CN202485495U - 一种ads堆折流板管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了属于核能安全与机械设备技术领域的一种ADS堆折流板管壳式换热器。该ADS堆换热器具有一壳体；壳体内设置有传热管和折流板，壳体上设置有热流体进口、热流体出口、冷流体进口和冷流体出口；壳体两端设有固定端管板，壳体上端经固定端管板与固定端头盖相连，形成上腔体，壳体下端经固定端管板与下封头相连，形成下腔体，所述下腔体内设置有隔板，隔板将进出换热器的热流体相隔离。本实用新型提供的基于超临界水为工质的ADS堆换热器，采用二回路冷却剂为超临界水的管壳式换热器，优化了换热器的设计，使它更加紧凑；操作简单，安全可靠；热效率高，换热效能好。

Description

一种ADS堆折流板管壳式换热器

技术领域

本实用新型属于核能安全与机械设备技术领域，特别涉及一种ADS堆折流板管壳式换热器。

背景技术

驱动堆将20世纪最重要的两大核科学装置加速器和反应堆两者结合起来，构成了新的更安全、更干净、更便宜的核能系统。次临界装置的包壳内充满了液态的铅铋合金。液态铅铋合金既是中子产生靶，又是慢化剂和冷却剂。经堆芯加热过的液态铅铋合金流入换热器时，通过数以万计的传热管，把热量传给二回路中冷却剂，然后带动汽轮机发电。

当水处于临界点(374℃，22.1MPa)以上的高温高压状态时被称为超临界水。超临界水的物性变化连续，不存在两相共存的现象，具有气态特性，可当做单相流体来处理。不会发生沸腾危机问题，排除了传热状态的不连续性。跟亚临界水沸腾时密度突然变化不同，超临界水在拟临界点附近的密度变化更小。即使温度在拟临界温度之上，密度还是相对较高。

现有换热器种类繁多，其中管壳式换热器使用最广，在应用的各类换热器中约占70％，尤其在能源、化工、石油等行业至今仍占主导地位。管壳式换热器的最大优点是能承受高温高压，适应性强，处理量大，工作可靠；此外其制造简单，生产成本低，选材范围广，清洗也方便。管壳式换热器的结构型式很多，主要有固定管板式、浮头式、U型管式、滑动管板式等。各种型式的典型管壳式换热器都由封头、管板、折流板和外壳组成。因此，管壳式换热器通常又称为折流板管壳式换热器。在设计折流板管壳式换热器时壳侧的阻力常常成为制约设备选型的一个主要因素，而且增加了壳侧的泵功。

目前驱动堆处于设计与试验阶段，在换热器的二回路冷却剂的选择方面，国际上普遍采用的有低压沸腾水、带过热蒸汽的水和有机溶剂三种。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对ADS次临界反应堆，设计一种安全可靠、热效率高、结构紧凑的换热器。

本实用新型提供一种ADS堆折流板管壳式换热器，其特征在于：该ADS堆换热器具有一壳体；壳体内设置有传热管和折流板，壳体上设置有热流体进口、热流体出口、冷流体进口和冷流体出口；壳体两端设有固定端管板，壳体上端经固定端管板与固定端头盖相连，形成上腔体，壳体下端经固定端管板与下封头相连，形成下腔体，所述下腔体内设置有隔板，隔板将进出换热器的热流体(液态铅铋合金)相隔离。

所述壳体内设置折流板的作用：1、作为传热管的支撑结构，避免流体诱导振动；2、提高壳侧流体的流速，并使流体横掠管束，从而强化壳侧的传热。

所述流体进出口设置有仪表接口。可以安装压力表、液位计等。

本实用新型还进一步给出了传热管的排布方式，所述传热管排布方式是管心矩为正三角形，管心矩大于等于换热管外径的1.25倍。这样排列有利于壳程流体达到湍流，且排管数也多。

本实用新型还进一步给出了传热管的类型，所述传热管为U形传热管。由于U形管可以自由伸缩，因此可以避免因管子受热膨胀引起的热应力。

所述壳体上设置有电导率测试仪。根据电导率的大小可以自动控制换热器的排污过程。

所述壳体上还可以设置膨胀节。由于热膨胀的不同，会使壳体和管子的长度产生差异，引发不均匀膨胀，可以使用各种膨胀节9来消除膨胀引起的过剩的应力。

所述一回路冷却剂(热流体)为Pb含量44.5％，Bi含量55.5％的液态铅铋合金。

本实用新型对二回路冷却剂(冷流体)进行了改进，二回路冷却剂采用超临界水。

在传递同样大小热量的前提下，采用超临界水作冷却剂能够缩小传热管的传热面积，进而使换热器设计得更加紧凑。同时，它不会发生沸腾危机问题，使得换热器更加安全。本实用新型提供的ADS堆折流板管壳式换热器，采用超临界水作为二回路冷却剂，是一种值得探索的新途径。

一回路冷却剂为液态铅铋合金，在管程中流动；二回路冷却剂为超临界水，在壳侧流动，其流动方式为，从堆芯出来的液态铅铋合金从热流体进口流进由固定端管板、下封头和隔板围成的下腔体一侧。隔板将下腔体分为两侧，同时也使进出换热器的热流体液态铅铋合金隔离，下腔体的液态铅铋合金进入传热管，流经传热管后汇集到下腔体另一侧，再经热流体出口流出，经加热加压的超临界水经冷流体进口流入壳程，沿折流板在壳体与传热管之间流动，最后从冷流体出口流出。

所述一回路液态铅铋合金进入换热器时温度大约为480℃，流出换热器时温度大约为400℃左右；二回路超临界水进入换热器时温度大约为380℃，流出换热器时温度大约为430℃。换热器一回路工质压力为常压；二回路工质压力为23MPa～25MPa。

所述换热器采用垂直立式布置。

本实用新型的有益效果为：优化了换热器的设计，更加紧凑；操作简单，安全可靠；热效率高，换热效能好。

本实用新型提供的折流板管壳式换热器能明显减少壳侧的泵功。

超临界水拟临界温度(例如在25MPa下其值大约为385℃)及其以上时，超临界水的比焓很大。就它的密度和高比焓而言，它具有相对低的粘度。所以作为一种冷却剂，它具备优良的性能。

因此，采用超临界水作为驱动堆换热器的二回路冷却剂，具有很大的优势：不需要汽水分离，二回路出口的超临界水可以直接驱动透平发电；一回路液态铅铋合金的热量能够被有效地带出；换热所需二回路冷却剂流量大大降低，从而使得换热器更加紧凑，压力容器，安全壳，厂房都更小。

本实用新型提供的基于超临界水为工质的ADS堆换热器，采用二回路冷却剂为超临界水的管壳式换热器，优化了换热器的设计，使它更加紧凑；操作简单，安全可靠；热效率高，换热效能好。

附图说明

图1为本实用新型ADS次临界反应堆换热器示意图；

图2为ADS次临界反应堆二回路系统图；

图中标号：

图1中，1是热流体进口；2是下封头；3是隔板；4是热流体出口；5是冷流体出口；6是壳体；7是固定端头盖；8是冷流体进口；9是膨胀节；10是壳体法兰；11是腔体法兰；12是仪表接口；13是传热管；14是折流板；15是头盖法兰；16是电导率测试仪；17是固定端管板；18是下腔体；19是上腔体。

图2中，20是换热器；21是汽轮机；22是冷凝器；23是冷凝泵；24是低压加热器；25是除氧器；26是给水泵；27是高压加热器。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。

参看图1，本实施例提供一种ADS堆折流板管壳式换热器，该ADS堆换热器具有一壳体6；壳体6内设置有传热管13和折流板14，壳体6上设置有热流体进口1、热流体出口4、冷流体进口8和冷流体出口5；壳体两端设有固定端管板17，壳体6上端经固定端管板17与固定端头盖7相连，形成上腔体19，壳体6下端经固定端管板17与下封头2相连，形成下腔体18，所述下腔体18内设置有隔板3，隔板3将进出换热器的热流体(液态铅铋合金)相隔离。

本实用新型采用二回路冷却剂为超临界水的折流板管壳式换热器，一回路冷却剂为液态铅铋合金，在管程中流动；二回路冷却剂为超临界水，在壳侧流动。其流动方式为，从堆芯出来的液态铅铋合金从热流体进口1流进由固定端管板17、下封头2和隔板3围成的下腔体18一侧。隔板3将下腔体分为两侧，同时也使进出换热器的热流体液态铅铋合金隔离。下腔体18的液态铅铋合金垂直向上进入传热管13，然后流过换热管13的弯头，并垂直向下流经另一侧传热管13，之后汇集到下腔体18另一侧，再经热流体出口4流出。经加热加压的超临界水经冷流体进口8流入壳程，沿折流板14在壳体6与传热管13之间流动，最后从冷流体出口5流出。

传热管区最外层与壳体6之间留有一定的间隙。这是为了制造时的最低需要。在壳体6内部与折流板14之间也留有一定的间隙以便折流板14可以滑入壳体6。

在壳体上设置膨胀节9。由于热膨胀的不同，会使壳体6和传热管13的长度产生差异，引发不均匀膨胀，可以使用各种膨胀节9来消除膨胀引起的过剩的应力。

固定端管板17在壳体6上延伸出去兼做与管侧联箱相紧固连接的壳体法兰10；固定端头盖7在与固定端管板17相邻处设置有头盖法兰15；下封头2在与固定端管板相邻处设置有腔体法兰11。

流体进出口设置有仪表接口12。可以安装压力表、液位计等。

传热管13的排布方式是管心矩为正三角形，管心矩等于换热管外径的1.25倍。这样排列有利于壳程流体达到湍流且排管数也多。

壳体6上设置有电导率测试仪16。根据电导率的大小可以自动控制换热器的排污过程。

壳体6公称直径300mm，并由标准壁厚的钢制公称管制成。传热管13由奥氏不锈钢316L制成。传热管13外径取为25mm；长径比定为5.5∶1；管长定为8～9m。采用长管是因为传热面积大，且传热过程无相变。采用适合于无相变对流传热的横缺形折流板，折流板14间距为壳体6直径的1/3～1/2倍，且不应小于50mm。固定端管板17厚度为45～50mm，且采用锻件。换热器两头都采用封头腔体，移动腔体可以检测管端情况。

参看图2，在换热器20中换热过的超临界水，进入汽轮机21并推动汽轮机21做功，做完功的乏汽在冷凝器22中被冷却，然后依次经过冷凝泵23、低压加热器24、除氧器25、给水泵26、高压加热器27。最后经加热加压的超临界水重新流入换热器20。二回路超临界水如此不断循环。

一回路液态铅铋合金进入换热器时温度大约为480℃，流出换热器时温度大约为400℃左右；二回路超临界水进入换热器时温度大约为380℃，流出换热器时温度大约为430℃。换热器一回路工质压力为常压；二回路工质压力为23MPa～25MPa。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种ADS堆折流板管壳式换热器，其特征在于：该ADS堆换热器具有一壳体(6)；壳体(6)内设置有传热管(13)和折流板(14)，壳体(6)上设置有热流体进口(1)、热流体出口(4)、冷流体进口(8)和冷流体出口(5)；壳体两端设有固定端管板(17)，壳体(6)上端经固定端管板与固定端头盖(7)相连，形成上腔体(19)，壳体(6)下端经固定端管板与下封头(2)相连，形成下腔体(18)，所述下腔体(18)内设置有隔板(3)，隔板(3)将进出换热器的热流体相隔离。

2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述流体进出口设置有仪表接口(12)。

3.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述传热管(13)排布方式是管心矩为正三角形，管心矩大于等于换热管外径的1.25倍。

4.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述传热管(13)为U形传热管。

5.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述壳体(6)上设置有电导率测试仪(16)。

6.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述壳体(6)上设置膨胀节(9)。

7.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：热流体为液态铅铋合金。

8.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：冷流体为超临界水。

9.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：热流体在管程中流动；冷流体在壳侧流动，其流动方式为，从堆芯出来的液态铅铋合金从热流体进口(1)流进由固定端管板(17)、下封头(2)和隔板(3)围成的下腔体(18)一侧，下腔体(18)的液态铅铋合金进入传热管(13)，流经传热管(13)后汇集到下腔体(18)另一侧，再经热流体出口(4)流出，超临界水经冷流体进口(8)流入壳程，沿折流板(14)在壳体(6)与传热管(13)之间流动，最后从冷流体出口(5)流出。

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