CN115388675B - 一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核岛主设备换热组件技术领域，特别涉及一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，包括芯筒,其内通道为反应堆堆内组件的安装空间；螺旋缠绕管束，其为由多根无焊缝螺旋缠绕管缠绕在芯筒外围形成的多层结构；支撑结构，用于支撑螺旋缠绕管束；管箱组件，包括多个上管箱单元以及与其数量一致的多个下管箱单元，两个上管箱单元通过集水管连通为一组，两个下管箱单元通过集水管连通为一组，一组上管箱单元仅与一组下管箱单元对应，组中的上管箱单元与组中下管箱单元一一对应且通过多根螺旋缠绕管连通；本发明既能用于供热或提供终端需要能量的无相变热交换装置，也能用于供汽或提供后端动力系统需要能量的有相变直流蒸汽发生器。

Description

一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件

技术领域

本发明涉及核岛主设备换热组件技术领域，特别涉及一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件。

背景技术

换热组件是排出小型一体化反应堆堆芯产生的热量的主要设备，是反应堆冷却剂系统压力边界的一部分。其管外介质为一回路反应堆冷却剂，管内介质为二回路给水。二回路给水被一回路冷却剂加热后，其出口形成过热蒸汽用于供汽或提供后端动力系统需要的能量或一定温度的过冷水用于供热或终端需要的能量。

对于用于供汽或提供后端动力系统需要能量的有相变直流蒸汽发生器换热组件来说，其需满足高功率密度比、可实施在役检查、两相流动稳定、较低的稳定运行功率以及一定的一回路自然循环能力等要求，并能帮助一体化反应堆实现陆地无障碍运输；对于用于供热或提供终端需要能量的无相变热交换装置换热组件来说，其需满足高功率密度比、可实施在役检查以及一定的一回路自然循环能力等要求，并能帮助一体化反应堆实现陆地无障碍运输。

传统的直管式、U形管式、C形管式换热组件均难以满足上述要求。

小尺寸螺旋缠绕管换热组件虽结构小巧，可设置若干个均布于一体化反应堆与堆芯围成的环腔空间内，但空间利用率不高，超出其适用的堆功率范围外，一体化反应堆尺寸或一回路循环阻力将难以满足设计要求，且大功率反应堆本体若采用小尺寸螺旋缠绕管换热组件难以开展陆地无障碍运输。

套管式换热组件虽结构小巧，但其特殊的传热管结构型式难以开展在役涡流检查。

现有大尺寸螺旋缠绕管换热组件为了紧凑布置，缠绕管端部往往焊接，使其难以开展在役涡流检查。

综上，上述结构型式的换热组件难以兼顾有相变直流蒸汽发生器以及无相变热交换装置对于换热组件的设计要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，以解决现有技术中存在的上述问题，使换热组件能同时满足换热组件传热管在役涡检以及一体化反应堆实现陆地无障碍运输等要求。为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来解决：

本发明提供了一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，包括：

芯筒,其内通道为反应堆堆内组件的安装空间；

螺旋缠绕管束，其为由多根无焊缝螺旋缠绕管缠绕在所述芯筒外围形成的多层结构；

支撑结构，用于支撑所述螺旋缠绕管束；

管箱组件，包括多个上管箱单元以及与其数量一致的多个下管箱单元，所述上管箱单元周向布置在所述芯筒上端外围，所述下管箱单元周向布置在所述芯筒下端外围；两个所述上管箱单元通过集水管连通为一组，两个所述下管箱单元通过集水管连通为一组，一组所述上管箱单元仅与一组所述下管箱单元对应，组中的所述上管箱单元与组中所述下管箱单元一一对应且通过多根所述管连通；所述集水管用于连接一体化反应堆二回路进口或出口接管；

检修口，设于所述上管箱单元和所述下管箱单元。

作为进一步的技术方案，还包括节流元件，设置在所述螺旋缠绕管内流体入口处。

作为进一步的技术方案，所述上管箱单元和所述下管箱单元结构相同，均包括管箱本体、管板和背板，所述管板内置在所述管箱本体内，所述管板用于连接所述螺旋缠绕管端部，所述管箱本体通过所述背板与所述芯筒连接。

作为进一步的技术方案，所述管箱本体、所述管板和所述背板组成内腔室，所述内腔室为所述螺旋缠绕管堵管和涡流检查提供在役检查通道。

作为进一步的技术方案，所述管板管孔所在表面与所述芯筒轴线呈90°布置。

作为进一步的技术方案，所述背板为一块弧形板，具有与所述芯筒内径相同的曲率直径。

作为进一步的技术方案，所述集水管为三通结构。

作为进一步的技术方案，所述支撑结构包括多个定位块和套设在所述芯筒上的导流筒，所述定位块周向布置在所述芯筒上且沿其径向与所述导流筒连接，在所述定位块安装有环绕所述芯筒的多层齿条，各层所述齿条均独立缠绕多根所述螺旋缠绕管，所述螺旋缠绕管嵌入与其对应所述齿条的齿槽内。

作为进一步的技术方案，所述齿条的齿槽朝向外侧，外层所述齿条外侧配置有与其齿槽方向反向的齿条，并与所述导流筒接触。

作为进一步的技术方案，所述齿条的齿槽朝向外侧，外层所述齿条外侧配置有垫条，并与所述导流筒接触。

作为进一步的技术方案，所述齿条的齿槽朝向内侧，内层所述齿条内侧配置有垫条，并与所述芯筒接触。

作为进一步的技术方案，所述定位块为长方形或圆形长条，侧面开有若干槽，所述槽长贯穿所述定位块厚度方向，所述槽宽能使所述齿条和所述垫条端部嵌入。

作为进一步的技术方案，所述定位块的长度大于所述螺旋缠绕管束径向所需支撑距离。

作为进一步的技术方案，所述齿条为截面是正方形或长方形或圆形或弧形的长条，其侧面设有U形齿。

作为进一步的技术方案，所述垫条为截面是正方形或长方形或圆形或弧形的长条，其上无齿型结构。

上述本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过将上管箱单元和下管箱单元分组连通，管箱组件形成分布式连通结构，能够减短单根螺旋缠绕管的长度，不必要采用多根管连接形成一根管，避免焊缝的产生，为在役涡检提供了有利条件，同时由于螺旋缠绕管减短，也能提高换热效率。

(2)本发明由于管箱组件形成分布式连通结构，在螺旋缠绕管缠绕时，可以缠绕的更加均匀，可以减小螺旋缠绕管束的体积，更易实现一体化反应堆陆地无障碍运输。

(3)本发明的螺旋缠绕管束为由多根无焊缝螺旋缠绕管缠绕在芯筒外围形成的多层结构，由于螺旋缠绕管为无焊缝管，具体地为无缝管且中间无连接管，能够达到同时满足换热组件传热管在役涡检。

(4)本发明采用的支撑结构形式可以使得环绕堆内组件式螺旋缠绕管束结构紧凑，可以高效利用一体化反应堆的布置空间，减小一体化反应堆几何尺寸，更易实现一体化反应堆陆地无障碍运输。

(5)本发明的应用范围较广，既能用于供热或提供终端需要能量的无相变热交换装置，也能用于供汽或提供后端动力系统需要能量的有相变直流蒸汽发生器。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。还应当理解，这些附图是为了简化和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。现在将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明，其中：

图1示出了本发明根据一个或多个实施方式的换热组件整体结构示意图；

图2示出了本发明根据一个或多个实施方式的管箱与集水管和检修口连接示意图；

图3示出了本发明根据一个或多个实施方式的管板、管箱和背板装配结构示意图；

图4示出了本发明根据一个或多个实施方式的集水管与管箱和一体化反应堆二回路进口或出口接管连接示意图；

图5示出了本发明根据一个或多个实施方式的螺旋缠绕管束成型结构一的第一种示意图；

图6示出了本发明根据一个或多个实施方式的螺旋缠绕管束成型结构一的第二种示意图；

图7示出了本发明根据一个或多个实施方式的螺旋缠绕管束成型结构的第三种示意图；

图8示出了本发明根据一个或多个实施方式的管箍装配示意图；

图9示出了本发明根据一个或多个实施方式的导流筒采用瓦片板结构的示意图；

图10示出了本发明根据一个或多个实施方式的节流元件与螺旋缠绕管装配示意图。

图中：1、芯筒；2、螺旋缠绕管束；3、定位块；4、齿条；5、垫条；6、管箍；7、导流筒；8、管板；9、管箱；10、背板；11、集水管；12、节流元件；13、内通道；14、窄槽；15、宽槽；16、U形齿槽；17、U形齿；18、轴向支撑筋；19、周向支撑筋；20、内腔室；21、螺旋缠绕管；22、检修口；23、一体化反应堆二回路进/出口接管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明典型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实施例提供了一种可实施涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，如图1～图4所示，包括芯筒1、螺旋缠绕管束2、定位块3、齿条4、垫条5、管箍6、导流筒7、管板8、管箱9、背板10、集水管11以及节流元件12。需要注意的是，节流元件12仅当换热组件作为有相变的直流蒸汽发生器时适用。

其中，芯筒1,其内通道13为反应堆堆内组件的安装空间；

螺旋缠绕管束2，其为由多根无焊缝螺旋缠绕管21缠绕在芯筒外围形成的多层结构；螺旋缠绕管21为无焊缝管，为无缝管且中间无连接管，能够达到同时满足换热组件传热管在役涡检。

支撑结构，用于支撑螺旋缠绕管束2，其结构将在下文详细叙述。

管箱组件，包括多个上管箱单元以及与其数量一致的多个下管箱单元，上管箱单元周向布置在芯筒上端外围，下管箱单元周向布置在芯筒下端外围；两个上管箱单元通过集水管连通为一组，两个下管箱单元通过集水管连通为一组，一组上管箱单元仅与一组下管箱单元对应，组中的上管箱单元与组中下管箱单元一一对应且通过多根管连通；集水管用于连接一体化反应堆二回路进口或出口接管；

通过将上管箱单元和下管箱单元分组连通，管箱组件形成分布式连通结构，能够减短单根螺旋缠绕管的长度，不必要采用多根管连接形成一根管，避免焊缝的产生，为在役涡检提供了有利条件，同时由于螺旋缠绕管减短，也能提高换热效率。

另外，由于管箱组件形成分布式连通结构，在螺旋缠绕管缠绕时，可以缠绕的更加均匀，减小螺旋缠绕管束2的体积，更易实现一体化反应堆陆地无障碍运输。

检修口22，设于上管箱单元和下管箱单元，采用现有技术中的检修口即可。

上管箱单元和下管箱单元结构相同，均包括管箱本体9、管板8和背板10，管板8内置在管箱本体9内，管板8用于连接螺旋缠绕管21端部，管箱本体9通过背板8与芯筒1连接。

管箱9两端分别与集水管11和检修口22连接。集水管11为具有两个进口和一个出口三通结构，其两端分别与管箱9和一体化反应堆二回路进口或出口接管23连接。节流元件12连接于螺旋缠绕管21管内流体入口处。

本实施例中支撑结构包括多个定位块3和套设在芯筒1上的导流筒7，定位块3周向布置在芯筒1上且沿其径向与导流筒7连接，在定位块3安装有环绕芯筒1的多层齿条4，各层齿条4均独立缠绕多根管21，管21嵌入与其对应齿条4的齿槽内。

采用的支撑结构形式可以使得环绕堆内组件式螺旋缠绕管束结构紧凑，可以高效利用一体化反应堆的布置空间，减小一体化反应堆几何尺寸，更易实现一体化反应堆陆地无障碍运输。

定位块3对称设置在芯筒1上端外围和下端外围，均为轴向布置，齿条4和垫条5安装在上下对应的两个定位块3上。

齿条4的齿槽朝向外侧，外层齿条4外侧配置有垫条5，并与导流筒7接触。在另外一种实施方式中，齿条4的齿槽朝向外侧，外层齿条4外侧配置有与其齿槽方向反向的齿条4，并与导流筒7接触。

具体地，如图5和图6所示，齿条4无U形齿17的一面朝向芯筒1并紧贴芯筒1，端部嵌入定位块3上的窄槽14，并与之连接。第一层螺旋缠绕管束2围绕芯筒1绕制成型，每根螺旋缠绕管21嵌入其对应的第一层齿条4上的U形齿槽16内。其余层螺旋缠绕管束2的绕制及齿条4采用与第一层相同的装配方式。最外层螺旋缠绕管束2外侧安装垫条5或齿条4，垫条5或齿条4端部嵌入定位块3上的宽槽15，并与之连接。导流筒7紧贴最外侧垫条5或齿条4。

在另外一种实施方式中，齿条4的齿槽朝向内侧，内层齿条4内侧配置有垫条5，并与芯筒1接触。

具体地，如图7所示，垫条5紧贴芯筒1，端部嵌入定位块3上的窄槽14，并与之连接。第一层已绕制成型的螺旋缠绕管束2从芯筒1一端套入。第一层螺旋缠绕管束2外侧扣上第一层齿条4，有U形齿17的一面朝向芯筒1，螺旋缠绕管21卡入其上对应的U形齿槽16内，第一层齿条4端部嵌入定位块3上的宽槽15，并与之连接。其余层螺旋缠绕管束2的套装及齿条4采用与第一层相同的装配。导流筒7紧贴最外侧齿条4。

如图5～图7所示，定位块3为长方形或圆形长条，侧面开有若干槽，本实施例设置了两种槽，一个窄槽14和若干宽槽15，槽长均贯穿定位块3厚度方向，槽宽能使齿条4或垫条5端部嵌入。

定位块3的长度大于螺旋缠绕管束2径向所需支撑距离。齿条4为截面是正方形或长方形或圆形或弧形的长条，可采用申请号为202121526421.X中国实用新型专利公开的所述结构，其一侧或两侧有若干能将螺旋缠绕管21卡入的U形齿17。当一侧有若干U形齿17时，U形齿17长度不小于螺旋缠绕管21外半径；当两侧有若干U形齿17时，U形齿17长度接近但不超过螺旋缠绕管21外半径。U形齿17的旋向及升角与螺旋缠绕管21相一致。齿条4与螺旋缠绕管21的装配为螺旋缠绕管21卡入式或齿条4扣入式，以适应不同的换热组件成型方式。垫条5为截面是正方形或长方形或圆形的长条，其上无齿型结构。

如图8所示，管箍6为空心圆筒，内径大于螺旋缠绕管21外径，壁厚小于装配处相邻螺旋缠绕管21间距的一半。其从螺旋缠绕管21端部套入，装于螺旋缠绕管21直段，管箍6与管箍6相连接。

如图9所示，导流筒7为圆筒或瓦片板结构，采用瓦片板结构时可采用申请号为202121526421.X中国实用新型专利中公开的所述结构，设有轴向支撑筋18和周向支撑筋19。

如图2所示，管板8、管箱9和背板10连接成组件或制造成一体化锻件结构，与螺旋缠绕管21一同形成一回路和二回路压力边界。管板8、管箱9和背板10组件内腔室20为螺旋缠绕管21堵管和涡流检查及其他需要进行在役检查的通道。如图3所示，管板8与背板10结合处为弧面，其上有若干贯穿厚度方向、呈三角形或正方形或一定规律布置的管孔。管板8管孔所在表面与芯筒1轴线成90°。管箱9为有一定缺省的圆形空心箱体，其长度大于管板8径向长度。背板10为一块弧形板，具有与芯筒1内径相同的曲率直径，其长×宽所得面积大于管板8和管箱9在背板10上投影面积之和。

如图10所示，节流元件12连接于螺旋缠绕管21管内流体入口处。节流元件12具有一定的节流系数，可采用申请号为201921074903.9中国实用新型专利中公开的所述结构。

本实施例的技术方案较传统的直管式、U形管式、C形管式换热组件可提升2～3倍的功率密度比，较小尺寸螺旋缠绕管换热组件可提升10％～30％的一体化反应堆本体空间利用率。较同等功率水平其他型式换热组件更易实现一体化反应堆本体陆地无障碍运输、更易实施传热管在役涡检等在内的多项优势。

本实施例提供了一种可实施涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件的设计方法，包括以下步骤：

(1)根据反应堆堆内组件确定芯筒1内径，芯筒1内径大于包络全部反应堆堆内组件的外接圆直径，在其基础上，考虑一定的装配间隙；

(2)设计螺旋缠绕管束2，并确定芯筒1高度；

(3)设计管板8、管箱9和背板10组件及与芯筒1的连接结构；

(4)设计螺旋缠绕管束2与管板8的连接结构；

(5)设计集水管11及其两端分别与管箱9和一体化反应堆二回路进口或出口接管的连接结构；

(6)设计节流元件12及其与螺旋缠绕管21管内流体入口处的连接结构；

(7)开展试验验证换热组件的设计。

其中，设计螺旋缠绕管束2，包括以下步骤：

(1)初步设定螺旋缠绕管21外径和壁厚；

(2)初步进行布管，确定螺旋缠绕管束2的层数、每层螺旋缠绕管束2的螺距、升角、每层螺旋缠绕管21数量、层与层间距、螺旋缠绕方向、螺旋缠绕管束2的直径和高度，并保证螺旋缠绕管21全长能够实施内涡流检测；

(3)根据布管方案和热工-水力设计参数，进行传热面积计算，得到所需传热面积，并校核传热面积裕量和管内、外流体阻力。步骤(1)至(3)经若干次迭代，直至螺旋缠绕管束2的直径尺寸、高度尺寸、管内和管外流体温度及阻力均满足设计要求；

(4)根据步骤(3)确定的螺旋缠绕管束2结构，进行螺旋缠绕管束2支撑结构的初步设置；

(5)根据步骤(3)至步骤(4)确定的螺旋缠绕管束2及其支撑结构，进行应力分析、疲劳分析、流致振动分析、抗震分析(换热组件在陆地使用)、抗冲击分析(换热组件在水中使用)。根据分析结果调整结构，步骤(1)至(5)经若干次迭代，直至换热组件的各项分析评定结果均满足设计要求。

其中，设计节流元件12，包括以下步骤：

(1)根据换热组件并联通道流动不稳定性分析结果初步确定节流系数；

(2)初步设计节流元件12结构；

(3)开展CFD分析或阻力特性试验或CFD分析+阻力特性试验，验证节流系数，校验节流元件12的节流效果；

(4)将节流元件12装入换热组件模拟件的每一根螺旋缠绕管21内，开展换热组件流动稳定性试验，验证节流元件12抑制流动不稳定性的效果，并获得换热组件的最低稳定运行功率。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，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、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (15)

1.一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，包括:

芯筒,其内通道为反应堆堆内组件的安装空间；

螺旋缠绕管束，其为由多根无焊缝螺旋缠绕管缠绕在所述芯筒外围形成的多层结构；

支撑结构，用于支撑所述螺旋缠绕管束；

管箱组件，包括多个上管箱单元以及与其数量一致的多个下管箱单元，所述上管箱单元周向布置在所述芯筒上端外围，所述下管箱单元周向布置在所述芯筒下端外围；两个所述上管箱单元通过集水管连通为一组，两个所述下管箱单元通过集水管连通为一组，一组所述上管箱单元仅与一组所述下管箱单元对应，组中的所述上管箱单元与组中所述下管箱单元一一对应且通过多根所述螺旋缠绕管连通；所述集水管用于连接一体化反应堆二回路进口或出口接管；

检修口，设于所述上管箱单元和所述下管箱单元。

2.如权利要求1所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，还包括节流元件，设置在所述螺旋缠绕管内流体入口处。

3.如权利要求1所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述上管箱单元和所述下管箱单元结构相同，均包括管箱本体、管板和背板，所述管板内置在所述管箱本体内，所述管板用于连接所述螺旋缠绕管端部，所述管箱本体通过所述背板与所述芯筒连接。

4.如权利要求3所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述管箱本体、所述管板和所述背板组成内腔室，所述内腔室为所述螺旋缠绕管堵管和涡流检查提供在役检查通道。

5.如权利要求3所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述管板管孔所在表面与所述芯筒轴线呈90°布置。

6.如权利要求3所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述背板为一块弧形板，具有与所述芯筒内径相同的曲率直径。

7.如权利要求1所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述集水管为三通结构。

8.如权利要求1所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述支撑结构包括多个定位块和套设在所述芯筒上的导流筒，所述定位块周向布置在所述芯筒上且沿其径向与所述导流筒连接，在所述定位块安装有环绕所述芯筒的多层齿条，各层所述齿条均独立缠绕多根所述螺旋缠绕管，所述螺旋缠绕管嵌入与其对应所述齿条的齿槽内。

9.如权利要求8所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述齿条的齿槽朝向外侧，外层所述齿条外侧配置有与其齿槽方向反向的齿条，并与所述导流筒接触。

10.如权利要求8所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述齿条的齿槽朝向外侧，外层所述齿条外侧配置有垫条，并与所述导流筒接触。

11.如权利要求8所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述齿条的齿槽朝向内侧，内层所述齿条内侧配置有垫条，并与所述芯筒接触。

12.如权利要求10或11所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述定位块为长方形或圆形长条，侧面开有若干槽，所述槽长贯穿所述定位块厚度方向，所述槽宽能使所述齿条和所述垫条端部嵌入。

13.如权利要求8所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述定位块的长度大于所述螺旋缠绕管束径向所需支撑距离。

14.如权利要求8所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述齿条为截面是正方形或长方形或圆形或弧形的长条，其侧面设有U形齿。

15.如权利要求10或11所述的一种可涡流检查的环绕堆内组件式螺旋缠绕管换热组件，其特征在于，所述垫条为截面是正方形或长方形或圆形或弧形的长条，其上无齿型结构。