CN113340144A - 一种铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构 - Google Patents
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Abstract
一种铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构,它包括增材制造形成的金属基体(5),其特征是:所述的金属基体(5)中同步形成有上下贯通的水/蒸汽介质通道(6)以及液态铅介质通道(7),所述的液态铅介质通道(7)由相互贯通的中间换热通道、下部转向通道(2)和上部转向通道(3)组成,中间换热通道和水/蒸汽介质通道(6)形成换热区域(4),在金属基体(1)的上下两端均整体成型有连接法兰(1),在下部转向通道(2)和上部转向通道(3)的出/入口上也整体成形有连接法兰(1),连接法兰(1)用于与对应的输入/输出管道连接。本发明结构简单,制造方便、重量轻,换热效果高。
Description
技术领域
本发明涉及一种传热设备技术,尤其是一种铅冷/铅铋快堆换热器的结构,具体地说是一种铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构,主要应用领域为核电、火电、化工、冶金、能源等领域。
背景技术
核电蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备,也是核电站最为关键的主要设备之一,蒸汽发生器与反应堆压力容器相连,不仅直接影响电站的功率与效率,而且在进行热量交换时,还起着阻隔放射性载热剂的作用,对核电站安全至关重要。
铅冷/铅铋快堆作为***反应堆***,采用闭式燃料循环方式,具有良好的核废料嬗变和核燃料增殖能力,以及较高的安全性和经济性,未来将有广阔的发展空间。目前铅冷/铅铋快堆蒸汽发生器的换热器结构采用传统的管壳式结构,该结构虽然结构简单、紧凑、造价成本低,但铅冷/铅铋快堆以液态铅作为换热介质,铅的密度为11.3437g/cm3,相同体积下,其质量是一般金属的1.5倍左右,换热器设备尺寸越大,自身重量越大,对承载管壳的压力就越大,同时对于承载设备的基体要求也就越高,因此铅的密度特性决定了铅冷/铅铋快堆的换热器的小尺寸特性。在高温和冷却剂高速流动情况下,液态铅对结构材料的腐蚀速率也很高,而管壳式结构内的换热管考虑到设备的整体构造和换热效率,无法随意增加壁厚,故传统管壳式换热器结构容易发生破管失水事故。
针对以上问题,急需设计一种铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构,使两种换热介质在不同的孔道中相向对流,孔道的横截面分布类似于蜂窝煤,在基体金属上分布密排结构的微通道,无需受到类似管壳式换热器管壳和管板的限制,两种不同换热介质的微通道隔排布置,从而极大增加了传热面积,提高换热效率。更重要的是打破了由于液态铅的高密度带来铅冷/铅铋快堆换热器的小尺寸限制,直流微通道式换热器结构的基体材料为耐高温金属,密度远小于液态铅,相同尺寸下,换热效率更高,重量更小。直流微通道式换热器结构可以便捷的预留孔道与孔道间的厚度,从而预留腐蚀裕量,大大增加了其结构的安全性。
目前市场上类似该结构的换热器已有用于电子行业,而核电、火电等能源领域未有类似结构的应用。直流微通道式换热器结构使用传统制造方法难以实现,可以通过增材制造或其他3D打印的方式来成型。
发明内容
本发明的目的是针对传统的管壳式铅冷/铅铋快堆蒸汽发生器存在焊点多,易泄漏及寿命短,易脱焊等问题,设计一种利用增材制造技术制备的铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构,以更灵活、高效、合理的实现换热器的换热作用,更稳定、可靠保证设备的运行。
本发明的技术方案是:
一种铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构,它包括增材制造形成的金属基体5,其特征是:所述的金属基体5中同步形成有上下贯通的水/蒸汽介质通道6以及液态铅介质通道7,所述的液态铅介质通道7由相互贯通的中间换热通道、下部转向通道2和上部转向通道3组成,中间换热通道和水/蒸汽介质通道6形成换热区域4,在金属基体1的上下两端均整体成型有连接法兰1,在下部转向通道2和上部转向通道3的出/入口上也整体成形有连接法兰1,连接法兰1用于与对应的输入/输出管道连接。
所述的水/蒸汽介质通道6与液态铅介质通道7的中间换热通道的管径相同,且呈间隔成排布置,即按一排水/蒸汽介质通道6、一排中间换热通道、一排水/蒸汽介质通道6、一排中间换热通道、一排水/蒸汽介质通道6……的规律布置,同一排的水/蒸汽介质通道6或中间换热通道之间的距离相等,相邻两排的水/蒸汽介质通道6与中间换热通道之间的距离也相等。
所述的水/蒸汽介质通道6和液态铅介质通道7的中间换热通道的截面形状为圆形、腰形、三角形、椭圆形或能增加换热面积的异形(如圆弧波浪形、折线波浪形)。
本发明的有益效果:
本发明实现了由传统管束转换为通道式的结构形式,以耐热金属材料作为传热基体,换热区域内部各层通道间进行热量交换,换热效率增加95%。与传统管壳式换热器结构相比,同尺寸下微通道直流换热器结构减重至少30%,从而解决铅冷/铅铋快堆不能做大也不能做的更小的制造问题,适用更多场合和领域。
不同换热介质通道隔排分布在基体金属上,微通道与基体金属总体呈蜂窝煤分布状结构,所述图1为换热区域4的截面,其上铅介质和水/蒸汽介质的通道位置布置、数量的选择及直径的大小等根据设计压力和设计温度计算承压强度和分析热流体传热效率而得出(不仅仅限于图1所示图),两种介质通道之间的位置关系如图2所示(并不仅仅限于图2所示图),除通道外,其他为基体金属(图中阴影部分)。介质流向如图3中流线方向所示,铅介质通过流体转向下部区域2进入换热区域4,同时水/蒸汽介质直流入换热区域4,两者在换热区域4进行换热(散热)后,铅介质从流体转向上部区域3集合流出,水/蒸汽介质直流集合流出,整个设备完成换热(散热),并以此循环。
本发明以耐高温材料为基体,液态铅的热量通过基体金属传至水/蒸汽介质,从而完成换热过程。目前铅冷快堆换热器(蒸发器)结构为传统的管壳式结构,换热管内走水/蒸汽介质,外面包裹铅介质,由于铅介质的密度较一般金属材料的大,此种结构大大增加了换热器设备的重量,及大大提高了对于承载基体的要求,从而限制了铅冷/铅铋快堆换热器的尺寸。而直流微通道式换热器结构,通过两种换热介质在不同的孔道中相向对流,完成设备的换热(散热)。换热效率高,结构可靠性强,相同尺寸下,较传统管壳式铅冷/铅铋快堆换热器减重至少30%,打破铅冷/铅铋快堆只能进行小尺寸建造、小功率发电的壁垒。
本发明采用通道式的传热方式,与管壳式换热器不同,其传热方式在换热区域3内通过金属热传导传热,可以实现通道密排分布,从而极大增加了传热面积,提高换热效率,相同尺寸下的换热器,该结构的换热效率提升至少95%。且管壳式换热器通过传热管进行换热(散热),受其整体结构限制导致传热面积不足、传热效率低的基础上,结构的安全性也不足。管壳式换热器设备由于管束和管板的焊接,焊接结构过多,且设备运行的过程中,由于高温高压的恶劣工况,且壳程流体产生的诱导振动引发管束不断振动,可能造成管板连接处的泄漏、渗漏,传热管及管头受到流体的不断冲刷,管体易发生破坏,从而造成严重的破管失水事故。而基于增材制造成型的通道式换热器,整体成型,无需拼凑,最大程度上减小每个通道的流阻,整体微观组织结构一致,保证设备整体性能、应力的均匀性,有效避免了设备在高温高压的恶劣工况下的事故发生。同时采用微通道的结构设计,通道孔径远小于传热管的直径,从而基体受到的应力也远小于传热管受到的应力,大大增强了设备的安全性和可靠性。
本发明的换热介质通道分层密布在传热基体上。两种换热介质分别从各自的区域流入各自通道进行换热,换热结束后,分别从另一端区域集合流出。结构以耐热材料为传热基体,取代传统管壳式换热器结构,大幅度增加换热效率的同时大大减少了铅冷/铅铋快堆换热器设备的重量,使铅冷/铅铋快堆适用于更多场合和领域。
附图说明
图1是本发明的介质通道布置示意图。
图2是本发明介质通道相对位置布置图。
图3是本发明的换热器的结构示意科。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-3所示。
一种铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构,它包括增材制造形成的金属基体5,所述的金属基体5中同步形成有上下贯通的水/蒸汽介质通道6以及液态铅介质通道7,所述的液态铅介质通道7由相互贯通的中间换热通道、下部转向通道2和上部转向通道3组成,如图3所示,中间换热通道和水/蒸汽介质通道6形成换热区域4,在金属基体1的上下两端均整体成型有连接法兰1,在下部转向通道2和上部转向通道3的出/入口上也整体成形有连接法兰1,连接法兰1用于与对应的输入/输出管道连接。所述的水/蒸汽介质通道6与液态铅介质通道7的中间换热通道的管径相同,且呈间隔成排布置,即按一排水/蒸汽介质通道6、一排中间换热通道、一排水/蒸汽介质通道6、一排中间换热通道、一排水/蒸汽介质通道6……的规律布置,如图1所示,同一排的水/蒸汽介质通道6或中间换热通道之间的距离相等,相邻两排的水/蒸汽介质通道6与中间换热通道之间的距离也相等,如图2所示。本实施例的距离为3毫米。具体实施时,所述的水/蒸汽介质通道6和液态铅介质通道7的中间换热通道的截面形状可为图2所示的圆形,也可为三角形、椭圆形或能增加换热面积的异形,如圆弧波浪形、折线波浪形等。圆形、腰形、三角形、椭圆形、等腰梯形等统称为标准形,其它形状统称为异形。
详述如下:
一种铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构,包括法兰1,流体转向下部区域(由下部转向通道2组成),流体转向上部区域(由上部转向通道3组成)和换热区域4。不同换热介质通道隔排分布在基体金属上,微通道与基体金属总体呈蜂窝煤分布状结构,所述图1为换热区域4的截面,其上铅介质和水/蒸汽介质的通道位置布置、数量的选择及直径的大小等根据设计压力和设计温度计算承压强度和分析热流体传热效率而得出(不仅仅限于图1所示图),两种介质通道之间的位置关系如图2所示(并不仅仅限于图2所示图),除通道外,其他为基体金属(图中阴影部分)。介质流向如图3中流线方向所示,铅介质通过流体转向下部区域进入换热区域4,同时水/蒸汽介质直流入换热区域4,两者在换热区域4进行换热(散热)后,铅介质从流体转向上部区域集合流出,水/蒸汽介质直流集合流出,整个设备完成换热(散热),并以此循环。
本发明的铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构是以耐高温材料为基体,液态铅的热量通过基体金属传至水/蒸汽介质,从而完成换热过程。目前铅冷快堆换热器(蒸发器)结构为传统的管壳式结构,换热管内走水/蒸汽介质,外面包裹铅介质,由于铅介质的密度较一般金属材料的大,此种结构大大增加了换热器设备的重量,及大大提高了对于承载基体的要求,从而限制了铅冷/铅铋快堆换热器的尺寸。而直流微通道式换热器结构,通过两种换热介质在不同的孔道中相向对流,完成设备的换热(散热)。换热效率高,结构可靠性强,相同尺寸下,较传统管壳式铅冷/铅铋快堆换热器减重至少30%,打破铅冷/铅铋快堆只能进行小尺寸建造、小功率发电的壁垒。
本发明的铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构是通道式的传热方式,与管壳式换热器不同,其传热方式在换热区域4内通过金属热传导传热,可以实现通道密排分布,从而极大增加了传热面积,提高换热效率,相同尺寸下的换热器,该结构的换热效率提升至少95%。且管壳式换热器通过传热管进行换热(散热),受其整体结构限制导致传热面积不足、传热效率低的基础上,结构的安全性也不足。管壳式换热器设备由于管束和管板的焊接,焊接结构过多,且设备运行的过程中,由于高温高压的恶劣工况,且壳程流体产生的诱导振动引发管束不断振动,可能造成管板连接处的泄漏、渗漏,传热管及管头受到流体的不断冲刷,管体易发生破坏,从而造成严重的破管失水事故。而本发明的基于增材制造成型的通道式换热器,整体成型,无需拼凑,最大程度上减小每个通道的流阻,整体微观组织结构一致,保证设备整体性能、应力的均匀性,有效避免了设备在高温高压的恶劣工况下的事故发生。同时采用微通道的结构设计,通道孔径远小于传热管的直径,从而基体受到的应力也远小于传热管受到的应力,大大增强了设备的安全性和可靠性。本发明的进出口端端部全部采用法兰连接的连接型式,方便设备成型后对通道的检测,及设备后期的保修维护。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构,它包括增材制造形成的金属基体(5),其特征是:所述的金属基体(5)中同步形成有上下贯通的水/蒸汽介质通道(6)以及液态铅介质通道(7),所述的液态铅介质通道(7)由相互贯通的中间换热通道、下部转向通道(2)和上部转向通道(3)组成,中间换热通道和水/蒸汽介质通道(6)形成换热区域(4),在金属基体(1)的上下两端均整体成型有连接法兰(1),在下部转向通道(2)和上部转向通道(3)的出/入口上也整体成形有连接法兰(1),连接法兰(1)用于与对应的输入/输出管道连接。
2.根据权利要求1所述的铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构,其特征是:所述的水/蒸汽介质通道(6)与液态铅介质通道(7)的中间换热通道的管径相同,且呈间隔成排布置,即按一排水/蒸汽介质通道(6)、一排中间换热通道、一排水/蒸汽介质通道(6)、一排中间换热通道、一排水/蒸汽介质通道(6)……的规律布置,同一排的水/蒸汽介质通道(6)或中间换热通道之间的距离相等,相邻两排的水/蒸汽介质通道(6)与中间换热通道之间的距离也相等。
3.根据权利要求1所述的铅冷/铅铋快堆用微通道直流换热器结构,其特征是:所述的水/蒸汽介质通道(6)和液态铅介质通道(7)的中间换热通道的截面形状为圆形、腰形、三角形、椭圆形或能增加换热面积的异形。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210903 |