在两种流体之间交换热量的热交换器、利用液态金属和气体的热交换器的用途、至利用液 ...的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及两种流体之间的热交换器。
[0002]本发明更具体地涉及新型的紧凑且具有高的热功率的热交换器的制造。
[0003]本发明因此涉及包括压力之下的排管式堆容器(calandria)中的一个或多个板式交换器模块的热交换器。
[0004]根据本发明的两种流体之间的交换器的主要用途是其利用液态金属和气体的用途。它可以有利地涉及液态钠和氮气。
[0005]根据本发明的交换器所针对的主要应用是来自利用液态金属(例如液态钠)冷却的快中子反应堆(称为钠快反应堆(Sodium Fast Reactor，SFR))的第二循环的液态金属(例如液态钠)与作为来自第三循环的气体的氮气之间的热量交换，并且该反应堆形成了所谓的第四代反应堆系中的一部分。
[0006]尽管关于该主要应用进行了描述，但是根据本发明的热交换器还可以实施在需要两种流体(例如液体和气体)之间交换的任何其它的应用中，优选当需要有紧凑且高的热功率的交换器时。
[0007]在本发明的上下文中，“初级流体”应当被理解成表达热术语中的通常意义，也就是热流体，该热流体将其热量传递至作为冷流体的次级流体。
[0008]另一方面，在本发明的上下文中，“次级流体”应当被理解成表达热术语中的通常意义，也就是冷流体，热量从初级流体传递到冷流体。
[0009]在主要的应用中，初级流体是在SFR反应堆的热转换循环的所谓的次级回路中循环的钠，而次级流体是在所述循环的第三回路中循环的氮气。
【背景技术】
[0010]现有所谓的板式热交换器提供了显著优于现有所谓的管式热交换器，尤其是其热性能水平及其通过表面面积与热交换体积的有利的高比例的紧凑性。紧凑的板式交换器用在多种工业领域中。
[0011]已知的管式交换器例如是管和排管式交换器，其中笔直的或以U形弯曲的或以线圈形式的管束被固定到穿通的板上并布置在称为排管式堆容器的密封的封闭件的内部。在这些管和排管式交换器中，一种流体在管内部循环，而另一种流体在排管式堆容器内部循环。这些管和排管式交换器呈现出庞大的体积，从而是不紧凑的。
[0012]文献已经包含了制造热交换器的描述，所述热交换器包括在压力下布置在排管式堆容器中的紧凑的板式交换器模块。
[0013]此处可以引证专利FR2733823，其公开了在由密封的封闭件组成的压力之下的排管式堆容器中，带有波纹的板束的安装，所述波纹使得所述板在高于其固有的机械强度可能允许的压力下操作。这种交换器的实现高度地取决于用来制造波纹板束的技术，并且其局限于单个的板束，具有限制交换器的整体热功率的伴随缺点。
[0014]紧凑的板式交换器当前在核领域中没有实施并且没有核工程规范包括它们。
[0015]然而，在具有高温或特高温气体的反应器(称为“高温反应堆”，High TemperatureReactor，HTR;或“特高温反应堆”，Very High Temperature Reactor，VHTR)方面所进行的研究的背景下，AREVA公司已经提出了通过放置流体供应的一部分和共用的分配歧管来设计一连串的板式交换器模块的排管式堆容器的解决方案。例如，在专利FR 2887618中描述的这一解决方案是有利的，这由于通过增大串联的交换器模块的数量，可以增大交换器的整体热功率。另一方面，交换器模块的径向取向和歧管关于形成排管式堆容器的密封的封闭件的相对布置一方面将交换器的用途限制到气体与气体之间的交换(由于液体不可能排出)，并且另一方面使得不可能具有真正紧凑的交换器。因此，由结构(密封的封闭件、支撑结构等)和歧管所占据的体积远大于交换器模块的固有体积。
[0016]除了交换器紧凑性的问题和高的整体热功率的问题，本发明的发明人面临需要找到液态金属(例如液态钠)与气体之间的热交换器，需要能够实现液态金属回路的重力排出并从而在该回路中消除滞留区域。
[0017]在他们研究原型液态钠冷快中子核反应堆的背景下，发明人已经提出了设计液态钠与气体之间的热交换器的解决方案，这实现了紧凑的板式交换器模块。该解决方案例如描述在出版物[I]中。
[0018]图1至图1C重现了在该出版物[I]中所公开的热交换器的视图。
[0019]热交换器I旨在第一流体与第二流体之间传递热，该第一流体为氮气(N2)(冷流体)，第二流体为液态钠(Na)。
[0020]另外在这些图1至图1C中指出的是当氮气和钠进入和离开交换器I时，如所提供的氮气和钠各自的特征温度和压力。尤其是，180bar的压力是氮气的压力，从而在密封的封闭件2中占主导地位。
[0021]具有中心轴线X的热交换器I包括密封的封闭件2，竖直且平行于轴线X布置的多个(附图标记为3)交换器模块3.1、交换器模块3.2、交换器模块3.3、交换器模块3.4容纳在该密封的封闭件2中。如在图1A中更好地示出的，相同的交换器模块的数量等于四。
[0022]密封的封闭件2为通常基本上圆柱形，并且基本上由连接到底部21的盖子20组成。盖子20没有开口。
[0023]因此，密封的封闭件2在其多个纵向端部中的一个纵向端部2a处包括两个用于氮气的入口 10和出口 11以及用于液态钠的入口 12和出口 13。
[0024]每一个交换器模块3.1、交换器模块3.2、交换器模块3.3、交换器模块3.4包含两个流体回路，一个流体回路致力于使来源于SFR核反应堆的钠(Na)循环而作为热交换器模块的初级流体，并且另一个流体回路致力于使作为次级流体的氮气(N2)循环。
[0025]多个(附图标记为3)交换器模块3.1、交换器模块3.2、交换器模块3.3、交换器模块3.4由支撑结构4支撑。
[0026]如在下文中所解释的，支撑结构4柔性地固定在密封的封闭件2中。为此，交换器模块3.1、交换器模块3.2、交换器模块3.3、交换器模块3.4置于多孔(open-work)的支撑板40上，支撑板40经由柔性臂40a、柔性臂40b、柔性臂40c悬挂在封闭件2中(图1C)。
[0027]用于氮气的输入腔室5在封闭件2上方、在封闭件2的上纵向端部2b处轴向形成在交换器模块3.1至3.4与封闭件2的盖子20之间。
[0028]如通过向内指向的箭头在图1中所示出的，该腔室5与包括在交换器模块3.1至3.4中的一者中的氮气回路的每一个入口(未示出)连通。
[0029]与腔室5相反，第一中心歧管6围绕中心轴线(X)轴向地布置。该第一中心歧管6的功能是回收热的氮气，在交换器模块3.1至3.4中，热量已经从钠传递至热的氮气。
[0030]因此，该中心歧管6上游与包括在交换器模块3.1至3.4中的一者中的氮气回路的每一个出口(未示出)相连通。在下游，该中心歧管6与用于来自封闭件2的氮气的出口 11相连通。
[0031]环形歧管7围绕中心歧管6和交换器模块3.1至3.4布置，形成用于氮气的导向空间。该环形歧管7的功能是将冷的氮气带入到腔室5中。
[0032]更具体地，该环形歧管7基本上由向外展开形的导流器70和圆柱形的壳体71组成。因此，用于氮气的导向空间被从上游到下游限定边界，在外侧通过封闭件2限定边界并且在内侧通过第一中心歧管6限定边界之后通过导流器70和壳体71限定边界。环形歧管7围绕第一中心歧管6同轴布置。
[0033]因此，环形歧管7上游与用于来自封闭件2的氮气的入口10相连通，并在下游与腔室5相连通。
[0034]多个(附图标记为8)输入导管81、输入导管82、输入导管83、输入导管84布置成将热的钠带入到包括在交换器模块3.1至3.4中的一者中的钠回路的每一入口(未示出)中。
[0035]因此，每一输入导管81至84上游与用于封闭件2的钠的入口12相连通，并且下游与包括在交换器模块3.1至3.4中的一者中的钠回路的每一入口31至34相连通。
[0036]如在图1A中更好地示出的，每一入口31至34被制造在模块3.1至3.4的下侧的侧面上:多个(附图标记为8)输入导管81至84因此向内弯曲，以能够敞开到这些侧向入口 31至34中。
[0037]布置多个(附图标记为9)输出导管91、输出导管92、输出导管93、输出导管94，以从包括在交换器模块3.1至3.4中的一者中的钠回路的每一出口抽取冷的钠。
[0038]因此，每一输出导管91至94上游与包括在交换器模块3.1至3.4中的一者中的钠回路的出口相连通，并且下游与用于封闭件2的钠的出口 13相连通。用于冷的钠的出口 13侧向形成并朝向封闭件2的顶部。
[0039]如在图1A中更好地示出的，每一个钠出口被制造在模块3.1至3.4的顶部的侧面上;多个(附图标记为9)输出导管91至94因此向内弯曲，以能够敞开到这些侧向出口中。
[0040]另外，如在图1A中更好地示出的，多个(附图标记为8)输入导管81至84与第二中心歧管14相连通，该第二中心歧管14因此使热的液态钠穿过封闭件2的入口 12。第一中心歧管6与第二中心歧管14同轴并布置在环形歧管7与第二中心歧管14之间。