CN114110560B - 一种变结构螺旋盘管锅炉反应器 - Google Patents

Abstract

为解决现有的螺旋盘管式锅炉反应器在蒸汽生成过程中压损大导致供应水泵研制难度增大的技术问题，本发明提出了一种变结构螺旋盘管锅炉反应器，包括壳体、设置在壳体两端的端盖、设置在壳体与端盖之间的工质管路。本发明改进之处在于：工质管路包括从液态水入口至蒸汽出口依次串接的第一管段、第二管段、第三管段和第四管段；第一管段为直管或螺旋盘管；第二管段、第三管段和第四管段为螺旋盘管；液态水流经第一、二管段形成饱和水，流经第三管段形成干饱和蒸汽，流经第四管段形成过热蒸汽；各管段通径满足：第一管段≤第二管段＜第三管段＜第四管段。本发明可大幅降低蒸汽生成过程的压损，降低锅炉反应器的入口压力需求，减小供应水泵研制难度。

Description

一种变结构螺旋盘管锅炉反应器

技术领域

本发明涉及一种变结构螺旋盘管锅炉反应器，能够在低压损情况下将液态水快速相变成过热蒸汽，驱动涡轮机等机械做功。

背景技术

以锂和六氟化硫作为推进剂的闭式循环动力系统采用金属燃料稳定燃烧与高效传热生成过热蒸汽驱动涡轮机做功产生推力，采用过热蒸气作为循环工质实现闭式循环，系统性能不受航行深度影响。

锅炉反应器是以锂和六氟化硫作为推进剂的闭式循环动力系统的重要组成部分，是锂和六氟化硫发生反应的燃烧室。目前的锅炉反应器采用双圈螺旋管型式，将两根不锈钢钢管并排缠绕成内外圈螺旋管，将外缘与端盖焊接在一起，构成环形空间作为锅炉反应器腔室，内部装载金属锂和启动剂。启动剂是一种将固态锂加热为液态的高能燃料，一般镶嵌在固态金属锂内均布的孔洞内。使用时，先由点火器点燃启动剂，启动剂燃烧放热将固态金属锂加热为液态，然后与喷入的氧化剂反应生成热量将螺旋管内的液态水加热为过热蒸汽。这种结构的锅炉反应器出入口工质压损大，极大的抬高了锅炉反应器的入口压力，增加了供压水泵的研制难度。

发明内容

为解决现有的螺旋盘管式锅炉反应器在蒸汽生成过程中压损大导致供应水泵研制难度增大的技术问题，本发明提出了一种变结构螺旋盘管锅炉反应器，可以大幅降低蒸汽生成过程的压损，降低了锅炉反应器的入口压力，减小了供应水泵的研制难度。

本发明的技术方案是：

一种变结构螺旋盘管锅炉反应器，包括壳体、设置在壳体两端的端盖、设置在壳体与端盖之间的工质管路，填充在壳体与工质管路之间的燃料以及用于向壳体内注入氧化剂的氧化剂喷嘴；所述燃料和氧化剂反应，产生用于加热所述工质管路的热量；所述工质管路的一端为液态水入口，另一端为蒸汽出口；

其特殊之处在于：

所述工质管路包括从液态水入口至蒸汽出口依次串接的第一管段、第二管段、第三管段和第四管段；

第一管段为直管或螺旋盘管；

第二管段、第三管段和第四管段均为螺旋盘管；

液态水流经第一管段和第二管段形成饱和水，然后流经第三管段形成干饱和蒸汽，最后流经第四管段形成过热蒸汽；

各管段通径满足：第一管段≤第二管段＜第三管段＜第四管段。

进一步地，所述第一管段、第二管段、第三管段和/或第四管段均为变径管段，管径沿着工质流向逐渐变大。

进一步地，第一管段、第二管段、第三管段和第四管段的材料根据其所对应工质的温度、压力分别选取，工质温度越高、压力越高，采用的材料强度越高。

进一步地，所述第一管段位于壳体中部，第二管段、第三管段和第四管段位于所述第一管段外围。

进一步地，所述第二管段、第三管段和第四管段的大径相等。

进一步地，所述燃料为固态金属锂，所述氧化剂为六氟化硫。

进一步地，所述第二管段、第三管段和第四管段焊接连接；第一管段与第二管段为一体件，或者焊接连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于液态水受热变为过热蒸汽的过程，考虑到蒸汽饱和段和过热段压损约占总压损的80％，将锅炉反应器的工质管路设计为变通径结构，使饱和段对应的管路通径大于过冷段对应的管路通径，过热段对应的管路通径大于饱和段对应的管路通径，这样设计能大幅降低蒸汽饱和段和蒸汽过热段的压损，进而降低锅炉反应器的入口压力需求，减小了供应水泵的研制难度；

过冷段对应的管路通径小，能够减少管路储水量，加快液态水汽化的速度，在低压损情况下将液态水快速相变成过热蒸汽；

并且由于管路储水量减小，形成的蒸汽能够填充满后端饱和段和过热段管路，有效利用工质管路，提高蒸汽生成效率；

当第一管段为螺旋盘管时，轴向尺寸最小，适用于轴向尺寸受限的动力系统。

2、本发明中第一管段、第二管段、第三管段和/或第四管段均可设计为变径管段，管径沿工质流向逐渐增大，进一步减小压损。

3、本发明中的工质管路分段设计，利于根据流经工质的温度和压力分段采用不同强度的材料，能够在保证管路安全系数，尤其是高温高压蒸汽输出段管路安全系数的前提下，降低成本。

4、本发明中第二管段、第三管段和第四管段的大径相等，便于安装装配。

5、本发明的燃料采用固态金属锂，氧化剂采用六氟化硫时，产热量高，起燃后不产生气体，降低了反应器的设计难度和材料强度要求。

附图说明

图1是本发明变结构螺旋盘管锅炉反应器的剖视图。

附图标记：

1-工质管路；11-第一管段；12-第二管段；13-第三管段；14-第四管段；2-左端盖；3-右端盖；4-氧化剂喷嘴；5-液态水入口；6-蒸汽出口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明所提供的变结构螺旋盘管锅炉反应器，包括壳体(图中未示出)、分别设置在壳体两端的左端盖2和右端盖3、设置在壳体与两个端盖之间的工质管路1，填充在壳体与工质管路1之间的燃料以及设置在端盖上的用于向壳体内注入氧化剂的氧化剂喷嘴4；燃料和氧化剂反应，产生用于加热工质管路1的热量；本实施例中燃料采用固态金属锂，在固态金属锂的孔隙内装填有启动剂，氧化剂采用六氟化硫；工质管路1的一端为液态水入口5，另一端为蒸汽出口6。

工质管路1包括依次串接并连通的第一管段11、第二管段12、第三管段13和第四管段14，第一管段11为螺旋盘管(在轴向空间不受限的动力系统中，第一管段11也可为直管，此时整个反应器的轴向尺寸会增大)，第二管段12、第三管段13和第四管段14均为螺旋盘管。

液态水流经第一管段11和第二管段12形成饱和水，然后流经第三管段13形成干饱和蒸汽，最后流经第四管段14形成过热蒸汽。本发明中各管段分别设计，各管段的管径根据各段工质的压损要求分别确定，所需的工质压损越小，管径越大；考虑到压损主要集中在蒸汽饱和段和过热段，因此本发明各管段的管径设计如下：

第一管段11和第二管段12作为过冷段液态水流通通道，采用小通径螺旋盘管，以减少管路储水量，提高液态水相变为过热蒸汽的速率；本实施例中第一管段11和第二管段12的通径相等，二者为一体件；在其他实施例中，第一管段11的通径也可小于第二管段12的通径，二者可通过焊接连接。

第三管段13作为饱和段汽液流通通道，采用中通径螺旋盘管，以减低蒸汽饱和段压损。

第四管段14作为过热段蒸汽流通通道，采用高强度、大通径螺旋盘管，以降低蒸汽过热段压损。

第二管段12、第三管段13和第四管段14之间通过焊接连接。

为了降低成本，各管段的材料根据各段工质的温度、压力进行选择，工质温度越高、压力越大，选择强度越高的材料，这样在保证螺旋盘管安全系数的前提下降低成本。

为了进一步缩小锅炉反应器的轴向尺寸以及便于与其他组件装配，本实施例中第一管段11位于壳体中部，第二管段12、第三管段13和第四管段14位于第一管段11的外围，以有效利用壳体内径向空间，压缩轴向尺寸。在其他实施例中，第一管段11也可以不位于壳体中部。

为便于安装装配，第二管段12、第三管段13和第四管段14的大径相等。

在其他实施例中，例如要求压损更小的场合，第一管段11、第二管段12、第三管段13和/或第四管段14可设计为变径管段，管径沿工质流向逐渐增大，即各管段还可由多段通径递增的子管段串接构成。

Claims (6)

1.一种变结构螺旋盘管锅炉反应器，包括壳体、设置在壳体两端的端盖、设置在壳体与端盖之间的工质管路，填充在壳体与工质管路之间的燃料以及用于向壳体内注入氧化剂的氧化剂喷嘴；所述燃料和氧化剂反应，产生用于加热所述工质管路的热量；所述工质管路的一端为液态水入口，另一端为蒸汽出口；

其特征在于：

所述工质管路包括从液态水入口至蒸汽出口依次串接的第一管段、第二管段、第三管段和第四管段；

第一管段为直管或螺旋盘管；

第二管段、第三管段和第四管段均为螺旋盘管；

液态水流经第一管段和第二管段形成饱和水，然后流经第三管段形成干饱和蒸汽，最后流经第四管段形成过热蒸汽；

各管段通径满足：第一管段≤第二管段＜第三管段＜第四管段；

所述第二管段、第三管段和第四管段的大径相等。

2.根据权利要求1所述的变结构螺旋盘管锅炉反应器，其特征在于：

所述第一管段、第二管段、第三管段和/或第四管段均为变径管段，管径沿着工质流向逐渐变大。

3.根据权利要求1或2所述的变结构螺旋盘管锅炉反应器，其特征在于：

第一管段、第二管段、第三管段和第四管段的材料根据其所对应工质的温度、压力分别选取，工质温度越高、压力越高，采用的材料强度越高。

4.根据权利要求3所述的变结构螺旋盘管锅炉反应器，其特征在于：所述第一管段位于壳体中部，第二管段、第三管段和第四管段位于所述第一管段外围。

5.根据权利要求1或2所述的变结构螺旋盘管锅炉反应器，其特征在于：所述燃料为固态金属锂，所述氧化剂为六氟化硫。

6.根据权利要求1或2所述的变结构螺旋盘管锅炉反应器，其特征在于：所述第二管段、第三管段和第四管段焊接连接；第一管段与第二管段为一体件，或者焊接连接。