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CN102592690A - 一种浮头式铅铋换热装置及换热方法 - Google Patents

一种浮头式铅铋换热装置及换热方法 Download PDF

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周涛
刘梦影
李精精
邹文重
苏子威
吴宜灿
柏云清
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Abstract

本发明公开了属于核能热交换设备领域，特别涉及一种浮头式铅铋换热装置及换热方法。是一种在双侧实现流动传热的装置。在钢板包成的圆柱钢管壳上端连接上封头，浮头的浮头壳体固定在圆柱钢管壳的下端，一次侧浮头换热管支撑在圆柱钢管壳内的浮动管板上，二次侧冷却剂换热壳固定在圆柱钢管壳内壁，形成夹层换热通道；采用逆流式换热，也可以采用顺流式换热，其中侧铅铋合金流体走一次侧浮头换热管通道，冷却水走夹层换热通道。铅铋合金流与冷却剂换热，由此带走ADS反应堆产生的热量。本装置设有浮头，具有防止由于温差带来应力膨胀的特点；该装置具有较高的传热效率，结构紧凑，换热性能好，能承受较大温差，对冷却剂的温度无太大限制等特点。

Description

一种浮头式铅铋换热装置及换热方法
技术领域
本发明属于核能热交换设备领域，特别涉及一种浮头式铅铋换热装置及换热方法。具体说，具体说包括强迫循环和自然循环两种传热流动方式，是一种在双侧实现流动传热的装置。由铅铋换热装置管程内流动的铅铋合金传递给壳程流动的冷却剂水，并由冷却剂水带走热量，完成一个循环，由此带走在ADS次临界反应堆产生的热量，以保证ADS系统的正常安全运行。
背景技术
加速器驱动系统ADS(accelerate driven system，)是一种高效的核废物嬗变技术。其组成是：中能强流质子加速器；外源中子产生靶；次临界反应堆。由于ADS系统冷却剂采用的是铅铋合金流体，因此，有效地导出其带有的热量。目前，世界上还没有建成ADS反应堆，国外正进行实验回路研究。无论是欧洲实验加速器驱动系统(XADS)所采用的列管式中间换热器；还是意大利CIRCE管板式换热器；还有意大利NACIE自然循环实验回路设计的套管型换热器；再有意大利比萨大学采用钢螺旋片加强湍流作用同轴套管换热器；最后加上瑞典皇家理工学院(KTH)TALL单套管式换热，大部分采用套管式换热器。循环方式主要采取强迫循环，自然循环也越来越得到重视。国内目前ADS研究刚刚起步，正在开展铅铋实验回路设计研究。其中换热装置是很重要的一个环节，直接关系到实验回路的实现运行成功。
套管式换热器作为一种常用换热设备，其优点是结构简单，适用于高温高压流体，特别是小容量流体的传热。主要缺点是流动阻力大，金属消耗量多，而且体积大，占地面积大，故用于传热面积不大的换热器。另外，在需要带走由铅铋合金较大流量所携带热量时，就需要超过10米高的管道，加工制造比较困难。
管壳式换热器以其对温度、压力、介质的适应性，耐用性及经济性，在换热设备中始终占有70％的主导地位。因此管壳式换热器的标准化工作为世界多个工业发达国家所重视，也为ISO国际标准化组织所重视。管壳式换热器主要有固定管板式、U型管式和浮头式换热器。针对固定管板式与U型管式的缺陷，浮头式做了结构上的改进，两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，不会产生温差应力等优点，而且可拆卸抽出管束，检修更换换热管、清理管束和壳程污垢方便，因此，浮头式换热器应用最广泛，在油田集装储运系统中，60％～70％的换热器为浮头式换热器。考虑到铅铋换热装置端部温差较大，具有较大的膨胀压力，并需要带走铅铋合金较大流量所携带的热量，为更好、更安全地实现热量的有效传递，就必须设计一种传热装置，以更好地适应ADS系统的基本要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种浮头式铅铋换热装置及换热方法，其特征在于，该装置是一种在双侧进行流动传热的装置，具有强迫循环和自然循环两种流动传热方式；
所述浮头式铅铋换热装置的结构如下：在钢板包成的圆柱钢管壳10上端连接上封头11，上封头11顶端固定一次侧铅铋合金流体进口6、圆柱钢管壳10上段侧面固定二次侧冷却水出口9，圆柱钢管壳10下段侧面固定二次侧冷却剂水入口8，一次侧换热管2支撑在圆柱钢管壳10内的浮动管板15上，二次侧冷却剂换热壳4固定在圆柱钢管壳10内壁，形成夹层换热通道；浮头5的浮头壳体固定在圆柱钢管壳10下端，一次侧铅铋合金流体出口7固定在浮头壳体16的端部中央。
所述浮头的结构为在浮头壳体16内浮动管板15固定在浮头法兰12上部，浮头盖13固定在浮头法兰12下部；浮头法兰12不与浮头壳体16固定连接；浮头盖13与浮头壳体16之间形成浮头滑动空间14。
所述圆柱钢管壳与浮头壳体16及上封头11均为法兰连接。
所述一次侧浮头换热管在浮动管板上的排列方式为排列角为30°的正三角形A、排列角为60°的转角正三角形B、排列角为90°的正方形C、排列角为45°的转角正方形D排列或者同心圆排列E；这些排列方式单独使用或组合使用。
所述铅铋合金换热装置两侧流体的流动，即可以在回路系统中增加泵装置，使其强迫循环流动换热，也可以在回路系统中不增加泵装置，使其自然循环换热，两种传热流动方式；两侧流动换热形式可以相同，也可也不同。
所述换热装置的浮头，在浮头滑动空间内上下移动，有效防止由于温差带来应力膨胀。
所述铅铋合金换热装置机械部分材料为铝合金、奥氏体钢或陶瓷材料。
所述换热装置采取立式布置或采取卧式布置。
所述浮头式铅铋换热装置的换热方法，换热过程如下：铅铋合金流体1从一次侧铅铋合金流体进口6流入；经一次侧换热管2与从二次侧冷却剂水入口8流入二次侧冷却剂换热壳体4内流动的冷却剂水3进行流动换热；然后，换热后的铅铋合金流体1从一次侧铅铋合金流体出口7流出，换热后的冷却剂水3从二次侧冷却水出口9流出；浮头依据温差的不同上下移动，由此实现热量的导出，完成一个循环。
所述流动换热为逆流式换热，即铅铋合金流动方向和二次侧冷却剂水流动方向相反，比采用顺流式换热带来较高的传热效率。
本发明的有益效果是该装置由于设有浮头，具有防止由于温差带来应力膨胀的特点。该装置具有结构紧凑，换热性能好，冷却剂温度限制少等特点，容易实现推广。换热管排列方式考虑到应力要求均布、紧凑，并考虑清扫和整体结构的要求，与正方形排列相比传热系数高，可节省15％的管板面积，适用于不生污垢或可用化学清洗结垢及允许压降较高的工况。
附图说明
图1是一种浮头式铅铋换热装置示意图。
图2是浮头式换热器管束排列方式示意图。
图3是浮头式换热器浮头侧剖面图。
具体实施方式
本发明提供一种浮头式铅铋换热装置。本铅铋合金换热装置机械部分采用铝合金、奥氏体钢或陶瓷材料制作，一次侧浮头换热管的内直径为10mm-60mm；圆柱钢管壳壳体直径为100mm-600mm，壁厚均为1-6mm、长度为1m-6m。换热装置采取立式布置或采取卧式布置均可。下面结合附图予以说明。
图1是浮头式铅铋换热装置示意图。图中，在钢板包成的圆柱钢管壳10上端采用法兰连接上封头11，上封头11顶端固定一次侧铅铋合金流体进口6、圆柱钢管壳10上段侧面固定二次侧冷却水出口9，圆柱钢管壳10下段侧面固定二次侧冷却剂水入口8，一次侧换热管2支撑在圆柱钢管壳10内的浮动管板15上，二次侧冷却剂换热壳体4固定在圆柱钢管壳10内壁，形成夹层换热通道；浮头5的浮头壳体16采用法兰固定在圆柱钢管壳10下端，一次侧铅铋合金流体出口7固定在浮头壳体16的端部中央。在浮头壳体16内，浮动管板15固定在浮头法兰12上部，浮头盖13固定在浮头法兰12下部；在浮头盖13与浮头壳体16之间形成浮头5滑动空间14，浮头法兰12不与浮头壳体16固定连接，使浮头5在浮头滑动空间14内上下移动(如图3所示)；因此管束的热膨胀不受壳体的约束，壳体和管束之间不会因差胀而产生热应力，有效防止由于温差带来应力膨胀，避免由于应力膨胀而产生的事故隐患。
上述一次侧换热管2在浮动管板15上的排列方式为排列角为30°的正三角形A、排列角为60°的转角正三角形B、排列角为90°的正方形C、排列角为45°的转角正方形D排列和同心圆排列E等(如图2所示)；这些排列方式可以单独一种使用，也可以两种以上组合使用这些排列方式考虑到应力要求均布、紧凑，并考虑清扫和整体结构的要求，与正方形排列相比传热系数高，可节省15％的管板面积，适用于不生污垢或可用化学清洗结垢及允许压降较高的工况。
所述铅铋合金换热装置两侧流体的流动，即可以是依靠回路中的泵使其强迫循环流动换热，也可以不依靠泵，通过流体自身的密度差使其是自然循环换热，两种传热流动方式；两侧流动换热形式可以相同，也可也不同。
所述浮头式铅铋换热装置的换热方法，换热过程如下：铅铋合金流体1从一次侧铅铋合金流体进口6流入；经一次侧换热管2与从二次侧冷却剂水入口8流入二次侧冷却剂换热壳体4内流动的冷却剂水3进行流动换热；然后，换热后的铅铋合金流体1从一次侧铅铋合金流体出口7流出，换热后的冷却剂水3从二次侧冷却水出口9流出；浮头依据温差的不同上下移动，由此实现将来自ADS系统产生热量导出，完成一个循环。
本装置的流动换热为逆流式换热，即铅铋合金流动方向和二次侧冷却剂水流动方向相反，比采用顺流式换热带来较高的传热效率。

Claims (10)

1.一种浮头式铅铋换热装置，其特征在于，该装置是一种在双侧进行流动传热的装置，所述浮头式铅铋换热装置的结构如下：在钢板包成的圆柱钢管壳(10)上端连接上封头(11)，上封头(11)顶端固定一次侧铅铋合金流体进口(6)、圆柱钢管壳(10)上段侧面固定二次侧冷却水出口(9)，圆柱钢管壳(10)下段侧面固定二次侧冷却剂水入口(8)，一次侧换热管(2)支撑在圆柱钢管壳(10)内的浮动管板(15)上，二次侧冷却剂换热壳体(4)固定在圆柱钢管壳(10)内壁，形成夹层换热通道；浮头(5)的浮头壳体固定在圆柱钢管壳(10)下端，一次侧铅铋合金流体出口(7)固定在浮头壳体(16)的端部中央。
2.根据权利要求1所述一种浮头式铅铋换热装置，其特征在于，所述浮头的结构为在浮头壳体(16)内浮动管板(15)固定在浮头法兰(12)上部，浮头盖(13)固定在浮头法兰(12)下部；浮头法兰(12)不与浮头壳体(16)固定连接；浮头盖(13)与浮头壳体(16)之间形成浮头滑动空间(14)。
3.根据权利要求1所述一种浮头式铅铋换热装置，其特征在于，所述圆柱钢管壳与浮头壳体(16)及上封头(11)均为法兰连接。
4.根据权利要求1所述一种浮头式铅铋换热装置，其特征在于，所述一次侧浮头换热管在浮动管板上的排列方式为排列角为30°的正三角形(A)、排列角为60°的转角正三角形(B)、排列角为90°的正方形(C)、排列角为45°的转角正方形(D)排列或者同心圆排列(E)；这些排列方式单独使用或组合使用。
5.根据权利要求1所述一种浮头式铅铋换热装置，其特征在于，所述换热装置的浮头，在浮头滑动空间内上下移动，有效防止由于温差带来应力膨胀。
6.根据权利要求1所述一种浮头式铅铋换热装置，其特征在于，所述铅铋合金换热装置机械部分材料为铝合金、奥氏体钢或陶瓷材料。
7.根据权利要求1所述一种浮头式铅铋换热装置，其特征在于，所述换热装置采取立式布置或采取卧式布置。
8.一种浮头式铅铋换热装置的换热方法，其特征在于，所述浮头式铅铋换热装置的换热方法，换热过程如下：铅铋合金流体(1)从一次侧铅铋合金流体进口(6)流入；经一次侧换热管(2)与从二次侧冷却剂水入口(8)流入二次侧冷却剂换热壳体(4)内流动的冷却剂水(3)进行流动换热；然后，换热后的铅铋合金流体(1)从一次侧铅铋合金流体出口(7)流出，换热后的冷却剂水(3)从二次侧冷却水出口(9)流出；浮头依据温差的不同上下移动，由此实现热量的导出，完成一个循环。
9.根据权利要求8所述浮头式铅铋换热装置的换热方法，其特征在于，所述流动换热为逆流式换热，即铅铋合金流动方向和二次侧冷却剂水流动方向相反，比采用顺流式换热带来较高的传热效率。
10.根据权利要求8所述浮头式铅铋换热装置的换热方法，其特征在于，所述铅铋合金换热装置两侧流体的流动即可以是通过回路系统增加泵装置，使得其强迫循环流动换热，回路系统也可以不增加泵装置使其自然循环换热，两种传热流动方式；两侧流动换热形式可以相同，也可也不同。
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