專利名稱:一種浮頭式鉛鉍換熱裝置及換熱方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核能熱交換設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種浮頭式鉛鉍換熱裝置及換熱方法。具體說，具體說包括強迫循環(huán)和自然循環(huán)兩種傳熱流動方式，是一種在雙側(cè)實現(xiàn)流動傳熱的裝置。由鉛鉍換熱裝置管程內(nèi)流動的鉛鉍合金傳遞給殼程流動的冷卻劑水，并由冷卻劑水帶走熱量，完成一個循環(huán)，由此帶走在ADS次臨界反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量，以保證ADS系統(tǒng)的正常安全運行。
背景技術(shù)：
加速器驅(qū)動系統(tǒng)ADS (accelerate driven system,)是一種高效的核廢物嬗變技術(shù)。其組成是中能強流質(zhì)子加速器；外源中子產(chǎn)生靶；次臨界反應(yīng)堆。由于ADS系統(tǒng)冷卻劑采用的是鉛鉍合金流體，因此，有效地導出其帶有的熱量。目前，世界上還沒有建成ADS 反應(yīng)堆，國外正進行實驗回路研究。無論是歐洲實驗加速器驅(qū)動系統(tǒng)(XADS)所采用的列管式中間換熱器；還是意大利CIRCE管板式換熱器；還有意大利NACIE自然循環(huán)實驗回路設(shè)計的套管型換熱器；再有意大利比薩大學采用鋼螺旋片加強湍流作用同軸套管換熱器；最后加上瑞典皇家理工學院(KTH)TALL單套管式換熱，大部分采用套管式換熱器。循環(huán)方式主要采取強迫循環(huán)，自然循環(huán)也越來越得到重視。國內(nèi)目前ADS研究剛剛起步，正在開展鉛鉍實驗回路設(shè)計研究。其中換熱裝置是很重要的一個環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到實驗回路的實現(xiàn)運行成功。
套管式換熱器作為一種常用換熱設(shè)備，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，適用于高溫高壓流體， 特別是小容量流體的傳熱。主要缺點是流動阻力大，金屬消耗量多，而且體積大，占地面積大，故用于傳熱面積不大的換熱器。另外，在需要帶走由鉛鉍合金較大流量所攜帶熱量時， 就需要超過10米高的管道，加工制造比較困難。
管殼式換熱器以其對溫度、壓力、介質(zhì)的適應(yīng)性，耐用性及經(jīng)濟性，在換熱設(shè)備中始終占有70%的主導地位。因此管殼式換熱器的標準化工作為世界多個工業(yè)發(fā)達國家所重視，也為ISO國際標準化組織所重視。管殼式換熱器主要有固定管板式、U型管式和浮頭式換熱器。針對固定管板式與U型管式的缺陷，浮頭式做了結(jié)構(gòu)上的改進，兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對殼體滑移，稱為浮頭。這種換熱器殼體和管束的熱膨脹是自由的，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力等優(yōu)點，而且可拆卸抽出管束，檢修更換換熱管、清理管束和殼程污垢方便，因此，浮頭式換熱器應(yīng)用最廣泛，在油田集裝儲運系統(tǒng)中，60% 70 %的換熱器為浮頭式換熱器。考慮到鉛鉍換熱裝置端部溫差較大，具有較大的膨脹壓力，并需要帶走鉛鉍合金較大流量所攜帶的熱量，為更好、更安全地實現(xiàn)熱量的有效傳遞，就必須設(shè)計一種傳熱裝置，以更好地適應(yīng)ADS系統(tǒng)的基本要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種浮頭式鉛鉍換熱裝置及換熱方法，其特征在于，該裝置是一種在雙側(cè)進行流動傳熱的裝置，具有強迫循環(huán)和自然循環(huán)兩種流動傳熱方式；[0006]所述浮頭式鉛鉍換熱裝置的結(jié)構(gòu)如下在鋼板包成的圓柱鋼管殼10上端連接上封頭11，上封頭11頂端固定一次側(cè)鉛鉍合金流體進口 6、圓柱鋼管殼10上段側(cè)面固定二次側(cè)冷卻水出口 9，圓柱鋼管殼10下段側(cè)面固定二次側(cè)冷卻劑水入口 8，一次側(cè)換熱管2支撐在圓柱鋼管殼10內(nèi)的浮動管板15上，二次側(cè)冷卻劑換熱殼4固定在圓柱鋼管殼10內(nèi)壁， 形成夾層換熱通道；浮頭5的浮頭殼體固定在圓柱鋼管殼10下端，一次側(cè)鉛鉍合金流體出口 7固定在浮頭殼體16的端部中央。
所述浮頭的結(jié)構(gòu)為在浮頭殼體16內(nèi)浮動管板15固定在浮頭法蘭12上部，浮頭蓋 13固定在浮頭法蘭12下部；浮頭法蘭12不與浮頭殼體16固定連接；浮頭蓋13與浮頭殼體16之間形成浮頭滑動空間14。
所述圓柱鋼管殼與浮頭殼體16及上封頭11均為法蘭連接。
所述一次側(cè)浮頭換熱管在浮動管板上的排列方式為排列角為30°的正三角形A、 排列角為60°的轉(zhuǎn)角正三角形B、排列角為90°的正方形C、排列角為45°的轉(zhuǎn)角正方形D 排列或者同心圓排列E ;這些排列方式單獨使用或組合使用。
所述鉛鉍合金換熱裝置兩側(cè)流體的流動，即可以在回路系統(tǒng)中增加泵裝置，使其強迫循環(huán)流動換熱，也可以在回路系統(tǒng)中不增加泵裝置，使其自然循環(huán)換熱，兩種傳熱流動方式；兩側(cè)流動換熱形式可以相同，也可也不同。
所述換熱裝置的浮頭，在浮頭滑動空間內(nèi)上下移動，有效防止由于溫差帶來應(yīng)力膨脹。
所述鉛鉍合金換熱裝置機械部分材料為鋁合金、奧氏體鋼或陶瓷材料。
所述換熱裝置采取立式布置或采取臥式布置。
所述浮頭式鉛鉍換熱裝置的換熱方法，換熱過程如下鉛鉍合金流體I從一次側(cè)鉛鉍合金流體進口 6流入；經(jīng)一次側(cè)換熱管2與從二次側(cè)冷卻劑水入口 8流入二次側(cè)冷卻劑換熱殼體4內(nèi)流動的冷卻劑水3進行流動換熱；然后，換熱后的鉛鉍合金流體I從一次側(cè)鉛鉍合金流體出口 7流出，換熱后的冷卻劑水3從二次側(cè)冷卻水出口 9流出；浮頭依據(jù)溫差的不同上下移動，由此實現(xiàn)熱量的導出，完成一個循環(huán)。
所述流動換熱為逆流式換熱，即鉛鉍合金流動方向和二次側(cè)冷卻劑水流動方向相反，比采用順流式換熱帶來較高的傳熱效率。
本發(fā)明的有益效果是該裝置由于設(shè)有浮頭，具有防止由于溫差帶來應(yīng)力膨脹的特點。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊，換熱性能好，冷卻劑溫度限制少等特點，容易實現(xiàn)推廣。換熱管排列方式考慮到應(yīng)力要求均布、緊湊，并考慮清掃和整體結(jié)構(gòu)的要求，與正方形排列相比傳熱系數(shù)高，可節(jié)省15%的管板面積，適用于不生污垢或可用化學清洗結(jié)垢及允許壓降較高的工況。


圖I是一種浮頭式鉛鉍換熱裝置示意圖。
圖2是浮頭式換熱器管束排列方式示意圖。
圖3是浮頭式換熱器浮頭側(cè)剖面圖。
具體實施方式
[0020]本發(fā)明提供一種浮頭式鉛鉍換熱裝置。本鉛鉍合金換熱裝置機械部分采用鋁合金、奧氏體鋼或陶瓷材料制作，一次側(cè)浮頭換熱管的內(nèi)直徑為10mm-60mm ;圓柱鋼管殼殼體直徑為100mm-600mm,壁厚均為l_6mm、長度為lm_6m。換熱裝置米取立式布置或米取臥式布置均可。下面結(jié)合附圖予以說明。
圖I是浮頭式鉛鉍換熱裝置示意圖。圖中，在鋼板包成的圓柱鋼管殼10上端采用法蘭連接上封頭11，上封頭11頂端固定一次側(cè)鉛鉍合金流體進口 6、圓柱鋼管殼10上段側(cè)面固定二次側(cè)冷卻水出口 9，圓柱鋼管殼10下段側(cè)面固定二次側(cè)冷卻劑水入口 8，一次側(cè)換熱管2支撐在圓柱鋼管殼10內(nèi)的浮動管板15上，二次側(cè)冷卻劑換熱殼體4固定在圓柱鋼管殼10內(nèi)壁，形成夾層換熱通道；浮頭5的浮頭殼體16采用法蘭固定在圓柱鋼管殼10下端，一次側(cè)鉛鉍合金流體出口 7固定在浮頭殼體16的端部中央。在浮頭殼體16內(nèi)，浮動管板15固定在浮頭法蘭12上部，浮頭蓋13固定在浮頭法蘭12下部；在浮頭蓋13與浮頭殼體16之間形成浮頭5滑動空間14，浮頭法蘭12不與浮頭殼體16固定連接，使浮頭5在浮頭滑動空間14內(nèi)上下移動(如圖3所示)；因此管束的熱膨脹不受殼體的約束，殼體和管束之間不會因差脹而產(chǎn)生熱應(yīng)力，有效防止由于溫差帶來應(yīng)力膨脹，避免由于應(yīng)力膨脹而產(chǎn)生的事故隱患。
上述一次側(cè)換熱管2在浮動管板15上的排列方式為排列角為30°的正三角形A、 排列角為60°的轉(zhuǎn)角正三角形B、排列角為90°的正方形C、排列角為45°的轉(zhuǎn)角正方形D 排列和同心圓排列E等(如圖2所示)；這些排列方式可以單獨一種使用，也可以兩種以上組合使用這些排列方式考慮到應(yīng)力要求均布、緊湊，并考慮清掃和整體結(jié)構(gòu)的要求，與正方形排列相比傳熱系數(shù)高，可節(jié)省15%的管板面積，適用于不生污垢或可用化學清洗結(jié)垢及允許壓降較高的工況。
所述鉛鉍合金換熱裝置兩側(cè)流體的流動，即可以是依靠回路中的泵使其強迫循環(huán)流動換熱，也可以不依靠泵，通過流體自身的密度差使其是自然循環(huán)換熱，兩種傳熱流動方式；兩側(cè)流動換熱形式可以相同，也可也不同。
所述浮頭式鉛鉍換熱裝置的換熱方法，換熱過程如下鉛鉍合金流體I從一次側(cè)鉛鉍合金流體進口 6流入；經(jīng)一次側(cè)換熱管2與從二次側(cè)冷卻劑水入口 8流入二次側(cè)冷卻劑換熱殼體4內(nèi)流動的冷卻劑水3進行流動換熱；然后，換熱后的鉛鉍合金流體I從一次側(cè)鉛鉍合金流體出口 7流出，換熱后的冷卻劑水3從二次側(cè)冷卻水出口 9流出；浮頭依據(jù)溫差的不同上下移動，由此實現(xiàn)將來自ADS系統(tǒng)產(chǎn)生熱量導出，完成一個循環(huán)。
本裝置的流動換熱為逆流式換熱，即鉛鉍合金流動方向和二次側(cè)冷卻劑水流動方向相反，比采用順流式換熱帶來較高的傳熱效率。
權(quán)利要求
1.一種浮頭式鉛鉍換熱裝置，其特征在于，該裝置是一種在雙側(cè)進行流動傳熱的裝置，所述浮頭式鉛鉍換熱裝置的結(jié)構(gòu)如下在鋼板包成的圓柱鋼管殼(10)上端連接上封頭(11)，上封頭(11)頂端固定一次側(cè)鉛鉍合金流體進口￠)、圓柱鋼管殼(10)上段側(cè)面固定二次側(cè)冷卻水出口(9)，圓柱鋼管殼(10)下段側(cè)面固定二次側(cè)冷卻劑水入口(8)，一次側(cè)換熱管(2)支撐在圓柱鋼管殼(10)內(nèi)的浮動管板(15)上，二次側(cè)冷卻劑換熱殼體(4)固定在圓柱鋼管殼(10)內(nèi)壁，形成夾層換熱通道；浮頭(5)的浮頭殼體固定在圓柱鋼管殼(10) 下端，一次側(cè)鉛鉍合金流體出口(7)固定在浮頭殼體(16)的端部中央。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述一種浮頭式鉛鉍換熱裝置，其特征在于，所述浮頭的結(jié)構(gòu)為在浮頭殼體(16)內(nèi)浮動管板(15)固定在浮頭法蘭(12)上部，浮頭蓋(13)固定在浮頭法蘭(12)下部；浮頭法蘭(12)不與浮頭殼體(16)固定連接；浮頭蓋(13)與浮頭殼體(16)之間形成浮頭滑動空間(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述一種浮頭式鉛鉍換熱裝置，其特征在于，所述圓柱鋼管殼與浮頭殼體(16)及上封頭(11)均為法蘭連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述一種浮頭式鉛鉍換熱裝置，其特征在于，所述一次側(cè)浮頭換熱管在浮動管板上的排列方式為排列角為30°的正三角形(A)、排列角為60°的轉(zhuǎn)角正三角形(B)、排列角為90°的正方形(C)、排列角為45°的轉(zhuǎn)角正方形(D)排列或者同心圓排列 (E);這些排列方式單獨使用或組合使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I所述一種浮頭式鉛鉍換熱裝置，其特征在于，所述換熱裝置的浮頭， 在浮頭滑動空間內(nèi)上下移動，有效防止由于溫差帶來應(yīng)力膨脹。
6.根據(jù)權(quán)利要求
I所述一種浮頭式鉛鉍換熱裝置，其特征在于，所述鉛鉍合金換熱裝置機械部分材料為鋁合金、奧氏體鋼或陶瓷材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求
I所述一種浮頭式鉛鉍換熱裝置，其特征在于，所述換熱裝置采取立式布置或采取臥式布置。
8.一種浮頭式鉛鉍換熱裝置的換熱方法，其特征在于，所述浮頭式鉛鉍換熱裝置的換熱方法，換熱過程如下鉛鉍合金流體(I)從一次側(cè)鉛鉍合金流體進口(6)流入；經(jīng)一次側(cè)換熱管⑵與從二次側(cè)冷卻劑水入口⑶流入二次側(cè)冷卻劑換熱殼體⑷內(nèi)流動的冷卻劑水(3)進行流動換熱；然后，換熱后的鉛鉍合金流體(I)從一次側(cè)鉛鉍合金流體出口(7)流出，換熱后的冷卻劑水(3)從二次側(cè)冷卻水出口(9)流出；浮頭依據(jù)溫差的不同上下移動， 由此實現(xiàn)熱量的導出，完成一個循環(huán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述浮頭式鉛鉍換熱裝置的換熱方法，其特征在于，所述流動換熱為逆流式換熱，即鉛鉍合金流動方向和二次側(cè)冷卻劑水流動方向相反，比采用順流式換熱帶來較高的傳熱效率。
10.根據(jù)權(quán)利要求
8所述浮頭式鉛鉍換熱裝置的換熱方法，其特征在于，所述鉛鉍合金換熱裝置兩側(cè)流體的流動即可以是通過回路系統(tǒng)增加泵裝置，使得其強迫循環(huán)流動換熱， 回路系統(tǒng)也可以不增加泵裝置使其自然循環(huán)換熱，兩種傳熱流動方式；兩側(cè)流動換熱形式可以相同，也可也不同。
專利摘要
本發(fā)明公開了屬于核能熱交換設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種浮頭式鉛鉍換熱裝置及換熱方法。是一種在雙側(cè)實現(xiàn)流動傳熱的裝置。在鋼板包成的圓柱鋼管殼上端連接上封頭，浮頭的浮頭殼體固定在圓柱鋼管殼的下端，一次側(cè)浮頭換熱管支撐在圓柱鋼管殼內(nèi)的浮動管板上，二次側(cè)冷卻劑換熱殼固定在圓柱鋼管殼內(nèi)壁，形成夾層換熱通道；采用逆流式換熱，也可以采用順流式換熱，其中側(cè)鉛鉍合金流體走一次側(cè)浮頭換熱管通道，冷卻水走夾層換熱通道。鉛鉍合金流與冷卻劑換熱，由此帶走ADS反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量。本裝置設(shè)有浮頭，具有防止由于溫差帶來應(yīng)力膨脹的特點；該裝置具有較高的傳熱效率，結(jié)構(gòu)緊湊，換熱性能好，能承受較大溫差，對冷卻劑的溫度無太大限制等特點。
文檔編號G21C15/14GKCN102592690SQ201210026259
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月7日
發(fā)明者劉夢影, 吳宜燦, 周濤, 李精精, 柏云清, 蘇子威, 鄒文重 申請人:華北電力大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan