一种适用于长期运行工况下的开式非能动热量导出系统的制作方法

本发明涉及一种适用于长期运行工况下的开式非能动热量导出系统，适用于核反应堆安全技术领域的冷却系统。

背景技术：

为了保障反应堆的运行安全性，新一代反应堆在设计中主要采用了能动和非能动技术相结合的安全系统。在假想的严重事故情况下，非能动安全系统的长期有效运行对于导出堆芯余热，保证反应堆堆芯及安全壳壳体的完整性起着至关重要的作用。在设计新一代反应堆安全壳冷却系统时，开式非能动热量导出系统因具有传热环节少，系统结构简单受到了各国学者的关注。该系统的主要特点是运行压力低，易发生闪蒸流动不稳定，尤其是在长期运行工况下，因排热功率的降低会进一步导致冷却系统排热能力降低或因振动破损而失效。这对系统的安全运行有着较大的威胁。为此，本发明提出了在开式自然循环系统内采用主动注气的技术手段，以提高自然循环能力的持续性和稳定性，减弱流量扰动所引起的机械振荡，消除传统非能动热量导出系统长期运行时系统流量下降，排热能力降低的问题。

公开号为CN103161709 A的专利文件中，公开的“一种气泡泵装置”的主要特征在于采用变截面渐缩竖直提升管和安装在气泡发生器底部中央的热交换装置，通过加热产生气泡起到提升液体的作用。2009年2月出版的《International Journal of Heat and Fluid Flow》第30卷第1期中报道的《Air-lift pumps characteristics under two-phase flow conditions》等文献中，对气泡提升泵的结构都有相关论述。这些文献及发明专利中提出的气泡提升泵并不适用于开式的非能动热量导出系统，一方面采用直接加热不易控制气泡的生成份额；另一方面介入式结构会影响到自然循环回路内流体的流动并增大回路的阻力。所以若能对气泡提升泵装置进行相应的改进设计，从而发明一种适用于长期运行工况下的开式非能动热量导出系统，将会使核电站的非能动安全保护系统更加安全可靠。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种适用于长期运行工况下的开式非能动热量导出系统，可以用来提高自然循环系统驱动力及流动稳定性。

本发明的目的是这样实现的：包括换热水箱、过滤装置、质量流量计、热交换器、气泡发生装置、储气罐，所述换热水箱的下端面分别设置有上升管口和下降管口，下降管口通过管路依次连接过滤装置和热交换器，上升管口通过管路依次连接气泡发生装置和热交换器，在过滤装置和热交换器之间的管路上设置有下降管球阀和质量流量计，所述气泡发生装置的进气管与储气罐连通，且在气泡发生装置与储气罐之间的管路上设置有注气管流量调节阀。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.气泡发生装置包括外部套筒、设置在外部套筒内的多孔介质套筒、设置在外部套筒外的环形进气管以及设置在外部套筒两端的用于与对应管路连接的法兰，所述环形进气管与外部套筒和多孔介质套筒形成的间隙空腔相连通。

2.外部套筒的材料是不锈钢，多孔介质管由聚四氟乙烯或其他耐高温的疏水材料烧结形成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用周向注气方式，可以有效减小介入循环回路的附加阻力，装置简单易操作且发泡均匀，能获得稳定的泡状流，有助于增强非能动热量导出系统的自然循环能力，克服长期运行工况下系统换热能力降低及闪蒸流动不稳定性的问题，且仍保持了系统非能动的特征，使非能动热量导出系统更加安全可靠。

(1)本发明采用主动注气的方式，效率更高，而且产气均匀，产气量便于控制，操作方便简单。

(2)本发明采用多孔介质管作为气泡发生装置，相比普通开孔套筒，其所产气泡细小均匀。

(3)本发明充分利用聚四氟乙烯等材料的疏水特性，水与多孔介质的浸润性较差，工质流经多孔介质套筒的摩擦压降较小，且气泡更易脱离壁面。

(4)本发明采用周向环形进气方式，保证气体沿周向均匀进入多孔介质中，避免在流道内部出现产气不均匀的现象。

(5)本发明选用的多孔介质套筒内径与回路管道内径相同，相比微孔板和曝气头等结构，大大减小了注气装置对主流的扰动，避免引入过大附加阻力。

(6)本发明整体结构简单，可以比较方便的进行安装、维修。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明气泡发生装置示意图；

图3是图2沿竖直方向剖面示意图；

图4是图2沿竖直方向的剖视图。

图5是图4沿A-A方向的剖视图。

具体实施方式

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。

结合图1-5，本发明提供的一种适用于长期运行工况下的开式非能动热量导出系统主要由换热水箱1、过滤装置2，下降管球阀3、质量流量计4，热交换器6，气泡发生装置7、8，注气管流量调节阀9、储气罐10、温度传感器5、疏水阀11及其他相应的阀门管道组成。其中热交换器6设置在气泡发生装置的上游，也即在热交换器下游增设了气泡发生装置，通过依据系统工况变化调整注气量的方式来提高系统回路的自然循环能力，从而提高安全壳非能动热量导出系统的运行稳定性和长期有效的换热能力，也即保障了长期运行条件下系统的流动稳定性和排热能力。气泡发生装置与管路之间采用法兰联接，具体位置可结合热工参数变化范围确定。换热水箱属于开式水箱，通过蒸发散热的方式将回路工质吸收的热量排放到大气中，而且与上升管和下降管接口均在水箱底面，即使水箱水位降低也能始终保持系统循环回路的连通，即在水箱蒸发干涸之前可以始终保持系统循环回路的连通。

本发明的气泡发生装置采用环形进气管，保证气体沿周向均匀进入多孔介质中。其中注气压力始终大于上升段的静压头，以避免多孔介质套筒与不锈钢套筒之间空腔中进入液体，缩短有效产气段。气泡发生装置是本发明设计和安装的关键，两端通过法兰与回路相连接，其与热交换器、圆管道共同组成了循环回路的上升段。气泡发生装置由多孔介质管7和外部套筒8、环形进气管、法兰组成。多孔介质管7置于外部套筒8内，在多孔介质管与外部套筒之间存在环形间隙空腔(气腔)，环形进气管与环形气腔相连通，所需气体由储气罐提供。多孔介质管内径与连接管道的内径相同，不会对流体流动产生扰动。多孔介质管可由聚四氟乙烯或其他耐高温疏水材料烧结而成，外部套筒采用的是不锈钢材质。多孔介质内腔为液体流道，内径与上升段管道内径相同，且多孔介质具有疏水特性，可以最大程度减少流体流经多孔介质内腔的局部损失。多孔介质套筒与不锈钢套筒之间存在一个环状空腔，空气由进气管进入环状空腔，因为注气压力较大，空气流过多孔介质，并被多孔介质碎化成细小、均匀的气泡，与流道内的液体混合后形成密度较小的气液两相流。最后，在上升段和下降段密度差的驱动下，实现增强自然循环驱动力的作用。

当发生全厂断电事故时，采用非能动技术的安全壳非能动热量导出系统(PCS系统)开始启动，利用自然循环流动实现安全壳的长期冷却功能。如图1所示，传统非能动热量导出系统通常包括设置在安全壳内部的热交换器6，以及通过上升管和下降管与所述热交换器6相连接的设置在安全壳外的换热水箱1。热交换器内的工质受热膨胀向上流动，进入换热水箱1，冷却后低温、密度较高的工质沿下降管再流向热交换器6换热，整个过程依靠的是冷热段的密度差实现自然循环完成热量导出功能。研究表明，换热水箱温度越低对换热系统的功率影响越明显，其越低，安全壳热量导出系统功率越高。而且在长期运行工况下，随着安全壳释热功率的降低以及上升管内工质温度的升高，循环回路驱动力逐渐下降，并且上升段中会发生闪蒸流动不稳定性。这种流动不稳定性会对系统产生强烈的机械振荡，由其产生的应力损伤对于系统的安全运行有着较大的威胁，而且系统排热能力也会因此明显减弱。因此本发明在上升段热交换器6的下游设置气泡发生装置7、8，依据运行工况的变化利用流量调节阀9调节注气量。气体的引入使当地局部静压降低，闪蒸现象会提前发生，从而增加上升管中两相段的长度，使自然循环回路的驱动力增强，保障了长期运行工况下非能动热量导出系统的有效性和安全性。