CN115930640A - 换热器和反应堆的换热系统 - Google Patents

Abstract

本申请的实施例提供一种换热器，包括：壳体，多个板体，设置在壳体内，每个板体内部形成有流道，流道与壳体的外部流体连通；多个管体，设置在壳体内并与壳体的外部流体连通，每个管体均设置在两个板体之间并沿板体的表面延伸，使管体中的流体能够与流道中的流体发生换热，管体与板体形成的间隙中填充有气体；监测件，监测件被设置成监测间隙中的气体压力，以监测管体和流道中的流体泄露情况。本申请的实施例还提供一种反应堆的换热系统。

Description

换热器和反应堆的换热系统

技术领域

本申请涉及换热装置技术领域，具体涉及一种换热器和反应堆的换热系统。

背景技术

换热器是工业系统中常用的装置，其借助换热介质与待换热物质之间的热量传递来完成换热。在一些使用情况下，换热介质/待换热物质可能为有毒、有害、易燃易爆的物质，或者，换热器可能被应用在高温高压系统中，又或者，换热介质和待换热物质直接接触可能会发生剧烈反应，这些使用情况下，如果换热器中的换热介质或待换热物质发生泄露，则可能会导致严重的后果，因此，需要提供一种能够高效、准确地监测换热器中的换热介质或待换热物质是否发生泄露的换热器。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本申请以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的换热器和反应堆的换热系统。

根据本申请实施例的第一个方面，提供一种换热器，包括：壳体，多个板体，设置在壳体内，每个板体内部形成有流道，流道与壳体的外部流体连通；多个管体，设置在壳体内并与壳体的外部流体连通，每个管体均设置在两个板体之间并沿板体的表面延伸，使管体中的流体能够与流道中的流体发生换热，管体与板体形成的间隙中填充有气体；监测件，监测件被设置成监测间隙中的气体压力，以监测管体和流道中的流体泄露情况。

根据本申请实施例的第二个方面，提供一种反应堆的换热系统，包括多个如本申请实施例的第一个方面所描述的换热器，多个换热器环绕反应堆的堆芯设置。

本申请实施例提供的换热器和反应堆的换热系统能够高效、准确地监测待换热介质和换热介质是否发生泄露，具有较高的安全性。

附图说明

图1为根据本申请实施例的换热器的正视图；

图2为根据本申请实施例的换热器的A-A剖面示意图；

图3为图2中示出的换热器的B部分的放大示意图；

图4为图3中示出的换热器的C-C剖面示意图；

图5为根据本申请实施例的换热器的剖面的示意图；

图6为根据本申请实施例的换热器的另一个剖面的示意图；

图7为根据本申请实施例的换热器的再一个剖面的示意图；

图8为根据本申请实施例的反应堆的换热系统示意；

图9为根据本申请实施例的换热器的俯视图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。若全文中出现“和/或”，其含义为包括三个并列方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。

本申请的实施例首先提供一种换热器，该换热器可以被应用在任何需要配置换热设备的工业系统中，例如，可以被应用与核反应堆、电力系统、化工系统、制药系统、石油系统等。

图1示出了本申请实施例的换热器的正视图，图2为图1中示出的换热器的A-A剖面示意图，图3为图2中示出的换热器的B部分的放大示意图，请一并参阅图1-图3，本申请实施例提供的换热器包括壳体10、多个板体20、多个管体30和监测件40。

多个板体20设置在壳体10内部，每个板体20内部形成有流道21，该流道21与壳体10的外部流体连通。该流道21可以是任何能够允许流体在其中进行流动的通道，流道21可以具有实体结构，例如，流道21可以是管道，或者，流道21也可以没有实体结构，而是由板体20的实体结构所形成，下文中的相关部分中将会具体描述流道21的设置方式，在此不再赘述。流道21可以通过形成在壳体10上的开口或者其他合适的结构来与壳体10的外部流体连通。

多个管体30设置在壳体10内部，并与壳体10的外部流体连通，同样地，可以通过形成在壳体10上的开口或者其他合适的结构来实现管体30与壳体10外部的流体连通。

参照图3，每个管体30均设置在两个板体20之间并沿着这两个板体20的表面延伸，即，每个管体30均被两个板体20所夹持。每两个板体20之间都可以并排设置有多个管体30，在一些其他的实施例中，每两个板体20之间也可以仅设置一个管体30，本领域技术人员可以根据实际使用需求来进行设置，对此不作限制。

如上文所描述的，管体30和流道21均与壳体10的外部流体连通，在实际使用过程中，可以分别向管体30和流道21中通入换热介质和待换热介质，例如，向管体30中通入待换热介质，向流道21中通入换热介质，流动在管体30中的待换热介质将会与其相邻的板体20内的流道21中的换热介质将会在流动的过程中经由板体20以及管体30的管壁发生热量传递，从而实现换热。

进一步地，管体30表面的弧度势必会大于板体20表面的弧度，因此，被夹持在两个板体20中的管体30与这两个板体20之间将势必会存在一定的间隙，本实施例中，该间隙中填充有气体，而监测件40被设置成监测该间隙中的气体压力，以监测管体30和流道21中的流体泄露情况。

可以理解地，在实际使用过程中，无论是管体30中的流体发生了泄露，还是流道21中的流体发生了泄露，该流体都会第一时间进入到该间隙中，并引起该间隙中的压力变化，从而，通过监测该间隙中的压力变化能够准确地发现管体30和流道21中所发生的流体泄露，提高换热器的使用安全性。同时，该间隙中填充有气体，即，具有一定的压力本底，这使得轻微的流体泄露就会引起该间隙中的气体压力发生较为明显的变化，提高了监测的灵敏度。

进一步，在一些情况下，还能够基于监测件40监测到的气体压力变化趋势来判断具体是哪个部位发生了泄露。作为示例地，流道21中的流体可以是超临界CO₂，管体30中的流体可以是液态金属，如果监测到气体压力下降，则可能是管体30中的液态金属发生了泄露，如果监测到其他压力上升，则可能是流道21中的超临界CO₂发生了泄露。

作为示例地，上述间隙中所填充的气体可以是氦气、氩气等，这些气体不会与所泄露的流体发生化学反应，可以进一步地保证换热器工作过程中的安全性。

监测件40可以包括至少一个能够感知气体压力的感测装置，例如压力传感器，该感测装置可以以合适的方式与该间隙形成气体连通，以使其能够对间隙中的气体压力进行感知。该感测装置可以设置在壳体10内部，或者设置在壳体10外部，优选地，感测装置可以设置在壳体10外部以保证其使用过程中的安全性。感测装置可以通过合适的管路与该间隙气体连通。

在一些实施例中，壳体10可以是密封的，而该间隙可以是开放的，可以直接监测壳体10中的气体压力来作为该间隙中的气体压力。在一些其他的实施例中，该间隙可能被一些封板等结构密封形成一个密封的气腔，感测装置可以监测该气腔中的气体压力来作为该间隙中的气体压力，本领域技术人员可以根据具体所使用的管体30和板体20的设置方式来合理地选择监测件40的设置方式，在此不再赘述。

图4为图3中示出的换热器的C-C剖面示意图，参照图3和图4，在一些实施例中，板体20可以具体包括彼此贴合的第一板状物22和第二板状物23，第二板状物22朝向第一板状物23一侧的表面上形成有凹槽，该凹槽与第一板状物23形成流道21。

本实施例中，板体20被设置成分体式结构，第一板状物22和第二板状物23可以焊接的方式连接在一起，当第二板状物22和第一板状物23贴合并焊接后，第二板状物22表面的凹槽将会与第一板状物23共同限定出流道21。在一些实施例中，第二板状物22表面的凹槽的截面可以是半圆形的，以减少流道21中的流体流动时的阻力。

相较于在一个完整的板体内部设置流道而言，本实施例中在第二板状物23的表面设置凹槽所需要的工艺显然是更加简单并且低成本的，在实际制造过程中，本领域技术人员可以采用电子蚀刻或者其他合适的方法来在第二板状物23上形成凹槽，对此不作限制。

在一些实施例中，参照图3，第一板状物22背离第二板状物23一侧的表面上形成有管槽24，管体30设置在管槽24中。设置管槽24能够增加管体30在使用过程中的稳定性，避免管体30中的流体在流动过程中使管体30发生剧烈的震动而使管体30发生损坏。

在一些实施例中，第一板状物23背离第二板状物22一侧的表面上形成有并排设置的多个管槽24，每个管槽24中均设置有一个管体30。本实施例中的管槽24能够进一步地避免设置在两个板体20中间的多个管体30彼此之间由于震动而发生碰撞。

在上述实施例中，管槽24的截面可以具体被设置成矩形，从而，每个管体30与其所在的管槽24之间都会形成间隙。

图5为换热器的一个剖面的示意图，参照图5，一些实施例中的管槽24上可以形成有连通部25，该连通部25使管体30与板体20之间形成的多个间隙彼此连通，从而，保证了各个间隙之间的气体流动性，进而保证了使用监测件40进行监测的灵敏度。连通部25可以是形成在管槽24上的通孔、凹槽等结构，只需能够使得间隙之间彼此连通即可。

在一些实施例中，壳体10内可以形成有密封的监测腔，板体20可以设置在该监测腔中，即，间隙也位于该监测腔中。例如，参照图1，可以在壳体10内设置两个封板50，封板50可以分别位于板体20的顶部和底部，封板50和壳体10的壁共同限定出密封腔，监测件40可以与该监测腔气体连通，从而监测间隙中的气体压力。设置监测腔的好处在于能够有效减少间隙中的气体流动的范围，从而增加了监测件40在监测时的灵敏度。

在一些实施例中，参照图1和图5，监测件40可以具体包括：监测管41，设置在壳体10外。连接件42，设置在壳体10上，其能够将监测管41与间隙气体连通，压力传感器43，与监测管41连接，从而监测间隙中的气体压力。连接件42可以是例如封头等结构，其在将监测管41与间隙连通时还能够保证壳体10内部的密封性，避免间隙中的气体泄露而导致出现误判。

在一些实施例中，仍参照图1，换热器还可以包括泄压件60，泄压件60能够在间隙中的气体压力高于预设值时释放间隙中的压力。泄压件60可以设置在监测管41中，或者设置在壳体10上，或者设置在其他合适的位置，只需能够将间隙与外部环境连通以使得间隙中的压力能够被释放即可。

可以理解地，在一些情况下，换热介质和待换热介质发生接触后可能会发生剧烈反应并释放大量气体，使得间隙中的气体压力极具升高，如果不及时释放该压力，则在该压力的作用下管体30、板体20等可能发生二次变形或损坏，导致严重后果，为此，本实施例中进一步的设置了泄压件60，来使得间隙中的气体压力能够被及时的释放。

在一些实施例中，监测管41的管壁可以设置成双层结构，从而，当内层结构或外层结构被腐蚀破损的时候，仍然可以有效的防止流体的泄露。

在一些实施例中，泄压件60可以是电子阀门，其可以与监测件40电连接并受到监测件40的控制，当监测件40监测到的气体压力高于预设值时能够自动地控制泄压件60开启。在一些实施例中，泄压件60也可以是一个机械阀门，其被设置成在承受了高于预设值的压力时自动地开启。本领域技术人员可以根据实际需求来进行设置，对此不作限制。

图6和图7是换热器另外两个剖面的示意图，参照图6和图7，在一些实施例中，每个板体20内可以形成有多个流道21，多个流道21呈折线形延伸，例如，在图6和图7中所示出的实施例中，多个流道21并排设置，并且呈“Z”型的折线延伸，在一些其他的实施例中，流道21呈折线形延伸的一个好处在于能够增加流道21中流体的流动性，并且，使得流道21中的流体在大部分位置处的流动方向与管体30中的流体流动方向垂直或至少形成夹角，从而提高换热效率。流道21呈折线形延伸的另一个好处在于方便制作加工。

本申请的实施例还提供一种反应堆的换热系统，参照图8，其包括多个如上文中任一实施例中所描述的换热器1，多个换热器1可以环绕反应堆的堆芯2设置。作为示例地，可以如图8中所示的设置4个换热器，4个换热器沿堆芯2的周向均匀分布。

如上文中所描述地，本实施例的换热系统中的换热器能够高效、准确地监测待换热介质和换热介质是否发生泄露，从而保证了运行时的安全性。

进一步地，由于本实施例中的换热系统包括多个独立的换热器，在实际使用过程中，当其中一个换热器发生故障时，可以单独对该换热器进行维修和更换，而无需更换整个系统。

在一些实施例中，换热器的壳体10的顶盖可以与反应堆固定连接。通过壳体10的顶盖来与反应堆固定连接能够进一步地方便换热器与反应堆之间的安装和拆卸。

在一些实施例中，可参照图2和图8，壳体10和多个板体20的横截面可以呈弧形且弧度相同，弧形的圆心指向反应堆的堆芯2。相较于常规的具体的具有立方体形壳体的换热器而言，本实施例中的换热器在组成换热系统时，其所围成的中间区域更大，更利于布置反应堆的堆芯、控制棒的驱动机构以及其他部件，使得反应堆内部的空间得到最大化的利用，便于实现反应堆的小型化和模块化。

在一些实施例中，参照图1，换热器的壳体10上设置有冷却剂入口11和冷却剂出口12。

冷却剂入口11设置成与管体30以及反应堆的堆芯2流体连通，从而，反应堆堆芯中的冷却剂能够经由该冷却剂入口11进入到管体30中进行换热。冷却剂入口11可以设置在壳体10的第一侧壁101上并位于管体30的顶部，第一侧壁101是壳体10上朝向反应堆的堆芯2的侧壁，将冷却剂入口11设置于此的好处在于能够进一步地方便换热器与堆芯之间的连接，避免二者之间的连接管路占用大量的空间。

在一些实施例中，冷却剂入口11和管体30之间可以设置有均流板，该均流板可以使得冷却剂较为均匀地流入到每个管体30中，以提高换热效果。

冷却剂出口12设置成与管体30以及反应堆的堆芯2流体连通，冷却剂出口12设置在壳体10的底部，将冷却剂出口12设置于此的好处在于能够加速冷却剂回流到堆芯2中，提高冷却剂循环的效率。在一些实施例中，壳体10底部可以形成有集液腔，多个管体30中流出的冷却剂可以在集液腔中汇集后经由冷却剂出口12流出，进一步的提高循环的效率。

图9示出了换热器的俯视图，参照图1、6、7、9，在一些实施例中，壳体10的顶部设置有换热介质入口13和换热介质出口14，将换热介质入口13和换热介质出口14设置于此的好处在于能够方便换热器与换热介质源之间的连接，避免二者之间的连接管路占用大量的空间。

换热介质入口13经由换热介质入口管路15与流道21连通，换热介质入口管路15沿着壳体10的第二侧壁102的外表面延伸至板体20的底部。

换热介质出口14经由换热介质出口管路16与流道21连通，换热介质出口管路16沿壳体10的第三侧壁103的外表面延伸至本体20的顶部。

本实施例中，换热介质从底部流动到顶部，而冷却剂从顶部流动到底部，二者之间形成对流，从而能够进一步的增加换热效率。作为示例地，反应堆的冷却剂可以是液态金属，换热介质可以是超临界CO₂。

进一步的，第二侧壁102和第三侧壁103是壳体10上相对设置的两个壁，将换热介质入口管路15与换热介质出口管路16分别设置在这两个壁上能够使得两个管路彼此远离，避免两个管路中的换热介质彼此之间发生换热，从而影响到其与冷却剂进行换热的效率。

在一些实施例中，换热介质入口管路15的外侧可以设置有隔热层。隔热层的好处在于避免换热介质在进入到流道21之前就与冷却剂发生换热以避免其由于温度升高而发生反窜。

在一些实施例中，换热介质入口管路15和换热介质出口管路16与壳体10之间的连接处可以设置有集液箱17，以方便换热介质进入和流出流道21。在一些实施例中，换热介质入口管路15处的集液箱17中可以设置有均流板，以使其换热介质能够均匀地进入到各个流道21中。

在一些实施例中，上述换热介质入口管路15、换热介质出口管路16和集液箱17可以设置成双层结构，从而，其中一层结构被腐蚀或者破损后，另一层结构仍然能够有效地将换热介质与冷却剂隔绝，避免二者接触而发生剧烈的反应。

对于本申请的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种换热器，包括：

壳体，

多个板体，设置在所述壳体内，每个所述板体内部形成有流道，所述流道与所述壳体的外部流体连通；

多个管体，设置在所述壳体内并与所述壳体的外部流体连通，每个所述管体均设置在两个所述板体之间并沿所述板体的表面延伸，使所述管体中的流体能够与所述流道中的流体发生换热，所述管体与所述板体形成的间隙中填充有气体；

监测件，所述监测件被设置成监测所述间隙中的气体压力，以监测所述管体和所述流道中的流体泄露情况。

2.根据权利要求1所述的换热器，其中，每个所述板体包括：

彼此贴合的第一板状物和第二板状物，所述第二板状物朝向所述第一板状物一侧的表面上形成有凹槽，所述凹槽与所述第一板状物形成所述流道。

3.根据权利要求2所述的换热器，其中，所述第一板状物背离所述第二板状物一侧的表面上形成有管槽，所述管体设置在所述管槽中。

4.根据权利要求3所述的换热器，其中，所述第一板状物背离所述第二板状物一侧的表面上形成有并排设置的多个所述管槽，每个所述管槽中均设置有一个所述管体。

5.根据权利要求4所述的换热器，其中，所述管槽上形成有连通部，所述连通部使所述板体与所述管体之间形成的多个间隙彼此连通。

6.根据权利要求1所述的换热器，其中，所述监测件包括：

监测管，设置在所述壳体外；

连接件，设置在所述壳体上，所述连接件将所述监测管与所述间隙气体连通；

压力传感器，与所述监测管连接。

7.根据权利要求1所述的换热器，其中，还包括：

泄压件，所述泄压件能够在所述间隙中的气体压力高于预设值时释放所述间隙中的压力。

8.根据权利要求1所述的换热器，其中，每个所述板体内形成有多个所述流道，多个所述流道呈折线形延伸。

9.一种反应堆的换热系统，包括：

多个如权利要求1-8中任一项所述的换热器，多个所述换热器环绕所述反应堆的堆芯设置。

10.根据权利要求9所述的换热系统，其中，所述壳体的顶盖与所述反应堆固定连接。

11.根据权利要求9所述的换热系统，其中，所述壳体和多个所述板体的横截面呈弧形且弧度相同，弧形的圆心指向所述反应堆的堆芯。

12.根据权利要求9所述的换热系统，其中，所述换热器还包括：

冷却剂入口，设置成与所述管体以及所述反应堆的堆芯流体连通，所述冷却剂入口设置在所述壳体的第一侧壁上并位于所述管体上方，所述第一侧壁朝向所述反应堆的堆芯；

冷却剂出口，设置成与所述管体以及所述反应堆的堆芯流体连通，所述冷却剂出口设置在所述壳体的底部。

13.根据权利要求12所述的换热系统，其中，所述换热器还包括：

换热介质入口和换热介质出口，设置在所述壳体的顶部；

换热介质入口管路，设置成将所述换热介质入口和所述流道连通，所述换热介质入口管路沿所述壳体的第二侧壁的外表面延伸至所述板体的底部；

换热介质出口管路，设置成将所述换热介质出口和所述流道连通，所述换热介质出口管路沿所述壳体的第三侧壁的外表面延伸至所述板体的顶部，所述第二侧壁和所述第三侧壁相对设置。

14.根据权利要求13所述的换热系统，其中，所述换热介质入口管路的外侧设置有隔热层。

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