CN1288667C - 一种用于反应堆冷中子源垂直孔道内的慢化剂冷凝器 - Google Patents
一种用于反应堆冷中子源垂直孔道内的慢化剂冷凝器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于反应堆冷中子源垂直孔道内的慢化剂冷凝器，它包括一种放置在反应堆冷中子源垂直孔道内的高效慢化剂冷凝器，其特征在于，它包括圆筒形的冷凝器壳体，冷凝器壳体上连接有双腔体的上封头和锥形下封头，在冷凝器壳体的内部设置有由上管板、若干根冷凝器列管、辅助输汽冷凝管和下管板构成的冷凝器芯；双腔体的上封头的内腔与堆外的慢化剂稳压罐相连接，外腔与堆外的冷却剂冷却系统相连接；下封头与两相慢化剂往返传输管相连接。本发明能有效消除冷凝列管内汽、液逆向流动所发生的液泛，并充分利用冷凝列管的换热面积及流动通流截面，使两相热虹吸循环流动阻力减小，换热能力提高，利于两相热虹吸循环系统在细长的垂直孔道中布置。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆冷中子源装置的慢化剂冷凝器，特别涉及一种放置在反应堆冷中子源垂直孔道内的慢化剂冷凝器。
背景技术
常用的冷中子源慢化剂两相热虹吸循环回路由中子慢化剂包，慢化剂，冷凝器，传输管和冷却剂组成，特别是对于核发热功率较大的冷中子源，由于可靠性和安全性原因，换热能力强、尺寸小的板翅式等换热器不宜被使用。而人们习惯采用的管壳式冷凝器尺寸较大，难以将其设置在直径尺寸受严格限制的反应堆内冷源中子源的垂直孔道中。故通常放置在距堆内中子慢化剂包较远的反应堆外。造成热虹吸循环回路加长，慢化剂包内液位控制难度显著增大，低温管出入冷源孔道的数量多，结构布置困难，冷量损失大等问题。
根据申请人所进行的资料检索，检索到和本发明相关或有关的参考文献有以下几篇：
[1]Werner Gaubatz，Klaus Gobrecht，The FRM-II cold neutron source，Physica B 276-278(2000)104-105。
[2]C.O.Choi，M.S.Cho，etc，Current Status of Neutron Source andActivity in Korea，International Workshop on Cold Neutron utilization，KAERI，Taejon，The Republ ic of Korea，77-91。
鉴于对反应堆内设备在安全、可靠和无泄漏等方面的要求，需要将置于堆内的慢化剂冷凝器设计成管壳式结构。传统的管壳式结构是将来自下方中子慢化包的汽态慢化剂从冷凝器外绕管输送到其顶部，进入冷凝器后，在冷凝列管内向下流动，逐渐被冷凝成液体，依靠重力作用流到下方的慢化剂包中去。这样制成的回路循环系统需要大直径的垂直孔道才能容纳冷凝器和并行的输气管道。故这种结构布置方案对较大的反应堆是不可行的。目前国际上的大型研究性反应堆冷中子源中，还没有将慢化剂冷凝器放置在堆内的先例。
发明内容
根据上述的技术现状和常规管壳式换热器在应用于冷中子源时的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种能适应细长型冷中子源垂直孔道内安装的大容量高效管壳式冷凝器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种放置在反应堆冷中子源垂直孔道内的高效慢化剂冷凝器，其特征在于，它包括圆筒形的冷凝器壳体，冷凝器壳体上连接有双腔体的上封头和锥形下封头，在冷凝器壳体的内部设置有由上管板、若干根冷凝器列管、辅助输汽冷凝管和下管板构成的冷凝器芯；双腔体的上封头的内腔与堆外的慢化剂稳压罐相连接，外腔与堆外的冷却剂冷却系统相连接；下封头与两相慢化剂往返传输管相连接。
本发明的其它一些特点是，所述辅助输汽冷凝管和若干根冷凝器列管都固定在上管板和下管板上，且都与双腔体的上封头的内腔体和下封头的腔体连通。
所述辅助输汽冷凝管与冷凝器壳体同心设置，多根冷凝器列管设置在冷凝器壳体和辅助输汽冷凝管之间均匀分布。
所述辅助输汽冷凝管的直径大于冷凝列管的直径。
所述冷凝器壳体及冷凝器芯与双腔体的上封头和下封头通过焊接连接在一起；
对于冷却剂管间两程流动的冷凝器，所述辅助输汽冷凝管与冷凝器壳体之间设有隔离板，隔离板将冷凝管与冷凝器壳体之间形成的夹层分为两部分，隔离板的下部有使两部分连通的孔。
本发明通过对管壳式换热器结构和被冷凝介质流动形态的设计，实现冷中子源两相循环回路全部安装在反应堆内。慢化剂冷凝器与其下方的中子慢化剂包之间慢化剂的往返传输管采用单管结构，在管内从慢化剂包来的汽态慢化剂依靠热虹吸作用向上流动，被冷凝器冷凝成液体的慢化剂依靠重力作用向下流动或滴落。该连接管直径应选用较大值，以防发生液泛。单管的上端与冷凝器的下封头(锥状封头)连接，以便下落的液体形成束流不影响上行的汽态工质。冷凝器中设若干根小直径冷凝管组成冷凝列管，同时在冷凝列管的中央设置一根大直径的辅助输汽冷凝管，被冷凝的一部分慢化剂通过辅助输汽冷凝管流到上封头腔室内。在上封头腔室内，冷凝列管与辅助输汽冷凝管相互连通，冷凝器的上封头设有与堆外的气态慢化剂稳压罐相通的连接管。
本发明由于采用冷凝器与中子慢化剂包之间的大直径单管连接和冷凝器内粗细冷凝管并联的结构，使这种符合反应堆安装结构要求的细长形冷凝器(长径比达20∶1以上)，充分利用了冷凝列管的换热面积及流动通流截面，与传统管壳式换热器相比，使两相热虹吸循环流动阻力减小，换热能力提高，使大功率反应堆冷中子源在反应堆内设置两相热虹吸循环回路的构想得以实现。
附图说明
图1为冷却剂管间两程流动的慢化剂冷凝器结构图；
图2为冷却剂管间单程流动的慢化剂冷凝器结构图；
图3为图1沿A-A的俯视剖面图。
以下结合附图和发明人依据发明的技术方案所完成的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
参见图1、图2和图3，按本发明的技术方案制作的反应堆内慢化剂冷凝器，它包括圆筒形的冷凝器壳体1、冷凝器芯、双腔体的上封头2和锥形下封头7；冷凝器芯包括上管板3、冷凝器列管4、辅助输汽冷凝管5和下管板6；图3中的8为隔离板。冷凝器壳体1及冷凝器芯与双腔体的上封头2和下封头7通过焊接连接。双腔体的上封头2的内腔与堆外的慢化剂稳压罐相连接，双腔体的上封头2的外腔与堆外的冷却剂冷却系统相连接；下封头7与两相慢化剂往返传输管相连接；在冷凝器壳体1内壁与位于冷凝器中央的大管径的辅助冷凝输气管5的外壁之间均匀分布有若干根冷凝器列管4，辅助输汽冷凝管5和冷凝列管4都固定在上下管板上，且都与上封头的内腔体和下封头的腔体连通。
冷凝器的管内供慢化剂冷凝流动，双腔体的上封头2的内腔体与堆外的慢化剂稳压罐通过管道连接；下封头7的腔体通过一根管子与其下方的慢化剂包连通，这根管子供汽态慢化剂向上流动和被液化的慢化剂向下流动。冷凝列管4之间的通道供冷却剂流动。
按照冷却剂流动管程，冷凝器可以制成两种型式：
①冷却剂管间两程流动，在双腔体内设置一隔离板8，把外腔体(即冷凝管与冷凝器壳体之间形成夹层)分为两个独立部分，隔离板8的下方有通孔，使双腔体的上封头分别与下部的分为两部分的冷凝列管间腔体相连通，冷却剂从上部封头夹层的一侧输入，通过一侧管间流向下方，到下管板6通过隔离板8上的通孔进入夹层的另一空间，通过另一侧管间向上流出。
②冷却剂管间单程流动，即双腔体的上封头和下封头都制成夹层结构，都与管间连通，冷却剂从下方的慢化剂包夹层输送上来，通过下封头夹层送到冷凝器管间，从双腔体的上封头外腔流出。
本发明的反应堆内慢化剂冷凝器工作原理如下：
在反应堆运行之前，启动氦制冷机，低温氦通过冷凝器时使来自于慢化剂稳压罐的慢化剂(氢或氘等)逐渐液化，再通过两相慢化剂往返传输管流到下方的慢化剂包中去，形成慢化剂液体层对穿过的热中子进行冷却慢化。在慢化过程中，中子穿过慢化包时对慢化剂和慢化剂包(通常为铝合金或不锈钢等)作用的核发热使部分慢化剂被加热汽化，汽体溢出慢化剂层后从两相慢化剂往返传输管中向上流动，从冷凝器的下封头7进入冷凝列管4和辅助输汽冷凝管5，气体在冷凝列管4中边上升边被冷凝，冷凝的液体顺着冷凝管壁流向下方；同时，汽体在辅助输汽冷凝管5中也向上流动，其中的少部分在上升过程中被冷凝后顺管壁流向下方。大部分汽体流到双腔体的上封头2的内腔室中，从冷凝列管4的上端进入冷凝列管内被冷凝成液体。该液体在重力的作用下沿冷凝管向下方流去。因此，在冷凝列管4中，汽态工质是从上下两端进入，冷凝液是沿管壁单向向下流动的。
本发明的冷凝器在下端与慢化剂包的连接采用单管连接，冷凝介质的进入与输出在同一管内完成，与传统换热器的冷凝介质进入、输出管分开设计的结构相比，这种单管结构有利之处在于：①连接管和冷凝器的结构简单；②在热负荷变化时，能容易控制维持慢化剂包内的液体慢化剂的液位；③适用于冷凝器与慢化剂包之间高度差小的场合，而冷凝器放置在反应堆内正是这种情况。
本发明的冷凝器在冷凝列管的中央并联设置了一根较大直径的辅助输汽冷凝管，这种结构与传统的等直径列管的冷凝器相比，有如下优点：①适用于制成细长型且换热能力要求较大的场合；②由于设置了大直径的辅助输汽冷凝管，在与传统的管壳式冷凝器及其热虹吸循环回路外形尺寸相同的情况下，将换热器发生临界液泛的冷凝流量提高60％以上；③冷凝器中央大直径的输汽冷凝管既是换热冷凝管也是输汽管，不需在冷凝器以外设置专门的向顶端输气的管道，故有利于两相热虹吸循环系统在细长的垂直孔道中布置。
Claims (6)
1.一种放置在反应堆冷中子源垂直孔道内的高效慢化剂冷凝器，其特征在于，它包括圆筒形的冷凝器壳体(1)，冷凝器壳体(1)上连接有双腔体的上封头(2)和锥形下封头(7)，在冷凝器壳体(1)的内部设置有由上管板(3)、若干根冷凝器列管(4)、辅助输汽冷凝管(5)和下管板(6)构成的冷凝器芯；双腔体的上封头(2)的内腔与堆外的慢化剂稳压罐相连接，外腔与堆外的冷却剂冷却系统相连接；下封头(7)与两相慢化剂往返传输管相连接。
2.如权利要求1所述的高效慢化剂冷凝器，其特征在于，所述若干根冷凝器列管(4)和辅助输汽冷凝管(5)都固定在上管板(3)和下管板(6)上，且都与上封头(2)的内腔体和下封头(7)的腔体连通。
3.如权利要求1所述的高效慢化剂冷凝器，其特征在于，所述辅助输汽冷凝管(5)与冷凝器壳体(1)同心设置，多根冷凝器列管(4)设置在冷凝器壳体(1)和辅助输汽冷凝管(5)之间均匀分布。
4.如权利要求1所述的高效慢化剂冷凝器，其特征在于，所述辅助输汽冷凝管(5)的直径大于冷凝器列管(4)的直径。
5.如权利要求1所述的高效慢化剂冷凝器，其特征在于，所述冷凝器壳体(1)及冷凝器芯与双腔体的上封头(2)和下封头(7)通过焊接连接在一起。
6.如权利要求1所述的高效慢化剂冷凝器，其特征在于，对于冷却剂管间两程流动的冷凝器，所述辅助输汽冷凝管(5)与冷凝器壳体(1)之间设有隔离板(8)，隔离板(8)将冷凝管与冷凝器壳体之间形成的夹层分为两部分，隔离板(8)的下部有使两部分连通的孔。
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