CN113790623A - 一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构及控制方法，涉及核工程及化工领域，其技术方案要点是：再生段包括一次水流通管道与二次流道管道，一次水流通管道依次串联后构成再生单元的一次侧管路，多个二次流道管道依次串联后构成再生单元的二次侧管路；再生单元设有可将一次侧管路中至少一个一次水流通管道短接的一次水旁流管道，一次水旁流管道设有第一调节阀，一次侧管路中短接部两端的一次水流通管道的入口或出口均设有第二调节阀。本发明可以将再生单元中的一次水在流通路径上部分不经过二次侧冷却，从而提升再生单元一次水出口温度，以增加一次水进入冷却单元的温度，达到提升再生式换热器对外换热的能力。

Description

一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构及控制方法
技术领域
本发明涉及核工程及化工领域，更具体地说，它涉及一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构及控制方法。
背景技术
在核工程及化工领域，***的热平衡是保证***安全运行的重要屏障，因此对换热器的要求特别苛刻。特别地，在热流体与冷却介质的温差较大时，为了避免高温流体与冷却介质直接换热对换热管性能的不利影响且降低冷却剂相变所引起的换热不稳定风险，此时多采用再生式换热器。
然而，在核工程相关的辐照试验中，***的运行参数涵盖的范围特别大，具体地，一次水流量与温度的需求较广，并造成换热器需运行的工况较多。在现有再生式换热器中，基于一个特定的工况开展换热器热工设计并定型换热器结构，而在超低一次水流量以及温度时，该结构的换热器的换热功率将不足，以致使不能将温度较高一次水流体冷却至指定低温温度。
因此，为应对大范围变化的一次水流量及温度引起的对换热器的宽范围功率需求，研究设计一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构及控制方法是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构及控制方法，可以提升再生式换热器在低一次水流量以及温度时换热功率，有效解决换热功率不足问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构，包括再生段和冷却段，多个所述再生段依次串联构成再生单元，至少一个所述冷却段构成冷却单元；
所述再生段包括相互分离的一次水流通管道与二次流道管道，多个一次水流通管道依次串联后构成再生单元的一次侧管路，多个二次流道管道依次串联后构成再生单元的二次侧管路；
所述再生单元设有可将一次侧管路中至少一个一次水流通管道短接的一次水旁流管道，一次水旁流管道设有第一调节阀，一次侧管路中短接部两端的一次水流通管道的入口或出口均设有第二调节阀。
进一步的，所述一次侧管路的短接部中至少一组相邻的一次水流通管道之间设有与第一调节阀的入口侧连通的分隔旁流管道，分隔旁流管道设有第三调节阀。
进一步的，所述分隔旁流管道的出口设有跨度旁流管道，跨度旁流管道的出口连接一次水旁流管道侧未短接的一次水流通管道对应的出口，跨度旁流管道设有第四调节阀。
进一步的，所述冷却段包括相互分离的冷却管道和二次水流通管道；多个冷却管道依次串联后构成冷却单元的一次侧管路，多个二次水流通管道依次串联后构成冷却单元的二次侧管路。
进一步的，所述再生段和冷却段中的一次流体为液态金属、有机溶液、水、气体中的任意一种。
进一步的，所述冷却段中的二次冷却流体为水、气体、有机溶液中的任意一种。
第二方面，提供了一种控制方法，该方法应用于如第一方面中任意一项所述的一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构，包括以下步骤：
换热正常运行时，控制第一调节阀关闭以及第二调节阀开启；
换热功率不足时，控制相应的第一调节阀开启以及第二调节阀关闭，以通过调节相应的一次水流通管短路来提升冷却单元的换热温差。
进一步的，当开启所述一次水旁流管道后换热功率超出时：
则控制相应的第一调节阀关闭和第三调节阀开启；
以及，控制一次水旁流管道可短接覆盖范围中分隔旁流管道前侧的第二调节阀关闭，后侧的第二调节阀开启。
进一步的，当开启所述一次水旁流管道后换热功率仍不足时：
则控制相应的第一调节阀和第二调节阀关闭；
以及，控制相应连通的第三调节阀和第四调节阀开启。
进一步的，所述再生式换热器结构的换热功率部分不足或超出时，则控制第一调节阀和/或第二调节阀开启程度以实现不超过一个一次水流通管道短接所产生的换热功率范围调节。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构，在再生式换热器的再生单元内设置一次水旁流管道，可以将再生单元中的一次水在流通路径上部分不经过二次侧冷却，从而提升再生单元一次水出口温度，以增加一次水进入冷却单元的温度，达到提升再生式换热器对外换热的能力；
2、本发明中一次水旁流管道的开启依赖于一次水流量和入口温度，在一定流量和入口温度下，为保持再生单元一次侧出口温度不超过限值，此时可以取较小的再生段短接比例，甚至不开启旁流管道阀门；在较低的入口温度和流量时，可以视实际换热情况开启一定数量的旁流管道阀门，从而部分缩短或较大缩短再生单元的换热面积，从而达到提升再生单元一次侧出口温度并提升再生式换热器对外换热功率的能力，实现再生式换热器在一定一次水流量和温度下的宽泛围换热功率覆盖；
3、本发明还通过对不超过一个一次水流通管道短接所产生的换热功率范围进行调节，再生式换热器换热能力与需求功率精准匹配。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的整体结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、再生单元；2、冷却单元；3、再生段；4、一次水流通管道；5、二次流道管道；6、冷却段；7、冷却管道；8、二次水流通管道；9、一次水旁流管道；10、第一调节阀；11、第二调节阀；12、分隔旁流管道；13、第三调节阀；14、跨度旁流管道；15、第四调节阀。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构，如图1所示，包括再生单元1和冷却单元2。再生单元1由多个再生段3依次串联构成，冷却单元2由一个或多个冷却段6组成，冷却单元2中冷却段6的数量可与再生段3的数量不一致。
再生段3包括相互分离的一次水流通管道4与二次流道管道5，多个一次水流通管道4依次串联后构成再生单元1的一次侧管路，多个二次流道管道5依次串联后构成再生单元1的二次侧管路。再生单元1设有可将一次侧管路中一个或多个一次水流通管道4短接的一次水旁流管道9，一次水旁流管道9设有第一调节阀10，一次侧管路中短接部两端的一次水流通管道4的入口或出口均设有第二调节阀11。需要说明的是，一次水旁流管道9能够短接的一次水流通管道4数量可以是一个或多个，且再生单元1中一次水旁流管道9的数量、位置不受限制。
再生式换热器结构整体工作过程为：一次水依次流经再生单元1的一次侧管路、冷却单元2的一次侧管路、再生单元1的二次侧管路，二次水流经冷却单元2的二次侧管路。当换热功率不足时，将部分一次水流通管道4短接，使得再生单元1中的一次水在流通路径上部分不经过二次侧冷却，从而提升再生单元1一次水出口温度，以增加一次水进入冷却单元2的温度，达到提升再生式换热器对外换热的能力。
此外，一次侧管路的短接部中相邻的一次水流通管道4之间设有与第一调节阀10的入口侧连通的分隔旁流管道12，分隔旁流管道12设有第三调节阀13。需要说明的是，分隔旁流管道12可以设置一个或多个，且分隔旁流管道12的位置不受限制。
分隔旁流管道12的出口设有跨度旁流管道14，跨度旁流管道14的出口连接一次水旁流管道9侧未短接的一次水流通管道4对应的出口，跨度旁流管道14设有第四调节阀15。
冷却段6包括相互分离的冷却管道7和二次水流通管道8。
作为一种可选的实施方式，多个冷却管道7依次串联后构成冷却单元2的一次侧管路，多个二次水流通管道8依次串联后构成冷却单元2的二次侧管路。冷却单元2中的冷却方式和冷却性能不受限制。
需要说明的是，再生段3和冷却段6中的一次流体为液态金属、有机溶液、水、气体中的任意一种。此外，冷却段6中的二次冷却流体为水、气体、有机溶液中的任意一种。
再生式换热器结构的种控制方法具体为：换热正常运行时，控制第一调节阀10关闭以及第二调节阀11开启；换热功率不足时，控制相应的第一调节阀10开启以及第二调节阀11关闭，以通过调节相应的一次水流通管短路来提升冷却单元2的换热温差。
当开启一次水旁流管道9后换热功率超出时：则控制相应的第一调节阀10关闭和第三调节阀13开启；以及，控制一次水旁流管道9可短接覆盖范围中分隔旁流管道12前侧的第二调节阀11关闭，后侧的第二调节阀11开启。
当开启一次水旁流管道9后换热功率仍不足时：则控制相应的第一调节阀10和第二调节阀11关闭；以及，控制相应连通的第三调节阀13和第四调节阀15开启。
此外，再生式换热器结构的换热功率部分不足或超出时，则控制第一调节阀10和/或第二调节阀11开启程度以实现不超过一个一次水流通管道4短接所产生的换热功率范围调节。可以根据实际换热情况不要求各阀门在应对相应换热条件时一定处于关闭状态，通过调小流量的方式实现一次水流量、温度及换热功率需求等热工相关参数上的匹配。
例如，再生单元1一次侧出口温度未超过限值时，若换热功率不足，可以关闭F1、F4、F5三个阀门，实现一段再生段3的短接；或关闭F1、F2、F3三个阀门，实现两段再生段3的短接；或关闭F1、F2、F4三个阀门，实现三段再生段3的短接。结合一次水温度及流量与对换热功率的需求，可以通过关闭系列阀门来调节再生单元1参与热交换的换热面积比例，示例中实现了10％～30％的再生单元1换热面积缩减，在一次流低流量和低温度运行情况下，可以在效提升再生单元1一次侧出口温度，从而提升冷却单元2换热温差，实现提升再生式换热器对外换热的能力。
此外，本实施例中各个调节阀的类型不受限制，且可依据需求增加额外的阀体。
工作原理：本发明在再生式换热器的再生单元1内设置一次水旁流管道9，可以将再生单元1中的一次水在流通路径上部分不经过二次侧冷却，从而提升再生单元1一次水出口温度，以增加一次水进入冷却单元2的温度，达到提升再生式换热器对外换热的能力；此外，一次水旁流管道9的开启依赖于一次水流量和入口温度，在一定流量和入口温度下，为保持再生单元1一次侧出口温度不超过限值，此时可以取较小的再生段3短接比例，甚至不开启旁流管道阀门；在较低的温度和流量时，可以视实际换热情况开启一定数量的旁流管道阀门，从而部分缩短或较大缩短再生单元1的换热面积，从而达到提升再生单元1一次侧出口温度并提升再生式换热器对外换热功率的能力，实现再生式换热器在一定一次水流量和温度下的宽泛围换热功率覆盖。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构，包括再生段(3)和冷却段(6)，其特征是，多个所述再生段(3)依次串联构成再生单元(1)，至少一个所述冷却段(6)构成冷却单元(2)；
所述再生段(3)包括相互分离的一次水流通管道(4)与二次流道管道(5)，多个一次水流通管道(4)依次串联后构成再生单元(1)的一次侧管路，多个二次流道管道(5)依次串联后构成再生单元(1)的二次侧管路；
所述再生单元(1)设有可将一次侧管路中至少一个一次水流通管道(4)短接的一次水旁流管道(9)，一次水旁流管道(9)设有第一调节阀(10)，一次侧管路中短接部两端的一次水流通管道(4)的入口或出口均设有第二调节阀(11)。
2.根据权利要求1所述的一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构，其特征是，所述一次侧管路的短接部中至少一组相邻的一次水流通管道(4)之间设有与第一调节阀(10)的入口侧连通的分隔旁流管道(12)，分隔旁流管道(12)设有第三调节阀(13)。
3.根据权利要求2所述的一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构，其特征是，所述分隔旁流管道(12)的出口设有跨度旁流管道(14)，跨度旁流管道(14)的出口连接一次水旁流管道(9)侧未短接的一次水流通管道(4)对应的出口，跨度旁流管道(14)设有第四调节阀(15)。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构，其特征是，所述冷却段(6)包括相互分离的冷却管道(7)和二次水流通管道(8)；多个冷却管道(7)依次串联后构成冷却单元(2)的一次侧管路，多个二次水流通管道(8)依次串联后构成冷却单元(2)的二次侧管路。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构，其特征是，所述再生段(3)和冷却段(6)中的一次流体为液态金属、有机溶液、水、气体中的任意一种。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构，其特征是，所述冷却段(6)中的二次冷却流体为水、气体、有机溶液中的任意一种。
7.一种控制方法，其特征是，该方法应用于如权利要求1-6任意一项所述的一种具有宽范围工作功率的再生式换热器结构，包括以下步骤：
换热正常运行时，控制第一调节阀(10)关闭以及第二调节阀(11)开启；
换热功率不足时，控制相应的第一调节阀(10)开启以及第二调节阀(11)关闭，以通过调节相应的一次水流通管短路来提升冷却单元(2)的换热温差。
8.根据权利要求7所述的一种控制方法，其特征是，当开启所述一次水旁流管道(9)后换热功率超出时：
则控制相应的第一调节阀(10)关闭和第三调节阀(13)开启；
以及，控制一次水旁流管道(9)可短接覆盖范围中分隔旁流管道(12)前侧的第二调节阀(11)关闭，后侧的第二调节阀(11)开启。
9.根据权利要求7所述的一种控制方法，其特征是，当开启所述一次水旁流管道(9)后换热功率仍不足时：
则控制相应的第一调节阀(10)和第二调节阀(11)关闭；
以及，控制相应连通的第三调节阀(13)和第四调节阀(15)开启。
10.根据权利要求7所述的一种控制方法，其特征是，所述再生式换热器结构的换热功率部分不足或超出时，则控制第一调节阀(10)和/或第二调节阀(11)开启程度以实现不超过一个一次水流通管道(4)短接所产生的换热功率范围调节。
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