（15）的所述冷却水出口段（20）和所述反应堆冷却剂侧换热板（14）的所述冷却剂入口段（17）位于同一侧但彼此分开；

所述冷却水侧换热板（15）的换热段（21）和所述反应堆冷却剂侧换热板（14）的换热段（21）彼此交错层叠设置。

4.如权利要求3所述的一种核电厂用紧凑高效换热设备，其特征是：

所述冷却水侧换热板（15）的所述冷却水入口段（19）和所述冷却水出口段（20）分为端口部分（22）和过渡部分（23），所述端口部分（22）为远离中部的所述换热段（21）的部分，所述过渡部分（23）为连接所述换热段（21）的部分；所述端口部分（22）采用流线型凸起点状流道；所述过渡部分（23）采用连续流道，所述连续流道的间距随流动距离的增大而由窄变宽；

所述反应堆冷却剂侧换热板（14）的所述冷却水入口段（19）和所述冷却水出口段（20）分为端口部分（22）和过渡部分（23），所述端口部分（22）为远离中部的所述换热段（21）的部分，所述过渡部分（23）为连接所述换热段（21）的部分；所述端口部分（22）采用流线型凸起点状流道；所述过渡部分（23）采用连续流道，所述连续流道的间距随流动距离的增大而由窄变宽。

5.如权利要求3所述的一种核电厂用紧凑高效换热设备，其特征是：所述喷淋水换热管（16）由交替排列的类椭圆形换热管组成。

6.如权利要求4所述的一种核电厂用紧凑高效换热设备，其特征是：所述反应堆冷却剂侧换热板（14）、所述冷却水侧换热板（15）和所述喷淋水换热管（16）采用增材制造的方式加工，形成一个整体。

7.如权利要求4所述的一种核电厂用紧凑高效换热设备，其特征是：

在所述冷却剂入口段（17）上设有第三整流装置（6），在所述第三整流装置（6）上设有第三法兰（5）；在所述冷却剂出口段（18）上设有第一整流装置（2），在所述第一整流装置（2）上设有第一法兰（1）；所述反应堆冷却剂系统通过所述第三法兰（5）和所述第一法兰（1）与所述反应堆冷却剂侧换热板（14）连通；所述反应堆冷却剂系统中的冷却剂从所述第三法兰（5）经所述第三整流装置（6）进入所述反应堆冷却剂侧换热板（14），然后经所述第一整流装置（2）从所述第一法兰（1）返回所述反应堆冷却剂系统中；

在所述冷却水入口段（19）上设有第二整流装置（3），在所述第二整流装置（3）上设有第二法兰（4）；在所述冷却水出口段（20）上设有第四整流装置（7），在所述第四整流装置（7）上设有第四法兰（8）；所述冷却水系统通过所述第二法兰（4）和所述第四法兰（8）与所述冷却水侧换热板（15）连通；所述冷却水系统中的冷却水从所述第二法兰（4）经所述第二整流装置（3）进入所述冷却水侧换热板（15），然后经所述第四整流装置（7）从所述第四法兰（8）返回所述冷却水系统中；

在所述喷淋水换热管（16）的一端设有第五整流装置（10），在所述第五整流装置（10）上设有第五法兰（9）；在所述喷淋水换热管（16）的另一端设有第六整流装置（11），在所述第六整流装置（11）上设有第六法兰（12）；所述喷淋水系统通过所述第五法兰（9）和所述第六法兰（12）与所述喷淋水换热管（16）连通；所述喷淋水系统中的喷淋水从所述第六法兰（12）经所述第六整流装置（11）进入所述喷淋水换热管（16），然后经所述第五整流装置（10）从所述第五法兰（9）返回所述喷淋水系统中。

8.如权利要求7所述的一种核电厂用紧凑高效换热设备，其特征是：所述第一整流装置（2）、所述第二整流装置（3）、所述第三整流装置（6）、所述第四整流装置（7）、所述第五整流装置（10）以及所述第六整流装置（11）的内部设置有分流和汇流装置，使得进入所述反应堆冷却剂侧换热板（14）、所述冷却水侧换热板（15）以及所述喷淋水换热管（16）的流体更均匀并减小流动过程中的能量损失。

9.如权利要求1所述的一种核电厂用紧凑高效换热设备，其特征是：位于最顶层和最底层的所述冷却水侧换热板（15）或所述反应堆冷却剂侧换热板（14）上设置边板（13）。