一种采用双轮双叶复合动力吸气式的安全壳内置高效换热器

1.本发明涉及的是非能动安全壳冷却系统高效换热设备，具体是指一种采用双轮双叶复合动力吸气式的安全壳内置高效换热器。


背景技术：

2.近些年随着世界能源的匮乏，许多清洁能源都得到了迅速的发展，其中核能是所有清洁能源中发展较快的，对于满足我国的电力需求、优化能源结构，减少环境污染具有至关重要的作用。然而核能在给人类带来清洁高效的能源的同时，也带来了诸多风险。如何增强核电站的安全性一直是相关研究人员关注的重点。为了缓解事故发生的严重后果和有效保障核电厂的安全性，在第三代核电技术中广泛应用了非能动安全壳冷却系统。
3.上述的非能动安全壳冷却系统通常由安全壳内置换热器、安全壳外置换热水箱以及连接换热水箱和换热器的管线及阀门组成。当反应堆发生破口事故时，安全壳内会产生大量高温高压蒸汽，其与内置换热器的传热管接触形成冷凝换热过程，换热器上管段的水温不断升高，密度不断减小。在上管段和下管段重位差的驱动下形成自然循环流动，有效地导出安全壳内部的热量，防止安全壳超温超压。
4.在反应堆发生事故时，为了增强安全壳内热量导出能力，需考虑安全壳非能动换热器的强化换热措施。在冷凝换热过程中少量的不凝性气体就对冷凝换热有明显的抑制作用，因此可以考虑减少传热管附近以及安全壳上部气空间的高浓度空气来增强换热器的换热能力。在现有的专利中，有些发明只针对了换热水箱长期运行能力，未能考虑安全壳内置换热器的换热能力。比如专利号为cn201611061901.7、cn201810662023.7的专利都设计了新型换热水箱的强化换热结构，使得非能动安全壳冷却系统能够长期的导出安全壳内热量。公开号为cn202614053u、cn108206064a、cn206907494u的专利分别提供了新型的非能动换热系统结构。但这些专利并未考虑增强内置换热器本身的换热能力。由于事故阶段会有大量不凝性气体附着在内置换热器传热管表面，对冷凝换热能力影响较大，而已公开的专利中未能针对这一问题形成有效的方案。
5.因此，有必要发明一种采用双轮双叶复合动力吸气式的安全壳内置高效换热器，通过吸走传热管周围以及安全壳整个上部空间的高浓度空气，来增强换热器的换热能力，从而高效的带走安全壳发生破口事故时产生的大量蒸汽。防止安全壳内部超温超压，提高核电站安全运行的能力。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种采用双轮双叶复合动力吸气式的安全壳内置高效换热器，以实现安全壳内热量高效导出，确保安全壳结构上的完整性并为降低安全壳的建造成本提供可行方案。
7.本发明的目的是这样实现的：安全壳内置的换热器包括换热器入口联箱、换热器出口联箱、换热管束、用于连接换热器和安全壳外置换热水箱的上管段和下管段，换热管束
分别联通换热器入口联箱和换热器出口联箱，还包括通过支撑柱与安全壳内壁连接的复合动力吸气系统，复合动力吸气系统包括输水结构、水斗式水轮、喷流结构、吸气结构一、吸气结构二、排水管、排气管，所述输水结构包括相互连接的漏斗及漏斗输水管，漏斗位于换热管束下方，所述水斗式水轮包括设置在漏斗输水管内的转盘、均匀设置在转盘上的水斗，喷流结构包括与漏斗输水管下端连接的喷管、设置喷管端部的喷嘴；吸气结构一包括吸气叶轮一、吸气管一，转盘所在主轴通过齿轮转向箱将运动传递给吸气叶轮所在轴，吸气叶轮位于从动壳体二内，吸气管二的一端连接在从动壳体二上、另一端伸至换热管束处；吸气结构二包括设置在喷嘴出口处的转轮、吸气叶轮二及吸气管二，转轮所在轴通过齿轮转向箱将运动传递给吸气叶轮二所在轴，喷嘴和转轮位于主动壳体内，吸气叶轮位于从动壳体二内，吸气管二的一端连接在从动壳体二上、另一端伸至换热管束处；从动壳体一、从动壳体二、主动壳体通过支撑柱与安全壳内壁连接，所述排水管一端设置在转轮下部的主动壳体上、另一端伸至堆坑侧壁面处；排气管有两个，且每个排气管的一端设置在对应吸气叶轮下部、另一端伸至安全壳底部。
8.本发明还包括这样一些结构特征：
9.1.还包括两个储气隔间，储气隔间采用圆柱形罐体，下部与安全壳底部固定，两个排气管端部伸入至储气隔间内，储气隔间下部设置均气孔板、上部设置两个并列的圆形排气孔。
10.2.换热器管束为直管光管或螺旋光管。
11.3.所述的安全壳内置换热器入口联箱和出口联箱采用环形联箱。
12.4.当大量蒸汽在安全壳内置换热器上冷凝后，产生大量冷凝水，漏斗收集冷凝后的水，通过漏斗输水管继续向下流动，冷凝水首先到达水斗式水轮，击打水斗，使得水斗式水轮开始逆时针转动，其转动力传递给吸气叶轮，使得吸气叶轮在从动壳体一内快速转动，产生负压，形成一种抽吸力；通过吸气管一吸走换热管附近的高浓度不凝性气体膜，增强蒸汽与管束的接触，吸气叶轮吸入的不凝性气体通过排气管排到安全壳底部角落；第一次做功后的冷凝水继续向下流动到达喷流机构时，由于其水流势能及喷嘴的存在，对转轮产生喷流，使得转轮快速转动，其转动力传递给吸气叶轮二，使得吸气叶轮二快速转动，产生负压，形成一种抽吸力，通过吸气管二吸走换热管附近的不凝性气体膜，增强蒸汽与管束的接触，实现高效传热，喷嘴喷出水最后通过排水管排到堆坑里，淹没堆芯，对堆芯有效的降温降压；吸气叶轮二吸入的不凝性气体可通过排气管二排到安全壳底部角落。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
14.1)本发明在安全壳内置换热器中引入了复合动力吸气系统，包括自流式吸气系统和切击式吸气系统。其利用蒸汽冷凝后产生的水流势能，转化为的动能来吸走换热管周围的不凝性气体膜，可有效减薄管束轴向方向的气膜厚度，增强蒸汽与换热管之间的接触，强化安全壳内置换热器的冷凝换热能力。
15.2)本发明在输水结构上下部分别设置了两种吸气系统，可以更大程度的利用水流势能，在传热管两侧都布置有吸气装置，可以尽可能吸走传热管各个位置处的高浓度不凝性气体膜，强化内置换热器的冷凝换热能力。
16.3)本发明在反应堆发生严重事故时，可以高效的带走安全壳内热量，确保安全壳内部快速的降温降压，维持安全壳内的压力、温度在安全限值内，确保了安全壳结构上的完
整性并未降低安全壳的建造成本提供可行方案。
附图说明
17.图1是本发明的结构示意图；
18.图2是自流式吸气系统示意图；
19.图3是自流式吸气结构示意图；
20.图4a是自流式吸气结构仰视图，图4b是自流式吸气结构俯视图；
21.图5是切击式吸气系统示意图；
22.图6是切击式吸气结构示意图；
23.图7a是切击式吸气结构仰视图，图7b是切击式吸气结构俯视图。
具体实施方式
24.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
25.结合图1
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7，本发明提供一种采用双轮双叶复合动力吸气式的安全壳内置高效换热器。主要有安全壳内置换热器1、换热器入口联箱2、换热器出口联箱3、上管段4，下管段5、输水结构6、喷流结构7、齿轮转向箱8、吸气结构9、吸气管10、排气管11、排气管12、支撑柱13、安全壳内壁面14、安全壳气空间16。
26.本发明一种采用双轮双叶复合动力吸气式的安全壳内置高效换热器，包括换热器入口联箱、换热管、换热器出口联箱、自流式吸气系统以及切击式吸气系统。自流式吸气系统以及切击式吸气系统组成复合动力吸气系统。安全壳内置换热器管束优选采用直管光管或螺旋光管。安全壳内置换热器管束下部设置自流式吸气系统以及切击式吸气系统。上管段一端连通安全壳外置换热水箱底部入口，另一端伸入安全壳内部并连通换热器出口联箱；下管段一端连通安全壳外置换热水箱底部出口，另一端伸入安全壳内部并连通换热器入口联箱；
27.所述的安全壳内置换热器入口联箱和出口联箱采用环形联箱，换热器入口联箱设置为安全壳内置换热器入口，换热器出口联箱设置为安全壳内置换热器出口；
28.所述的换热管优选为直管光管或螺旋光管，换热管设置多根，优选采用环形均匀布置，其换热管分别连通安全壳内置换热器入口联箱和安全壳内置换热器出口联箱；
29.所述的上管段一端通过贯穿件伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器出口联箱，另一端连通换热水箱底部入口；
30.所述的下管段一端通过贯穿件伸入安全壳内部并连通安全壳内置换热器入口联箱，另一端连通换热水箱底部出口。
31.所述的自流式吸气系统包括输水结构、水斗式水轮、吸气结构、排气管以及齿轮转向箱，水斗式水轮安装在输水管内，与吸气结构相连。自流式吸气系统通过支撑柱与安全壳内壁面相连；所述的输水结构包括漏斗及漏斗输水管；吸气结构包括主轴、吸气叶轮、吸气管及壳体，吸气叶轮设置在壳体下部；水斗式水轮包括轮盘及水斗，其作用是把水流势能转换成动能；水斗式水轮和吸气叶轮的主轴通过齿轮转向箱传动，吸气管进气口设置在换热管附近，出气口连接壳体上部。排气管一端设置在吸气叶轮下部，一端设置在安全壳底部角落。
32.所述的切击式吸气系统包括输水结构、喷流结构、吸气结构、排水管以及排气管，输水结构与喷流结构相连，喷流结构与吸气结构相连，切击式吸气系统通过支撑柱与安全壳内壁面相连；所述的喷流结构包括喷管及喷嘴，其作用是把水流势能转换成射流动能；吸气结构包括转轮、主轴、吸气叶轮、吸气管及壳体，吸气叶轮设置在壳体下部。转轮包括轮盘及水斗，转轮通过主轴与吸气叶轮相连，吸气管进气口设置在换热管附近，出气口连接壳体上部。排水管一端设置在转轮下部，一端设置在堆坑侧壁面附近；排气管一端设置在吸气叶轮下部，一端设置在安全壳底部角落。
33.本发明主要应用于反应堆运行时发生的一回路或主蒸汽管道发生破裂事故。在反应堆发生事故期间，大量高温高压的蒸汽喷放进入安全壳气空间16，安全壳内压力和温度会不断上升。在喷放初期，蒸汽产生的温度和压力上升主要由安全壳内壁面14、堆坑和安全壳其他内部构件吸收；在喷放后期，安全壳内的热量主要由安全壳内置换热器1导出。
34.在反应堆事故期间，破口处释放的大量高温高压气体具有密度小和一定的初始动能，从而使得气体沿着安全壳内的气流向上流动。当蒸汽与安全壳内置换热器1接触时，蒸汽会大量冷凝，同时换热管外表面会聚集大量不凝性气体，从而每根换热管外表面都会形成高浓度不凝性气膜从而抑制蒸汽冷凝传热。为了减小气膜的抑制影响，更大程度地促进蒸汽的冷凝换热，设计了一种复合动力吸气系统，该系统包括两种不同方式的吸气系统：自流式吸气系统、切击式吸气系统。其中自流式吸气系统包括：输水结构(如图2)、水斗式水轮(如图2)及自流式吸气结构(如图3,4)。切击式吸气系统包括：输水结构(如图5)、喷流结构(如图5)及切击式吸气结构(如图6,7)。复合动力吸气系统可将蒸汽冷凝的水流势能更高效的转化为一种吸气的动能，从而吸走换热管附近的高浓度不凝性气体膜，使得蒸汽更好的在换热管外表面冷凝换热。通过设计的复合动力吸气系统，蒸汽在安全壳内置换热器1间高效冷凝换热，冲刷安全壳内置换热器1外壁面。当安全壳内置换热器1和上管段4被加热后，换热管内冷却水温度升高，密度下降，上管段4与下管段5之间会由于密度差形成驱动力，使得安全壳内置换热器1和安全壳外置换热水箱之间形成自然循环，持续的带走安全壳内的热量。
35.自流式吸气系统包括输水结构6、水斗式水轮18、自流式吸气结构9及排气管11。水斗式水轮18安装在输水结构6内，与自流式吸气结构22相连，自流式吸气系统通过支撑柱13与安全壳内壁面14相连。
36.切击式吸气系统包括输水结构6、喷流结构7、切击式吸气结构9、排气管11及排水管12。输水结构6与喷流结构7相连，喷流结构7与切击式吸气结构9相连，切击式吸气系统通过支撑柱13与安全壳内壁面14相连。
37.输水结构6包括漏斗16及漏斗输水管17，其作用是收集蒸汽冷凝后从安全壳内置换热器1上流下的水，输水管17中的水自上而下依次流过两个吸气系统；自流式吸气系统中水斗式水轮18包括轮盘及水斗19，其作用是把水流势能转换成射流动能。
38.自流式吸气结构9包括主轴20、齿轮转向箱8及吸气叶轮21；水斗式水轮18通过主轴20以及齿轮转向箱8与吸气叶轮21相连，设定水斗式水轮18为主动轮，吸气叶轮21为从动轮；吸气叶轮21、吸气管10及排气管11固定在从动壳体22上。
39.切击式吸气结构包括转轮26、主轴28、水斗27、吸气叶轮30、吸气管10及齿轮转向箱29；转轮26通过主轴28以及齿轮转向箱29与吸气叶轮30相连，设定转轮26为主动轮，吸气
叶轮30为从动轮；喷流机构7、主动轮及排水管12固定在主动壳体25上，从动轮、吸气管10及排气管11固定在从动壳体31上。
40.当大量蒸汽在安全壳内置换热器1上冷凝后，会产生大量冷凝水，从而在安全壳内置换热器1上沿重力方向向下流动，此时输水结构6中的漏斗16收集冷凝后的水，通过漏斗输水管17继续向下流动。冷凝水首先到达水斗式水轮18，由于其水流势能，击打水斗19，使得水斗式水轮18开始逆时针快速转动，其转动力通过主轴20以及齿轮转向箱8传递给吸气叶轮21，使得吸气叶轮21在从动壳体22内快速转动，产生负压，形成一种抽吸力。通过吸气管10吸走换热管附近的高浓度不凝性气体膜，增强蒸汽与管束的接触，实现高效传热。吸气叶轮21吸入的不凝性气体可通过排气管11排到安全壳底部角落，从而减少主流气空间15的不凝性气体份额，增加蒸汽的冷凝效率。
41.第一次做功后的冷凝水继续向下流动到达喷流机构7时，由于其水流势能及喷嘴24的存在，使得对转轮26产生喷流，击打水斗27，使得转轮26快速转动，其转动力通过主轴28传递给吸气叶轮30，使得吸气叶轮30在切击式吸气结构中快速转动，产生负压，形成一种抽吸力，通过吸气管10吸走换热管附近的不凝性气体膜，增强蒸汽与管束的接触，实现高效传热。喷嘴24喷出的水击打完水斗27后通过排水管12排到堆坑里，淹没堆芯，从而能对堆芯有效的降温降压。吸气叶轮30吸入的不凝性气体可通过排气管11排到安全壳底部角落，从而减少主流气空间15的不凝性气体份额，增加蒸汽的冷凝效率。
42.综上，本发明的目的在于提供一种采用双轮双叶复合动力吸气式的安全壳内置高效换热器，其主要由换热器入口联箱、换热管、换热器出口联箱、自流式吸气系统以及切击式吸气系统组成。安全壳内置换热器内换热管采用直管光管或螺旋光管。换热器出口联箱通过上管段与安全壳外置换热水箱相连，换热器入口联箱通过下管段与安全壳外置换热水箱相连，从而形成非能动安全壳冷却系统。所述的自流式吸气系统包括输水结构、水斗式水轮、吸气结构、排气管以及齿轮转向箱。所述的切击式吸气系统包括输水结构、喷流结构、吸气结构、排水管以及排气管。两种吸气系统分别布置在上下两部分，组成复合动力吸气系统，可将蒸汽冷凝的水流势能转化为射流动能，带动吸气结构转动，产生一种抽吸力，从而吸走换热管附近的不凝性气体膜，使得蒸汽更好的在换热管外表面冷凝换热。本发明在安全壳内发生破口事故时可高效的带走安全壳内部热量，其利用复合吸气系统可有效减薄不凝性气体膜，增强蒸汽与管束的接触，实现高效传热，确保事故条件下安全壳内部可高效的降温降压，增强安全壳的安全性并为降低安全壳的建造成本提供可行方案。