通道将均匀流量分布区域和流体分岔区域集成为入口的板式热交换器模块的制作方法

本发明涉及一种热交换器模块，所述热交换器模块具有多个金属板的堆叠体和集成的至少两个流体回路。

更具体地，本发明涉及一种新型热交换器模块的制造，以改善各种流体内部循环通道的分布均匀性，同时确保良好的热效率和令人满意的热机械加载，而不损害所述模块的紧凑性。

已知的热交换器包括具有内部流体循环通道的至少两个回路。在仅具有一个回路的交换器中，在回路和浸入该回路中的周围流体之间产生热交换。在与至少两个流体回路交换时，在所述两个流体回路之间产生热交换。

已知采用连续过程的化学反应器，借此在优选地配置有混合器的第一流体回路的入口处注入少量共反应物(co-réactants)，并同时在所述第一回路的出口处回收所获得的化学产物。这些已知的化学反应器中的一些包括第二流体回路(通常称为功用回路)，所述第二流体回路的功能是要么通过输入反应所需的热量来热控制化学反应，要么相反地通过由反应发出的热量的疏散来热控制化学反应。具有实用性的具有两个流体回路的这种化学反应器通常被称为交换器-反应器。

本发明也涉及如同交换器-反应器的制造的热交换器模块的制造，所述热交换器模块具有热交换的唯一功能和集成的两个流体回路。因此，在本发明的上下文中，必须将“具有至少两个流体回路的热交换器模块”理解为如同交换器-反应器的仅具有热交换功能的热交换器模块。

根据本发明的使用两种流体的交换器模块的主要用途是其与作为两种流体之一的气体一起使用。所述两种流体可以有利地涉及液态金属和气体，例如液态钠和氮气。

根据本发明的交换器模块的主要预期应用是在二级回路中的液态金属(例如液态钠)与作为由液态金属(例如且为所谓的第四代反应器系列的一部分的液态钠冷却快堆(sfr))冷却的快中子反应堆的三级回路中的气体的氮气之间的热交换。

优选地，当需要具有高热功率的紧凑的交换器时，根据本发明的热交换器模块还可以用于需要在两种流体(例如液体和气体)之间进行交换的任何其他应用。

在本发明的上下文中，“初级流体”是指热场中的通常含义，即将其热量传递给二级流体的热流体，所述二级流体是冷流体。

相反，在本发明的上下文中，“二级流体”是指在热场中的通常意义，即从初级流体向其传递热量的冷流体。

在主要应用中，初级流体是在rnr-na反应堆的热转化循环的所谓的二级回路中循环的钠，而二级流体是在所述循环的三级回路中循环的氮气。

背景技术：

已知的管式交换器例如是壳管式交换器，其中，u形或螺旋形的直管束或弯管束固定至多孔板并且设置在称为壳体的流体密封外壳内。在这些壳管式交换器内，其中一种流体在管内循环，而另一种流体在壳体内循环。这些壳管式交换器具有大体积并且因此具有弱的紧凑性。

与现有的所谓的管式热交换器相比，特别是在其热性能和紧凑性方面，现有的所谓的板式热交换器具有重要的优点，这是由于表面积与热交换体积的有利的高比率。紧凑型板式交换器用于许多工业领域。

在紧凑型板式交换器的领域中，已经开发出许多限定热交换模式的基本形状。

首先可以引述具有集成有翅片的板的交换器，其中，热交换模式通过由翅片界定的结构限定，该结构安装在两个金属板之间并且具有高度变化的几何形状。在交换器的两个流体回路中的一个与另一个之间，交换模式可以不同。金属板之间的组装通常通过钎焊或通过扩散焊接来实现。

还存在已知的具有波状或波纹状的板的交换器。通过绘制分隔开两个流体回路的板来产生波。因为如此，对于两个流体回路中的每一个流体回路，交换模式是相同的。由这种类型的交换模式产生的流体流是三维的，并且因此提供了非常高的性能。板之间的组装通过螺栓连接或通过外围焊接它们(传统焊接或扩散焊接)来实现。

最后存在已知的具有机械加工槽的板式交换器，机械地或电化学地实现机械加工。通过机械加工限定的通道具有毫米尺寸的截面，并且通常是以规则的锯齿形轮廓连续的。通过使得能够在相邻的两个板之间的所有接触点处进行焊接的扩散焊接来组装板。因此，这种具有机械加工槽的板式交换器固有地高度耐压。

本发明的一些发明人已经设计了一种具有模块的交换器，在所谓的第四代反应器系列的核反应器的制造背景中，也就是说，在优良的热导体(即，液态金属(通常为液态钠(na))和具有低很多的传热性能的流体(即，气体(通常为氮气(n2))之间的热交换配置中，该模块使用用于在气体和液态金属之间进行热交换的堆叠的板。

因此，专利申请wo2015/028923a1描述并要求保护了一种热交换器，其中，热交换器模块布置在内部，并且借助支撑和保持结构刚性地固定至由气体的压力(通常约180bar)加压的外壳，而液态金属分配管道不固定至该支撑结构。

在上述设计中，流体密封的外壳具有气体回路歧管的作用，并且热交换器模块的尺寸主要由气体控制，因为气体是两种流体中导热性较差的。

虽然气体循环通道的交换图案的尺寸严格地由热工水力性能的限制条件规定，但液态金属循环通道的尺寸必须考虑与液态金属循环相关的堵塞风险，这限制了液态金属循环通道的最小截面。还考虑到气体和液态金属之间的物理特性、更具体地为密度特性的差异，所得到的交换器模块在液态金属循环通道中具有非常低的压头损失(通常约为40毫巴)。

此外，为了紧凑性，每个交换器模块具有大约为12mwth的单位额定热功率，考虑关于尺寸的规则，这意味着非常大量的流体循环通道，通常等于每个模块约5000个流体循环通道。

需要考虑的另一个限制源于这样的事实，每个模块布置在由气体加压的外壳内部。在操作中，由歧管和分配管道组成的供应和回收液态金属的结构可能经受高温和压缩力，除非采取特别的预防措施，否则可能导致由蠕变引起的屈曲损坏。而且，从热机械的观点来看，这些结构必须设计得尽可能紧凑。

总而言之，根据上述申请wo2015/028923a1，由气体加压的外壳内部的热交换器模块的构造意味着每个模块具有非常大量的非常紧凑的通道。

现在，本发明的发明人已经分析出这种构造可能导致液态金属在每个交换器模块的通道内的不均匀分布，这样一方面可能损害交换器的整体热效率，另一方面可能损害交换器结构的热机械强度。

因此，发明人面临着设计能够确保液态金属在模块中的循环通道中的均匀分布的板式交换器模块的需要。

尽管尤其是因为入口处的非常高的雷诺数re与通道中的相对低的雷诺数re之间的比率，在现有技术中没有提到太多根据前述构造的交换器模块的液压条件，但是发明人已经盘点了各种能够使交换器中的流体循环更均匀(均衡)的现有解决方案。

已知的解决方案之一包括增大液态金属歧管的尺寸，以便与模块的通道中的压头损失相比，减小歧管内的速度范围并因此减小动压。因为如上所述，供应和回收液态金属的结构必须尽可能紧凑并且因此歧管必须尽可能小，所以不能采用这种解决方案。

还已知在歧管内部放置格栅。该格栅使得液态金属射流能够在进入模块之前被破坏。该解决方案与液压水平相关，因为其可以解决各个板之间和同一板内的分布不良的问题，并且在压头损失方面具有非常低的成本，压头损失通常的残余色散值为3％且压力变化小于150mbar。

这种具有安装在歧管内部的格栅的解决方案的主要缺点是增加了热惯性，这在具有热力瞬变的工况下是不利的。此外，由于安装在歧管内部的由格栅组成的附加部件，歧管仍然具有很大的尺寸，并因此需要高的壁厚。

最后，已知的是在液态金属入口区域中形成具有分岔的通道，这可以说是预歧管。最重要的是，这使得可以减少在歧管水平上待被分配流体的通道的数量。在图1至图3中已经示出了从在金属板中形成的单个通道10分岔的示例，分别产生交换区域的十六个通道10.1至10.16或五个通道10.1至10.2。指出图2的构造与图1的构造的不同之处在于，通道在中央交换部分中互连。

随着通道压头损失增大，该解决方案的效率增加，压头损失通常对应于10％的残余色散值和500mbar的压力变化，或者对应于13％的残余色散值和350mbar的压力变化。

现在，考虑到每个模块待被提供非常大量的流体循环通道，因此不能采用在入口侧上每个模块单个通道的解决方案。事实上，为了保持模块中可接受的压头损失，通向歧管中的通道数量仅减少4倍可能是合适的。

换句话说，发明人还得出结论，在上面阐述的构造的背景下，不能采用现有技术中的分岔的使用，因为这不能使在每个模块中的液态金属的不良分布减少到小于10％。

毫无疑问，为了分岔几何形状不会导致分布不良，已经完成了最佳分岔几何形状的工作。

因此，专利申请wo2015/092199公开了一种紧凑型催化反应器，该催化反应器具有少于三个板，所述板的通道具有至少一个为毫米尺寸的直线通道区域(该直线通道区域是热交换区域)以及在交换区域的上游侧和/或下游侧的至少一个流体分配区域，具有沿分配区域分隔开各个通道的不连续的壁(肋)且沿分配区域壁的宽度增大。

专利us4665975公开了一种热交换器，其具有通过扩散焊接组装的多个板的堆叠体，每个板的通道构造有三个区域，包括歧管区域、预歧管区域和分配/交换区域，横向于板的纵向轴线，这些通道在预歧管区域和交换区域之间的接口处彼此连通，这使得压力能够再平衡。

尽管在先前申请wo2015/092199a1中描述的解决方案改进了在许多液压构造中同一板中的通道内的流体分布，但是由于构成预歧管区域的通道的不平衡的几何形状(长度和弯曲)，因此根据专利us4665975的解决方案会引起某些问题，这产生不期望的流体再循环。

此外，并且最重要的是，上述解决方案都不能解决交换器的堆叠的板之间的不均匀分布问题。

因此，需要进一步改进具有堆叠的板和集成的至少两个特别是旨在用于在气体和液态金属之间进行热交换的流体回路的紧凑型热交换器模块，尤其是为了使得流体在模块中更均匀分布(即在给定的板中和在堆叠的各个板之间的更均匀分布)而不损害模块的紧凑性的热交换器模块。

本发明的目的是解决这种需要的至少一部分。

技术实现要素：

为此，本发明包括一种具有纵向轴线(x)的热交换器模块，所述热交换器模块包括限定至少两个流体回路的多个板的堆叠体，至少一些所述板中的每个板包括流体循环通道，每个流体循环通道至少部分地由沟槽界定，所述两个回路中的至少一个被称为第一回路的回路的通道包括：

-从所述堆叠体的外部供应流体的区域，在该区域中，所述通道彼此平行并沿着与所述纵向轴线(x)相交的交叉轴线(x’)延伸，并且在该区域中，相邻的两个通道经由形成在肋中的至少一个切口彼此连通，所述肋分隔所述两个通道各自的沟槽；

-称为分岔区域的区域，在该区域中，每个通道被分成彼此平行且平行于所述纵向轴线(x)的至少两个直线通道，所述至少两个直线通道通过肋彼此分隔开；

-在供应区域和分岔区域之间的称为连接区域的区域，所述连接区域中的每个通道具有沿所述交叉轴线(x’)延伸的直线轮廓和与直线轮廓连续的用于将所述通道与分岔区域的直线通道连接的曲线轮廓；

-与分岔区域连续交换的区域，在该区域中，通过所述肋彼此分隔开的平行的直线通道平行于所述纵向轴线(x)延伸。

在根据本发明的模块中，所述第一回路中的每个板的通道在所述通道各自的供应区域中与所述第一回路的其它板的通道经由穿过所述堆叠体的孔连通，而不与第二回路的通道连通。

换句话说，本发明本质上在于，在供应或预歧管区域内，利用分岔形式的一系列两两的通道组明智地将同一板中的通道的彼此连通和同一回路的所有板之间的通道的彼此连通进行组合。

通道之间的连通起到了集成在每个板中和各个板之间的射流破坏格栅的作用，这使得同一流体的所有通道之间的流动的自然再平衡成为可能，并且因此保证了均匀分布。

通道组的连续使得能够减少待由堆叠体外部的歧管供应的通道的数量，并且由此增加了引起的压头损失并且还减小了歧管的尺寸。

由于本发明，因此即使在歧管具有小尺寸、供应速率高和通道的压头损失低的严峻液压情况下，也可以将流体回路中的所有循环通道均匀地分布在模块中。

本发明的主要优点是能够解决交换器模块中流体之一的分布不良的问题，而无需通过改变压头损失(分岔区域)而增加任何非集成设备，并且具有使同一板的通道之间能够连通和使各个板之间的通道能够连通的集成格栅，从而使得模块保持非常紧凑并且减小了入口歧管的尺寸。

本发明还能够减少待被供应的通道的数量，这使得能够减小歧管的尺寸，并且改善热机械尺寸。

发明人已经进行了初步的计算流体动力学(cfd)计算。这些计算表明，在第四代核反应器的钠/气体交换器的背景下的现实世界条件下，本发明能够改善热交换器模块中液态钠分布的均匀性。

根据一变型实施方式，第一回路的每个通道的曲线轮廓包括两条曲线，以将连接区域的直线轮廓连接至分岔区域的直线通道。

根据一有利的实施方式，在分岔区域内的每个直线通道被分成四个通道。

根据另一有利的实施方式，模块的交叉轴线(x’)与纵向轴线(x)之间的角度在0°和45°之间，其中，0°和45°包括在内。

用于制造模块的有利的替选方案可以包括至少在堆叠体的中心部分，将所述第一回路的板插入第二回路的两个板之间。

所述第一回路的通道可具有椭圆形、圆形、矩形或正方形的截面。

构成根据本发明的交换器模块的板的金属根据其预期使用情况，即根据流体的压力、循环通过模块的流体的温度和性质来选择。

例如，其可以是铝、铜、镍、钛或这些元素的合金、以及钢(特别是合金钢或不锈钢)，或选自铌、钼、钽或钨的合金的难熔金属的问题。

本发明还包括一种制造上述热交换器模块的方法，所述方法包括以下步骤：

-在第一金属板中机械加工沟槽，以便构成构造有供应区域、连接区域、分岔区域和交换区域的第一回路的通道；

-在第二金属板中机械加工沟槽，以便构成第二回路的通道；

-交替地堆叠所述第一金属板和所述第二金属板，以便形成通孔，所述通孔能够使所述第一回路的板的通道之间连通，但不与所述第二回路的板的通道连通，从而要么通过热等静压(hic)，要么通过用于获得所述第一金属板和所述第二金属板之间的扩散焊接的称为热单轴扩散焊接工艺的工艺，或者通过钎焊，将所述第一金属板和所述第二金属板彼此组装。

本发明还涉及一种热交换器，包括旨在通过在第二回路中循环的流体加压的流体密封外壳和多个上述的热交换器模块，每个热交换器模块平行于所述外壳的中心轴线延伸，并且每个热交换器模块布置在所述外壳内部。

本发明还包括上述的热交换器的用途，作为初级流体的所述第一回路的流体为液态金属，并且作为二级流体的所述第二回路的流体为气体或者气体混合物。

所述第二回路中的流体可以主要包括氮气并且所述第一回路中的第一流体是液态钠。所述第一回路或所述第二回路中的流体可以来自核反应器。

最后，本发明包括一种核装置，包括：利用液态金属冷却的快中子核反应器(特别是液态钠冷却快堆(sfr))、以及包括多个上述的交换器模块的热交换器。

附图说明

在阅读通过参考以下附图以非限制性说明的方式给出的本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他优点和特征将更清楚地显现，其中：

-图1是根据现有技术的一个示例的板式热交换器模块的板的示意性透视图，所述板在入口处和出口处具有单个通道并且在交换区域之前具有分岔；

-图2是根据现有技术的另一示例的板式热交换器模块的板的示意性透视图，所述板在入口处和出口处仅有一个通道并且在交换区域之前具有分岔；

-图3是根据现有技术的另一示例的板式热交换器模块的板的示意性透视图，所述板在入口处和出口处具有单个通道并且在交换区域之前具有分岔；

-图4是根据本发明的第一变型的板式热交换器模块的板的俯视图，所述板具有供应区域(所述供应区域具有形成供应格栅的多个入口通道)和在交换区域之前的具有分岔的区域；

-图5是根据本发明的第二变型的板式热交换器模块的板的俯视图，所述板具有供应区域(所述供应区域具有形成格栅的多个入口通道)和在交换区域之前的具有分岔的区域；

-图6是示出在根据第一变型的具有格栅的供应区域的水平上的根据本发明的模块的板堆叠体的透视图的详细视图；

-图7是示出在根据第二变型的具有格栅的供应区域的水平上的根据本发明的模块的板堆叠体的透视图的详细视图；

-图8是遵循图7的第二变型的细节图，图8示出了尺寸的示例；

-图9是根据本发明的分岔区域的一部分的细节图，图9示出了尺寸的示例。

为了清楚起见，根据现有技术和根据本发明的相同元件由相同的附图标记表示。

具体实施方式

在整个申请中，术语“入口”、“出口”、“上游”、“下游”应理解为与根据本发明的热交换模块中涉及的流体的循环方向有关。

在前文中已经对与现有技术有关的图1至图3进行了评论。因此，下文中不再描述图1至图3。

在图4至图7中示出了根据本发明的热交换器模块的两个流体回路之一(称为第一回路)的板1，板1沿纵向轴线x延伸。优选地，该第一回路旨在用于循环诸如液态钠的液态金属。

该板1开槽有通道10、11、12、13，通道10、11、12、13具有制造的且形状不同的区域z1、z2、z3、z4。

在用于从堆叠体外部供应流体的供应区域z1中，各个通道10彼此平行并沿着与纵向轴线x相交的交叉轴线x’延伸，并且相邻的两个通道10经由形成在肋15中的至少一个切口16彼此连通，肋15分隔两个通道10各自的沟槽。

从图6中可以看出，在每个通道10中形成通孔17，以使第一回路的所有板1之间能够穿过堆叠体连通。为此，也制造未示出的穿过第二回路的板2的其它通孔。这些其它通孔不能使第一回路的通道与第二回路的通道之间连通。

因此，具有通道之间的切口16和穿过板1的孔17的通道10在同一板1的各个通道之间以及各个板1之间形成连通格栅。

在与供应区域z1连续的情况下，通道在连接区域z2中延伸。在该区域z2中，每个通道具有沿交叉轴线x’延伸的直线轮廓11和与直线轮廓连续的曲线轮廓12，所述曲线轮廓用于在与连接区域z2的下游连续的情况下将通道11与分岔区域z3的直线通道连接。

图5是图4的变型，图4中曲线轮廓更短以便使分岔区域中的所有通道13横向于纵向轴线x对齐。

从图4和5中可以看出，连接区域z2具有相对较大的面积，这使得能够在供应区域z1和下游分岔区域z3之间进行充分的物理分隔。该物理分隔使得能够在第二回路的板2中提供足够的空间，从而第一回路的通道与第二回路的通道之间不存在连通。

在分岔区域z3中，每个通道13被分成四个通道13.1、13.2、13.3、13.4，该四个通道是直的、彼此平行且平行于纵向轴线x延伸，并且通过肋彼此分开。

最后，在与分岔区域z3连续的情况下，热交换区域z4整合通过平行于纵向轴线x延伸的肋彼此分隔开的平行的直线通道13.1、13.2、13.3、13.4。

在图7中示出了供应区域z1的变型实施方式，其中，类似于通孔17，分隔通道10之间的切口16的肋部18全部相同并且对齐。

在图8中示出了在图7的变型中的供应区域z1中的板1的尺寸的示例。

例如，数值如下：r1＝1.5mm，e1＝42.5mm，e2＝32.5mm，e3＝3mm，e4＝7mm。

以类似的方式，图9示出了基于连接区域z2的曲线轮廓12的具有四个分岔13.1至13.4的通道13的尺寸的示例。

例如，数值如下：r2＝20mm，r3＝26mm，e5＝25mm，e6＝5.2mm，e7＝25mm，e8＝5.2mm，e9＝25mm，e10＝6mm。

以下过程用于制造根据本发明的交换器模块。

分别在有矩形沟槽的相同金属板1中机械加工如上面详细描述的供应区域z1、连接区域z2、分岔区域z3和交换区域z4。然后在区域z1中机械加工板1，以便获得通道10之间的切口16和穿过每个板1的孔17。

在与板1的形状和尺寸相同的金属板2中机械加工限定第二回路的通道的沟槽20。

由第一回路的板1和第二回路的板2产生交替的堆叠，以便形成通孔17，通孔17能够使第一回路的板1的通道之间连通，但不与第二回路的板的通道连通。

然后要么通过热等静压(hic)，要么通过用于获得在金属板1、金属板2之间的扩散焊接的热单轴扩散焊接工艺将金属板1、金属板2组装在一起。

本发明人已经进行了比较cfd计算，以便验证根据本发明的模块的第一回路中的最佳流体分布性能。

计算是在第一回路的入口处，液态钠以545℃的温度循环的假设下完成的。

这里规定，如同根据本发明的示例3的通道，根据比较示例1和2的通道具有相同的尺寸(即长度、宽度和高度)。

所有的比较计算总结在下表中。

比较示例1涉及一种现有技术的模块，其中na回路的区域z4的通道是直的并且全部通向歧管。

比较示例2涉及一种模块，该模块包括板1中的仅在流体入口和交换区域z4之间的通道以及包括具有如图4和图5中所示的分岔并且如同图9中的本发明的尺寸的区域z3。

示例3遵循本发明，该示例中具有包括具有板1中的所有区域z1至z4的通道的模块，区域z1的尺寸如图8所示，并且区域z3具有如同图9中的本发明的分岔尺寸的分岔尺寸。

在所有的示例中，板1和板2的其它形状和尺寸是相同的。

在表中进一步指出了在345℃下离开交换器的液态钠与在310℃下进入的氮气之间交换的理想情况。

表格

在该表中，可以看出，由于本发明，每个通道的流量离差低得多，压头损失高得多但可接受，热效率等于理想情况。

此外，与示例2相比，可以看出，具有切口16和板1之间的通孔的区域z1使得流量离差减少了4倍。

因此可以得出结论，该系统能够改善液态钠的分布。

在不脱离本发明的范围的情况下，可以提供其它变型和改进。

因此，例如，在使用液态金属(例如液态钠)和气体(例如氮气)的交换器模块中，设想具有直线通道的气体回路、以及具有包括各种区域z1、z2、z3、z4的通道(且优选地这些通道比气体回路的通道截面更大)的液态金属回路是可能的且有利的。

不言而喻，液态金属/气体交换器是一个应用示例，并且设想对于同一交换器中的两个流体回路具有根据本发明的相同区域z1至z4是完全可以的。

第二回路更倾向专用于气体循环，不应该引入太多的压头损失，因此优选不为第二回路的板提供分岔区域。另一方面，有利的是在第二回路的每个板中集成射流破坏格栅，以便完善分布。

不言而喻，级数(即第一回路和/或第二回路的板的数量)将根据操作条件进行调整，并且设想与所示的实施方式中不同的数量是完全可行的。