RU224035U1 - Регулируемый теплообменный аппарат с промежуточным жидкометаллическим теплоносителем - Google Patents
Регулируемый теплообменный аппарат с промежуточным жидкометаллическим теплоносителем Download PDFInfo
- Publication number
- RU224035U1 RU224035U1 RU2023123733U RU2023123733U RU224035U1 RU 224035 U1 RU224035 U1 RU 224035U1 RU 2023123733 U RU2023123733 U RU 2023123733U RU 2023123733 U RU2023123733 U RU 2023123733U RU 224035 U1 RU224035 U1 RU 224035U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coolant
- hot
- cold
- liquid metal
- heat
- Prior art date
Links
- 239000002826 coolant Substances 0.000 title claims abstract description 61
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 15
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 claims abstract 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 5
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 229910001152 Bi alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Полезная модель относится к промышленным теплообменным аппаратам (теплообменникам). Особенностью полезной модели является то, что труба с горячим теплоносителем и труба с холодным теплоносителем находятся в вакуумной камере на определенном расстоянии друг от друга, при этом за счет теплоизолирующих свойств вакуума горячий и холодный теплоносители в трубах могут находиться постоянно. Интенсивный теплообмен начинается при заполнении вакуума между трубами промежуточным жидкометаллическим теплоносителем и может усилиться конвекцией промежуточного теплоносителя магнитогидродинамическим (МГД) насосом. Мощность теплообмена регулируется изменением уровня промежуточного теплоносителя и силой тока МГД насоса. Количество труб с горячим и холодным теплоносителями, их форма, расположение могут быть любыми. Вместо жидких горячего и холодного теплоносителей могут быть суспензии, эмульсии, пары или газы в любых сочетаниях. Преимуществами предлагаемой полезной модели являются: а) нет запорной арматуры горячего теплоносителя и выброса пара холодного теплоносителя; б) возможна плавная или резкая регулировка мощности теплообмена; в) высокая мощность теплообмена.
Description
Полезная модель относится к промышленным теплообменным аппаратам (теплообменникам). В промышленности, в частности металлургической и химической, бывает необходимость разогрева рабочего тела (горячего теплоносителя) до высокой температуры, 500°С и более, выдержки от нескольких минут до нескольких часов и последующего охлаждения с регулируемой, часто высокой, скоростью. Горячими теплоносителями могут бытьразличные вещества, например расплавленный металл или соль. Холодным теплоносителем (хладагентом) для быстрого отведения тепла обычно служит вода и другие легко кипящие жидкости. В теплообменнике происходит теплопередача от горячего теплоносителя к хладагенту, мощность теплопередачи может составлять от нескольких ватт до нескольких мегаватт.
Для высокой надежности промышленного оборудования, в которое теплообменный аппарат входит как составная часть, необходимо по возможности отказаться от устройств, включающих, отключающих и переключающих подачу горячего теплоносителя в аппарат и из аппарата, то есть поместить горячий теплоноситель в замкнутый герметичный контур без запорной арматуры. Также желательно избегать выброса большого количества пара хладагента. Выходом является создание теплообменного аппарата, в котором горячий и холодный теплоносители постоянно находятся в составе аппарата, теплопередача между ними регулируется определенным образом, а запорная арматура отсутствует. Также в промышленности возможна необходимость изменения температуры горячего теплоносителя по заданному графику, в том числе многократного резкого подъема и снижения температуры.
Ставится задача создания теплообменного аппарата, в котором совмещен ряд требований:
горячий и холодный теплоносители постоянно находятся в составе аппарата;
во время нагрева до заданной температуры и выдержки горячего теплоносителя, то есть периода холостого хода, теплопередача между теплоносителями (паразитная теплопередача) должна быть как можно меньше;
при переходе в рабочий режим, когда необходимо снижение температуры горячего теплоносителя по заданному графику, мощность теплопередачи между теплоносителями должна регулироваться в соответствии с этим графиком;
для быстрого охлаждения горячего теплоносителя возможная мощность теплопередачи должна быть как можно больше;
быстрый переход от режима холостого хода к рабочему режиму и наоборот;
потеря тепла от корпуса теплообменника в окружающую среду должна быть минимальной.
Известно, что наивысшая мощность теплопередачи обеспечивается конвекциейжидкометаллических теплоносителей благодаря их высокой теплопроводности, теплоемкости и низкой вязкости, при этом конвекцию таких теплоносителей, благодаря высокой электропроводности жидкого металла, можно осуществлять герметичным МГД (магнитогидродинамическим) насосом, не имеющим движущихся механических частей. Устройства теплопередачи с применением легкоплавких металлов калия, натрия, лития и их сплавов, свинца, олова, кадмия, висмута и их сплавов, галлия, индия и других в жидком состоянии известны и применяются в атомной энергетике и других отраслях. Конвекция жидкометаллического теплоносителя, как правило, производится МГД насосами.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является теплообменное устройство для ядерного двигателя атомной теплоэлектростанции, патент FR 2956732 B1, дата выдачи патента 08.08.2014 г., МПК F28D 15/00, G21B 1/00. В данном устройстве теплообмен производится циркулирующим под действием насоса жидким сплавом свинец – висмут, при этом жидкометаллический теплоноситель передает тепло от натриевого контура ядерного реактора к водяному контуру, вода под действием тепла превращается в перегретый пар. Это теплообменное устройство не подходит для решения указанной задачи, оно создавалось в целях безопасности – разделения натриевого и водяного контуров ядерного реактора и в нем отсутствует режим холостого хода с минимальными потерями тепла, а также регулирование мощности теплопередачи.
Предлагаемая полезная модель решает задачу следующим образом.
Теплообменный аппарат по схеме на фиг. 1 состоит из вакуумной камеры (поз. 5 фиг. 1), через которую проходят трубы с горячим (поз. 1 фиг. 1) и холодным (поз. 2 фиг. 1) жидкими теплоносителями. Теплоизолирующие свойства вакуума позволяют уменьшить потерю тепла, и холодный теплоноситель может находиться в трубе во время нагрева до заданной температуры и выдержки горячего теплоносителя. Снизу к вакуумной камере присоединен цилиндр с поршнем (поз. 4 фиг. 1), внутри цилиндра находится промежуточный жидкометаллический теплоноситель (поз. 3 фиг. 1). Во время холостого хода, промежуточный теплоноситель находится в цилиндре (фиг. 1а).
При переходе в рабочий режим поршень вытесняет промежуточный теплоноситель в вакуумную камеру (фиг. 1б). Промежуточный жидкометаллический теплоноситель передает тепло от горячего к холодному теплоносителю, конвекция жидкометаллического теплоносителя производится магнитогидродинамическим (МГД) насосом (не показан на фиг. 1).
Промежуточным теплоносителем может быть любой легкоплавкий металл или сплав, обычно применяемый для таких целей. Для уменьшения окисления промежуточного теплоносителя остатком кислорода воздуха, вакуум предлагается получать по следующему методу: откачка воздуха, затем заполнение камеры инертным газом или азотом и повторная откачка, при этом вакуум может быть низким. Для устранения натекания в вакуум воздуха описанный метод создания вакуума может периодически повторяться при эксплуатации теплообменника.
Пример возможного графика регулируемой мощности теплопередачи (фиг. 2). Мощность холостого хода теплообменного аппарата обозначена P0, максимальная мощность теплопередачи обозначена Pmax.
Мощность теплопередачи в предлагаемой полезной модели можно плавно или скачкообразно менять от P0 до Pmax или наоборот от Pmax до P0. Изменение мощности теплопередачи происходит двумя способами: изменением уровня промежуточного теплоносителя и изменением скорости его конвекции при изменении силы тока МГД насоса, при этом переключение мощности P0 - Pmax (Pmax - P0) возможно за время примерно от одной до нескольких секунд. Поршень может быть заменен другим устройством с аналогичными функциями.
По предварительному расчету, отношение Pmax/ P0 может достигать величины 100 – 1000 в зависимости от конструкции и разницы температуры горячего и холодного теплоносителей.
Энергия, потраченная за время холостого хода теплообменного аппарата, легко может быть использована, например, в виде горячей воды.
На фиг. 3, 4 показаны схемы модификации теплообменного аппарата с теплоносителями расплав металла и вода, конвекция промежуточного теплоносителя производится кондукционными МГД насосами постоянного тока; различие в схемах одно – схемафиг. 3 с одним насосом, схема на фиг. 4 с двумя. На схемах:
1 – труба с расплавом металла
2 – труба с водой
3 – промежуточный жидкометаллический теплоноситель
4 – поршень
5 – контактные пластины МГД насоса (насосов)
6 – магнитопровод МГД насоса (насосов)
7 – вставки с низкой теплопроводностью
8 – теплоизоляция
L – расстояние между центрами труб теплоносителей.
Корпус аппарата изготовлен из жаропрочной нержавеющей стали и окружен теплоизоляцией. Для предотвращения короткого замыкания тока пластин поз. 5на корпус часть корпуса изнутри покрыта теплостойкой керамикой.
Для уменьшения мощности холостого хода (потерь) предложенного теплообменного аппарата могут быть приняты следующие меры:
для уменьшения потерь излучением снижена степень черноты внутренней поверхности корпуса аппарата и наружной поверхности труб поз. 1 и поз. 2 их полировкой и подбором химического состава материала;
выполнены вставки из материала с низкой теплопроводностью, например поз. 7;
увеличено расстояние L, но при этом снизится теплопередача в рабочем режиме, поэтому здесь нужен компромисс.
Как вариант возможен прозрачный для излучения кварцевый корпус аппарата, снаружи полированный и покрытый зеркальной пленкой металла, например посеребренный, при этом за счет изоляционных свойств корпуса улучшится работа МГД насосов. На схемах фиг. 3, 4 не показана компенсация температурных расширений, которые при работе аппарата могут быть большими и знакопеременными.
Возможна модификациятеплообменного аппарата типа «труба в трубе» с большой поверхностью теплообмена, тонкими слоями всех теплоносителей и без МГД насоса по схеме фиг. 5,
где 1 – труба с горячим теплоносителем
2 – труба с хладагентом
3 – вакуумная камера, заполненная жидкометаллическим промежуточным теплоносителем
4 – штуцер для подачи промежуточного теплоносителя
5 – штуцеры для подвода и отвода хладагента
6 – штуцер для создания вакуума
7 – компенсатор температурного расширения (показан условно)
8 – специальное ребро для регулирования теплопередачи.
Переход от холостого хода к рабочему начинается в начале заполнения вакуумной камеры промежуточным теплоносителем, когда теплоноситель касается массивного ребра поз. 8 в точке А. Скачек мощности теплопередачи при этом небольшой из-за наклонного профиля ребра. Далее, по мере подъема уровня промежуточного теплоносителя площадь контакта с ребром поз. 8 и далее с трубой поз. 1 постепенно увеличивается с пропорциональным увеличением мощности теплопередачи.
В пределах заявленной совокупности признаков настоящее техническое решение не ограничивается приведенными примерами выполнения и охватывает любые иные варианты, попадающие в объем прилагаемой формулы для достижения заявленного технического результата.
Claims (3)
1. Регулируемый теплообменный аппарат с промежуточным жидкометаллическим теплоносителем, состоящий из помещенных в общий корпус трубы с горячим жидким теплоносителем и трубы с холодным жидким теплоносителем, отличающийся тем, что корпус представляет собой вакуумную камеру, вакуум в которой создается находящимся снаружи вакуумным насосом, при этом камера может заполняться на определенный регулируемый уровень промежуточным жидкометаллическим теплоносителем, который может находиться в состоянии вынужденной конвекции под действием находящегося внутри камеры одного или нескольких магнитогидродинамических (МГД) насосов.
2. Регулируемый теплообменный аппарат с промежуточным жидкометаллическим теплоносителем по п. 1, отличающийся тем, что количество труб с горячим и холодным теплоносителями, их форма и расположение могут быть любыми.
3. Регулируемый теплообменный аппарат с промежуточным жидкометаллическим теплоносителем по п. 1 или 2, отличающийся тем, что горячий и(или) холодный теплоносители могут быть суспензиями, эмульсиями, парообразными веществами или газами.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU224035U1 true RU224035U1 (ru) | 2024-03-13 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2045729C1 (ru) * | 1992-06-30 | 1995-10-10 | Николай Антонович Ермолов | Теплообменный аппарат |
| RU2212066C1 (ru) * | 2002-05-17 | 2003-09-10 | Фгуп Окб "Гидропресс" | Ядерный паропроизводящий агрегат с жидкометаллическим теплоносителем |
| RU2383837C1 (ru) * | 2008-06-26 | 2010-03-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью Промышленная Компания "Технология Металлов" | Способ охлаждения корпуса плавильного агрегата и плавильный агрегат для его осуществления |
| FR2956732B1 (fr) * | 2010-02-19 | 2014-08-08 | Electricite De France | Dispositif d'echange thermique, notamment pour une centrale nucleaire. |
| RU2534396C1 (ru) * | 2013-09-30 | 2014-11-27 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Теплообменник и вытеснитель используемый в нем |
| RU2699229C1 (ru) * | 2019-01-31 | 2019-09-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Модульный ядерный реактор на быстрых нейтронах малой мощности с жидкометаллическим теплоносителем и активная зона реактора (варианты) |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2045729C1 (ru) * | 1992-06-30 | 1995-10-10 | Николай Антонович Ермолов | Теплообменный аппарат |
| RU2212066C1 (ru) * | 2002-05-17 | 2003-09-10 | Фгуп Окб "Гидропресс" | Ядерный паропроизводящий агрегат с жидкометаллическим теплоносителем |
| RU2383837C1 (ru) * | 2008-06-26 | 2010-03-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью Промышленная Компания "Технология Металлов" | Способ охлаждения корпуса плавильного агрегата и плавильный агрегат для его осуществления |
| FR2956732B1 (fr) * | 2010-02-19 | 2014-08-08 | Electricite De France | Dispositif d'echange thermique, notamment pour une centrale nucleaire. |
| RU2534396C1 (ru) * | 2013-09-30 | 2014-11-27 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Теплообменник и вытеснитель используемый в нем |
| RU2699229C1 (ru) * | 2019-01-31 | 2019-09-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Модульный ядерный реактор на быстрых нейтронах малой мощности с жидкометаллическим теплоносителем и активная зона реактора (варианты) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU224035U1 (ru) | Регулируемый теплообменный аппарат с промежуточным жидкометаллическим теплоносителем | |
| CN113555181B (zh) | 一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统 | |
| Wang et al. | Heat transfer and entropy generation analysis of an intermediate heat exchanger in ADS | |
| Murthy et al. | Effect of wall conductivity on thermal stratification | |
| CN210239927U (zh) | 一种热力反应器 | |
| Zhang et al. | Effect of inventory on the heat performance of copper–water loop heat pipe | |
| Abou-Ziyan | Forced convection and subcooled flow boiling heat transfer in asymmetrically heated ducts of T-section | |
| CN108195213A (zh) | 抗热流冲击的散热装置 | |
| CN113309684B (zh) | 一种变导热系数真空环境液态金属冷却器 | |
| CN202084383U (zh) | 一种新型的水管式油浸水冷变压器冷却装置 | |
| WO2020258379A1 (zh) | 一种大功率芯片封闭式液态金属二回路冷却系统 | |
| CN215413160U (zh) | 一种热壁式真空工业炉 | |
| SE1950569A1 (en) | Thermal energy storage assembly | |
| CN105825900A (zh) | 一种高温液态金属两级冷却设备和方法 | |
| JP3571390B2 (ja) | Ｌｎｇ冷熱利用発電システム | |
| CN102937090B (zh) | 一种高温介质泵热屏蔽装置 | |
| CN112968008A (zh) | 基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置及其制造方法 | |
| US20240194361A1 (en) | Systems and methods of thermoelectric cooling in power plants | |
| CN110345031A (zh) | 一种舰艇发电系统 | |
| RU2737793C1 (ru) | Термоэлектрический генератор в кожухотрубном исполнении | |
| CN214336706U (zh) | 基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置 | |
| Bojić et al. | Controlling evaporative three finger thermosyphon | |
| CN209555266U (zh) | 一种滚轮式钢渣冷却系统 | |
| Tuz et al. | THE MULTIFACTORIALITY OF THE PROCEDURE FOR OPTIMIZING THE DESIGN OF A TWISTED HEAT EXCHANGER LOCATED IN AN ANNULAR CHANNEL DURING LAMINAR MOTION | |
| CN112169848B (zh) | 一种高低温快速循环装置及控制方法 |