一种直流逆流孔道式换热器/蒸发器设计方案制造技术

一种直流逆流孔道式换热器/蒸发器设计方案，利用换热单元内部设置的特制圆形、椭圆形或长圆形孔道进行直流逆流换热。以多层金属热传导热对流为主的小孔或微孔的孔道间热量交换，传热系数高、传热能效好、热应力较小、传热温差小；在超高温叠加超高压条件下孔道间可安全稳定传热，高效简易，安全可靠；可避免管壳式换热器在超高温超高压工作条件下的破管失水事故。与同等传热能力的管壳式换热器相比，直流逆流孔道式换热器的体积、重量和造价减少三分之一以上，且支持不超过1000℃极端高温或不超过1000公斤极端高压严苛条件下传热。直流逆流孔道式换热器属于传热设备技术领域，主要应用于核电火电、石油化工、化工医药、冶金制氢等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种直流逆流孔道式换热器/蒸发器设计方案(一)
：本专利技术是一种适用于极端高温或极端高压的新型换热器/蒸发器设计方案，利用换热单元模块内部设置的直流逆流特制孔道进行换热，称作直流逆流孔道式换热器/蒸发器。以传热材料热传导、热对流为主的直流逆流小孔或微孔的孔道间热量交换，传热系数高，传热温差小，热应力小、在极端高温或极端高压或者超高温叠加超高压条件下孔道间可安全稳定传热，具有高效简易、安全可靠的特点，属于传热设备
，主要应用领域为核电火电、石油化工、化工医药、冶金能源、食品电子等。(二)
技术介绍
：核电蒸汽发生器(steamgenerator)是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备，在核反应堆中，核裂变产生的热量由冷却剂带出，通过蒸汽发生器将热量传递给二回路工质，使其产生具有一定温度、一定压力和一定干度的蒸汽。此蒸汽再进入汽轮机中做功，转换为电能或机械能。在这个能量转换过程中，蒸汽发生器既是一回路的设备，又是二回路的设备，所以被称为一、二回路的枢纽。核电蒸汽发生器也是核电站最为关键的主要设备之一，蒸汽发生器与反应堆压力容器相连，不仅直接影响电站的功率与效率，而且在进行热量交换时，还起着阻隔放射性载热剂的作用，对核电站安全至关重要。因此，蒸汽发生器执行安全一级等级、I类抗震类别、一级规范级别和质量保证一级的质量要求，其材料和制造的高技术含量均为当代制造业之最。核电蒸汽发生器作为核岛一回路主设备，主要功能有：将一回路冷却剂的热量通过传热管传递给二回路给水，加热给水至沸腾，经过汽水分离后产生驱动汽轮机的干饱和蒸汽；作为一回路压力边界，承受一回路压力，并与一回路其他压力边界共同构成防止放射性裂变产物溢出的第三道安全屏障；在预期运行事件、设计基准事故工况以及过度工况下保证反应堆装置的可靠运行。实际运行经验表明，蒸汽发生器能否安全、可靠的运行，对整个核动力装置的经济性和安全可靠性有着十分重要的影响。压水堆核电站通常采用立式、自然循环、U型管、管壳式蒸汽发生器。U形管式换热器是指管束由弯管半径不等的U形管组成且管子两端都固定在同一管板上的管壳式换热器。由于每根U形管可自由伸缩，管束与壳体之间不会产生温差应力。壳程内设置折流板、纵向隔板等。折流板由拉杆固定。纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向以增加壳程介质流速。其结构比固定管板式换热器复杂，比浮头式换热器简单。压水堆核电站用U型管管壳式蒸汽发生器其工作原理为：从反应堆流出的冷却剂经一回路热管段由蒸汽发生器的下封头的进口接近进入水室，然后在倒U型管束内流动，倒U型管的外表面与二回路给水接触，传热给二回路水，并使其汽化，完成一、二回路间的热交换。一回路冷却剂携带的热量传给二回路后，温度降低，再经过过下封头的出口水室和出口接管，流向一回路的过度管道然后进入主泵的吸入口。二回路的给水由蒸汽发生器的给水接管进入给水环管，通过环管上的一组倒J形管进入下筒体与管束套筒之间的环状空间(即下降通道)，与汽水分离器分离出的水混合后向下流动，直至底部管板，然后转向，沿着倒U型管束的管外(即上升通道)向上流动，被传热管内流动的一回路冷却剂加热，一部分水蒸发成蒸汽。汽水混合物离开倒U型管束顶部继续上升，依次进入旋叶式汽水分离器和干燥器，经汽水分离后，蒸汽从蒸汽发生器的顶部出口流向汽轮机做功，分离出来的水则往下与给水混合进行再循环。蒸汽发生器二回路侧流体流动通常是依靠自然循环驱动的；管束套筒将二次侧的水分为上升通道和下降通道；下降通道内流动的是低温的水与汽水分离器分离出来的饱和水混合物，属单相水(过冷水)，而上升通道流动的是汽水混合物，在相同的压力下，单相水的密度大于汽水混合物的密度，两者密度差导致管束套筒两侧产生压差，驱动下降通道的水不断流向上升通道，建立自然循环。据压水堆核电厂事故统计显示，蒸汽发生器在核电厂事故中居首要地位。一些蒸汽发生器的可靠性是比较低的，蒸发器破管对核电厂的安全性、可靠性和经济效益有重大影响。因此，各国都把研究与改进蒸汽发生器当做完善压水堆核电厂技术的重要环节，并制定了庞大的科研计划，主要包括蒸汽发生器热工水力分析；腐蚀理论与传热管材料的研制；无损探伤技术；振动、磨损、疲劳研究；改进结构设计，减少腐蚀化学物的浓缩；改进水质控制等。高温气冷堆核电站选用螺旋盘管式蒸发器。蒸汽发生器是联结并隔离一回路和二回路的核心换热设备，执行安全一级等级、抗震I类、质保QA1等级。主要功能是将核反应堆堆芯产生的热量由一回路传输二回路，产生过热蒸汽推动汽轮机做功并通过发电机发电。高温气冷堆蒸发器采用了立式、直流逆流组件式设计结构，与反应堆压力容器成肩并肩式布置，与主氦风机一起放置在蒸发器承压壳体内。蒸发器换热单元位于承压壳体的下部，主要由换热组件、主蒸汽连接管束、主给水连接管束、管箱、保温层、承重板、定位板、内部构件承重筒、热补偿组件、冷氦气上升管、连接法兰和其它内部构件等组成。单台蒸发器由19个换热组件构成换热单元，每个换热组件有35根换热管，换热管布置在外套筒与中心管之间的环形空间。换热管采用螺旋盘管结构，每个换热组件有5层螺旋盘管式换热管，从里往外，每层的换热管数依次为5、6、7、8、9根。相邻两层螺旋盘管的缠绕方向相反，每层的传热管束通过三组支承结构进行固定，固定件沿轴向均匀分布。为了提高设备经济性，换热管材料采取了分段选材；换热管预热段、蒸发段和一小部分过热段采用成熟便宜的T22管材，换热管的高温过热段采用了高温合金管材。为了提高蒸发器紧凑度，减少蒸发器换热面积和体积，在一次侧与二次侧的流动方式上选择了逆流布置方式。为了满足换热管内气液两相流稳定性的要求以及各换热管之间流量分配的要求，在蒸发器每根换热管的入口处加装了节流阻力件。螺旋盘管式换热器/蒸发器是由一组或多组缠绕成螺旋状的管子置于壳体之中制成的；螺旋绕管式换热器的制造是先将多根换热管制成盘管，然后将管盘叠落在中心圆管上；管盘中的换热管由内向外呈螺旋缠绕。在换热过程中，高压的工作介质水和水蒸气自下而上通过螺旋状的管程，而低压工作介质氦气则由上往下通过壳程，两股工作介质在轴向逆向流动。在换热过程中，高压流体走内管，而低压流体则从外管之间的缝隙逆向通过。这种结构虽然保证流体是逆流换热，但由于两流程中存在较多的气流死区影响了换热效果，从而总的传热效率还是很低。螺旋盘管蒸发器设计特点是结构紧凑、传热面积比直管大，温差应力小，但管内的清洗较困难，可用于较高粘度的流体加热或冷却。高温气冷堆具有固有安全特性，一回路工作介质参数较高，氦气出口温度达到750℃，完全支持二回路超超临界参数高效发电，以改善商业工程项目经济性。高温气冷堆超超临界参数发电除了高温合金材料难以选择之外，螺旋盘管蒸汽发生器二回路工作介质在25MPa～35MPa工作压力，600℃～700℃工作温度范围内承压可靠性不足，长期运行易发生破管事故是主要的制约因素。这是因为，螺旋盘管蒸发器高温端部件如传热管、管板、中心承重筒等，耐受750℃工作温度的高温合金材料其高温持久强度和高温蠕变性能通常数值不高(如高温合金材料760℃高温持久强度约为100MPa左右)，在此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直流逆流孔道式换热器/蒸发器设计方案，如图1、图2、图3、图4所示，主要包括上换热单元(1)、中换热单元(2)、下换热单元(3)、一次侧孔道(H1)、二次侧孔道(H2)、一次侧入流管道(4)、一次侧入流联箱(5)、一次侧出流管道(6)、换热单元承重支撑(7)、承压外筒承重牛腿(8)、承压外筒(9)、外筒底封头(10)、一次侧出流联箱(11)、换热单元绝热层(12)、绝热层包覆板(13)、二次侧出流联箱(14)、二次侧出流管道(15)、出流管道绝热层(16)、外筒顶封头(17)、二次侧入流联箱(18)、二次侧入流管道(19)、承压外筒法兰(20)、半球盲板法兰(21)、盲板法兰密封环(22)、盲板法兰紧固件(23)、一次侧工作介质强制循环泵或风机(24)。其主要结构特征是上换热单元(1)的两个工作面(B1，A2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置一次侧孔道(H1)，两个工作面(A1，A2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置二次侧孔道(H2)；中换热单元(2)的两个工作面(A1，A2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置一次侧孔道(H1)和二次侧孔道(H2)；下换热单元(3)的三个工作面(A1，B1、B2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置一次侧孔道(H1)，两个工作面(A1，A2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置二次侧孔道(H2)。一次侧孔道数量、尺寸、形状、路径、弯直、流阻、位置关系、形位公差、表面粗糙度通过设计计算确定，二次侧孔道数量、尺寸、形状、路径、弯直、流阻、位置关系、形位公差、表面粗糙度通过设计计算确定；设计制造需保证上换热单元(1)、中换热单元(2)和下换热单元(3)的孔道通径(H1、H2)、一次侧孔间桥(T1)、二次侧孔间桥(T2)及一次侧与二次侧孔道桥(T3)完全一致，孔道直线度、同轴度、平行度、垂直度和椭圆度在形位公差精度要求范围内。上换热单元(1)工作面(A2)和中换热单元(2)工作面(A1)，中换热单元(2)工作面(A2)和下换热单元(3)工作面(A1)通过真空加热加压分子扩散焊接工艺组焊在一起，形成一次侧和二次侧直流逆流换热流道；中换热单元(2)根据传热计算要求可以设置若干个串联在一起；上换热单元(1)结构的主要功能是将一次侧工作介质折流并和二次侧工作介质隔离，分别引导连接至一次侧入流联箱(5)和二次侧出流联箱(14)；中换热单元(2)结构的主要功能是一次侧工作介质和二次侧工作介质直流逆流传热；下换热单元(3)结构的主要功能是将一次侧工作介质折流并和二次侧工作介质隔离，分别引导连接至一次侧出流联箱(11)和二次侧入流联箱(18)。/n一次侧工作介质从一次侧入流管道(4)引入一次侧入流联箱(5)后在上换热单元一次侧孔道(H1)内流动，折流后进入中换热单元(2)一次侧孔道(H1)和二次侧孔道(H2)工作介质直流逆流传热，随后进入下换热单元(3)一次侧孔道，热量交换完成(散热)后折流进入一次侧出流联箱(11)后流出；二次侧工作介质从二次侧入流管道(19)引入二次侧入流联箱(18)，依次在下换热单元(3)、中换热单元(2)和上换热单元(1)二次侧孔道(H2)内流动，热量交换完成(吸热)后从二次侧出流联箱(14)和二次侧出流管道(15)流出；一次侧孔道和二次侧孔道直流逆流但互不贯通，且在一定温度条件下具备一定的承压(一次侧与二次侧工作介质压差)能力；实现一次侧工作介质和二次侧工作介质以热对流为主、热传导热辐射为辅的逆流对流传热功能。/n鉴于孔道式传热在换热单元内形成紧贴式多层金属热传导传热，传热系数远高于管壳式传热管壁面热辐射传热；同等尺寸和材料的条件下，直流逆流孔道式换热器可以实现多层孔道的密集紧凑设置，而管壳式换热器受两端管板孔桥强度制约无法紧凑布置传热管，多层孔道壁面传热面积比传热管壁面面积大幅度增加；同等换热能力的条件下，孔道式换热器比管壳式换热器能够实现更小的一次侧和二次侧换热温差。孔道式换热器/蒸发器具有高热效能特点，简易实用、安全可靠，只交换热量不交换工作介质；不仅可以实现极端高温或极端高压苛刻工作介质条件下的传热，且比以热辐射为主、热传导和热对流为辅的管壳式传热器传热效率高，一次侧和二次侧实现传热温差小；与同等传热能力的管壳式换热器相比，直流逆流孔道式换热器的体积和重量减少三分之一以上。在适宜的换热单元材料选择加之适宜的传热孔道设计选择情况下，换热单元能够支持不超过1000℃极端高温或不超过1000公斤极端高压严苛传热条件下传热。特殊传热结构设计和材料选择情况下，一次侧或二次侧支持多股工艺流合并至一个流道内实现传热功能。/n多个中换热单元(2)通过工作面(A1、A2)与上...

【技术特征摘要】
1.一种直流逆流孔道式换热器/蒸发器设计方案，如图1、图2、图3、图4所示，主要包括上换热单元(1)、中换热单元(2)、下换热单元(3)、一次侧孔道(H1)、二次侧孔道(H2)、一次侧入流管道(4)、一次侧入流联箱(5)、一次侧出流管道(6)、换热单元承重支撑(7)、承压外筒承重牛腿(8)、承压外筒(9)、外筒底封头(10)、一次侧出流联箱(11)、换热单元绝热层(12)、绝热层包覆板(13)、二次侧出流联箱(14)、二次侧出流管道(15)、出流管道绝热层(16)、外筒顶封头(17)、二次侧入流联箱(18)、二次侧入流管道(19)、承压外筒法兰(20)、半球盲板法兰(21)、盲板法兰密封环(22)、盲板法兰紧固件(23)、一次侧工作介质强制循环泵或风机(24)。其主要结构特征是上换热单元(1)的两个工作面(B1，A2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置一次侧孔道(H1)，两个工作面(A1，A2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置二次侧孔道(H2)；中换热单元(2)的两个工作面(A1，A2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置一次侧孔道(H1)和二次侧孔道(H2)；下换热单元(3)的三个工作面(A1，B1、B2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置一次侧孔道(H1)，两个工作面(A1，A2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置二次侧孔道(H2)。一次侧孔道数量、尺寸、形状、路径、弯直、流阻、位置关系、形位公差、表面粗糙度通过设计计算确定，二次侧孔道数量、尺寸、形状、路径、弯直、流阻、位置关系、形位公差、表面粗糙度通过设计计算确定；设计制造需保证上换热单元(1)、中换热单元(2)和下换热单元(3)的孔道通径(H1、H2)、一次侧孔间桥(T1)、二次侧孔间桥(T2)及一次侧与二次侧孔道桥(T3)完全一致，孔道直线度、同轴度、平行度、垂直度和椭圆度在形位公差精度要求范围内。上换热单元(1)工作面(A2)和中换热单元(2)工作面(A1)，中换热单元(2)工作面(A2)和下换热单元(3)工作面(A1)通过真空加热加压分子扩散焊接工艺组焊在一起，形成一次侧和二次侧直流逆流换热流道；中换热单元(2)根据传热计算要求可以设置若干个串联在一起；上换热单元(1)结构的主要功能是将一次侧工作介质折流并和二次侧工作介质隔离，分别引导连接至一次侧入流联箱(5)和二次侧出流联箱(14)；中换热单元(2)结构的主要功能是一次侧工作介质和二次侧工作介质直流逆流传热；下换热单元(3)结构的主要功能是将一次侧工作介质折流并和二次侧工作介质隔离，分别引导连接至一次侧出流联箱(11)和二次侧入流联箱(18)。
一次侧工作介质从一次侧入流管道(4)引入一次侧入流联箱(5)后在上换热单元一次侧孔道(H1)内流动，折流后进入中换热单元(2)一次侧孔道(H1)和二次侧孔道(H2)工作介质直流逆流传热，随后进入下换热单元(3)一次侧孔道，热量交换完成(散热)后折流进入一次侧出流联箱(11)后流出；二次侧工作介质从二次侧入流管道(19)引入二次侧入流联箱(18)，依次在下换热单元(3)、中换热单元(2)和上换热单元(1)二次侧孔道(H2)内流动，热量交换完成(吸热)后从二次侧出流联箱(14)和二次侧出流管道(15)流出；一次侧孔道和二次侧孔道直流逆流但互不贯通，且在一定温度条件下具备一定的承压(一次侧与二次侧工作介质压差)能力；实现一次侧工作介质和二次侧工作介质以热对流为主、热传导热辐射为辅的逆流对流传热功能。
鉴于孔道式传热在换热单元内形成紧贴式多层金属热传导传热，传热系数远高于管壳式传热管壁面热辐射传热；同等尺寸和材料的条件下，直流逆流孔道式换热器可以实现多层孔道的密集紧凑设置，而管壳式换热器受两端管板孔桥强度制约无法紧凑布置传热管，多层孔道壁面传热面积比传热管壁面面积大幅度增加；同等换热能力的条件下，孔道式换热器比管壳式换热器能够实现更小的一次侧和二次侧换热温差。孔道式换热器/蒸发器具有高热效能特点，简易实用、安全可靠，只交换热量不交换工作介质；不仅可以实现极端高温或极端高压苛刻工作介质条件下的传热，且比以热辐射为主、热传导和热对流为辅的管壳式传热器传热效率高，一次侧和二次侧实现传热温差小；与同等传热能力的管壳式换热器相比，直流逆流孔道式换热器的体积和重量减少三分之一以上。在适宜的换热单元材料选择加之适宜的传热孔道设计选择情况下，换热单元能够支持不超过1000℃极端高温或不超过1000公斤极端高压严苛传热条件下传热。特殊传热结构设计和材料选择情况下，一次侧或二次侧支持多股工艺流合并至一个流道内实现传热功能。
多个中换热单元(2)通过工作面(A1、A2)与上换热单元(1)和下换热单元(3)组焊或增材制造串联构成一个换热单元组，其主要结构特征是通过多个换热单元梯级连续传热实现巨大温差传热和温度骤变传热。通过大功率真空电子束焊接、大功率真空分子扩散焊焊接、大功率激光自熔焊接、激光窄间隙复合熔覆焊接或TIG窄间隙焊接，形成自上而下的多级贯穿孔道。这种结构设计的好处在于孔道可以在役检查，特别适用于高压流体的传热；工作面顺次焊接的设计结构还省却了一次侧、二次侧折流。换热单元四周设置换热单元绝热层(12)以及绝热层包覆板(13)，其主要结构特征是阻断一次侧和二次侧热端高温工作介质的热量通过热传导和热辐射向承压外筒(9)内冷端非传热流失，提高工作介质流道的传热效能。一次侧入流管道(4)、一次侧入流联箱(5)、二次侧出流联箱(14)、二次侧出流管道(15)等高温区域部件同理设置绝热层阻断热量损失，各处绝热层分别用绝热层包覆板固定，其主要结构特征是防止设备运行全寿期内绝热层破损失效及绝热材料飞逸扩散。
承压外筒(9)与换热单元绝热层(12)之间，一次侧出流管道(6)和一次侧入流管道(4)之间形成一次侧冷端工作介质回流流道(L3)并通过一次侧出流管道(6)流出，其主要结构特征是在承压外筒(9)作为一次侧工作介质冷端包围一次侧工作介质热端换热单元，一次侧出流管道(6)作为一次侧工作介质冷端包围一次侧工作介质热端一次侧入流管道(4)，实现“冷包热”设计理念。原则上通常把压力较低的工作介质选作一次侧工作介质，这样承压外筒仅承受热量交换后的低温低压一次侧冷端工作介质，降低了材料选择的难度，通常可以选择较为成熟的耐热钢承压材料。在一次侧和二次侧极端高温的情况下，虽然换热单元承受较高的温度，高温合金材料选择面受限，但由于换热单元仅承受一次侧和二次侧之间的工作压差，与单纯承受较大的二次侧绝对高压所需要的换热...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟想，
申请(专利权)人：孟想，
类型：发明
国别省市：湖北;42