CN206116027U - 一种高换热非能动安全壳冷却*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高换热非能动安全壳冷却***，包括：安全壳，安全壳的内侧侧壁和/或外侧侧壁上设有翅片，安全壳冷却***中的液体喷淋到安全壳的外壁面和翅片形成液膜对安全壳进行冷却，空气通过空气入口后依次经过导风外廊和导风内廊，并将由液膜传递到其中的热量从空气出口排出。实施本实用新型的高换热非能动安全壳冷却***，能够大幅提高液膜对流换热和空气对流换热的效率；有助于抑制事故后早期的安全壳压力峰值，提高了安全壳抵御极端事件的能力;显著提高换热功率，提升安全可靠性。

Description

一种高换热非能动安全壳冷却***

技术领域

本实用新型涉及核电领域，尤其涉及一种高换热非能动安全壳冷却***。

背景技术

现有核电厂事故后依靠安全壳冷却水箱（PCCWST）内低温水对钢制安全壳外壁面实施喷淋冷却的非能动方式中，主要存在如下技术问题：

1、在安全壳的顶部承载巨大贮水箱的结构，其在强地震、海嘨、***等极端事件中极易导致结构破坏并丧失安全功能。

2、通过在钢制安全壳外壁面建立一层水膜，利用水膜的蒸发和对流进行热量移除的非能动方式，液膜与钢制安全壳的对流换热效率较低；液膜在钢制安全壳外表面若不能完全蒸发，将沿垂直方向下流至钢制安全壳底部，被直接排除掉，这些没有完全蒸发的液体没有完全吸收热量，从而导致了冷却水的浪费；液膜不能覆盖100%钢制安全壳外表面，如果增大喷淋流量、可以增大液膜覆盖率，但是增大喷淋流量却会导致更多的冷却水浪费。

3、PCCWST水箱内的水容积仅满足短时间（例如：72小时，安全壳结构不足以承担更大负荷）的功能需求。而在极端自然灾害情况下，诸如福岛核事故情形下，在很长时间内完全丧失厂内外交流电源，当PCCWST的水箱排空之后，没有动力源驱动再循环泵向其补水。如果只依靠空气对流的方式在安全壳外壁面冷却，不足以排出堆内余热，安全壳内高压会造成安全壳破裂，会造成事故后果急剧恶化。

4、当用于喷淋的顶部水箱中水用完之后，只能依靠空气入口和空气出口之前的空气流动来带走安全壳外壁面的热量，但是空气带热的能力很差，需要采用一定技术提高其换热能力。

5、由于安全壳内往往在事故初期达到压力峰值，即事故初期是最需要得到有效冷却的时段，而基于实验得到的PCCS建立水膜的延迟时间长达337秒，换热的及时性不高；同时，根据西屋公司的实验，水膜建立的覆盖率、排热能力至今未得到充分的验证。

由此可见，安全壳热容量和热移除是非能动压水堆核电厂进一步提升功率所面临的瓶颈问题，如果采用对原设计简单扩容的方法，例如：增大安全壳容积和表面积、增大冷却水储存箱容积等方式，已不能满足大功率条件下的功能需求，不利于电厂整体经济型和安全性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种高换热非能动安全壳冷却***，能够大幅提高液膜对流换热和空气对流换热的效率；有助于抑制事故后早期的安全壳压力峰值，提高了安全壳抵御极端事件的能力;显著提高换热功率，提升安全可靠性。

为了解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供了一种高换热非能动安全壳冷却***，包括：安全壳，安全壳的内侧侧壁和/或外侧侧壁上设有翅片；设置在安全壳外部的混凝土屏蔽层，混凝土屏蔽层和安全壳的外壁之间设有空气折流板，混凝土屏蔽层和空气折流板之间形成用以对进入混凝土屏蔽层和安全壳外壁之间的空气进行导流的导风外廊，空气折流板和安全壳外壁之间形成与导风外廊相连通的导风内廊；混凝土屏蔽层上分别开设空气入口和空气出口；以及设置在安全壳顶部上方的安全壳冷却***，其中：安全壳冷却***中的液体喷淋到安全壳的外壁面和翅片形成液膜对安全壳进行冷却，空气通过空气入口后依次经过导风外廊和导风内廊，并将由液膜传递到其中的热量从空气出口排出。

其中，翅片设置为多片，多片翅片等距均匀地环绕布置在安全壳的外侧侧壁上。

其中，多片翅片布置为垂直方向或倾斜一定的角度。

其中，翅片上开设有贯通孔，以使不同翅片所形成流道之间的流体或空气可以横向流动。

其中，安全壳冷却***包括：设置在安全壳顶部上方的安全壳冷却水箱和与安全壳冷却水箱相连的喷淋管道，安全壳冷却水箱中的水可通过喷淋管道喷淋到安全壳的顶部。

其中，安全壳为由不锈钢材料制成的密封罐体。

本实用新型所提供的高换热非能动安全壳冷却***，具有如下有益效果：

第一、安全壳冷却装置中的液体喷淋到安全壳的外壁面形成液膜对安全壳进行冷却，空气通过空气入口后依次经过导风外廊和导风内廊，并将由液膜传递到其中的热量从空气出口排出。根据传统经验，翅壳式换热面相对壳式换热面的换热系数可以提高3~5倍，因此，无论是液体的对流换热还是空气的对流换热，换热能力将大大提升。在72小时后，仅依靠空气与钢制安全壳外壁面的对流换热，就可以带走安全壳内热量。

第二，安全壳的内侧侧壁和/或外侧侧壁上设有翅片，可以实现对液膜的导向作用，从而增大钢制安全壳外壁面液膜覆盖率，可以大大提高液膜对流换热和空气对流换热的效率；液膜覆盖率的提升和液膜换热效率的提高，有助于抑制事故后早期的安全壳压力峰值，提高安全壳抵御极端事件的能力，从而提高了核电厂的安全性和可靠性。

第三、翅片可以进行导流和增强换热，在进行精确的流量设计后，可避免流体流至安全壳底部时还未被完全蒸发，即不会有流体的浪费。大大减小安全壳顶部水箱的体积，大幅提高核电厂安全壳结构的强度和稳定性。

第四、由于翅片增大了传热面积、增强了换热效果，因此即便是顶部水箱的水排空、只能依靠空气带热的情况，本实用新型的***依然能够提供较强的换热能力。

第五、实现全程非能动技术，无需人工操作、直流电源或泵，事故后很长时间无需电源。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例高换热非能动安全壳冷却***的结构示意图。

图2是本实用新型实施例高换热非能动安全壳冷却***的安全壳布置翘片的俯视结构示意图。

具体实施方式

本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

结合参见图1-图2所示，为本实用新型高换热非能动安全壳冷却***的实施例一。

本实施例中的高换热非能动安全壳冷却***包括：钢制安全壳1，钢制安全壳1的内侧侧壁和/或外侧侧壁上设有翅片11；设置在钢制安全壳1外部的混凝土屏蔽层2，混凝土屏蔽层2和钢制安全壳1的外壁之间设有空气折流板3；混凝土屏蔽层2和空气折流板3之间形成用以对进入混凝土屏蔽层2和钢制安全壳1外壁之间的空气进行导流的导风外廊3a，空气折流板2和钢制安全壳1外壁之间形成与导风外廊3a相连通的导风内廊3b；混凝土屏蔽层2上分别开设空气入口21和空气出口22；以及设置在钢制安全壳1顶部上方的安全壳冷却装置4，其中：安全壳冷却装置4中的液体喷淋到钢制安全壳1的外壁面和翅片11上形成液膜对钢制安全壳1进行冷却，空气通过空气入口21后依次经过导风外廊3a和导风内廊3b，并将由液膜传递到其中的热量从空气出口22排出。

具体实施时，钢制安全壳1为由不锈钢材料制成的密封罐体。将壳体设置成钢板，能够满足非能动核电厂安全壳抑制压力、包容放射性物质等功能需求。钢制安全壳1的主要功能是为在事故后包容反应堆释放出来的质量和能量（水蒸气），并包容放射性物质、避免其向大气环境进行无法控制的排放。

进一步的，钢制安全壳1的内侧侧壁和/或外侧侧壁上设有翅片11，本实施例中为钢制安全壳1的外侧侧壁，翅片11设置为多片，多片翅片11等距均匀地环绕布置在钢制安全壳1的外侧侧壁上。其中：翅片11可采用多种结构形式和布置方式，例如：多片翅片11布置为垂直方向或倾斜一定的角度，再如：翅片11上开设有贯通孔，以使不同翅片所形成流道之间的流体或空气可以横向流动。

钢制安全壳1的内侧侧壁和/或外侧侧壁上设有翅片11的作用是：翅片11可以对安全壳冷却装置4中喷淋到钢制安全壳1外壁面上的液体进行导流和增强换热，在进行精确的流量设计后，还可以避免液体流至钢制安全壳1底部时还未被完全蒸发，即不会有液体的浪费。也因此，可以大大减小钢制安全壳1顶部水箱的体积，大幅提高核电厂安全壳结构的强度和稳定性。

混凝土屏蔽层2设置在钢制安全壳1的外部，即绕钢制安全壳1外一周。混凝土屏蔽层2的主要作用是：抵抗外部撞击、支撑顶部安全壳冷却装置4以及屏蔽放射性。

具体地，在混凝土屏蔽层2垂直部分的上端位置设置空气入口21，空气入口21的主要作用是作为空气进入钢制安全壳1和混凝土屏蔽层2之间的入口。在混凝土屏蔽层2顶部设置通风出口22，进行空气的过滤排放。

进一步的，空气折流板3设置在混凝土屏蔽层2和钢制安全壳1的外壁之间，其为圆柱筒状，即绕钢制安全壳1外一周，空气折流板3具有实现空气导流的作用。混凝土屏蔽层2和空气折流板3之间形成用以对进入混凝土屏蔽层2和钢制安全壳1外壁之间的空气进行导流的导风外廊3a，空气折流板2和钢制安全壳1外壁之间形成与导风外廊3a相连通的导风内廊3b。通过设置导风外廊3a和导风内廊3b，能够增强自然循环。

安全壳冷却***4设置在钢制安全壳1的顶部，由混凝土屏蔽层2进行结构支撑。安全壳冷却装置4包括：设置在钢制安全壳1顶部上方的安全壳冷却水箱41和与安全壳冷却水箱41相连的喷淋管道42，安全壳冷却水箱41中的水可通过喷淋管道42喷淋到安全壳的顶部，这些水向下流动时由翅片11进行导向，在钢制安全壳1的外壁面形成液膜。

本实用新型所提供的高换热非能动安全壳冷却***在具体实施时，非能动安全壳冷却***在核电厂正常运行工况下不使用，只在事故后必要时自动投入使用。

一旦发生事故，反应堆中能量和热量以水蒸气的形式，通过一回路或二回路的破口释放到钢制安全壳1中，导致钢制安全壳1内温度和压力升高。水蒸气在钢制安全壳1内壁面冷凝，将热量传递给钢制安全壳。钢制安全壳1内高压力信号触发安全壳冷却水箱41底部所连接喷淋管道42上的阀门，阀门打开，安全壳冷却水箱41中的水通过喷淋管道42喷淋到安全壳的顶部，这些水向下流动时由翅片11进行导向，形成液膜，液膜对钢制安全壳1外壁面进行冷却。空气通过空气入口21进入导风外廊3a，在这里向下流动，到达空气折流板3的底部时，折流向上，在导风内廊3b向上流动，在这里吸收液膜传递给它的热量，即被加热，加热后的空气自动继续向上流动，通过通风出口22排出。这样，实现了从水蒸气、钢制安全壳内壁面、钢制安全壳、钢制安全壳外壁面、液膜以及空气的热量传递，即实现了对于安全壳的非能动冷却。

本实用新型所提供的高换热非能动安全壳冷却***，具有如下有益效果：

第一、现有非能动安全壳冷却***中，在安全壳的顶部承载巨大贮水箱，而本实用新型中，换热效率大大提高，水箱中的水可以得到充分的利用，从而可以减小冷却水的需求，进而减小顶部承载贮水箱的容积。

第二、安全壳冷却装置中的液体喷淋到安全壳的外壁面形成液膜对安全壳进行冷却，空气通过空气入口后依次经过导风外廊和导风内廊，并将由液膜传递到其中的热量从空气出口排出。翅片使空气对流的换热效率显著提升，在72小时后，仅依靠空气与钢制安全壳外壁面的对流换热，就可以带走安全壳内热量。

第三，安全壳的内侧侧壁和/或外侧侧壁上设有翅片，可以实现对液膜的导向作用，从而增大钢制安全壳外壁面液膜覆盖率，可以大大提高液膜对流换热和空气对流换热的效率；液膜覆盖率的提升和液膜换热效率的提高，有助于抑制事故后早期的安全壳压力峰值，提高安全壳抵御极端事件的能力，从而提高了核电厂的安全性和可靠性。

第四、翅片可以进行导流和增强换热，在进行精确的流量设计后，可避免流体流至安全壳底部时还未被完全蒸发，即不会有流体的浪费。大大减小安全壳顶部水箱的体积，大幅提高核电厂安全壳结构的强度和稳定性。

第五、实现全程非能动技术，无需人工操作、直流电源或泵，事故后很长时间无需电源。

Claims (6)

1.一种高换热非能动安全壳冷却***，其特征在于，包括：

安全壳，所述安全壳的内侧侧壁和/或外侧侧壁上设有翅片；

设置在所述安全壳外部的混凝土屏蔽层，所述混凝土屏蔽层和所述安全壳的外壁之间设有空气折流板，所述混凝土屏蔽层和所述空气折流板之间形成用以对进入所述混凝土屏蔽层和所述安全壳外壁之间的空气进行导流的导风外廊，所述空气折流板和所述安全壳外壁之间形成与所述导风外廊相连通的导风内廊；

所述混凝土屏蔽层上分别开设空气入口和空气出口；以及

设置在所述安全壳顶部上方的安全壳冷却***，其中：

所述安全壳冷却***中的液体喷淋到所述安全壳的外壁面和所述翅片上形成液膜对所述安全壳进行冷却，空气通过所述空气入口后依次经过所述导风外廊和所述导风内廊，并将由所述液膜传递到其中的热量从所述空气出口排出。

2.如权利要求1所述的高换热非能动安全壳冷却***，其特征在于，所述翅片设置为多片，所述多片翅片等距均匀地环绕布置在所述安全壳的外侧侧壁上。

3.如权利要求2所述的高换热非能动安全壳冷却***，其特征在于，所述多片翅片布置为垂直方向或倾斜一定的角度。

4.如权利要求1-3任一项所述的高换热非能动安全壳冷却***，其特征在于，所述翅片上开设有贯通孔。

5.如权利要求1-3任一项所述的高换热非能动安全壳冷却***，其特征在于，所述安全壳冷却***包括：设置在安全壳顶部上方的安全壳冷却水箱和与所述安全壳冷却水箱相连的喷淋管道，所述安全壳冷却水箱中的水可通过所述喷淋管道喷淋到所述安全壳的顶部。

6.如权利要求1所述的高换热非能动安全壳冷却***，其特征在于，所述安全壳为由不锈钢材料制成的密封罐体。