CN110580959B - 钠-空气热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钠‑空气热交换器，包括：筒体，筒体顶端设有出口风门，底端设有进口风门；上集流管，上集流管的一端与钠进口管连通；下集流管，下集流管的一端与钠出口管连通；上集流管和下集流管之间连通有换热管束；流量分配器，流量分配器设于筒体内腔的中心区域；其中，钠进口管和钠出口管设于筒体的同一侧；上集流管和下集流管为环形，且具有自其表面向外突出形成的管接头，换热管束与上集流管和下集流管通过管接头连接。本发明钠‑空气热交换器通过优化设计集流管、集流管和换热管的连接方式、风门等结构使得热交换器具有换热效率高、流动阻力小、结构紧凑等优点。

Description

钠-空气热交换器

技术领域

本发明的实施例涉及热交换器，具体涉及一种钠-空气热交换器。

背景技术

池式钠冷快堆的事故余热排出***具有非能动性，当反应堆发生事故，堆芯余热无法通过主热传输***排出时，则通过事故余热排出***将反应堆余热排出。事故余热排出***主要包括其他热交换器、中间回路管道、钠-空气热交换器和拔风烟囱等，当发生事故工况时，首先是其他热交换器将堆芯的热量排出至中间回路管道，然后中间回路管道将热量传输至钠-空气热交换器，最后经钠-空气热交换器将热空气通过拔风烟囱排出。其中，钠-空气热交换器可采用自然循环的流动方式，通过钠、空气两种介质的逆向流动实现换热。

目前，在热交换器领域，常见的有干式、湿式、半干式空气热交换器，这类热交换器的结构不紧凑，且需要强制循环实现换热。为实施反应堆换热常用的热交换器有带鼓风机的蛇形翅片管钠-空气热交换器(强制循环)、蛇形翅片管自然对流钠-空气热交换器、光管螺旋管型钠-空气热交换器等，然而，这些热交换器的应用存在以下弊端：(1)为实现自然循环驱动，需要增大流通换热面积(主要涉及翅片管层数等)，从而易造成设备体积庞大，结构不紧凑，以及增加设备成本；(2)为增大自然循环驱动力，需要大幅增加拔风烟囱的高度，这将为厂房的建造带来困难等。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种钠-空气热交换器，通过自然循环实现换热，该钠-空气热交换器通过优化设计集流管、集流管和换热管的连接方式、风门等结构使得热交换器具有换热效率高、流动阻力小、结构紧凑等优点。

根据本发明的一个方面，提供一种钠-空气热交换器，包括：筒体，所述筒体顶端设有出口风门，底端设有进口风门；上集流管，所述上集流管的一端与钠进口管连通，且所述上集流管与中部筒体的内壁相连接；下集流管，所述下集流管的一端与钠出口管连通，且所述下集流管与下部筒体的内壁相连接；所述上集流管和下集流管之间连通有换热管束；以及，流量分配器，所述流量分配器设于筒体内腔的中心区域，所述流量分配器的顶端与上集流管相连接，所述流量分配器的底端与下部筒体的内壁相连接；其中，所述钠进口管和钠出口管设于筒体的同一侧；其中，所述上集流管和下集流管为环形，且所述上集流管和下集流管具有自其表面向外突出形成的管接头，所述换热管束与所述上集流管和下集流管通过所述管接头连接。

优选地，所述上集流管和下集流管分别相对于筒体中线对称设置；所述换热管束平行于筒体中线设置，并且相对于上集流管和下集流管呈同心环形排列。

优选地，所述换热管束与所述上集流管和下集流管采用对接焊的方式连接。

优选地，沿所述换热管束的竖直方向上，在相邻的换热管之间设有管束支撑结构。

优选地，所述换热管束的两端设置成弯曲段。

优选地，所述流量分配器设置成具有不同半径的锥形组合，所述流量分配器设于换热管束的中心区域。

优选地，所述筒体的外壁上设有电加热器和保温层。

优选地，所述筒体的底端设有钠排放管。

优选地，所述进口风门为单段式；所述出口风门为双段式。

优选地，所述进口风门和出口风门分别包括传动轴、挡板和执行机构；其中，所述挡板能够相对于所述传动轴转动，并且能够在0～90°的范围内固定；所述执行机构具有电动和手动两种功能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果中的至少一个：

(1)本发明的钠-空气热交换器，采用换热翅片管束垂直布置，结合流量分配器进行空气横向导流，能够有效减小空气流动阻力，提高换热效率；

(2)集流管形状设置成环形，能够有效减小使用空间，使设备结构更加紧凑；并且集流管具有一体成型的管接头，通过对接焊的方式与换热管进行连接，能够提高连接可靠性，避免连接处钠泄露造成安全事故；

(3)将钠进口管和钠出口管设于筒体的同一侧，有利于提高钠流通的速率，从而提高换热效率；

(4)对进口风门和出口风门的结构进行优化设计，提高了风门控制的可靠性和灵活性，进一步保证了换热效果。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为根据本发明示例性实施例的钠-空气热交换器的结构示意图；

图2为根据本发明示例性实施例的钠-空气热交换器的进口风门和出口风门的结构示意图，其中(a)为进口风门，(b)为出口风门。

附图标记说明：

10-筒体，11-出口风门，12-进口风门，13-上集流管，14-下集流管，15-钠进口管，16-钠出口管，17-换热管束，18-流量分配器；

20-框架，21-挡板，22-传动轴，23-执行机构。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

如图1所示，其示出了本发明实施方式的钠-空气热交换器，其包括：筒体10，筒体10顶端设有出口风门11，底端设有进口风门12；上集流管13，上集流管13的一端与钠进口管15连通，且上集流管13与中部筒体的内壁相连接；下集流管14，下集流管14的一端与钠出口管16连通，且下集流管14与下部筒体的内壁相连接；上集流管13和下集流管14之间连通有换热管束17；以及，流量分配器18，流量分配器18设于筒体10内腔的中心区域，流量分配器18的顶端与上集流管13相连接，流量分配器18的底端与下部筒体的内壁相连接；其中，钠进口管15和钠出口管16设于筒体10的同一侧；其中，上集流管13和下集流管14为环形，且上集流管13和下集流管14具有自其表面向外突出形成的管接头，换热管束17与上集流管13和下集流管14通过管接头连接。

根据本发明实施方式的钠-空气热交换器，其中，采用钠、空气介质逆向流动、自然循环实现换热，钠从钠进口管15进入，经集流管、换热管等从钠出口管16流出，空气从进口风门12进入，经带走热量后从出口风门11流出，即钠自上而下流动，空气自下而上流动，形成逆向循环。

具体地，携带一定热量的钠(反应堆钠池将热量传送至中间回路管道，然后到达钠-空气热交换器)首先从钠进口管15进入上集流管13，上集流管13汇集热钠并将其传输至换热管束17，热钠经空气带走热量后，换热管束17将冷却后的钠传输至下集流管14，然后下集流管14将冷却后的钠送回中间回路管道继续供反应堆使用。

其中，集流管用于实现钠介质的传输，其自身结构不仅影响介质的流通和传输效率，还会影响与其连接的其他管路之间的连通性。常见的集流管的形状多为直管形，而本发明将集流管的形状设置为环形，能够较大限度地节省其使用空间，使得当环形集流管与其他管路连接使用时，能够使各管路之间的布置空间大大减小，从而使组合这些管路的设备的结构更加紧凑。如图1所示，上集流管13和下集流管14均设置成环形，且该上集流管13和下集流管14具有自其表面向外突出形成的管接头，进一步地，管接头的端部设置有孔，其他管路如换热管束17能够通过上集流管13和下集流管14的管接头与其形成连接(通过管接头端部的开孔实现连通)。

上述环形集流管具有与其一体成型的管接头，该设计有利于提高与其他管路之间的连接可靠性。可以理解的是，管接头的形状、数量以及位置分布等设计参数可以根据实际情况而设置；而对于环形集流管的加工方法，例如可以将多段子集流管(不同弧段)分别进行加工处理然后焊接或连接形成环形集流管，在子集流管的表面加工形成管接头，可以采用焊接、机加工等方式。

进一步地，在本发明实施方式中，上集流管13和下集流管14之间连通有换热管束17，上集流管13和下集流管14与换热管束17之间可以采用对接焊的方式连接。对接焊即将焊件分别置于两夹紧装置之间，使其端面对准，在接触处通电加热进行焊接的方法，对接焊具有加热均匀、形成的焊缝接口质量好等优点，有利于提高集流管与换热管之间连接的可靠性。即通过上集流管13和下集流管14的管接头与换热管束17对接焊，相比传统的集流管和换热管之间采用胀接、角焊等方式连接，具有较高的连接可靠性，能够避免连接处钠泄露造成安全事故等。

而对于换热管束17，换热管例如可以设置成扁平管，扁平管为通过模具挤压一次成型的铝制结构，且扁平管的外表面镀有锌层，防止腐蚀。当然在其他实施方式中，换热管的数量、形状、尺寸以及任意两个相邻换热管之间的距离可根据实际需要进行设置。进一步地，换热管为具有换热翅片的翅片管结构。

为了进一步提高换热效率，在筒体10内腔的中心区域设置流量分配器18，当空气由进口风门12进入筒体10后，流量分配器18能够发挥导流作用，使空气流横向流通于换热管束17之间从而不断带走换热管束17中钠的热量，最后将空气导出由出口风门11流出，并进入拔风烟囱，完成换热。

进一步地，将钠进口管15和钠出口管16设于筒体10的同一侧，有利于提高钠流通的速率，从而提高换热效率。

此外，钠-空气热交换器还包括连接结构，例如支座、支撑板等。其中，上集流管13可通过若干个固定支座与中部筒体的内壁相连接，下集流管14可通过若干个在竖直方向可滑动具有径向限位的支座与下部筒体的内壁相连接；以及，在流量分配器18的顶端，可通过若干个支撑板与上集流管13的若干个固定支座相连接，在流量分配器18的底端可通过在竖直方向可滑动具有径向限位的套筒与下部筒体的内壁相连接，以防止流量分配器18的径向摆动影响空气导流。连接结构和连接方式并不限于上述方式。

在本发明优选的实施例中，如图1所示，将上集流管13和下集流管14分别相对于筒体10中线对称设置；以及将换热管束17平行于筒体10中线设置，并且相对于上集流管13和下集流管14呈同心环形排列。将集流管和换热管的布置整体相对于筒体对称设置，使得换热组件整体集中布置，能够使得钠介质的流通相对均衡，从而使装置整体的温度分布均匀，同时有利于增加介质的流程从而提高换热效率。

进一步地，换热管束17即翅片管垂直布置，并且呈同心环形排列，在换热管束17的中心区域设置流量分配器18，这样，利用流量分配器18引导空气横向作用换热翅片管，有效增加了空气流通换热的效率。如图1所示，流量分配器18可以设置成具有不同半径的锥形筒体组合，一是充分利用了筒体内腔的空间，使得空气流量分配地更加均匀，二是考虑空气流动的阻力，使得空气流量能够快速有效地接触换热管束，从而进一步提高换热效率，进而可以降低拔风烟囱的高度。

对于换热管束17，在沿换热管束17的竖直方向上，相邻的换热管之间设有管束支撑结构。管束支撑结构例如可以是隔环或波纹钢带等，目的是减少换热管束17经介质流动或空气冲刷造成的振动。进一步地，将换热管束17的两端设置成弯曲段，即靠近换热管与集流管连接的部位，将换热管采用一定曲率的弯曲段设计以克服高温热应力对设备的轴向影响。在换热管束的下端设有热电偶，能够检测换热翅片管的管壁温度。

进一步地，在筒体10的外壁上设有电加热器和保温层，从而对设备进行预热和保温。针对管束***可能存在的泄漏，在筒体10的底端还安装了底板，底板上设有钠排放管，用于将钠排放至排放容器中。

为实现空气换热，空气流通需满足一定的条件。在本发明优选的实施例中，对影响空气流通的进口风门和出口风门进行优化设计。如图2所示，将进口风门设置成单段式，出口风门设置成双段式。具体地，进口风门和出口风门分别包括传动轴、挡板和执行机构；其中，挡板能够相对于传动轴转动，并且能够在0～90°的范围内固定；执行机构具有电动和手动两种功能。

如图2(a)所示为进口风门的结构示意图，进口风门包括框架20、挡板21、传动轴22和执行机构23，其中，挡板21能够相对于传动轴22转动，使得挡板21能够相对于框架20以一定的角度打开，并且挡板21相对于传动轴22能够在0～90°的范围内固定下来，从而为空气流通进入形成稳定的条件；进一步地，执行机构23具有电动和手动两种功能，当实施手动操作时，通过操作执行机构23上的手轮从而控制传动轴22使得挡板21开合；当实施电动操作时，可通过执行机构23附带的轴位置信号装置控制传动轴22使得挡板21开合；无论是采用手动还是电动方式，都能够通过风门开度调节装置使得风门在0～90°范围内任一角度停驻，实现灵活控制。将执行机构设置成具有电动和手动两种功能，当供电***中断时，可通过手动调节风门开合，而在电动情况下，能够实现远传控制风门开合，有效提高了风门操作的可靠性和灵活性。

进一步地，挡板21可以采用双层挡板的结构，在两层挡板之间填充保温材料，以及在挡板21和框架20的结合部设置密封垫片，能够保证风门的保温和密封性良好。

在不影响换热***实施换热的情况下，保证风门电机的运行环境温度为低于60℃，因而电机的设置应当与风门位置具有一定的距离。

如图2(b)所示，为出口风门的结构示意图，出口风门的结构与进口风门类似，不同之处在于采用双段式结构，设置两块挡板21和两个对应的执行机构23，该出口风门的控制方式同进口风门。

对于进口风门和出口风门的数量设置，在本实施例中可以设置为4个单段进口风门和1个双段出口风门，4个进口风门例如可以相对于筒体底端对称两两布置；为满足钠-空气热交换器的换热效果，只需2个进口风门和1段出口风门正常开启便能够实现。

可以理解的是，进口风门和出口风门的数量、形状等设置，以及风门开启的角度等控制可以根据实际情况实施。

根据本发明实施例的钠-空气热交换器，采用垂直换热翅片管型，相比传统的蛇形翅片管型、垂直光管型、光管螺旋管型等，在相同的换热功率条件下，本发明的钠-空气热交换器能够实现流动阻力最小以及设备尺寸最小的效果。

本发明实施例的钠-空气热交换器，具有换热效率高、流动阻力小、结构紧凑、风门可靠性高等优点，能够提高钠冷快堆非能动事故余热排出***的可靠性和安全性，因而有利于创造更大的社会和经济效益，具有良好的市场应用前景。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种钠-空气热交换器，包括：

筒体，所述筒体顶端设有出口风门，底端设有进口风门；

上集流管，所述上集流管的一端与钠进口管连通，且所述上集流管与中部筒体的内壁相连接；

下集流管，所述下集流管的一端与钠出口管连通，且所述下集流管与下部筒体的内壁相连接；所述上集流管和下集流管之间连通有换热管束；

以及，流量分配器，所述流量分配器设于筒体内腔的中心区域，所述流量分配器的顶端与上集流管相连接，所述流量分配器的底端与下部筒体的内壁相连接；

其中，所述钠进口管和钠出口管设于筒体的同一侧；

其中，所述上集流管和下集流管为环形，且所述上集流管和下集流管具有自其表面向外突出形成的管接头，所述换热管束与所述上集流管和下集流管通过所述管接头连接，所述流量分配器设于换热管束的中心区域。

2.根据权利要求1所述的钠-空气热交换器，其中，所述上集流管和下集流管分别相对于筒体中线对称设置；所述换热管束平行于筒体中线设置，并且相对于上集流管和下集流管呈同心环形排列。

3.根据权利要求1所述的钠-空气热交换器，其中，所述换热管束与所述上集流管和下集流管采用对接焊的方式连接。

4.根据权利要求2所述的钠-空气热交换器，其中，沿所述换热管束的竖直方向上，在相邻的换热管之间设有管束支撑结构。

5.根据权利要求2所述的钠-空气热交换器，其中，所述换热管束的两端设置成弯曲段。

6.根据权利要求1所述的钠-空气热交换器，其中，所述流量分配器设置成具有不同半径的锥形组合。

7.根据权利要求1所述的钠-空气热交换器，其中，所述筒体的外壁上设有电加热器和保温层。

8.根据权利要求1所述的钠-空气热交换器，其中，所述筒体的底端设有钠排放管。

9.根据权利要求1所述的钠-空气热交换器，其中，所述进口风门为单段式；所述出口风门为双段式。

10.根据权利要求9所述的钠-空气热交换器，其中，所述进口风门和出口风门分别包括传动轴、挡板和执行机构；

其中，所述挡板能够相对于所述传动轴转动，并且能够在0～90°的范围内固定；

所述执行机构具有电动和手动两种功能。

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