液态重金属管壳式换热器的制作方法

本发明涉及反应堆换热装置技术领域，尤其涉及一种液态重金属管壳式换热器。

背景技术

铅基合金(如铅铋合金)是第四代铅基反应堆的冷却剂材料，具有高密度、腐蚀性、磨蚀性等特点，而且，运行过程中的铅基合金处于高温状态，一旦与高压水等流体接触可能会发生蒸汽爆炸等事故。现阶段，通常采用套管式换热器进行换热，其将低温的冷却介质和高温的液态重金属分别置于内管和外管中，内管的低温冷却介质和外管的高温液态重金属进行热传递以实现换热，冷却介质和液态重金属在管道内的流动阻力较大，而且，套管式换热器的外管和内管均呈蜿蜒设置，外管和内管都包括多个直管段和若干连接于相邻的两个直管段之间的弯管段，外管的每一直管段套在内管的每一直管段外，外管的每一弯管段套在内管的每一弯管段外，存在难以实现内管的稳固安装、体积大等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单、紧凑且整体结构稳固牢靠的液态重金属管壳式换热器。

为了实现上述目的，本发明公开了一种液态重金属管壳式换热器，包括筒体、分别密封连接在所述筒体的上下两端的上封头和下封头、设于所述筒体内的若干换热管以及密封连接在所述筒体与所述下封头之间的管板，所述筒体的侧壁设有用于进出液态重金属的壳程入口和壳程出口；所述管板与所述下封头之间密封连接有隔板，所述隔板的两侧分别形成入口腔和出口腔，所述管板设有与所述入口腔连通的若干第一通孔和与所述出口腔连通的若干第二通孔，若干所述换热管的入口端密封连接在对应的若干所述第一通孔处并与所述入口腔连通，若干所述换热管的出口端密封连接在对应的若干所述第二通孔处并与所述出口腔连通，所述下封头设有与所述入口腔连通的管程入口和与所述出口腔连通的管程出口。

与现有技术相比，本发明的换热管设于筒体内，液态重金属走壳程，冷却介质走管程，液态重金属经由壳程入口进入筒体，与换热管内的冷却介质进行热交换后经由壳程出口流出，冷却介质经由管程入口进入入口腔，然后经由换热管的入口端进入换热管，与筒体内的液态重金属热交换后由出口端进入出口腔，最后经由管程出口流出；本发明通过管板和换热管分隔管程侧和壳程侧，且管板同时可以为换热管提供支撑，换热管与管板上的第一通孔、第二通孔连接，整体结构稳固牢靠；另外，本发明通过在管板与下封头之间设置隔板，隔板将管板与下封头之间的空间分隔成连通换热管的出口端与管程出口的出口腔和连通换热管的入口端与管程入口的入口腔，整体结构简单、紧凑。

较佳地，若干所述换热管为u型管，每一所述换热管包括两直管段和连通在两所述直管段的上端的弯管段，两所述直管段的下端分别为所述入口端和出口端；藉此，减小换热管的轴向长度，以减小换热器的整体体积；且换热管的弯管段可以减小由于换热管内的冷却介质和筒体中的液态重金属之间的温度差引起的热应力对换热管的影响，减小换热管的变形，延长换热管的使用寿命，保证换热管的安全运行。

较佳地，若干所述换热管被划分为多排，每排所述换热管包括自内向外依次间隔套设的多个换热管；藉此，使得若干换热管内的冷却介质与筒体中的液态重金属之间能够充分实现热交换，提高换热效果。

较佳地，所述液态重金属管壳式换热器还包括支撑板，所述支撑板固定于所述筒体的内壁，所述支撑板设有若干贯穿孔，若干所述换热管分别穿设于对应的若干所述贯穿孔；藉此，将换热管稳定地安装在筒体内，防止换热管在液态重金属和冷却介质的冲击下发生移位或形变。

较佳地，所述上封头设有爆破片装置，所述爆破片装置于所述上封头内的压力达到第一阈值时打开；藉此，防止由于筒体和上封头内的压力过大而造成筒体和上封头的损坏，保证换热器的完整性和运行安全性。

较佳地，所述爆破片装置包括连接管和爆破片，所述连接管包括呈倒u型状的第一管部以及呈u型状的第二管部，所述第一管部的入口端连接至所述上封头，所述第一管部的出口端连接至所述第二管部的入口端，所述爆破片设置在所述第二管部的出口端。通过将连接管设置成双u型状，可以防止液态重金属随水蒸气喷出而对工作人员造成伤害或对周围环境造成污染。

较佳地，所述连接管设有用于阻止液态重金属通过的过滤网；藉此，能够进一步防止液态重金属随水蒸气喷射出去。

较佳地，所述上封头设有安全阀，所述安全阀于所述上封头内的压力达到第二阈值时打开，所述第二阈值小于所述第一阈值；藉此，在上封头内的压力大于或等于第二阈值而小于第一阈值时，可以通过安全阀实现泄压。

较佳地，所述爆破片装置的通流面积大于所述安全阀的通流面积。藉由设置通流面积不同的安全阀和爆破片装置，在上封头内的压力大于或等于第二阈值而小于第一阈值时，通过通流面积较小的安全阀释放压力，在上封头内的压力大于或等于第一阈值时，通流面积较大的爆破片装置自动打开，与安全阀协同工作，从而实现快速泄压。

较佳地，所述上封头呈弧面状，所述爆破片装置设于所述上封头的顶部，所述安全阀设于所述上封头的顶部与底部之间的区域。

较佳地，所述上封头设有联通口，所述联通口连接有联通管，所述联通管用于与外部稳压器连接；藉此，可通过调节稳压器内的惰性气体压力控制换热器内液态重金属的液位高度，为发生传热管破裂等事故时提供可压缩空间，防止事故产生的压力波破坏筒体和上封头，同时，可以为液态重金属提供惰性气体空间，防止金属液面被氧化。

较佳地，所述壳程入口设置在所述筒体的下部且与所述管板之间形成间距，所述筒体的底部设有卸料口，所述卸料口的底壁与所述管板的上表面大致平齐。藉由设置卸料口，使得壳程入口无法完全排出的液态重金属，可以再通过卸料口排出，确保液态重金属管壳式换热器内的液态重金属能够全部排空。

附图说明

图1是本发明实施例液态重金属管壳式换热器的结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现的效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

请参阅图1，本发明公开了一种液态重金属管壳式换热器100，包括筒体1、分别密封连接在筒体1的上下两端的上封头2和下封头3、设于筒体1内的若干换热管4以及密封连接在筒体1与下封头3之间的管板5，筒体1的侧壁设有用于进出液态重金属的壳程入口11和壳程出口12；管板5与下封头3之间密封连接有隔板6，隔板6的两侧分别形成入口腔61和出口腔62，管板5设有与入口腔61连通的若干第一通孔51和与出口腔62连通的若干第二通孔52，若干换热管4的入口端密封连接在对应的若干第一通孔51处并与入口腔61连通，若干换热管4的出口端密封连接在对应的若干第二通孔52处并与出口腔62连通，下封头3设有与入口腔61连通的管程入口31和与出口腔62连通的管程出口32。

在本实施例中，壳程入口11和壳程出口12设置在筒体1的相对的两侧，壳程入口11设置在筒体1的一侧的下部，壳程出口12设置在筒体1的另一侧的上部；管程入口31与壳程入口11设置在隔板6的一侧，管程出口32与壳程出口12设置在隔板6的另一侧，藉此设计，使得液态重金属能够与换热管4更好的进行热交换，保证换热效果，但不应以此为限，具体实施中也可以将上述出入口设置在其它位置。

较优的，壳程入口11设置在筒体1的下部且与管板5之间形成间距，筒体1的底部设有卸料口13，卸料口13的底壁与管板5的上表面大致平齐；藉由设置卸料口13，使得壳程入口11无法完全排出的液态重金属，可以再通过卸料口13排出，确保液态重金属管壳式换热器100内的液态重金属能够全部排空。更优的，卸料口13与壳程入口11设置在筒体1的相对的两侧，但不应以此为限。

在本实施例中，若干换热管4的入口端插接在第一通孔51，若干换热管4的出口端插接在第二通孔52；具体的，若干换热管4的入口端和出口端与管板5的下端平齐；但不应以此为限；比如，在一些实施例中，也可以将若干换热管4的入口端和出口端设置成贴合在管板5的上端面且环绕对应的通孔，此时冷却介质由入口腔61进入第一通孔51，再由第一通孔51进入换热管4，流经换热管4后进入第二通孔52，再由第二通孔52进入出口腔62；在一些实施例中，还可以将若干换热管4的入口端和出口端设置成穿过第一通孔51、第二通孔52延伸至进入入口腔61、出口腔62的形式。

较优的，隔板6的一端连接在管板5的中间位置，另一端连接在下封头3的中间位置，第一通孔51和第二通孔52对称设于隔板6的两侧，但不应以此为限。

具体的，本发明的液态重金属管壳式换热器100为立式换热器，若干换热管4为u型管，每一换热管4包括两直管段41和连通在两直管段41的上端的弯管段42，两直管段41的下端分别为入口端411和出口端412。将换热管4设置成u型，可以减小换热管4的轴向长度，以减小换热器100的整体长度和体积；而且，换热管4的弯管段42可以减小由于换热管4内的冷却介质和筒体1中的液态重金属之间的温度差引起的热应力对换热管4的影响，减小换热管4的变形，延长换热管4的使用寿命，保证换热管4的安全运行。

更具体的，若干换热管4被划分为多排，每排换热管4包括自内向外依次间隔套设的多个换热管4；藉此设计，使得若干换热管4内的冷却介质与筒体1中的液态重金属之间能够充分实现热交换，提高换热效果。

具体的，液态重金属管壳式换热器100还包括支撑板7，支撑板7固定于筒体1的内壁，支撑板7设有若干贯穿孔71，若干换热管4分别穿设于对应的若干贯穿孔71；藉此设计，将换热管4稳定地安装在筒体1内，防止换热管4在液态重金属和冷却介质的冲击下发生移位或形变。在本实施例中，将支撑板7设于筒体1的大致中间位置，换热管4的直管段41穿设于贯穿孔71，但不应以此为限。

具体的，上封头2还设有爆破片装置8，爆破片装置8于上封头2内的压力达到第一阈值时打开；藉此设计，当换热器100发生换热管4破裂等事故工况时，换热管4内的冷却介质溢出将会导致上封头2内的压力达到第一阈值，爆破片装置8在压力的作用下自动打开，从而将筒体1和上封头2内的压力释放，防止由于压力过大而造成筒体1和上封头2的损坏，保证换热器100的完整性和运行安全性。

更具体的，爆破片装置8包括连接管81和爆破片82，连接管81包括呈倒u型状的第一管部811以及呈u型状的第二管部812，第一管部811的入口端连接至上封头2，第一管部811的出口端连接至第二管部812的入口端，爆破片82设置在第二管部的812的出口端。通过将连接管81设置成双u型状，可以防止液态重金属随水蒸气喷出而对工作人员造成伤害或对周围环境造成污染。

较优的，连接管81设有用于阻止液态重金属通过的过滤网813；藉此设计，能够进一步防止液态重金属随水蒸气喷射出去。在本实施例中，过滤网813设置在第二管部812的出口端，但不应以此为限。

具体的，上封头2设有安全阀9，安全阀9于上封头2内的压力达到第二阈值时打开，第二阈值小于第一阈值。

更具体的，爆破片装置8的通流面积大于安全阀9的通流面积。通过设置通流面积不同的安全阀9和爆破片装置8，在上封头2内的压力大于或等于第二阈值而小于第一阈值时，通过通流面积较小的安全阀9实现压力的泄放，在上封头2内的压力大于或等于第一阈值时，通流面积较大的爆破片装置8自动打开，与安全阀9协同工作，从而快速释放筒体1和上封头2内的压力，以实现快速泄压，保证换热器100完整性和运行安全性。

具体的，上封头2呈弧面状，爆破片装置8设于上封头2的顶部，安全阀9设于上封头2的顶部与底部之间的区域。当然，也可以将上封头2设置成其他形状，只要能够为液态重金属预留可压缩空间即可。在本实施例中，下封头3亦呈弧面状，但不应以此为限。

具体的，上封头2还设有联通口10，联通口10连接有联通管101，联通管101用于与外部稳压器(图未示)连接；藉此设计，可通过调节稳压器内的惰性气体压力控制换热器100内液态重金属的液位高度，为事故条件(例如，换热管4破裂造成冷却介质溢出，导致筒体1内的液态重金属膨胀和液位升高等)提供可压缩空间，防止事故产生的压力波破坏筒体1和上封头2，同时，可以为液态重金属提供惰性气体空间，防止金属液面被氧化。在本实施例中，联通口10设置在上封头2的顶部与底部之间的区域，联通口10与安全阀9分别设置在爆破片装置8的两侧，但不应以此为限。

在本实施例中，液态重金属为液态铅基合金，为了防止换热管4破裂时发生蒸汽爆炸等事故，同时确保换热效果，本实施例所采用的冷却介质的沸点高于液态铅基合金的熔点；由于高压水具有流速不受限制、不会结焦、没有燃烧爆炸风险等优点，本实施例采用高压水作为冷却介质。较优的，上封头2与液态铅基合金的自由液面之间的空间填充有惰性气体，以防止液态重金属液面被氧化污染，优选的，惰性气体为氩气；另外，为了增加换热器100的抗腐蚀、抗磨蚀能力，提高换热器100的安全裕度，与铅基液态重金属直接接触的筒体1、换热管4等部件均采用耐磨蚀材料，例如316l等。

值得注意的是，在使用液态重金属管壳式换热器100之前，需通过壳程入口11和壳程出口12将筒体1内的空气排尽，具体的，可利用抽真空系统将筒体1内的空气抽走，使得筒体1内为真空状态，或通过充入惰性气体排出筒体1内的空气等方式实现，以防止筒体1的内壁和液态重金属被氧化污染；在液态重金属管壳式换热器100停止运行后，残余在筒体1中的液态重金属在自身重力的作用下排出后，利用惰性气体充入系统将惰性气体充入筒体1，以使筒体1的内部长期保持惰性气体环境，防止筒体1内壁的氧化污染。

与现有技术相比，本发明的换热管4设于筒体1内，液态重金属走壳程，冷却介质走管程，液态重金属经由壳程入口11进入筒体1，与换热管4内的冷却介质进行热交换后经由壳程出口12流出，冷却介质经由管程入口31进入入口腔61，然后经由换热管4的入口端进入换热管4，与筒体1内的液态重金属热交换后由出口端进入出口腔62，最后经由管程出口32流出；本发明通过管板5和换热管4分隔管程侧和壳程侧，且管板5同时可以为换热管4提供支撑，换热管4与管板5上的第一通孔51、第二通孔52连接，整体结构稳固牢靠；另外，本发明通过在管板5与下封头3之间设置隔板6，隔板6将管板5与下封头3之间的空间分隔连通换热管4的出口端与管程出口32的出口腔62和连通换热管4的入口端与管程入口31的入口腔61，整体结构简单、紧凑；此外，由于冷却介质高压水走管程，近于常压的液态重金属走壳程，在考虑液态重金属的腐蚀和磨蚀的前提下减小了筒体1的壁厚，提高了换热器100的经济性。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。