RU2044982C1

RU2044982C1 - Heat exchanging apparatus

Info

Publication number: RU2044982C1
Authority: RU
Inventors: Николай Антонович Ермолов
Original assignee: Николай Антонович Ермолов
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1995-09-27

Abstract

FIELD: heat engineering. SUBSTANCE: heat exchanging apparatus has vertical gas- turbine chamber 1 with cooling walls, piping-rib heat emitter 7 with inner screen 11, and branch pipes for cooled 3 and cooling 4 heat carriers, evacuation, and filling with the gas. The gas-vacuum chamber has ring cross-section. Additional emitter 6 with outer screen 11 is mounted inside emitter 7. The screen and inner screen define the space which is in communication with gas- vacuum chamber 1 from the bottom and top. Branch pipe 4 for introducing the heat carrier cooling walls of gas- vacuum chamber 1 is positioned at its top part. Emitters 11 are made up as heat pipes 10. Fan 12 is mounted inside gas-vacuum chamber 1. The fan provides circulation of the gas. EFFECT: enhanced efficiency. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для отвода тепла от первого контура ядерной энергетической установки (ЯЭУ). The invention relates to heat engineering and can be used to remove heat from the primary circuit of a nuclear power plant (NPP).

Известен промежуточный теплообменник между первым и вторым натриевыми контурами ЯЭУ и реактором БН-600 [1]
В промежуточном теплообменнике натрий первого контура, загрязненный радиоактивными примесями, отдает тепло незагрязненному натрию второго контура, которое тот в свою очередь в другом теплообменнике передает воде и пару третьего контура. Недостатком аналога является то, что его нельзя использовать для теплообмена между загрязненным радиоактивностью натрием первого контура и теплоносителем вода-пар. При взаимодействии натрия с водой и паром протекает бурная химическая реакция. Поэтому, чтобы избежать крупных аварий с тяжкими последствиями между контуром с натрием, загрязненными радиоактивными примесями, и контуром воды и пара создают дополнительный, промежуточный контур с теплоносителем натрием, в котором нет радиоактивных примесей. Наиболее близким к предлагаемому является теплообменный аппарат, содержащий холодильник-излучателль космической ЯЭУ с ядерным реактором "Топаз" и охлаждаемую водой газовакуумную камеру, в которую помещают ЯЭУ во время ее наземных испытаний [2]
В этом аппарате неиспользованное, отбросное тепло отводится от ядерного реактора "Топаз" жидкометаллическим теплоносителем к проточному трубчато-ребристому холодильнику-излучателю, имеющему форму усеченного конуса. Внутри холодильника-излучателя установлен экран, служащий для отражения теплового излучения, направленного внутрь. Далее тепло посредством излучения передается на стенки газовакуумной камеры, охлаждаемые водой.Known intermediate heat exchanger between the first and second sodium circuits of the nuclear power plant and the reactor BN-600 [1]
In the intermediate heat exchanger, the sodium of the first circuit, contaminated with radioactive impurities, gives off heat to the unpolluted sodium of the second circuit, which in turn transfers heat and water to the second circuit in another heat exchanger. The disadvantage of the analogue is that it cannot be used for heat exchange between the contaminated radioactivity of sodium in the primary circuit and the water-vapor coolant. When sodium interacts with water and steam, a violent chemical reaction takes place. Therefore, in order to avoid major accidents with severe consequences, between the circuit with sodium contaminated with radioactive impurities and the circuit of water and steam create an additional intermediate circuit with a coolant sodium, in which there are no radioactive impurities. Closest to the proposed one is a heat exchanger containing a cooler-emitter of a space nuclear power plant with a Topaz nuclear reactor and a water-cooled gas-vacuum chamber in which a nuclear power plant is placed during its ground tests [2]
In this apparatus, unused, waste heat is removed from the Topaz nuclear reactor with a liquid metal coolant to a flow-through tube-fin cooler-radiator having the shape of a truncated cone. A screen is installed inside the refrigerator-emitter, which serves to reflect the thermal radiation directed inward. Further, heat is transmitted through radiation to the walls of the gas-vacuum chamber, cooled by water.

Недостатком этого теплоообменного аппарата является незначительный вклад теплопроводности по газу и газовой конвекции и теплообмен между холодильником-излучателем и стенками газовакуумной камеры, так как в объеме камеры создается разрежение для имитации условий космоса во время наземных испытаний. The disadvantage of this heat exchanger is the insignificant contribution of gas thermal conductivity and gas convection and the heat exchange between the emitter refrigerator and the walls of the gas-vacuum chamber, since a vacuum is created in the chamber volume to simulate space conditions during ground tests.

Целью изобретения является создание теплообменного аппарата, в котором для теплообмена могут одновременно эффективно использоваться тепловое излучение, теплопроводность и конвекция газа, что позволит осуществить передачу тепла в теплообменном аппарате от теплоносителя, загрязненного радиоактивными примесями, каким является, например, теплоноситель первого контура ЯЭУ с реактором БН-600, к теплоносителю вода-пар. Таким образом отпадает необходимость в промежуточном контуре с неактивированным теплоносителем. The aim of the invention is the creation of a heat exchanger, in which heat radiation, heat conduction and gas convection can be simultaneously used for heat transfer, which will allow heat transfer in the heat exchanger from a heat carrier contaminated with radioactive impurities, such as, for example, a primary coolant with a BN reactor -600, to the heat carrier water-steam. This eliminates the need for an intermediate circuit with an inactive coolant.

Поставленная цель достигается тем, что в теплообменном аппарате, содержащем вертикальную газовакуумную камеру с охлажденными стенками, патрубки для ввода и вывода охлаждаемого и охлаждающего теплоносителем, вакуумирования и заполнения газом и размещенный в камере трубчато-ребристый излучатель тепла с внутренним экраном, газовакуумная камера выполнена с кольцевым поперечным сечением, внутри излучателя тепла установлен дополнительный излучатель с наружным экраном, образующим с упомянутым внутренним экраном полость, сверху и снизу сообщенную с полостью газовакуумной камеры. При этом патрубок для ввода охлаждающего теплоносителя может быть размещен в верхней части камеры, излучатели тепла могут выполняться из тепловых труб, а внутри камеры может быть размещен вентилятор. This goal is achieved by the fact that in a heat exchanger containing a vertical gas-vacuum chamber with cooled walls, nozzles for the input and output of the cooling and cooling medium, vacuum and gas filling and a tube-fin heat radiator with an internal screen located in the chamber, the gas-vacuum chamber is made with an annular cross-section, inside the heat radiator there is an additional radiator with an external screen forming a cavity with the said internal screen, above and below communicated with the cavity of the gas-vacuum chamber. In this case, a pipe for introducing cooling coolant can be placed in the upper part of the chamber, heat emitters can be made from heat pipes, and a fan can be placed inside the chamber.

Предлагаемый теплообменный аппарат является теплообменным аппаратом с промежуточным теплоносителем газом, заключенным в полости камеры, если его трубчато-ребристые излучатели выполнены проточными, т.е. если по их трубкам прокачивается охлаждаемый теплоноситель. Если же трубчато-ребристые получатели выполнены на тепловых трубах, то в теплообменном аппарате будет два промежуточных теплоносителя. Первым из них можно назвать заключенный внутри тепловых труб их теплоноситель, вторым газ, заключенный в полости камеры. Таким образом, газ, заключенный в полости камеры или этот же газ совместно с теплоносителем тепловых труб могут выполнять ту же функцию, что и промежуточный контур с неактивированным теплоносителем ЯЭУ с реактором БН-600. При использовании предлагаемого теплообменного аппарата в тепловой схеме ЯЭУ с реактором БН-600 отпадает необходимость в промежуточном контуре с неактивированным теплоносителем. The proposed heat exchanger is a heat exchanger with an intermediate heat carrier gas enclosed in a chamber cavity if its tubular-fin emitters are made flow-through, i.e. if cooled coolant is pumped through their tubes. If the tubular-ribbed receivers are made on heat pipes, then in the heat exchanger there will be two intermediate heat carriers. The first of them can be called their coolant enclosed inside the heat pipes, the second gas enclosed in the chamber cavity. Thus, the gas enclosed in the chamber cavity or the same gas together with the heat carrier of the heat pipes can perform the same function as the intermediate circuit with the inactive coolant of the nuclear power plant with the BN-600 reactor. When using the proposed heat exchanger in the thermal circuit of a nuclear power plant with a BN-600 reactor, there is no need for an intermediate circuit with an inactive coolant.

Использование газа в качестве промежуточного теплоносителя между охлаждаемым и охлаждающим теплоносителями позволяет достигать любой разницы в температуре этих теплоносителей. Причем чем больше разница в температуре охлаждаемого и охлажденного теплоносителей, тем эффективнее работает теплообменный аппарат, так как с повышением разницы в температуре теплоносителей увеличиваются тепловые потоки, переносимые теплоизлучателем, теплопроводностью и конвекцией. The use of gas as an intermediate coolant between the cooled and cooling coolants allows any difference in temperature of these coolants to be achieved. Moreover, the greater the difference in temperature of the cooled and cooled heat carriers, the more efficiently the heat exchanger operates, since with an increase in the difference in temperature of the heat carriers, the heat fluxes transferred by the heat emitter, heat conduction, and convection increase.

Существующие системы вакуумирования и напуска газа позволяют изменять давление газа в камере в очень широком диапазоне и поддерживать его постоянным. В результате с изменением давления газа в камере в таком же широком диапазоне будет меняться и мощность, передаваемая кольцевым теплообменным аппаратом. Это связано с тем, что мощность, передаваемая теплопроводностью и конвекцией газа, зависит от давления газа. Если объем камеры вакууммировать, то мощность теплообменного аппарата будет определяться только как мощность, передаваемая излучением. Existing systems of vacuum and gas inlet allow you to change the gas pressure in the chamber in a very wide range and keep it constant. As a result, with a change in the gas pressure in the chamber in the same wide range, the power transmitted by the ring heat exchanger will also change. This is due to the fact that the power transmitted by the thermal conductivity and convection of the gas depends on the gas pressure. If the chamber volume is vacuumed, then the power of the heat exchanger will be determined only as the power transmitted by radiation.

Повышенная надежность предлагаемого теплообменного аппарата по сравнению с известными достигается тем, что в его конструкции отсутствует самый слабый их узел трубные решетки. Наиболее повышенной надежностью будет обладать кольцевой теплообменный аппарат, если его излучатели будут изготовлены на тепловых трубах. В этом случае возможна будет такая конструкция теплообменного аппарата, в которой будут полностью отсутствовать температурные напряжения в деталях и узлах, отрицательно влияющие на их прочность. В предлагаемом кольцевом теплообменном аппарате можно реализовать широкий набор гидравлических схем обоих теплоносителей. В частности, гидравлические схемы можно выбрать такими, что на выходе из теплообменного аппарата будет выходить острый перегретый пар охлаждающего теплоносителя. Широкий набор различных конструкций рубашек охлаждения охлаждаемых стенок теплообменного аппарата и за счет других конструктивных особенностей. The increased reliability of the proposed heat exchanger compared with the known is achieved by the fact that in its design there is no weakest tube assembly. The ring heat exchanger will have the most increased reliability if its emitters are manufactured on heat pipes. In this case, it will be possible to design a heat exchanger in which temperature stresses in parts and assemblies that adversely affect their strength will be completely absent. In the proposed ring heat exchanger, it is possible to implement a wide range of hydraulic circuits for both heat carriers. In particular, the hydraulic circuits can be chosen such that at the exit of the heat exchanger sharp superheated steam of the cooling medium will come out. A wide range of different designs of cooling jackets for the cooled walls of the heat exchanger and due to other design features.

Предлагаемый теплообменный аппарат в кольцевой газовакуумной камере можно рассматривать как теплообменную ячейку значительно более мощного теплообменного аппарата, состоящего из таких же кольцевых теплообменных ячеек различных диаметров, вставленных друг в друга таким образом, что охлаждаемая стенка между соседними теплообменными ячейками является общей для них. Такой теплообменный аппарат может быть любой мощности, будет обладать широким набором технологических схем теплоносителей, в нем более эффективно будет работать охлаждающий теплоноситель. The proposed heat exchanger in an annular gas-vacuum chamber can be considered as a heat exchanger cell of a much more powerful heat exchanger, consisting of the same annular heat exchanger cells of various diameters inserted into each other so that the cooled wall between adjacent heat exchanger cells is common to them. Such a heat exchanger can be of any power, it will have a wide range of technological schemes of heat carriers, and a cooling coolant will work more efficiently in it.

На чертеже изображен один из возможных вариантов выполнения предлагаемого теплообменного аппарата. The drawing shows one of the possible embodiments of the proposed heat exchanger.

Теплообменный аппарат содержит вертикальную кольцевую газовакуумную камеру 1 с патрубком 2 вакуумирования и заполнения камеры газом патрубками 3 для ввода и вывода охлаждаемого теплоносителя, патрубками 4 для ввода и вывода охлаждающего теплоносителя и рубашкой охлаждения 5, трубчато-ребристые излучатели 6 и 7 с коллекторами 8 и 9 для тепловых труб 10, экраны 11 и вентилятор 12. The heat exchanger contains a vertical annular gas-vacuum chamber 1 with a nozzle 2 for evacuating and filling the chamber with gas nozzles 3 for the input and output of a cooled coolant, nozzles 4 for input and output of a cooling coolant and a cooling jacket 5, tube-fin radiators 6 and 7 with collectors 8 and 9 for heat pipes 10, screens 11 and fan 12.

Теплообменный аппарат работает следующим образом. В составе энергетической установки теплообменный аппарат патрубками 2, 3 и 4 подключают соответственно к системам вакуумирования и заполнения газом газовакуумной камеры 1, охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей. Напускают в газовакуумную камеру газ до определенного давления, лучше гелий, так как этот газ инертен, одноатомен и поэтому прозрачен для излучаемых тепловых волн, обладает хорошей теплопроводностью. Включают циркуляцию охлаждающего теплоносителя через рубашку охлаждения 5, охлаждаемого до теплоносителя через коллекторы 8 и 9 для тепловых труб 10. За счет высокой температуры охлаждаемого теплоносителя тепловые трубы 10 могут выйти на рабочий режим и температура их поверхности, являющейся поверхностью излучателей 6 и 7, поднимается до примерно такой же температуры. Тепло от излучателей 6 и 7 передается на охлаждаемые стенки камеры 1 за счет теплового излучения, теплопроводности и конвекции гелия. Экраны отражают к охлаждаемым стенкам камеры 1 тепло, излучаемое в направлении полости между экранами 11, которая снизу и сверху сообщена с полостью камеры 1. Поскольку температура в полости между экранами 11 выше, чем температура в полостях, примыкающих к охлаждаемым стенкам камеры 1, газ, находящийся в полости между экранами 11, будет менее плотным. Из-за разности в плотности внутри камеры 1 возникает естественная циркуляция газа, направление которой показано на чертеже стрелками, т.е. внутри камеры возникает конструктивно организованный конвективный теплообмен. Чтобы сделать его более эффективным можно включить вентилятор 12 и увеличить скорость циркуляции газа в камере 1. Подача охлаждающего теплоносителя сверху камеры 1 снижает температуру слоя газа примыкающего вверху к ее стенкам, за счет чего его плотность увеличивается и увеличивается скорость его естественной циркуляции в объеме камеры 1. The heat exchanger operates as follows. As part of a power plant, a heat exchanger with nozzles 2, 3, and 4 are connected respectively to vacuum systems and for filling gas with a gas-vacuum chamber 1, cooled and cooling fluids. They let gas into a gas-vacuum chamber to a certain pressure, preferably helium, since this gas is inert, monoatomic and therefore transparent to radiated heat waves, has good thermal conductivity. Turn on the circulation of the cooling fluid through the cooling jacket 5, cooled to the coolant through the collectors 8 and 9 for the heat pipes 10. Due to the high temperature of the coolant, the heat pipes 10 can enter the operating mode and the temperature of their surface, which is the surface of the emitters 6 and 7, rises to about the same temperature. The heat from the emitters 6 and 7 is transferred to the cooled walls of the chamber 1 due to thermal radiation, thermal conductivity and convection of helium. The screens reflect to the cooled walls of the chamber 1 the heat radiated in the direction of the cavity between the screens 11, which is lower and upper communicated with the cavity of the chamber 1. Since the temperature in the cavity between the screens 11 is higher than the temperature in the cavities adjacent to the cooled walls of the chamber 1, gas located in the cavity between the screens 11 will be less dense. Due to the difference in density inside the chamber 1, natural gas circulation occurs, the direction of which is shown in the drawing by arrows, i.e. Constructively organized convective heat transfer occurs inside the chamber. To make it more efficient, you can turn on the fan 12 and increase the speed of gas circulation in the chamber 1. The supply of cooling coolant on top of the chamber 1 reduces the temperature of the gas layer adjacent to the top of its walls, due to which its density increases and the speed of its natural circulation in the volume of the chamber 1 .

Предлагаемый теплообменный аппарат может работать при любой разнице между температурой охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей, обладает широким диапазоном регулирования передаваемой мощности, значительно большей надежностью по сравнению с известными. The proposed heat exchanger can operate at any difference between the temperature of the cooled and cooling fluids, has a wide range of control of the transmitted power, significantly greater reliability compared to the known ones.

Claims

1. HEAT EXCHANGING APPARATUS, comprising a vertical gas-vacuum chamber with cooled walls, nozzles for the input and output of the cooled and cooling fluids, evacuation and filling with gas, and a tube-fin heat radiator with an internal screen located in the chamber, characterized in that the gas-vacuum chamber is made with an annular cross-section, inside the heat radiator an additional radiator is installed with an external screen forming a cavity with an internal screen, gazakow communicating with the cavity above and below Camera me.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the pipe for entering the cooling fluid is located in the upper part of the gas-vacuum chamber.

3. The device according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the heat emitters are made of heat pipes.

4. The apparatus according to claims. 1 and 3, characterized in that it is equipped with a fan installed inside the gas-vacuum chamber.