CN106782697A - 一种紧凑型换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种换热器，所述换热器包括管程侧和壳程侧，所述管程侧包括进口管、进口腔室、传热管束、出口腔室和出口管，所述热流体从进口管进入进口腔室，依次通过传热管束、出口腔室和出口管；所述壳程侧包括进口通道、内壳、外壳和出口腔室，所述冷流体依次通过进口通道、内壳和外壳限定的空间和出口腔室，进口腔室、传热管束、出口腔室设置在内壳和外壳限定的空间内，所述内壳和外壳是弧状布置，所述的传热管束呈弧形布置，所述传热管束的弧形和内壳、外壳的弧形具有相同的圆心。本发明换热器的换热管束为弧形结构，而且与内壳和外壳具有相同的弧形结构，可以在内壳和外壳的空间内自由地热胀冷缩,因此换热管束适用的温度范围和流体范围更广泛，大大拓展了换热器的应用范围。

Description

一种紧凑型换热器

技术领域

本发明属于换热器领域，涉及一种管壳式换热器，尤其涉及一种低流阻、紧凑式、具有更高自然循环能力和安全性的余热排出换热器。

背景技术

余热排出换热器是余热排出系统的热交换枢纽， 是关系到多种设备的的重要设备，例如核反应中的反应堆停堆的安全。目前，国际上第三代核电技术和先进船用核动力装置普遍采用了非能动余热排出系统，以进一步提高固有安全性，这要求余热排出冷却器的流阻尽量低以提高自然循环流量，船用核动力装置还要求余热排出冷却器紧凑体积小以节约堆舱布置空间。已有的余热排出冷却器大多数布置在安全壳或堆舱内，堆芯余热排至最终冷源还需要再经过一次热交换，如美国AP1000采用的核电技术的C型余热排出换热器，布置在安全壳冷却水箱冷却水内，冷却水蒸发在安全壳壳壁冷凝才能将热量导出安全壳，有些余热排出冷却器在传统换热器的基础上改进流道和流程使其适应自然循环系统，仍保留有壳侧，如“一种用于超临界水堆余热排出的自然循环换热器”（专利号：ZL201210301144.1）。针对上述问题，本发明提供了一种新的换热器，从而解决上述的问题。

发明内容

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种换热器，所述换热器包括管程侧和壳程侧，所述管程侧包括进口管、进口腔室、传热管束、出口腔室和出口管，所述热流体从进口管进入进口腔室，依次通过传热管束、出口腔室和出口管；所述壳程侧包括进口通道、内壳、外壳和出口腔室，所述冷流体依次通过进口通道、内壳和外壳限定的空间和出口腔室，其特征在于，进口腔室、传热管束、出口腔室设置在内壳和外壳限定的空间内，所述内壳和外壳是弧状布置，所述的传热管束呈弧形布置，所述传热管束的弧形和内壳、外壳的弧形具有相同的圆心。

作为优选，所述的内壳和外壳分别是堆舱的内壳和外壳，所述的热流体是高温反应堆的冷却剂，所述的冷流体是冷却水。

作为优选，所述出口通道比进口通道设置的位置高，所述的进口腔室比出口腔室设置的位置高。

作为优选，在出口通道设置孔板。

作为优选，所述的进口管和出口管与进口腔室和出口腔室相连接的部分也设置在弧状空间内。

作为优选，所述进口管和出口管与进口腔室和出口腔室相连接的部分为柔性结构或者弹性结构。

作为优选，所述传热管束外壁向外延伸的金属杆，所述金属杆端部为尖状结构，从传热管束外壁箱所述金属杆的端部的方向与冷流体的流动方向的相对。

作为优选，所述金属杆为多个，金属杆的分布密度M作为距离进口通道的函数F（S），即M=F(S),在同一根换热管束上， F’(S)>0，其中F’(S)是F（S）的一次导数。

作为优选，F"(S)>0，其中F"(S)是F（S）的二次导数。

作为优选，所述的内壳和外壳分别是堆舱的内壳和外壳，所述的热流体是高温反应堆的冷却剂，所述的冷流体是冷却水。

作为优选，所述出口通道比进口通道设置的位置高，所述的进口腔室比出口腔室设置的位置高。

作为优选，金属杆的分布密度M作为高度的函数F（H），即M=F(H), F’(H)>0，其中F’(H)是F（H）的一次导数。

作为优选，F"(H)>0，其中F"(H)是F（H）的二次导数。

作为优选，在出口通道设置孔板。

作为优选，所述的进口管和出口管为柔性管。

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1）换热器的换热管束为弧形结构，而且与内壳和外壳具有相同的弧形结构，可以在内壳和外壳的空间内自由地热胀冷缩。

2）换热管外部设置端部为尖状的杆，可以在气液两相流的流动中，一方面可以破坏层流底层，增加传热面积进行强化传热，而且因为是杆，流动阻力小，也不会增加壳程的流动阻力，而且通过设置尖端部，能够刺破气泡，实现扩大气液界面以及气相边界层并增强扰动。

3）通过设置金属杆沿着流体流动方向以及高度方向上的规律变化，进一步的提高了换热效果。

4）余热排出冷却器布置在安全壳或堆舱外，不占用安全壳或堆舱布置空间；

5）余热排出冷却器浸泡在冷却水大空间内，堆芯余热排出至最终冷源只需要一次热交换，大大缩短了余热排出的路径，提高了响应速率；

6）余热排出冷却器没有设置专门的壳程壳体，而是利用了安全壳或堆舱的内壳和外壳之间的夹层，流阻非常低，大大提高了自然循环能力。

7）换热器的高度位置可在夹层内上下调整，不受堆舱内其他设备管道的干涉限制，即可调节管程和壳程冷热芯高度差，从而实现管程和壳程的自然循环能力和载热能力的匹配。

附图说明

图1是低流阻紧凑式余热排出冷却器示意图；

图2是设置金属杆的换热管束的切面示意图；

图3是设置金属杆的另一换热管束的切面示意图；

图4是设置内翅片的换热管的切面示意图；

图5是换热管束展开的平面示意图。

图中：1-进口管；2-进口腔室；3-传热管束； 4-出口腔室；5-出口管；6-进口通道；7-内壳；8-外壳；9-出口通道；10-堆舱；11-冷源。

3-1金属杆，3-1-1尖状结构，3-1-2倾斜部分，水平部分3-1-3,3-2内翅片，3-3小通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

如图1所示，一种换热器，所述换热器包括管程侧和壳程侧，所述管程侧包括进口管1、进口腔室2、传热管束3、出口腔室4和出口管5，所述热流体从进口管1进入进口腔室2，依次通过传热管束3、出口腔室4和出口管5；所述壳程侧包括进口通道6、内壳7、外壳8和出口通道9，所述冷流体依次通过进口通道6、内壳7和外壳8限定的空间和出口通道9，进口腔室2、传热管束3、出口腔室4设置在内壳和外壳限定的空间内，所述内壳7和外壳8是弧状布置，所述的传热管束3呈弧形布置，所述传热管束3的弧形和内壳7、外壳8的弧形具有相同的圆心。

通过上述相同圆心结构的弧状设置，而且将进口腔室2和出口腔室4设置在内壳和外壳形成的弧状空间内，所述传热管束3可以在内壳和外壳形成的弧状空间内自由地热胀冷缩，因此换热管束适用的温度范围和流体范围更广泛，大大拓展了换热器的应用范围。

作为优选，所述的进口管1和出口管2的与进口腔室2和出口腔室4相连接的部分也设置在弧状空间内，而且作为优选，所述进口管1和出口管2与进口腔室2和出口腔室4相连接的部分为柔性结构或者弹性结构。

通过设置柔性结构或者弹性结构，可以进一步方便换热管束3在弧形空间内的自由地伸缩。

作为优选，如图2所示，所述传热管束3外壁向外延伸的金属杆3-1，所述金属杆3-1端部为尖状结构3-1-1，从传热管束3外壁箱所述金属杆3-1的端部的方向与冷流体的流动方向相对。即尖状结构迎面对着流来的冷流体。如图2所示箭头所指的流动方向。

作为优选，如图2所示，所述金属杆3-1与传热管束3外壁面的夹角A是30－60度，进一步优选为40－45度。

作为优选，如图2所示，相邻的换热管束的管子中心之间的距离为换热管束外管直径的1.7-2.5倍，金属杆3-1的端部的尖状结构3-1-1距离换热管束3的外管壁的距离h优选为外管直径的0.4-0.6倍。

通过上述优选的夹角和距离，使得阻力较小的情况下，实现很好的换热效果。

换热管3外部设置端部为尖状的杆，可以在气液两相流的流动中，一方面可以破坏层流底层，并且增加传热面积进行强化传热，而且因为是杆，流动阻力小，也不会增加壳程的流动阻力，而且通过设置尖端部，能够刺破气液两相流中的气泡，实现扩大气液界面以及气相边界层并增强扰动。因此通过设置尖状的杆，大大的提高了壳程侧的换热系数。

作为优选，所述金属杆3-1为多个，金属杆3-1的分布密度M作为距离进口通道6的函数F（S），即M=F(S),在同一根换热管束上， F’(S)>0，其中F’(S)是F（S）的一次导数。即沿着冷流体的流动方向，所述的金属杆3-1的分布密度越来越大。因为沿着流体的流动方向，壳程的冷流体温度越来越高，从而导致的气液两相流中的气体也越来越多，因此通过有规律的设置多个尖状金属杆3-1，可以进一步提高换热系数，节约材料。通过实验发现，有规律地设置金属杆3-1的分布密度，能够增加20％左右的换热效率，而且还能降低5％左右的流动阻力。

作为优选，F"(S)>0，其中F"(S)是F（S）的二次导数。即即沿着冷流体的流动方向，所述的金属杆3-1的分布密度越来越大的幅度不断的增大。在实验中发现，气体的增长不是随着距离线型的增长，而且呈增加式的增长，因此通过设置上述的规律变化，进一步提高换热效率。

作为优选，金属杆3-1也是弧状结构。通过如此设置，保证和冷流体的流动方向相对应，提高扰流效果。

作为优选，金属杆3-1包括连接换热管束的倾斜部分3-1-2和与倾斜部分3-1-2相连并且与换热管束平行的平行部分3-1-3。所述的尖部3-1-1设置在平行部分3-1-3的端部。

作为优选，所述的平行部分3-1-3金属杆是弧状结构，平行部分3-1-3所在的圆弧和换热管束3的圆弧所在的圆心是同一个。

通过设置平行部分3-1-3，可以使尖部3-1-1直插冷却流体的流动方向，提高换热效果。

作为优选，如图3所示，所述倾斜部分3-1-2与换热管束管壁的夹角A为45－70度，优选为55－60度。

通过上述优选的夹角，使得阻力较小的情况下，实现很好的换热效果。

作为优选，所述的换热器应用于核反应堆中的堆舱10内的堆芯余热的排出。所述的内壳和外壳分别是堆舱10的内壳和外壳，所述的热流体是反应堆的冷却剂，所述冷却剂所述的冷流体是冷却水。

反应堆冷却剂从堆芯出发，依次流过余热排出冷却器管程的进口管1、进口腔2室、传热管束3、出口腔室4和出口管5，被余热排出冷却器壳程夹层内的冷却水冷却后，返回堆芯。冷却水从冷源11下部出发，依次流过余热排出冷却器壳程的进口通道6、内壳7和外壳8放入夹层、出口通道9，被余热排出冷却器管程的反应堆冷却剂加热后，向上流入冷源11。

通过设置在夹层中，使得换热器的高度位置可在夹层内上下调整，不受堆舱10内其他设备管道的干涉限制，即可调节管程和壳程冷热芯高度差，从而实现管程和壳程的自然循环能力和载热能力的匹配。而且通过设置在夹层中，可以充分利用堆舱10的空间，余热排出冷却器壳程利用了内壳和外壳之间的夹层空间，没有增加额外的设备、管道、阀门及附件等结构，整个壳程流道的路径较短，截面较宽，结构简易，具有低流阻的特点。

作为优选，所述出口通道9比进口通道6设置的位置高，所述的进口腔室2比出口腔室4设置的位置高。通过上述的设置，换热器的管程和壳程的可建立自然循环流动，持续地将堆舱内的堆芯余热排出至冷源。

作为优选，金属杆3-1的分布密度M作为高度的函数F（H），即M=F(H), F’(H)>0，其中F’(H)是F（H）的一次导数。即随着高度的增加，所述的金属杆3-1分布密度越来越大。因为随着高度的增加，气液两相中的气体越来越多，因此通过增加金属杆3-1密度，可以进一步按照规律分布金属杆，提高换热系数。通过实验发现，能够提高15％－18％左右传热系数，而且还能够进一步降低3％的流动阻力。

作为优选，F"(H)>0，其中F"(H)是F（H）的二次导数。即随着高度的增加，所述的金属杆3-1分布密度越来越大的幅度不断的增加。通过实验发现，随着高度的增加，气泡的增加不是线型增加，而是增长幅度越来越高，因此通过设置，进一步提高还热系数。

作为优选，在出口通道9设置孔板。通过设置孔板，在冷却水沸腾时可起到均流和抑制倒流的作用，保持两相自然循环流动稳定

作为优选，所述换热管束为横截面为圆形的多根换热管3。

如图4所示，所述换热管3内部设置内翅片3-2，所述内翅片3-2将换热管分为多个小通道3-3，在内翅片上设置连通孔3-2-1，从而使相邻的小通道3-3彼此连通。

通过设置内翅片3-2，将换热管分为多个小通道3-3，进一步强化传热，但是相应的流体流动的压力增加。通过设置连通孔3-2-1，保证相邻的小通道3-3之间的连通，从而使得压力大的小通道内的流体可以向邻近的压力小的小通道内流动，解决冷凝端的内部各个小流道26压力不均匀以及局部压力过大的问题，从而促进了流体在换热通道内的充分流动，同时通过连通孔的设置，也降低了换热管内部的压力，提高了换热效率。

优选的，沿着冷却剂的流动方向，所述连通孔的面积不断的减少。

所述的连通孔3-2-1为正方形结构，沿着冷却剂的流动方向，所述正方形的边长不断的减少。

作为优选，所述正方形的对角线与换热管束的轴线平行。

沿着流体的流动方向，换热管内的流体不断的冷凝，气液两相流的中的汽体也逐渐的冷凝为液体，使得换热管内的压力不断的降低，而且因为连通孔3-2-1的存在，使得热管内部的压力分配越来越均匀，因此连通孔的面积不需要很大，通过设置不断的减小，从而使得在保证热管内部压力均匀和压力的情况下，通过连通孔面积的减少来增加换热面积，从而提高换热效率。

优选的，沿着流体的流动方向，所述连通孔3-2-1的面积不断的减少的幅度不断增加。通过如此设置，也是符合流动压力的变化规律，进一步降低流动阻力的同时，提高换热效率。通过如此设置，通过是实验发现可以提高10%左右的换热效率，同时阻力基本保持不变。

优选的，沿着流体的流动方向，连通孔的分布数量越来越少，进一步优选，所述连通孔数量16不断的减少的幅度不断增加。

通过上述数量的分布原理与面积减少原理相同，通过数量分布少来减少面积。

优选的，连通孔3-2-1的形状为圆形。

优选的，所述内翅片3-2为多个，内翅片3-2从圆管的中心轴线向外延伸，与圆管的内壁连接，所述内翅片3-2之间的夹角相同。通过内翅片之间的夹角相同，可以使得换热管内部流体分配保持均匀，压力分配也相应的保持均衡。

优选的，所述内翅片3-2为4个，如图4所示。所述内翅片之间的夹角为90°。

在实际实验中发现，连通孔3-2-1的面积不能过小，过小的话会导致流动阻力的增加，而且连通孔3-2-1的最小的面积与圆管管径有关，一般的是管径越大，则连通孔面积就可以设计的越小，管径越小，连通孔3-2-1的面积可以设计的越大，因此连通孔3-2-1与圆管管径及其相邻连通孔3-2-1之间的距离必须满足一定要求，否则就会导致流动阻力过大。

所述内翅片为4个情况下，所述圆管的内直径为D，所述正方形连通孔的边长B，所述同一翅片上相邻的连通孔之间的距离为S，满足如下关系：

S/D*10>=a-b*LN(B/D*10)；

其中a,b是参数，13<a<14,11<b<12;LN是对数函数；

0.2<S/D<0.7；优选为0.35-0.63;

0.2<B/D<0.3

2.5<D<10m；

0.7<B<2.1m。

其中，S等于相邻连通孔3-2-1中心之间的距离。如图4、5所示的左右相邻和上下相邻的连通孔中心之间的距离。

进一步优选，10<S<45mm。

优选的，随着B/D的增加，所述的a,c增加，b减小。

作为优选，S/D*10=-b*LN(B/D*10)。

此时换热效果达到最佳，流动阻力恰好满足要求。

如果换热管束为弧状，例如如图1所示，所述的圆管所在的圆弧的弧长为H，连接所在的圆弧的两端点的弦长为S，则需要考虑弯曲所带来的阻力变化，则上述公式变为：

（S/D*10）*(S/H)^c>=a-b*LN(B/D*10)；

其中c是参数，0.3<c<0.5;进一步优选，0.38<c<0.41；其中圆弧所在的弧度为45-75度，进一步优选为50－60度。上述的度都是角度。

其他的参数选择保持不变。

作为优选，（S/D*10）*(S/H)^c>=a-b*LN(B/D*10)，此时换热效果达到最佳，流动阻力恰好满足要求。

作为优选，如图4、5所示，每个内翅片上设置多排连通孔3-2-1，所述多个连通孔3-2-1可以设置为错排结构。通过错排接构，可以进一步提高换热，降低压力。

作为在核反应冷却中的应用，如图1所示，低流阻紧凑式余热排出冷却器壳程的内壳7为外径φ18m圆筒形结构，外壳8亦为内径φ20m圆筒形结构，两者之间存在一个宽约1m的环形夹层，夹层下部设置内径φ0.8m圆形进口通道6，夹层上部设置有内径φ0.8m圆形出口通道9，夹层通过进口通道6和出口通道9与冷源11空间相连通，夹层内充满冷却水。低流阻紧凑式余热排出冷却器管程的传热管束3、进口腔室2和出口腔室4浸泡在夹层内的冷却水中，传热管束3由100根φ20mm、平均长度约为11m的传热管呈圆弧形布置而成，进口管1和出口管5内径φ0.25m的圆管，贯穿内壳7并与堆芯相连通。

如图1所示，在管程，高温反应堆冷却剂经进口管1流入进口腔室2，再分流至100根传热管内，被壳程冷却水冷却，冷却后的低温反应堆冷却剂汇入出口腔室4，再经出口管5返回堆芯，在此过程中传热管受热伸长变形，但热应力因传热管束3的圆弧形布置方式得以自动消除。在壳程，冷却水被反应堆冷却剂加热升温向上流动，经出口通道9排入冷源11上部，而冷源11下部的低温冷却水亦不断地从进口通道6吸入夹层，由于余热排出冷却器壳程通道结构简易具有阻力较小的特点，因此形成较大流量的持续自然循环流动。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种换热器，所述换热器包括管程侧和壳程侧，所述管程侧包括进口管、进口腔室、传热管束、出口腔室和出口管，所述热流体从进口管进入进口腔室，依次通过传热管束、出口腔室和出口管；所述壳程侧包括进口通道、内壳、外壳和出口腔室，所述冷流体依次通过进口通道、内壳和外壳限定的空间和出口腔室，其特征在于，进口腔室、传热管束、出口腔室设置在内壳和外壳限定的空间内，所述内壳和外壳是弧状布置，所述的传热管束呈弧形布置，所述传热管束的弧形和内壳、外壳的弧形具有相同的圆心。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述的内壳和外壳分别是堆舱的内壳和外壳，所述的热流体是高温反应堆的冷却剂，所述的冷流体是冷却水。

3.如权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述出口通道比进口通道设置的位置高，所述的进口腔室比出口腔室设置的位置高。

4.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，在出口通道设置孔板。

5.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述的进口管和出口管与进口腔室和出口腔室相连接的部分也设置在弧状空间内。

6.如权利要求5所述的换热器，其特征在于，所述进口管和出口管与进口腔室和出口腔室相连接的部分为柔性结构或者弹性结构。

7.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述传热管束外壁向外延伸的金属杆，所述金属杆端部为尖状结构，从传热管束外壁箱所述金属杆的端部的方向与冷流体的流动方向相对。

8. 如权利要求7所述的换热器，其特征在于，所述金属杆为多个，金属杆的分布密度M作为距离进口通道的函数F（S），即M=F(S),在同一根换热管束上， F’(S)>0，其中F’(S)是F（S）的一次导数。

9.如权利要求8所述的换热器，其特征在于，F"(S)>0，其中F"(S)是F（S）的二次导数。

10.如权利要求7所述的换热器，其特征在于，金属杆的分布密度M作为高度的函数F（H），即M=F(H), F’(H)>0，其中F’(H)是F（H）的一次导数。