CN211929059U - 一种压水堆非能动换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种压水堆非能动换热器，其设置于压水堆的水箱内，其包括C型换热管束、上封头、下封头、导流装置和固定构件；导流装置为两块竖向设置且平行的导流板，导流板通过固定构件固定于水箱的内壁上；C型换热管束设置于所述两块导流板之间，包括多条间隔设置的C型换热管，每一条换热管位于顶部的入口穿设在上封头上，位于底部的出口穿设在所述下封头上；上封头设置了入口管嘴，下封头设置了出口管嘴。本实用新型可应用于第三代反应堆，其制造工艺简单，造价低廉，可提高核电厂的经济性，同时具备较高的换热效率，可快速地排出反应堆的余热，确保反应堆安全。

Description

一种压水堆非能动换热器

技术领域

本实用新型涉及核电领域，特别是涉及一种压水堆非能动换热器。

背景技术

在当今急需提高核电站安全性能的时代大背景下，非能动设计在各种不同堆型中得到了广泛的应用，逐渐成为第三代反应堆的主要特征之一。例如：我国的华龙一号、美国西屋公司的AP1000/AP600、欧洲的EPR和俄罗斯的 VVER1000等都使用了非能动余热排出系统。

根据余热排出系统安装的位置不同，可将余热排出系统分为一次侧和二次侧余热排出系统。其中，一次侧余热排出系统连接在一回路，进水口在反应堆热段，出水口在反应堆冷段，能直接冷却一回路的冷却剂。其主要依靠主泵运行时产生的水头差和自然循环时的密度差产生的重力驱动。其热交换器可安装在换料水箱中，直接将一回路的热量传递至换料水箱。例如美国的AP1000和欧洲的EPR。如图1示出了美国AP1000非能动余热排出系统简图，其中，AP1000 非能动余热排出系统由一个非能动余热排出换热器，若干阀门，连接管道和相关仪表组成。其换热器浸没在安全壳内置换料水箱内，其工作压力为一回路冷却剂系统压力。该换热器由一组连接在管板上的C型管束和布置在其上部(入口)和底部(出口)的封头构成。换热器的入口管线连接在冷却剂系统(RCS) 热管段，出口管线连接在冷管段。换料水箱的水平标高比主回路高，冷却剂在温度的作用下冷缩热涨，进而产生密度差，自然循环便在重力的作用下建立起来。换热器的入口管线上设有常开的电动阀门，出口管线上设有常关的气动阀门。正常运行工况下，交换器中的水温和换料水箱的水温大致相同，使得热驱动压头得到建立和保持。发生事故后，出口管线上的阀门将会打开，换热器将应急排出堆芯余热。

而二次侧余热排出系统连接在二回路，其入口连接在蒸汽发生器顶部的蒸汽管线，出口连接到蒸汽发生器的进水口。通过循环冷凝蒸汽发生器中产生的蒸汽，达到间接冷却堆芯的效果。其换热器一般也安装在换料水箱中。例如俄罗斯的VVER1000和我国的华龙一号。不同堆型的余热排出系统设计不一样，系统中换热器的设计也很不一样。

无论是一次侧余热排出系统还是二次侧余热排出系统，换热器换热能力的大小都直接决定了该系统能否起到预定的排热效果，决定了反应堆在事故状态下的安全。在事故状态下，换热器的换热能力越大，越能快速地排出堆芯余热，反应堆就越安全。在换热器设计中，普遍采用改变换热器几何结构、增大换热面积、增大管道内径、降低水箱冷却水温度以及增大冷热源高度差的方式来增大非能动余热排出系统换热器的换热能力。但是，现有技术中的这些方法往往会提高造价、增大厂房空间，是在牺牲经济性前提下达到提高安全性的目的。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种压水堆非能动换热器，具有体积小、造价低、换能效果好，且安全可靠的优点。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种压水堆非能动换热器，其可设置于压水堆的换料水箱或专设水箱内，所述压水堆非能动换热器包括C型换热管束、上封头、下封头、导流装置和固定构件，其中：

所述导流装置为两块竖向设置且平行的导流板，所述导流板通过固定构件固定于水箱的内壁上；

所述上封头和下封头均是半球型中空的容器，在所述上封头上设置有入口管嘴，在所述下封头上设置有出口管嘴；

所述C型换热管束设置于所述两块导流板之间，包括多条间隔设置的C型换热管，所述每一条换热管位于顶部的入口穿设在所述上封头上，位于底部的出口穿设在所述下封头上；

在使用时，所述水箱内盛放有低温水，高温水或蒸汽从所述入口管嘴进入所述上封头，接着进入C型换热管束内部，并从所述出口管嘴流出。

优选地，所述固定构件包括两根竖向设置的整体固定支架以及至少两根弯折的导流板固定支架，其中；

所述整体固定支架固定在水箱的内壁上；

所述每一弯折的导流板固定支架分成三段，其第一段与第三段的末端分别与一个整体固定支架相固定，其第一段和第三段均紧贴并固定一个导流板的外侧，从而将两个导流板与所述整体固定支架相固定。

优选地，所述C型换热管束中每一条C型换热管由两段与水平方向夹角为 5°至10°之间的倾斜管以及一段竖直管组成，其倾斜方向总长度和竖直方向的管段长度比为预定比例；所述C型换热管束间隔设置有换热管固定构件，用于将所有C型换热管固定约束在一起。

优选地，所述C型换热管束、上封头以及下封头均采用钢合金材料制成。

优选地，所述导流板的底部与C型换热管束底部同高，所述导流板的顶部比C型换热管束的顶部高出预定高度，所述导流板的宽度与C型换热管束的宽度相同。

优选地，在所C型换热管束中，所述相邻两根C型换热管的中心距为每一根C型换热管外径的两倍，C型换热管外径在30mm至50mm之间；单条C型换热管的总长度在6m至8m之间，由两段与水平方向夹角为5°至10°之间的倾斜管以及一段竖直管组成，其倾斜方向管段总长度和竖直方向管段的长度比为预定比例。

优选地，所述C型换热管束两侧与导流板之间的距离等于相邻C型换热管的管外壁面间距。

优选地，所述预定高度为0.1m；所述预定比例为1.5:1。

实施本实用新型实施例，具有如下的有益效果：

本实用新型提供的一种压水堆非能动换热器，通过设置C型换热管束，以及设置两块竖向的导流板，可应用于第三代反应堆，由于导流板将内侧向上流动的热流体和外侧向下流动的冷流体分隔开，并将热流体包围在竖直方向的两块导流板的内部，避免了冷热流体的搅浑作用，增大了导流板内部流体向上冲刷C型换热管的速度，从而具有更高的换热能力，能提高反应堆余热排出能力；

同时，由于本实用新型的结构精巧，体积小且简单可靠，可以增加反应堆的安全可靠性能；而且可以降低反应堆的造价，从而提高经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本实用新型的范畴。

图1是现有的一种非能动余热排出系统简图；

图2是本实用新型提供的一种压水堆非能动换热器的侧视图；

图3是图2中另一个角度C型换热管束与导流板之间的位置关系图；

图4是本实用新型提供的非能动换热器与立方体水箱计算模型示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图2所示，示出了本实用新型提供的一种压水堆非能动换热器的侧视图；一并结合图3至图4所示，在本实施例中，所述压水堆非能动换热器1其设置于压水堆的水箱内壁2上，所述水箱可以是换料水箱或专设水箱，所述压水堆非能动换热器1包括C型换热管束11、上封头140、下封头141、导流装置和固定构件12，其中：

所述导流装置为两块竖向设置且平行的导流板10，所述导流板10通过固定构件12固定于水箱内壁2上，在一个例子中，所述导流板10由钢材制成；

所述C型换热管束11设置于所述两块导流板10之间，所述C型换热管束11在入口端设置有一个上封头140，在出口端设置有一个下封头141。所述上封头140和下封头141均是半球型中空的容器；在所述上封头140设置有一个入口管嘴143，下封头141设置有一个出口管嘴144。所述C型换热管束11包括多条间隔设置的C型换热管14，所述每一条换热管14顶部的连接在上封头140 上，底部连接在下封头141上，入口管嘴143和出口管嘴144均穿设在所述水箱内壁2上；在具体的例子中，所述C型换热管束11、上封头140以及下封头 141均采用钢合金材料制成。

所述C型换热管束11间隔设置有换热管固定构件142，用于将所有C型换热管14固定约束在一起。

在使用时，所述水箱内盛放有低温水，高温水或蒸汽从入口管嘴143进入上封头140，接着进入C型换热管束11内部，并从C型换热管束11的出口端流至下封头141，接着从出口管嘴144流出。

在一个具体的例子中，所述固定构件12包括两根竖向设置的整体固定支架 120以及至少两根弯折的导流板固定支架121，在图2中，其中只示出了一根整体固定支架120，可以理解的是，另一根被另一侧的导流板10所遮挡。

所述整体固定支架120固定在水箱内壁2上，具体地可以是通过诸如焊接的方式实现；

所述每一弯折的导流板固定支架121分成三段，其第一段与第三段的末端分别与一个整体固定支架120相固定，其第一段和第三段均紧贴并固定一个导流板10的外侧，同样可以采用诸如焊接的方式，从而将两个导流板10与所述整体固定支架120相固定，可以稳定地固定于水箱内壁上。

在一个具体的例子中，所述导流板10的底部与C型换热管束11底部同高，所述导流板10的顶部比C型换热管束11的顶部高出预定高度(如0.1m)，所述导流板10的宽度与C型换热管束11的宽度相同。

而在所C型换热管束11中，所述相邻两根C型换热管14的中心距为每一根C型换热管14外径的两倍，C型换热管14外径在30mm至50mm之间，可根据换热器工作压力环境要求确定C型换热管14的壁厚，从而确定C型换热管 14内径；单条C型换热管14的总长度在6m至8m之间，由两段与水平方向夹角为5°至10°之间的倾斜管以及一段竖直管组成，其倾斜方向管段总长度和竖直方向管段的长度比为预定比例(如，1.5:1)；C型换热管14的数目可以根据换热能力需求进行调整。

具体地，在一个例子中，所述C型换热管束11两侧与导流板10之间的距离等于或约等于相邻C型换热管14的管外壁面之间的间距。

本实用新型提供的非能动换热器可用来导出反应堆余热，可用于一次侧和二次侧余热排出系统。该换热器的C型换热管内侧为高温蒸汽或高温液态水，C 型换热管外侧为提供冷源的低温水。高温水或蒸汽从C型换热器顶部的入口管嘴进入换热管内侧，冷却后从底部出口管嘴离开换热器。C型换热管将内侧高温蒸汽/水的热量传递至C型换热管外侧，使得C型换热管外侧的低温水受热膨胀，逐渐形成稳定的自然对流，源源不断带走热量。

可以理解的是，本实用新型的压水堆非能动换热器的导流装置(两片平行的导流板)的工作原理类似烟囱，其可将导流装置内侧向上流动的热流体和外侧向下流动的冷流体分隔开，并将热流体包围在竖直方向的导流装置内部，避免了冷热流体的搅浑作用，从而减小了竖直向下流动的冷流体对竖直向上流动的热流体的搅浑阻力，使得在导流装置内部形成一股更大的竖直向上的浮力，进而增大换热管壁面附近的流速，增大了对换热管壁面的冲刷作用，从而达到增大换热器换热能力的效果。

所以，本实用新型利用特有的导流装置相对于常规非能动换热器，在相同的换热能力下，本实用新型需要更小的换热面积，即更少的换热管数量，从而造价更低廉；在相同的换热面积下，本实用新型具有更大的换热能力，更迅速导出反应堆余热。

为了进一步验证本实用新型提供的压水堆非能动换热器的功能与换热效率，申请人使用Workbench数值模拟平台中提供的CFD建模软件ICEM进行水箱、导流装置和换热管几何建模并划分网格，用模拟计算软件Fluent进行数值模拟。在特定结构下，给定边界条件时，可计算出换热管在水箱中进行自然对流换热时壁面的平均热流密度，即可量化判断换热器的换热能力。在ICEM软件中改变导流装置的几何尺寸(包括高度，与换热管的距离)，生成不同尺寸下的网格文件，然后用Fluent软件进行计算，并对比换热管换热能力计算结果，从而可优化导流装置的几何结构。

经过计算，对于高度约为3.9米，管径约为40mm，长度约为7m的3×3 阵列C型管束换热器，导流装置的高度为4350mm(高出换热器顶部约400mm)，两侧导流板距离最外侧换热管中心的距离d＝50mm(使得导流板与最外侧换热管壁面的距离约等于换热器内部换热管壁面之间的距离)时，即可达到换热管附近流体平均流速增大约0.8m/s，换热器的换热能力增大约50％的效果，(相对于无导流装置时)。

实施本实用新型，具有如下的有益效果：

本实用新型提供的一种压水堆非能动换热器，通过设置C型换热管束，以及设置两块竖向的导流板，可应用于第三代反应堆，由于导流板将内侧向上流动的热流体和外侧向下流动的冷流体分隔开，并将热流体包围在竖直方向的两块导流板的内部，避免了冷热流体的搅浑作用，增大了导流板内部流体向上冲刷C型换热管的速度，从而具有更高的换热能力，能提高反应堆余热排出能力；

同时，由于本实用新型的结构精巧，体积小且简单可靠，可以增加反应堆的安全可靠性能；而且可以降低反应堆的造价，从而提高经济性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的权利要求范围，因此凡其它未脱离本实用新型所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本实用新型的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种压水堆非能动换热器，其设置于压水堆的水箱内，其特征在于，所述压水堆非能动换热器包括C型换热管束、上封头、下封头、导流装置和固定构件，其中：

所述导流装置为两块竖向设置且平行的导流板，所述导流板通过固定构件固定于水箱的内壁上；

所述上封头和下封头均是半球型中空的容器，在所述上封头上设置有入口管嘴，在所述下封头上设置有出口管嘴；

所述C型换热管束设置于所述两块导流板之间，包括多条间隔设置的C型换热管，所述每一条换热管位于顶部的入口穿设在所述上封头上，位于底部的出口穿设在所述下封头上；

在使用时，所述水箱内盛放有低温水，高温水或蒸汽从所述入口管嘴进入所述上封头，接着进入C型换热管束内部，并从所述出口管嘴流出。

2.如权利要求1所述的压水堆非能动换热器，其特征在于，所述固定构件包括两根竖向设置的整体固定支架以及至少两根弯折的导流板固定支架，其中；

所述整体固定支架固定在水箱的内壁上；

所述每一弯折的导流板固定支架分成三段，其第一段与第三段的末端分别与一个整体固定支架相固定，其第一段和第三段均紧贴并固定一个导流板的外侧，从而将两个导流板与所述整体固定支架相固定。

3.如权利要求2所述的压水堆非能动换热器，其特征在于，所述C型换热管束中每一条C型换热管由两段与水平方向夹角为5°至10°之间的倾斜管以及一段竖直管组成，其倾斜方向总长度和竖直方向的管段长度比为预定比例；所述C型换热管束间隔设置有换热管固定构件，用于将所有C型换热管固定约束在一起。

4.如权利要求1至3任一项所述的压水堆非能动换热器，其特征在于，所述C型换热管束、上封头以及下封头均采用钢合金材料制成。

5.如权利要求4所述的压水堆非能动换热器，其特征在于，所述导流板的底部与C型换热管束底部同高，所述导流板的顶部比C型换热管束的顶部高出预定高度，所述导流板的宽度与C型换热管束的宽度相同。

6.如权利要求5所述的压水堆非能动换热器，其特征在于，在所C型换热管束中，相邻两根C型换热管的中心距为每一根C型换热管外径的两倍，C型换热管外径在30mm至50mm之间；单条C型换热管的总长度在6m至8m之间。

7.如权利要求6所述的压水堆非能动换热器，其特征在于，所述C型换热管束两侧与导流板之间的距离等于相邻C型换热管的管外壁面间距。

8.如权利要求7所述的压水堆非能动换热器，其特征在于，所述预定高度为0.1m；所述预定比例为1.5:1。

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