CN219934737U - 核反应堆液态金属冷却剂用换热器 - Google Patents

核反应堆液态金属冷却剂用换热器 Download PDF

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崔大伟
宋磊
段承杰
林继铭
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Abstract

本实用新型涉及一种核反应堆液态金属冷却剂用换热器,所述核反应堆液态金属冷却剂用换热器包括芯体,所述芯体包括多个第一导热板,每一所述第一导热板包括第一表面,所述第一表面上蚀刻形成有间隔布置的多数个液态金属导槽,每一液态金属导槽包括第一槽部以及设置于所述第一槽部底部的第二槽部,所述第一槽部的宽度大于所述第二槽部的宽度。由于本实用新型中的核反应堆液态金属冷却剂用换热器中的液态金属导槽包括第一槽部以及第二槽部两个槽部,该槽体的横截面积较大,且其形状有利于减小死区,使得液态金属具有较大的流量,并且不容易被腐蚀产物堵塞,降低了该核反应堆液态金属冷却剂用换热器被堵塞的概率。

Description

核反应堆液态金属冷却剂用换热器
技术领域
本实用新型核反应堆领域,更具体地说,涉及一种核反应堆液态金属冷却剂用换热器。
背景技术
以液态金属铅铋或钠作为反应堆冷却剂的铅冷快堆和钠冷快堆是第四代反应堆系统极具发展潜力的堆型。上述堆型通常采用超临界二氧化碳布雷顿发电系统,该超临界二氧化碳布雷顿发电系统具有设备紧凑、循环效率高、灵活性强等优势,被认为是第四代反应堆系统的理想动力循环。液态金属快堆与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统耦合的关键部件是核反应堆液态金属冷却剂用换热器,在换热器中液态金属能够将热量传递给超临界二氧化碳,以实现换热,该换热器适合采用高效紧凑的印刷电路板换热器。
在液态金属和超临界二氧化碳换热的印刷电路板换热器中,由于液态金属具有腐蚀性,温度变化时腐蚀产物的析出可能导致换热器的流道堵塞,威胁反应堆的安全稳定运行,因此液态金属导槽的尺寸相较于超临界二氧化碳侧的通道要大。但是由于蚀刻工艺的特点,当流道的深度超过1mm时,蚀刻的难度增大、精度降低、费用升高。当前的流道设计方案以及流道制成方法难以满足核反应堆液态金属冷却剂用换热器的换热要求。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于,提供一种改进的核反应堆液态金属冷却剂用换热器。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种核反应堆液态金属冷却剂用换热器,所述核反应堆液态金属冷却剂用换热器包括芯体,所述芯体包括多个第一导热板,每一所述第一导热板包括第一表面,所述第一表面上蚀刻形成有间隔布置的多数个液态金属导槽,每一液态金属导槽包括第一槽部以及设置于所述第一槽部底部的第二槽部,所述第一槽部的宽度大于所述第二槽部的宽度。
在一些实施方式中,所述第一槽部的横截面呈扁平的U型。
在一些实施方式中,所述第二槽部的横截面呈半圆型。
在一些实施方式中,所述芯体还包括多个第二导热板,每一所述第二导热板与一所述第一导热板结合,形成多数个超临界二氧化碳流道。
在一些实施方式中,所述第二导热板包括第三表面,所述第三表面上蚀刻形成有间隔布置的多数个超临界二氧化碳导槽;所述第一导热板还包括与所述第一表面相对的第二表面,所述第二表面结合于所述第三表面上,并覆盖所述多数个超临界二氧化碳导槽,形成所述多数个超临界二氧化碳流道。
在一些实施方式中,所述第二导热板还包括第三表面以及与所述第三表面相对的第四表面,所述第四表面结合于所述第一表面上,并覆盖所述多数个液态金属导槽,形成多数个液态金属流道。
在一些实施方式中,所述芯体还包括第三导热板,所述第三导热板结合于所述第一表面上,并覆盖所述多数个液态金属导槽,形成多数个液态金属流道。
在一些实施方式中,所述多数个液态金属流道的横截面呈云型。
在一些实施方式中,所述液态金属流道的深度为2-4mm。
在一些实施方式中,所述液态金属流道的当量直径为1.5-3mm。
在一些实施方式中,所述芯体还包括多个流道单元,每一所述流道单元由两个所述第一导热板组成,两所述第一导热板的第一表面相互结合,两所述第一导热板的相邻的两个所述液态金属导槽分别对应,形成多数个液态金属流道。
在一些实施方式中,所述多数个液态金属流道的横截面呈十字型。
在一些实施方式中,其特征在于,每一所述流道单元的两侧分别设置一所述第二导热板。
实施本实用新型至少具有以下有益效果:由于本实用新型中的核反应堆液态金属冷却剂用换热器中的液态金属导槽包括第一槽部以及第二槽部两个槽部,该槽体的横截面积较大,且其形状有利于减小死区,使得液态金属具有较大的流量,并且不容易被腐蚀产物堵塞,降低了该核反应堆液态金属冷却剂用换热器被堵塞的概率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明,附图中:
图1是本实用新型一些实施例中核反应堆液态金属冷却剂用换热器的正视图;
图2是图1所示核反应堆液态金属冷却剂用换热器的第一导热板的第一次蚀刻的正视图;
图3是图1所示核反应堆液态金属冷却剂用换热器的第一导热板的第二次蚀刻的正视图;
图4是图1所示核反应堆液态金属冷却剂用换热器另一些实施例中的正视图。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
图1示出了本实用新型一些实施例中的一种核反应堆液态金属冷却剂用换热器1,该核反应堆液态金属冷却剂用换热器1可应用于核反应堆中,以实现换热功能,其可使液态金属将热量传递给超临界二氧化碳,从而实现换热。
该核反应堆液态金属冷却剂用换热器1在一些实施例中可包括芯体(未标号),该芯体构成了核反应堆液态金属冷却剂用换热器1的主体结构,其可用于液态金属与超临界二氧化碳之间的热传递。芯体在一些实施例中可包括芯体本体(未标号)以及设置于芯体本体上的多数个流道,多数个流道为液态金属与超临界二氧化碳之间的提供了高效的换热空间。
芯体在一些实施例中还可包括多数个第一导热板11、多数个第二导热板12以及第三导热板13。多数个第一导热板11、多数个第二导热板12以及第三导热板13的材料通常选用硬质的导热性良好的材料,具体地,其可以为不锈钢、钛合金、铝合金等金属材料中的一种或多种。可以理解地,满足该核反应堆液态金属冷却剂用换热器1的其它硬质材料也可适用。多数个第一导热板11、多数个第二导热板12以及第三导热板13在一些实施例中通过焊接连接在一起,其焊接方式优选为扩散焊。可以理解地,除焊接方式外,其它能够将多数个第一导热板11、多数个第二导热板12以及第三导热板13焊接在一起并能够到达到焊接的强度需求的其他焊接方式也可适用。
多数个第一导热板11、多数个第二导热板12以及第三导热板13均呈纵长型,且其长度相当,多数个第一导热板11、多数个第二导热板12以及第三导热板13通过其长边的焊接叠加在一起,由于其长度相当,因此焊接后的芯体具有良好的一体性。其中,第一导热板11可用于收容液态金属并供液态金属在其中的流动,第二导热板12可用于收容其他流体,在一些实施例中,其可用于收容超临界二氧化碳并供其流动。芯体在一些实施例中的排布方式可以为如图1所示的一个第一导热板11、一个第二导热板12的循环叠加,并在其一端叠加一个第三导热板13;也可以为如图4所示的两个第一导热板11相对设置、两个第二导热板12相对设置在两个第一导热板11两侧的循环叠加方式。
该第一导热板11在一些实施例中可包括第一板体111、第一表面112以及第二表面113。该第一板体111的横截面为纵长的矩形,其材料通常选用硬质材料,具体地,可以为不锈钢、钛合金、铝合金等金属材料中的一种或多种。第一表面112以及第二表面113为第一板体111纵长方向上的两相对侧面。该第一表面112可用于加工出液态金属导槽1121,该液态金属导槽1121由第一表面112蚀刻而成。该液态金属导槽1121的横截面可呈云型,其蚀刻的方式通常采用浸泡、鼓包、喷淋等。
具体地,该液态金属导槽1121可包括第一槽部1122以及第二槽部1123。该液态金属导槽1121可分为两次蚀刻的方式制成,第一次蚀刻可加工出一扁平的U型第一槽部1122,第一次蚀刻出的U型的第一槽部1122较为扁平,便于后续的蚀刻操作。第二次蚀刻在第一次蚀刻的扁平的U型第一槽部1122的基础上进一步蚀刻出半圆型的第二槽部1123,其蚀刻位置位于U型的第一槽部1122的底部中心,以形成横截面为云形的液态金属导槽1121。具体地,第二槽部1123的宽度小于第一槽部1122的宽度。
该云型的液态金属导槽1121经过两次或多次蚀刻,其横截面积较大,且有利于减少液态金属流动时的死区面积,以减小液态金属对该核反应堆液态金属冷却剂用换热器1的腐蚀。可以理解地,该液态金属导槽1121的横截面除云型外,其它横截面尺寸较大的形状也可适用,其也可用过多次蚀刻的方式制成。再可以理解地,蚀刻的次数不限于两次,三次或三次以上也可适用。
液态金属导槽1121在一些实施例中的深度为2-4mm,且其横截面的当量直径为1.5-3mm。经过两次蚀刻形成的液态金属导槽1121相较于单次蚀刻而成的导槽,尺寸较大,液态金属在大尺寸的槽体中流动的阻力较小,有效降低了液态金属通过该液态金属导槽1121时堵塞的概率。且由于蚀刻包括多次完成,每次蚀刻的精度能够得以有效控制,因此加工出的液态金属导槽1121具有更小的误差,其尺寸与设计尺寸的偏差更小。
第一表面112为第一板体111的长轴一侧,该第一导热板11与其它第一导热板11或第二导热板12焊接时,该第一表面112可以为焊接面,相对于该第一表面112的第二表面113也可作为焊接面。当第一表面112与其它导热板焊接在一起时,多数个液态金属导槽1121被覆盖并形成多数个液态金属流道1120。该液态金属流道1120中可收容有液态金属,并可供液态金属流动。
一同参阅图2及图3,该第一表面112在一些实施例中还可包括多数个第一连接部1124。多数个液态金属导槽1121以及多数个第一连接部1124交替地间隔设置。相邻两个液态金属导槽1121之间包括一个第一连接部1124。相邻两个第一连接部1124之间包括一个液态金属导槽1121。在一些实施例中,多数个液态金属导槽1121均匀地分布在第一表面112上。每一液态金属流道1120均由蚀刻而成的液态金属导槽1121对应形成。该第一导热板11与其它第一导热板11、第二导热板12或第三导热板13焊接固定时,焊接的位置为多数个第一连接部1124。
第二导热板12在一些实施例中可包括第二板体121、第三表面122以及第四表面123。第二板体121的横截面与第一板体111的形状相同,均为纵长的矩形板状,其材料通常选用硬质材料,可以为不锈钢、钛合金、铝合金等金属材料中的一种或多种,该第二板体121可用于加工出超临界二氧化碳导槽1221。该超临界二氧化碳导槽1221由第二板体121的第三表面122蚀刻制成。
该超临界二氧化碳导槽1221的横截面呈半圆形,其面积小于液态金属导槽1121,在一些实施例中该超临界二氧化碳导槽1221可用过蚀刻的方式制成,由于其不需要较大的通道流量,因此单次蚀刻即可满足其加工需要。可以理解地,该超临界二氧化碳导槽1221的横截面除呈半圆形外,其它能够保证流体高效通过的诸如半椭圆形等形状也可适用。
该第三表面122为第二板体121较长的一边,该第二导热板12与其它第二导热板12或第一导热板11焊接时,该第三表面122为焊接面,相对于该第三表面122的第四表面123也可作为焊接面。
该第三表面122在一些实施例中可包括多数个超临界二氧化碳导槽1221以及多数个第二连接部1222。多数个超临界二氧化碳导槽1221以及多数个第二连接部1222交替地间隔设置。相邻两个超临界二氧化碳导槽1221之间包括一个第二连接部1222,相邻两个第二连接部1222之间包括一个超临界二氧化碳导槽1221。在一些实施例中,多数个超临界二氧化碳导槽1221均匀地分布在第二板体121上。每一超临界二氧化碳流道1220均由蚀刻而成的超临界二氧化碳导槽1221对应形成。该第二导热板12与其它第二导热板12或第一导热板11焊接固定时,焊接的位置为多数个第二连接部1222。
在一些实施例中,芯体的排布方式采用如图1所示的一个第一导热板11、一个第二导热板12的循环叠加,其焊接较为规律,分布均匀,生产效率较高。具体地,由多数个第一表面112与第四表面123焊接而成,并在最后焊接一个第三导热板13。
在另一些实施例中,芯体的排布方式采用如图4所示的两个第一导热板11相对设置、两个第二导热板12相对设置在两个第一导热板11的外侧的方式循环叠加。具体地,两个第一导热板11的两个第一表面112相对焊接而成,并形成一流道单元(未标号),且每一第一表面112上的多数个液态金属导槽1121分别对应。两个第二导热板12分别设置于流道单元的两相对侧,具体地,两个第二导热板12的两个第三表面分别与该流道单元的两个朝外的第二表面113焊接,形成一个芯体单元,多数个芯体单元焊接形成这些实施例中的芯体。
由于第一导热板流道面112相对设置,可获得一个更大的液态金属导槽1121,该液态金属导槽1121可呈十字型,横截面积较大的流道具有较大的流量,从而更加有效地保证了液态金属的流动顺畅。
可以理解地,上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。
以上实施例仅表达了本实用新型的具体实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制;应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型构思的前提下,可以对上述技术特点进行自由组合,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本实用新型的保护范围;因此,凡跟本实用新型权利要求范围所做的等同变换与修饰,均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。

Claims (13)

1.一种核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,所述核反应堆液态金属冷却剂用换热器(1)包括芯体,所述芯体包括多个第一导热板(11),每一所述第一导热板(11)包括第一表面(112),所述第一表面(112)上蚀刻形成有间隔布置的多数个液态金属导槽(1121),每一液态金属导槽(1121)包括第一槽部(1122)以及设置于所述第一槽部(1122)底部的第二槽部(1123),所述第一槽部(1122)的宽度大于所述第二槽部(1123)的宽度。
2.根据权利要求1所述的核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,所述第一槽部(1122)的横截面呈扁平的U型。
3.根据权利要求1所述的核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,所述第二槽部(1123)的横截面呈半圆型。
4.根据权利要求1所述的核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,所述芯体还包括多个第二导热板(12),每一所述第二导热板(12)与一所述第一导热板(11)结合,形成多数个超临界二氧化碳流道(1220)。
5.根据权利要求4所述的核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,所述第二导热板(12)包括第三表面(122),所述第三表面(122)上蚀刻形成有间隔布置的多数个超临界二氧化碳导槽(1221);所述第一导热板(11)还包括与所述第一表面(112)相对的第二表面(113),所述第二表面(113)结合于所述第三表面(122)上,并覆盖所述多数个超临界二氧化碳导槽(1221),形成多数个所述超临界二氧化碳流道(1220)。
6.根据权利要求5所述的核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,所述第二导热板(12)还包括与所述第三表面(122)相对的第四表面(123),所述第四表面(123)结合于所述第一表面(112)上,并覆盖所述多数个液态金属导槽(1121),形成多数个液态金属流道(1120)。
7.根据权利要求1所述的核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,所述芯体还包括第三导热板(13),所述第三导热板(13)结合于所述第一表面(112)上,并覆盖所述多数个液态金属导槽(1121),形成多数个液态金属流道(1120)。
8.根据权利要求6或7所述的核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,所述多数个液态金属流道(1120)的横截面呈云型。
9.根据权利要求6或7所述的核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,所述液态金属流道(1120)的深度为2-4mm。
10.根据权利要求6或7所述的核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,所述液态金属流道(1120)的当量直径为1.5-3mm。
11.根据权利要求4所述的核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,所述芯体还包括多个流道单元,每一所述流道单元由两个所述第一导热板(11)组成,两所述第一导热板(11)的第一表面(112)相互结合,两所述第一导热板(11)的相邻的两个所述液态金属导槽(1121)分别对应,形成多数个液态金属流道(1120)。
12.根据权利要求11所述的核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,所述多数个液态金属流道(1120)的横截面呈十字型。
13.根据权利要求11所述的核反应堆液态金属冷却剂用换热器,其特征在于,每一所述流道单元的两侧分别设置一所述第二导热板(12)。
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