一种用于熔盐堆非能动余热排出系统的换热装置的制作方法

本发明属于结构热工水力技术领域，具体涉及一种用于熔盐堆非能动余热排出系统的换热装置。

背景技术：

2002年7月，在第四代国际核能论坛(gif)上，熔盐堆(msr)被确立为第四代核能系统优先发展的六种堆型之一，它的特点是采用溶解在lif、naf等熔盐中的钍或铀的液态融合物作为燃料，不需要制作燃料组件，与其他堆型相比，熔盐堆是唯一的液态燃料反应堆，且具有固有安全性高、燃料循环特性灵活等特点。熔盐堆由美国橡树岭国家实验室(ornl)提出，于1954年建成了第一个用于军用空间核动力研究的2.5mw实验熔盐堆(are)，还建立了循环氟化熔盐系统的性能基准。1965年至1969年，ornl完成了10mw熔盐实验堆(msre)设计、建造并成功运行13000h，此外，还研究了氟化理/氟化镀熔盐、石墨慢化剂等的特性，证明了熔盐堆商业应用的可行性，完成了熔盐增殖堆(msbr)的设计。目前，我国于2011年由中国科学院牵头组织开展了熔盐堆的相关研究，且已将熔盐堆作为未来发展的新型反应堆之一。

任何反应堆的研究和设计，安全问题始终处于首位位置，在反应堆众多的安全环节中，在各种条件下保证停堆后余热的安全排出是一个非常重要的环节。在msre中，美国橡树岭国家实验室(ornl)采用了通过泵驱动冷却水最终将余热导出的方法，其工作原理是：熔盐在停堆后排到排盐罐中，余热排出系统启动，汽包内的冷却水通过换热元件进水口进入进水管并向下流动，在套管底部折流向上进入上升环腔并被加热产生沸腾，蒸汽沿环腔进入汽包的气空间并通过汽包上面的蒸汽管线流向冷凝器，冷凝后凝液在重力的作用下返回到汽包的水空间并进入进水管，形成了一个闭式的自然循环。对于冷凝器，通过泵从冷却塔中抽出冷却水对蒸汽进行冷却，将余热最终导出。

ornl10mw熔盐堆的余热排出系统在套管式换热元件的给水管路中并未设置流量测量装置，无法对给水管路中的过水流量进行统计，从而无法根据系统的实际情况对进水出水量做出准确的控制。同时，该套系统对套管内换热及热工水力机理没有进行完全的研究，且该系统结构复杂，当系统中的某一部件出现故障时整个系统都无法正常工作，具体的排查也会消耗大量的人力物力。

此外，专利201310286718.7所公开的一种用于熔盐堆的非能动余热排出系统，其功能在于提高系统的非能动工作能力，解决由于能动式系统设计带来的故障率高等问题，提高熔盐堆余热排出系统的安全性，但其缺点在于其系统设计较理想化，在实际运行的工程中性能不稳定，各种部件太琐碎，一旦设备发生故障无法尽快的确定故障部件，定位困难，同时该系统中未设置流量计，无法确定系统水流量，且该系统不能直接用于工程实践，因此需要设计一种结构简单、适用于工程实践的系统结构。

专利201610899803.4公开了一种用于熔盐堆非能动余热排出的单管实验装置，其功能在于提供一种更适合进行试验研究的实验装置，其缺点在于当系统要测量水流量时需要先关闭截止阀再进行流量测量，操作复杂且影响系统的连续运作，因此需要设计一种能够在系统过程中同步测量水流量的装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种设计合理、结构紧凑、操作简便、能够同步进行有效测量水流量且有助于换热元件自然循环实验机理研究的用于熔盐堆非能动余热排出系统的换热装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明公开了一种用于熔盐堆非能动余热排出系统的换热装置，包括汽包1、换热元件、给水流量测量元件与相应连接管道；换热元件包括中心管2、中心管上层套管10与外层套管3；给水流量测量元件包括流量计4与汽包入口管段5；

汽包入口管段5安装在汽包1的下方位置，流量计4安装在汽包入口管段5后端，之后与换热元件的中心管2相连接，中心管2外部安装有外层套管3，外层套管3上端与中心管上层套管10的下端相连接，中心管上层套管10的上端连接有汽包出口管段6，汽包出口管段6的另一端安装在汽包1的内部。

优选的，所述的中心管2为可拆卸式套管式结构，包括中心管水平段7、中心管弯头8与中心管竖直段9；中心管弯头8与中心管竖直段9的顶部相焊接，中心管弯头8另一端与中心管水平段7相焊接，三者的直径相同，焊接处相通，呈一体化结构。

优选的，所述的中心管上层套管10为上下贯通的圆柱形结构，中心管上层套管10的侧壁上开有圆孔，圆孔直径与中心管2的直径相同；中心管水平段7穿过侧壁上的圆孔，且通过焊接将其固定在中心管上层套管10上。

优选的，所述的外层套管3套于中心管竖直段9外侧，外层套管3上端与中心管上层套管10的下端连接方式为活接连接，中心管上层套管10的上端与汽包出口管段6的下端连接方式为活接连接。

优选的，所述的给水流量测量元件整体为c型结构，汽包入口管段5为上长下短的c型管，短管道后端通过法兰与流量计4连接，流量计4后又通过一段直管段与中心管2相连接，连接方式为法兰连接。

优选的，所述的汽包入口管段5与汽包出口管段6均与汽包1焊接为一体。

优选的，所述的汽包入口管段5与汽包出口管段6存在高度差，汽包出口位置高于汽包入口位置。

优选的，所述的中心管弯头8为直角弯头。

优选的，所述的换热元件、给水流量测量元件与相应连接管道的的管道截面形状均为圆形。

本发明的有益效果在于：

本发明公开的一种用于熔盐堆非能动余热排出系统的换热装置采用c型流量计外接套管式换热元件的方式，是一种对套管式换热元件实现给水流量测量的的新型结构，相比之前套管式换热元件流量测量准确度更高；

此外，本发明采用的这种c型结构的额外管路阻力比较小，经实验研究证明，在流体温度0℃-150℃的实验运行条件下，附加的压降损失与没有c结构的压降损失相比完全可以忽略。

再者，本发明充分使用活接技术，在实验温度范围(0℃-150℃)内亦能保证实验的密封性。

最后，本发明整体设计合理、结构紧凑、简单实用、阻力小、承压能力大、装卸方便、工艺易操作，同时可以比较方便的进行安装与维修。

总的来说，本发明公开的这种用于熔盐堆非能动余热排出系统的换热装置可以有效地测量套管式换热元件的给水流量，避免因为套管式元件管内空间狭小而无法进行流量测量的问题，同时装置简单易制造，工艺成熟，有助于自然循环、两相流动的科学研究以及非能动安全系统工程设计。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中心管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

结合图1与图2，本发明公开的一种用于熔盐堆非能动余热排出系统的换热装置包括汽包1、换热元件、给水流量测量元件与相应连接管道；换热元件包括中心管2、中心管上层套管10与外层套管3；给水流量测量元件包括流量计4与汽包入口管段5；

汽包入口管段5安装在汽包1的下方位置，流量计4安装在汽包入口管段5后端，之后与换热元件的中心管2相连接，中心管2外部安装有外层套管3，外层套管3上端与中心管上层套管10的下端相连接，中心管上层套管10的上端连接有汽包出口管段6，汽包出口管段6的另一端安装在汽包1的内部；给水从汽包入口管段5进入，依次经过给水流量测量元件、换热元件、从汽包出口管段6流出。

结合图1，给水流量测量元件包括流量计4与汽包入口管段5，整体为c型结构，汽包入口管段5为上长下短的c型管，短管道后端通过法兰与流量计4连接，流量计4后又通过一段直管段与中心管2相连接，连接方式为法兰连接。

本发明中所述的给水流量测量元件能够在水流从汽包经管道流向换热元件的同时进行流量测量，简单高效且不用停止设备，能够合理有效的测量流量且高效的利用空间。

汽包入口管段5与汽包出口管段6均与汽包1焊接为一体，且汽包入口管段5与汽包出口管段6存在高度差，汽包出口位置高于汽包入口位置。

结合图2，换热元件包括中心管2、中心管上层套管10与外层套管3；中心管2为可拆卸式套管式结构，包括中心管水平段7、中心管弯头8与中心管竖直段9，中心管弯头8为直角弯头；中心管弯头8与中心管竖直段9的顶部相焊接，中心管弯头8另一端与中心管水平段7相焊接，三者的直径相同，焊接处相通，呈一体化结构。

中心管2与中心管上层套管10与套装结构，中心管上层套管10为上下贯通的圆柱形结构，中心管上层套管10的侧壁上开有圆孔，圆孔直径与中心管2的直径相同；中心管水平段7穿过侧壁上的圆孔，且通过焊接将其固定在中心管上层套管10上。

其中，中心管的工艺技术实现方式如下：

(1)先在外层套管开一处与中心管大小的圆孔；

(2)将弯头与竖直管段焊接好；

(3)将焊接好的竖直管段与弯头塞入开好孔的外层套管，使弯头的水平出口穿过外层套管上开好的的孔；

(4)将水平管段与弯头焊接好并将其焊接固定在中心管部分的小段外层套管上。

外层套管3套于中心管竖直段9外侧，外层套管3上端与中心管上层套管10的下端通过活接连接的方式相连接，同样的，中心管上层套管10的上端与汽包出口管段6的下端通过活接连接的方式相连接。

此外，本发明中所述的实验装置应保持水平，且换热元件、给水流量测量元件与相应连接管道的的管道截面形状均为圆形。

实施例2

结合图1，本发明的一种用于熔盐堆非能动余热排出系统的换热装置主要由中心管部分、外层套管部分、流量计、汽包、汽包入口管段与汽包出口管段组成。

中心管部分与外层套管部分使用活接连接，中心管部分与外层套管部分组成的套管结构元件与汽包底部亦使用活接连接，中心管部分和汽包入口管段与流量计使用法兰连接，汽包入口管段与汽包出口管段均与汽包焊为一体。

其中，中心管的工艺技术可由如下实现：

中心管分为水平管段7，弯头8与竖直管段9以及小段外层套管部分10。先在外层套管开一处与中心管大小的圆孔，再将弯头与竖直管段焊接好，然后将焊接好的竖直管段与弯头塞入开好孔的外层套管，使弯头的水平出口穿过外层套管上开好的的孔，再将水平管段与弯头焊接上并将其焊接固定在中心管部分的小段外层套管上。

此外，汽包入口管段、中心管水平管段与流量计采用法兰连接构成c型结构，合理有效测量流量且高效利用空间。

所述的实验装置应保持水平，且汽包入口管段的入水口与出口管段出气口存在一定的高度差。

需要说明的是，本发明所装配的套管式换热元件还进行了高温(120℃)高压(0.3mpa绝对压力)的可靠性实验测试，实验过程中，其换热特性与其他老式套管换热元件未有明显区别，实验流量测量装置响应与实验预期完美匹配，实验后装置未见任何异常，且密封性依旧良好，因此相对以往套管式换热元件技术具有显著地技术进步。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。