CN115691842A - 一种压力容器外部强化传热系统及反应堆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压力容器外部强化传热系统及反应堆系统，包括用于包裹在压力容器外周的外部流道，外部流道底部设有冷却剂进口，并通过冷却剂进口与堆腔连通，外部流道内部空间的底部设有搅拌叶片，搅拌叶片与位于堆腔内的搅拌驱动件连接，外部流道设置有用于对其内部液体施加振动的超声振动装置，外部流道还与纳米流体供给机构连接，采用本发明的传热系统避免了纳米颗粒的沉降和聚团，而且超声作用下能够强化传热效果提高临界热流密度，IVR措施效果好。
Description
技术领域
本发明涉及核工程技术领域，具体涉及一种压力容器外部强化传热系统及反应堆系统。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
IVR技术是在核电厂发生严重事故的条件下采取措施保持压力容器的完整性，从而将熔融物滞留在压力容器内的手段，通常采用的方法是将水注入反应堆堆腔，使反应堆压力容器浸于水中，依靠水的沸腾传热冷却压力容器壁面，并移出熔融物衰变热。I VR措施成功的一个必要条件是熔融物传至压力容器壁面的热流密度小于压力容器外水冷却临界热流密度。
现有技术中，应用纳米流体能够强化表面临界热流的性质以便于提高IVR措施的成功率，例如专利CN113808766A中公开了一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统，利用纳米流体代替传统的冷却剂水，利用纳米流体强化传热的性质，达到更高的传热效率，专利CN104183285B公开了一种反应堆压力容器外部冷却系统，也是通过纳米流体注入，使严重工况下压力容器获得更为可靠和强力的持续冷却，从而使得IVR更可靠，但发明人发现，上述现有技术中，纳米流体在流动过程中，容易出现纳米颗粒的聚团和沉降现象，进而影响了纳米流体的传热效率，进而影响了IVR措施的效果。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种压力容器外部强化传热系统，避免了纳米颗粒的聚团和沉降现象，而且超声作用下能够强化对流传热的同时，也能加快压力容器外壁面附近的气泡脱离，提高沸腾传热过程的临界热流密度，保证了IVR措施的效果。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供了一种压力容器外部强化传热系统，包括用于包裹在压力容器外周的外部流道，外部流道底部设有冷却剂进口，并通过冷却剂进口与堆腔连通，外部流道内部空间的底部设有搅拌叶片，搅拌叶片与位于堆腔内的搅拌驱动件连接，外部流道设置有用于对其内部液体施加振动的超声振动装置，外部流道还与纳米流体供给机构连接。
可选的，超声振动装置设置多层，多层超声振动装置用于沿压力容器的轴线方向设置，同一层的超声振动装置沿环向等间隔设置。
可选的，所述外部流道底部设有搅拌腔体，搅拌腔体内设有搅拌叶片，搅拌腔体设有冷却剂进口，搅拌腔体通过冷却剂进口与堆腔连通。
可选的，所述纳米流体供给机构包括混合组件，混合组件用于将纳米颗粒与冷却剂混合形成纳米流体，混合组件的出口与纳米流体输送管的进液端连接，纳米流体输送管的出液端连接至外部流道。
可选的，所述纳米流体输送管的进液端高度高于出液端高度。
可选的，所述混合组件与外部流道之间设置有隔间墙壁。
可选的，纳米流体输送管包括总管，总管的一端与混合组件连接，总管设置有多个支管，多个支管沿压力容器轴线方向设置，支管与外部流道连通。
可选的，所述支管安装有开关阀。
可选的，所述总管上安装有开关阀。
第二方面，本发明的实施例提供了一种反应堆系统，设置有第一方面所述的压力容器外部强化传热系统。
本发明的有益效果：
1.本发明的压力容器外部强化传热系统，通过在外部流道内设置搅拌组件和超声振动装置，在超声振动装置的超声振动和搅拌叶片的搅拌作用下，能够使得注入外部流道的纳米流体中的纳米颗粒在流道内部均匀分散，不发生沉降或聚团，能够提高对流换热效果，同时持续的超声作用能促进压力容器外壁面沸腾换热，进一步提高了换热效果，进而提升了IVR措施的有效性。
2.本发明的压力容器外部强化传热系统，纳米流体供给机构与外部流道连接，使得纳米颗粒的主要分布区域在压力容器外部流道内，外部流道内液体流动方向由下至上，在顶部出口处冷却剂大部分以蒸汽形式排出，所以纳米颗粒得以保留在外部流道内，在重力作用下聚集沉降至下部超声处理的区域再次分散，能够持续使用，因而所需要的纳米颗粒材料大大减少，从而节省了成本，极大的提高了可实施价值。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1整体结构示意图；
图2为本发明实施例1超声振动装置设置在保温层外侧面时分布俯视图；
图3为本发明实施例1同一高度处具有四个纳米流体注入口时分布俯视图；
其中，1.压力容器，2.外部流道出口，3.堆芯，4.保温层，5.超声振动装置，6.纳米流体注入口，7.外部流道，8.搅拌叶片，9.冷却剂进口，10.搅拌驱动件，11.卸压阀，12.混合组件，13.主管开关阀，14.纳米流体输送管，15.支管开关阀，16.隔间墙壁，17.堆腔。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种压力容器外部强化传热系统，如图1所示，包括外部流道7，所述外部流道7用于包裹在压力容器1的外周，其形状与压力容器1的形状相匹配，能够包裹住压力容器1的下封头及筒体的位置，外部流道7采用一个与压力容器相匹配的金属制成的保温层4形成，保温层采用现有的保温金属板制成，所述保温层4用于套在压力容器的下封头及筒体外周，保温层4内侧面与压力容器外侧面之间形成外部流道7。保温层依靠隔间内壁、隔间底部和主管道支承，具体结构并未在图中示意，可根据实际中具体结构布置和负载重量进行设计。
本实施例中，保温层的顶部设置有90°的折弯部，与压力容器顶部的环状凸台结构共同构成外部流道出口2。
所述保温层的底部中心位置设置有搅拌腔室，搅拌腔室与外部流道7相连通，搅拌腔室的侧部腔壁上开设有冷却剂进口9，冷却剂进口9将搅拌腔室与其外部的空间相连通。
所述保温层置入环状的隔间墙壁16内部的空间内，隔间墙壁底部与基础固定，隔间墙壁16与保温层之间的空间为堆腔17，隔间墙壁16的底部设置有冷却剂流入口。冷却剂能够通过冷却剂流入口流入堆腔17，进而通过搅拌腔室设置的冷却剂进口9流入压力容器外部流道7。
所述搅拌腔室内设置有搅拌叶片8，搅拌叶片8与搅拌轴连接，搅拌轴伸出至搅拌腔室下方并与搅拌驱动件10连接，搅拌驱动件10采用电机或液压马达等能够输出转动运动的设备，搅拌驱动件10能够通过搅拌轴带动搅拌叶片8转动，从而对流入外部流道的冷却剂进行搅拌。
所述保温层上安装有多个超声振动装置5，超声振动装置5采用现有的超声振动设备即可，用于对外部流道7内的冷却剂液体施加超声振动。
在严重事故时，熔融物会迁移到压力容器1下封头或下封头顶部以上的部分区域，这些区域的外壁面即为热流密度较高的区域，因此保温层上设置多层超声振动装置，且设置超声振动装置5的区域对应于热流密度较高的区域。
在一种实施方式中，如图1所示，相邻层的超声振动装置5间隔设置，沿压力容器轴线方向的超声振动装置分布密度可以根据实际情况进行变化。
如图2所示，同一层的多个超声振动装置5沿环向间隔设置，同一层的超声振动装置的数量和布置角度可根据实际需要进行设置。
在一种实施方式中，超声振动装置5与保温层固定，超声振动装置采用常用超声振动器，将超声振动器的换能器设置在保温层中，通过保温层内壁将超声振动传递给外部流道内的液体。
在另一种实施方式中，超声振动装置可采用超声波振动棒，超声波振动棒与保温层固定，其振动部分插入外部流道内部，直接对外部流道内的液体施加超声振动。
本实施例中，多个纳米流体供给机构沿环向间隔设置，纳米流体供给机构可设置为四个或其他数量，本领域技术人员可根据实际需要进行设置。
相应的，如图1和图3所示，所述外部流道设置有与纳米流体供给机构相对应的纳米流体注入口6，纳米流体注入口6设置在压力容器热流密度较高对应的区域，本实施例中，纳米流体注入口6设置多层，最底层的位于最下层超声振动装置5的下方，其余纳米流体注入口6设置在相邻两层超声振动装置5之间的位置。
所述纳米流体供给机构包括混合组件12，混合组件12用于将纳米颗粒与冷却剂混合，所述混合组件12与纳米流体输送管14的进液端连接，纳米流体输送管14的出液端与外部流道7连通，用于向外部流道7内注入纳米流体。
本实施例中，所述纳米流体输送管14包括总管，总管的进液端与混合组件连接，总管连接有多个支管，多个支管沿压力容器的轴线方向上下设置，多个支管分别通过不同高度出的纳米流体注入口与外部流道连接。
混合组件12用于将纳米颗粒和冷却剂混合，混合有纳米颗粒的冷却剂形成纳米流体，通过总管、多个支管和纳米流体注入口进入外部流道。
所述混合组件12，可利用现有技术实现纳米颗粒和冷却剂的分开存储，并在需要使用时开启混合制备纳米流体。在实际中可根据需求进行设计。比如专利CN113053549A中已公开的纳米流体存储罐，其存储罐内设置有电动隔板，电动隔板将存储罐分隔为上部纳米流体基液储存腔和下部的纳米颗粒储存腔，当电动隔板启动时，基液与纳米颗粒进行混合可制备出纳米流体。
总管的进液端的高度高于所有支管的高度，支管的轴线水平设置且穿过隔间墙壁，使得纳米流体能够利用自身重力流入外部流道。
主管和每个支管上均设置有开关阀，开关阀13用于控制主管的导通和关闭，开关阀15用于控制支管的导通和关闭，本实施例中，开关阀13和开关阀15可采用球阀或蝶阀等，本领域技术人员可根据实际需要进行设置。
为了确保纳米流体重力注射的可行性，混合组件12内部初始压力需控制在0.6MPa以上，设置有卸压阀11，在压力低于大气压力时开启，保证纳米流体持续流出。纳米流体供给机构的数量可根据实际设计进行改变。
实施例2
本实施例提供了一种反应堆系统，包括压力容器1和实施例1所述的压力容器外部强化传热系统，所述保温层固定在压力容器1外周，与压力容器外侧面之间形成外部流道7，所述压力容器内部设置有堆芯3。
在正常运行条件下，混合组件12内的纳米颗粒和冷却剂分开储存，间隔布置于保温层4外表面的超声振动装置5不启动，搅拌腔室搅拌叶片8对应的搅拌驱动件10也不启动。
发生严重事故时，首先启动混合组件12，让颗粒混合均匀形成纳米流体。在堆芯3温度持续升高，堆芯3出口温度达到整定值时，压力容器1开始外部冷却，通过冷却剂流入口向堆腔内注入冷却剂，冷却剂通过搅拌腔室对应的冷却剂进口9向外部流道7内流动，外部流道7内开始有水注入，当外部流道7液位高度没过对应高度的纳米流体注入口6时，逐步开启主管的开关阀13和支管的开关阀15，通过重力注射，将高浓度纳米流体通过纳米流体输送管14和纳米流体注入口6注入外部流道7，与外部流道7中的冷却剂混合。由于冷纳米流体密度高于外部流道7内的高温流体，同时在浓度差和超声振动下，纳米流体会有向下扩散的驱动力，冷热逆向接触，充分换热的同时也让纳米颗粒在外部流道充分的分散开来。分散后，外部流道7流体转化为纳米流体，在超声振动的作用下，形成更好的强化传热效果。启动搅拌驱动件10，带动搅拌腔室内的搅拌叶片转动，产生向上的推力，促进底部低温流体向上流动，同时可防止纳米颗粒的沉降。
纳米流体供给机构与外部流道连接，使得纳米颗粒的主要分布区域在压力容器外部流道内，外部流道内液体流动方向由下至上，在顶部出口处冷却剂大部分以蒸汽形式排出，所以纳米颗粒得以保留在外部流道内，在重力作用下聚集沉降至下部超声处理的区域再次分散，能够持续使用，因而所需要的纳米颗粒材料大大减少，从而节省了成本，极大的提高了可实施价值。
本实施例中，位于保温层的超声振动装置5频率在20kHz-80kHz范围内选用，可根据实际情况调整功率大小、数量和间隔情况。
本实施例中，采用的纳米颗粒可选用大部分可分散于水中的高导热纳米颗粒，包括但不限于各种金属纳米颗粒(Cu、Ag、Au等)、金属氧化物纳米颗粒(A l2O3、T iO2、CuO等)和非金属纳米颗粒(石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等)，在混合组件内的预混合浓度在0.1wt％-10.0wt％范围内，由于会在注入外部流道7后被外部流道7内的冷却剂稀释，所以预混合时需优选较高浓度的配比。
本实施例的反应堆系统，利用纳米流体强化传热的效果，提升压力容器1外部冷却能力。通过将预混合制备出的高浓度纳米流体溶液缓慢注入压力容器外部流道，注入高浓度纳米流体中的纳米颗粒具有高导热能力，在重力作用和浓度差的驱动下由上至下运动促进流体内部热量的交换，结合超声振动装置加快纳米颗粒在流道内的扩散和分布，利用超声振动带来的空化效应和声流效应使得流体内部对流加强，还能让纳米颗粒成为振动的振子通过自身的持续运动与碰撞进一步促进热量的迁移与交换，超声作用下也能加快压力容器外壁面附近的气泡脱离，提高沸腾传热过程的临界热流密度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种压力容器外部强化传热系统，其特征在于，包括用于设置在压力容器外周的外部流道，外部流道底部设有冷却剂进口，并通过冷却剂进口与堆腔连通，外部流道内部空间的底部设有搅拌叶片，搅拌叶片与位于堆腔内的搅拌驱动件连接，外部流道设置有用于对其内部液体施加振动的超声振动装置，外部流道还与纳米流体供给机构连接。
2.如权利要求1所述的一种压力容器外部强化传热系统，其特征在于，超声振动装置设置多层，多层超声振动装置沿压力容器的轴线方向设置，同一层的超声振动装置沿环向间隔设置。
3.如权利要求1所述的一种压力容器外部强化传热系统，其特征在于，所述外部流道底部设有搅拌腔体，搅拌腔体内设有搅拌叶片，搅拌腔体设有冷却剂进口，搅拌腔体通过冷却剂进口与堆腔连通。
4.如权利要求1所述的一种压力容器外部强化传热系统，其特征在于，所述纳米流体供给机构包括混合组件，混合组件用于将纳米颗粒与冷却剂混合形成纳米流体，混合组件的出口与纳米流体输送管的进液端连接，纳米流体输送管的出液端连接至外部流道。
5.如权利要求4所述的一种压力容器外部强化传热系统，其特征在于，所述纳米流体输送管的进液端高度高于出液端高度。
6.如权利要求4所述的一种压力容器外部强化传热系统，其特征在于，所述混合组件与外部流道之间设置有隔间墙壁。
7.如权利要求4所述的一种压力容器外部强化传热系统，其特征在于，纳米流体输送管包括总管，总管的一端与混合组件连接，总管设置有多个支管，多个支管沿压力容器轴线方向设置，支管与外部流道连通。
8.如权利要求7所述的一种压力容器外部强化传热系统，其特征在于，所述支管安装有开关阀。
9.如权利要求7所述的一种压力容器外部强化传热系统，其特征在于，所述总管上安装有开关阀。
10.一种反应堆系统，其特征在于，设置有权利要求1-9任一项所述的压力容器外部强化传热系统。
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