CN115019984A - 一种采用蛇形传热管的pcs内置高效换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用蛇形传热管的PCS内置高效换热器，包括传热管、换热器分配联箱、换热器汇流联箱组成，PCS内置换热器采用S型或蛇形强化换热管，PCS内置换热器入口管线始于PCS外置换热水箱底部出口管线，另一端连通PCS内置换热器分配联箱，PCS内置换热器出口管线始于PCS内置换热器汇流联箱，另一端连通PCS外置换热水箱底部入口管线；换热器分配联箱位于汇流联箱下方，并通过传热管相连，换热器分配联箱设置为PCS内置换热器入口，换热器汇流联箱设置为PCS内置换热器出口，实现PCS的高效运行，充分保障事故工况下安全壳内热量的高效导出并降低建造成本及事故所带来的损失，进而提高系统应用的安全性与经济性，同时利于系统的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及的是非能动安全壳热量导出系统(PCS)的高效换热设备，具体是指一种采用蛇形传热管(含S型)的PCS内置高效换热器。
背景技术
自上世纪以来，伴随着核电技术的不断发展，核电凭借其清洁、高效及稳定等优势，应用领域与规模不断扩展，从开始的陆基核电机组逐步走向深海与太空。
但由于核电运行本身高温、高压、高辐照等特性，也使得核电的发展伴随着一个永恒的话题——核安全。
现有第三代先进核电机组大多采用多道屏障进行防护，并设置非能动安全壳冷却系统(PCCS)以保证在发生潜在的运行故障和运行事故时安全壳的完整性。我国第三代核电机组“华龙一号”中应用了非能动安全壳热量导出系统(PCS)以防止发生潜在事故时安全壳内超温超压，进而保证安全壳的完整性以实现对放射性物质的居留。
PCS主要由安全壳内置集管式换热器与外部高位换热水箱以及连接二者的管线与阀门组成。在发生反应堆失水事故或主蒸汽管道破口事故时，大量高温高压蒸汽喷放进入安全壳内，蒸汽在集管式换热器管外发生冷凝，管内水吸收其冷凝所释放的汽化潜热，在冷热管段中建立自然循环带走安全壳内热量，进而实现对安全壳内非能动的降温降压。
在事故发展过程中，随着蒸汽在PCS内置集管式换热器表面持续冷凝，大量不凝性气体在传热管束附近析出聚集，此前PCS内置集管式换热器采用竖直管束作为冷凝段，冷凝过程中高浓度不凝性气体层会沿着竖直管壁积累增厚而显著抑制冷凝传热。
为保证事故工况下及时有效导出安全壳内大量热量以尽可能减轻事故后果并提高系统应用的安全性与经济性，且系统的换热能力很大程度上取决于内置换热器的换热能力，因此有必要发明一种采用蛇形传热管的PCS内置高效换热器，以强化PCS内置换热器换热能力，以实现事故工况下安全壳内热量的高效导出，留出更多的安全裕量，为实现系统应用的更高安全性与更好经济性提供可行方案；同时利于管束排布及空间利用，为系统的小型化应用提供合理可行方案。
在发生事故时，为提高PCS的排热能力、及时有效导出安全壳内热量并减轻事故的严重性。在现有专利中，公开号为CN108122622A、CN106782698A、CN112951457A、CN112201370A的专利对非能动安全壳外置换热水箱结构及部件进行优化与调整，增强换热水箱持续高效运行的能力，延长系统的运行时限。公开号为CN202614053U、CN108206064A、CN206907494U的专利从不同角度对传统非能动换热系统结构进行优化，一定程度上增强了系统的排热能力。这些专利多关注于除PCS内置换热器以外的其他设备，但增强PCS排热能力的关键在于强化PCS内置换热器的换热能力。
而事故条件下，伴随着冷凝的进行，不凝性气体在管束区析出、聚集和联结形成高浓度不凝性气体层是冷凝传热恶化的主要原因，因此需要采取措施缓解高浓度不凝性气体层的积累增厚。公开号为CN113035400A的专利通过管束外加设伞状分流板或圆形疏膜挡板的结构以达到减薄空气层而强化传热的效果，并未从传热管本身结构入手。公开号为CN113035399A的通过加设引流结构增强自然循环能力，并采用螺旋管代替竖直管，螺旋管的应用能有效破坏管束区高浓度空气层而起到强化换热效果，但螺旋管双列布置需要较大的联箱直径，且其空间布置较为复杂，同时管束上方的换热器汇流联箱会对管束区的自然循环有一定阻碍作用。
为解决上述存在问题，有必要发明一种采用蛇形传热管的PCS内置高效换热器，以增强PCS内置换热器的换热能力、更及时有效地带走安全壳内的热量、留出更多的安全裕量、同时利于管束布置及提高空间利用率，从而为实现PCS应用的更高安全性、更好经济性与系统小型化提供可行方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用蛇形传热管的PCS内置高效换热器，以实现PCS的高效运行，充分保障事故工况下安全壳内热量的高效导出并降低建造成本及事故所带来的损失，进而提高系统应用的安全性与经济性，同时利于系统的小型化。
本发明的目的是这样实现的：包括传热管、换热器分配联箱、换热器汇流联箱。其传热管采用S型或蛇形的强化换热管型。PCS内置换热器入口管线始于PCS外置换热水箱底部出口管线，另一端连通PCS内置换热器分配联箱；PCS内置换热器出口管线始于PCS内置换热器汇流联箱，另一端连通PCS外置换热水箱底部入口管线。
所述的PCS内置换热器包括换热器分配联箱、传热管、换热器汇流联箱，换热器分配联箱位于汇流联箱下方，并通过传热管相连，换热器分配联箱设置为PCS内置换热器入口，换热器汇流联箱设置为PCS内置换热器出口；
所述的PCS内置换热器分配联箱及汇流联箱可为长方体、长柱体、环形方体、环形柱体等多种不同形状，其分配联箱及汇流联箱可采用U型、Z型、中心型、多进/出口、对称布置等管内流动分配布置方案；
所述S型管可由一个(C型)或多个弯管结构相连组成，蛇形管较S型管在弯管结构间加设直段，直段可采取水平、倾斜、竖直布置，传热管采用多排多列顺/叉排布置方式；
所述的PCS内置换热器S型或蛇形传热管与分配联箱及汇流联箱连接处优先加设一水平/倾斜段；
所述的PCS内置换热器布置高度低于PCS外置换热水箱；
所述的PCS内置换热器入口管线位于换热水箱下方，连接PCS外置换热水箱出口管线与换热器分配联箱；
所述的PCS内置换热器出口管线位于换热水箱下方，连接PCS外置换热水箱入口管线与换热器汇流联箱。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将PCS内置换热器传统的竖直光管改为S型或蛇形光管，从强化传热角度来看，对于管外冷凝，引入弯曲及水平/倾斜结构破坏了传热管附近积聚的高浓度不凝性气体层的同时，由于其特殊结构，冷凝形成的管间冲刷进一步强化其管外冷凝换热能力；对于管内流动，管内流体流过弯管结构时会形成漩涡及由二次流形成的双螺旋流动等，增强了管内流体的交混，进而强化了其管内流动换热能力；对于换热面积，其单位高度换热面积远大于竖直管。从而显著提升PCS整体换热性能。
本发明将PCS内置换热器传统的竖直光管改为S形或蛇形光管，从部件结构角度来看，一方面，其单位高度换热面积远大于直管，一定程度上节省了PCS安全壳内的布置空间，有利于系统应用的小型化；另一方面，蛇形管作为竖直管的替代，其几何布置与传统类似，能在很大程度上借鉴原有研究结论，从而尽可能缩减研究成本。
本发明为在发生严重事故时，PCS能更为高效的带走安全壳内热量，留出更多的安全裕量，充分保障事故工况下安全壳内热量的及时高效导出并降低建造成本及事故所带来的损失，进而为提高PCS应用的安全性、经济性及小型化提出了合理可行且简单有效的改进方案。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2a是S型管示意图，图2b、2c、2d是蛇形管示意图，图2e是C型管示意图；
图3a、3b分别是S型管换热器侧视图及正视图，图3c是S型管换热器传热管进出口加设水平段的侧视图，图3d、3e分别是环形联箱S型管换热器俯视图及轴向中心剖面图。
图4a～4e分别是换热器分配联箱及汇流联箱中心型、U型、Z型、多入/出口、对称布置等管内流动分配布置方案示意图。其中前4a～4d为正视图，图4e为侧视图。
图5a、5b分别是顺排及叉排多排多列的管束排布示意图。
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。
由于PCS在长期运行过程中，其内置换热器的传热管附近会产生大量不凝性气体的析出与积聚，并在管束中心区产生一定程度的联结，从而对管外冷凝传热过程产生一定程度的抑制，不利于系统的高效运行。本发明采用蛇形传热管(含S型管)，通过引入弯曲和水平/倾斜结构实现传热管内外两侧的强化换热，并增大了单位高度下的换热面积，利于管束排布与空间利用，简洁有效地提升了PCS的换热能力。
本发明提供一种采用蛇形传热管的PCS内置高效换热器。其主要部件为：PCS外置换热水箱1、PCS外置换热水箱出口管线2、PCS外置换热水箱入口管线3、PCS内置换热器入口管线4，PCS内置换热器出口管线5、PCS内置换热器传热管管束6、PCS内置换热器分配联箱7、PCS内置换热器汇流联箱8、安全壳内壳体9、安全壳气空间10、PCS外置换热水箱排气口11。
本发明主要应用于反应堆失水事故或主蒸汽管道破裂事故条件下，期间全场断电并失去厂外应急电源供给。此时会有大量高温高压的蒸汽喷放到安全壳气空间10内，使得安全壳内温度和压力不断上升。在蒸汽喷放初期，安全壳内温度和压力的升高主要由安全壳内壳体9、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PCS内置换热器传热管管束6吸收并由PCS内建立的自然循环导出。
在事故发展期间，破口处将喷放出大量高温高压蒸汽，由于其密度小，蒸汽会随着气流向上流动。蒸汽流经PCS内置换热器传热管管束6附近时将会产生大量冷凝，同时由于冷凝的发生会使得PCS内置换热器附近产生一定的负压，又促进附近蒸汽向其聚集并一定程度增强其冷凝。由于冷凝过程中PCS内置换热器附近所产生的高浓度不凝性气体聚集且温度低，其密度较大，在重力的作用下，将向下加速流动，从而在安全壳气空间10内形成了大空间气体自然循环(如图1带箭头虚线所示)。PCS内置换热器传热管管束6吸收蒸汽冷凝所释放的汽化潜热，其内水被加热，密度减小，流经PCS内置换热器汇流联箱8后流入PCS内置换热器出口管线5，与PCS内置换热器出口管线5中温度较低的水产生热交换，5中流体温度随之升高，从而在PCS内置换热器出口管线5、PCS内置换热器汇流联箱8、PCS内置换热器传热管管束6和PCS内置换热器入口管线4、PCS内置换热器分配联箱7之间形成冷热段密度差以产生驱动力，进而使得PCS内置换热器与PCS外置换热水箱1之间形成自然循环，持续非能动的导出安全壳内的热量。
PCS内置换热器的换热能力对PCS的排热能力及系统内部自然循环能力起重要影响。对于传统的PCS内置集管式换热器，其换热段为竖直传热管束，随着冷凝过程的不断进行，高浓度不凝性气体层在其传热管附近析出与积聚增厚，并在管束中心区产生一定程度的联结，从而对管外冷凝传热过程产生显著抑制。为解决此问题，增强PCS内置换热器的换热能力，其采用了强化换热结构的传热管。具体包括：水平布置的换热器分配联箱7和换热器汇流联箱8及多排多列布置的S型光管12(如图2a、2c)或蛇形光管13(如图2b、2d)。S型光管12或蛇形光管13采用多排多列顺排/叉排的布置方式。S型管及蛇形管主要从以下几个方面实现其强化传热的作用：从管外冷凝传热来看，一是引入弯曲及水平结构从而破坏冷凝过程中管壁附近积聚的高浓度空气膜；二是利用管自身结构上方冷凝形成的自然循环流动对下方管壁面造成横向冲刷，进一步破坏管壁附近积聚的高浓度空气层的同时，增强其传热传质能力。从管内流动传热来看，管内流体流过弯管段时会形成漩涡及由二次流形成的双螺旋流动等，增强了管内流体的交混，进而强化了其管内流动换热能力。从传热面积上来看，其单位高度传热面积较竖直光管有大幅提升，在强化换热的同时能有效提高对于安全壳内空间的利用。
对于PCS内置换热器的传热管选用S型光管12或蛇形光管13，S型光管由一个(C型)或多个弯管结构相连组成，蛇形光管则在S型光管的基础上在各弯管结构间加设一定长度的直段，直段可采取水平、倾斜或竖直布置，其弯管曲率半径及直段长度可根据实际工程问题进行选取。
对于PCS内置换热器传热管管束6布置给出一种附加方案：在PCS内置换热器分配联箱7和传热管入口之间及传热管出口和PCS内置换热器汇流联箱8之间加设一定长度的水平段或倾斜段。对于此方案：一是能够避免PCS内置换热器汇流联箱8对于传热管束区气体流动的阻碍从而对冷凝传热产生一定的抑制；二是能够一定程度上增大传热管束的换热面积。
对于PCS内置换热器的分配联箱7及汇流联箱8的给出几种不同设计(如图3)。8代表直形联箱，14代表环形联箱，分配联箱及汇流联箱上可布置一个或多个入口或出口，其分配联箱及汇流联箱可采用中心型、U型、Z型、多入/出口、对称布置等管内流动分配布置方案(如图4)，方案根据具体实际工程问题进行设计选取。
对于PCS内置换热器传热管管束6布置给出多种方案(如图5)，管束区可采用多排多列、顺排/叉排等不同布置方案，方案根据具体实际工程问题进行设计选取。
对于PCS外置换热水箱，随着PCS排热过程的进行，水箱入口管线带入PCS外置换热水箱1的热量不断增多，换热水箱水空间不断被加热至饱和状态，其上设置排气口11将水箱内气空间的水蒸气持续排出。
PCS外置换热水箱1采用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。
本发明并不局限于上述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。
综上，本发明提供一种采用蛇形传热管的非能动安全壳热量导出系统(PCS)内置高效换热器，其主要由传热管、换热器分配联箱、换热器汇流联箱组成。PCS内置换热器采用蛇形强化换热管(含S型)。PCS内置换热器入口管线始于PCS外置换热水箱底部出口管线，另一端连通PCS内置换热器分配联箱；PCS内置换热器出口管线始于PCS内置换热器汇流联箱，另一端连通PCS外置换热水箱底部入口管线。内置换热器通过吸收事故工况下蒸汽冷凝所释放的汽化潜热加热管内流体，进而建立起非能动的自然循环。本发明采用S型或蛇形传热管替代传统的竖直传热管，引入弯曲及水平/倾斜结构以破坏管外高浓度空气层的积累增厚并增强管间冲刷，进一步强化管外冷凝换热能力，同时由于弯管内流动产生的漩涡及双螺旋流动等会增强管内交混从而增强管内对流换热能力，进而实现传热管内外两侧的强化换热，与此同时，单位高度的换热面积较竖直管有明显增大，从而显著提升PCS整体换热性能，以实现事故工况下安全壳内热量的高效导出，留出更多的安全裕量，充分保障安全壳的完整性并降低建造成本及事故所带来的损失。此外，本发明较好地改善了实际工程应用的空间布置问题，为空间限制的应用领域提供了一种合理可行的设计方案。
Claims (5)
1.一种采用蛇形传热管的PCS内置高效换热器，其特征在于：包括传热管、换热器分配联箱、换热器汇流联箱组成，PCS内置换热器采用S型或蛇形强化换热管，PCS内置换热器入口管线始于PCS外置换热水箱底部出口管线，另一端连通PCS内置换热器分配联箱，PCS内置换热器出口管线始于PCS内置换热器汇流联箱，另一端连通PCS外置换热水箱底部入口管线；换热器分配联箱位于汇流联箱下方，并通过传热管相连，换热器分配联箱设置为PCS内置换热器入口，换热器汇流联箱设置为PCS内置换热器出口。
2.根据权利要求1所述的一种采用蛇形传热管的PCS内置高效换热器，其特征在于：所述PCS内置换热器分配联箱及汇流联箱为长方体、长柱体、环形方体或环形柱体，其分配联箱及汇流联箱采用U型、Z型、中心型、多进/出口或对称布置的管内流动分配布置方案。
3.根据权利要求1所述的一种采用蛇形传热管的PCS内置高效换热器，其特征在于：所述PCS内置换热器采用的传热管优先选用S型管或蛇形管，所述S型管由一个C型或多个弯管结构相连组成，蛇形管较S型管在弯管结构间加设直段，直段采取水平、倾斜、竖直布置，传热管采用多排多列顺/叉排布置方式。
4.根据权利要求1所述的一种采用蛇形传热管的PCS内置高效换热器，其特征在于：所述PCS内置换热器S型或蛇形传热管与分配联箱及汇流联箱连接处优先加设一水平/倾斜段。
5.根据权利要求1所述的一种采用蛇形传热管的PCS内置高效换热器，其特征在于：所述PCS内置换热器布置高度低于PCS外置换热水箱；所述PCS内置换热器入口管线位于换热水箱下方，连接PCS外置换热水箱出口管线与内置换热器分配联箱；所述PCS内置换热器出口管线位于换热水箱下方，连接PCS外置换热水箱入口管线与内置换热器汇流联箱。
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