一種緊湊型換熱器的制作方法

本發明屬于換熱器領域，涉及一種管殼式換熱器，尤其涉及一種低流阻、緊湊式、具有更高自然循環能力和安全性的余熱排出換熱器。

背景技術：

余熱排出換熱器是余熱排出系統的熱交換樞紐， 是關系到多種設備的的重要設備，例如核反應中的反應堆停堆的安全。目前，國際上第三代核電技術和先進船用核動力裝置普遍采用了非能動余熱排出系統，以進一步提高固有安全性，這要求余熱排出冷卻器的流阻盡量低以提高自然循環流量，船用核動力裝置還要求余熱排出冷卻器緊湊體積小以節約堆艙布置空間。已有的余熱排出冷卻器大多數布置在安全殼或堆艙內，堆芯余熱排至最終冷源還需要再經過一次熱交換，如美國AP1000采用的核電技術的C型余熱排出換熱器，布置在安全殼冷卻水箱冷卻水內，冷卻水蒸發在安全殼殼壁冷凝才能將熱量導出安全殼，有些余熱排出冷卻器在傳統換熱器的基礎上改進流道和流程使其適應自然循環系統，仍保留有殼側，如“一種用于超臨界水堆余熱排出的自然循環換熱器”（專利號：ZL201210301144.1）。針對上述問題，本發明提供了一種新的換熱器，從而解決上述的問題。

技術實現要素：

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種換熱器，所述換熱器包括管程側和殼程側，所述管程側包括進口管、進口腔室、傳熱管束、出口腔室和出口管，所述熱流體從進口管進入進口腔室，依次通過傳熱管束、出口腔室和出口管；所述殼程側包括進口通道、內殼、外殼和出口腔室，所述冷流體依次通過進口通道、內殼和外殼限定的空間和出口腔室，其特征在于，進口腔室、傳熱管束、出口腔室設置在內殼和外殼限定的空間內，所述內殼和外殼是弧狀布置，所述的傳熱管束呈弧形布置，所述傳熱管束的弧形和內殼、外殼的弧形具有相同的圓心。

作為優選，所述的內殼和外殼分別是堆艙的內殼和外殼，所述的熱流體是高溫反應堆的冷卻劑，所述的冷流體是冷卻水。

作為優選，所述出口通道比進口通道設置的位置高，所述的進口腔室比出口腔室設置的位置高。

作為優選，在出口通道設置孔板。

作為優選，所述的進口管和出口管與進口腔室和出口腔室相連接的部分也設置在弧狀空間內。

作為優選，所述進口管和出口管與進口腔室和出口腔室相連接的部分為柔性結構或者彈性結構。

作為優選，所述傳熱管束外壁向外延伸的金屬桿，所述金屬桿端部為尖狀結構，從傳熱管束外壁箱所述金屬桿的端部的方向與冷流體的流動方向的相對。

作為優選，所述金屬桿為多個，金屬桿的分布密度M作為距離進口通道的函數F（S），即M=F(S),在同一根換熱管束上， F’(S)>0，其中F’(S)是F（S）的一次導數。

作為優選，F"(S)>0，其中F"(S)是F（S）的二次導數。

作為優選，所述的內殼和外殼分別是堆艙的內殼和外殼，所述的熱流體是高溫反應堆的冷卻劑，所述的冷流體是冷卻水。

作為優選，所述出口通道比進口通道設置的位置高，所述的進口腔室比出口腔室設置的位置高。

作為優選，金屬桿的分布密度M作為高度的函數F（H），即M=F(H), F’(H)>0，其中F’(H)是F（H）的一次導數。

作為優選，F"(H)>0，其中F"(H)是F（H）的二次導數。

作為優選，在出口通道設置孔板。

作為優選，所述的進口管和出口管為柔性管。

與現有技術相比較，本發明的具有如下的優點：

1）換熱器的換熱管束為弧形結構，而且與內殼和外殼具有相同的弧形結構，可以在內殼和外殼的空間內自由地熱脹冷縮。

2）換熱管外部設置端部為尖狀的桿，可以在氣液兩相流的流動中，一方面可以破壞層流底層，增加傳熱面積進行強化傳熱，而且因為是桿，流動阻力小，也不會增加殼程的流動阻力，而且通過設置尖端部，能夠刺破氣泡，實現擴大氣液界面以及氣相邊界層并增強擾動。

3）通過設置金屬桿沿著流體流動方向以及高度方向上的規律變化，進一步的提高了換熱效果。

4）余熱排出冷卻器布置在安全殼或堆艙外，不占用安全殼或堆艙布置空間；

5）余熱排出冷卻器浸泡在冷卻水大空間內，堆芯余熱排出至最終冷源只需要一次熱交換，大大縮短了余熱排出的路徑，提高了響應速率；

6）余熱排出冷卻器沒有設置專門的殼程殼體，而是利用了安全殼或堆艙的內殼和外殼之間的夾層，流阻非常低，大大提高了自然循環能力。

7）換熱器的高度位置可在夾層內上下調整，不受堆艙內其他設備管道的干涉限制，即可調節管程和殼程冷熱芯高度差，從而實現管程和殼程的自然循環能力和載熱能力的匹配。

附圖說明

圖1是低流阻緊湊式余熱排出冷卻器示意圖；

圖2是設置金屬桿的換熱管束的切面示意圖；

圖3是設置金屬桿的另一換熱管束的切面示意圖；

圖4是設置內翅片的換熱管的切面示意圖；

圖5是換熱管束展開的平面示意圖。

圖中：1-進口管；2-進口腔室；3-傳熱管束； 4-出口腔室；5-出口管；6-進口通道；7-內殼；8-外殼；9-出口通道；10-堆艙；11-冷源。

3-1金屬桿，3-1-1尖狀結構，3-1-2傾斜部分，水平部分3-1-3,3-2內翅片，3-3小通道。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

本文中，如果沒有特殊說明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

如圖1所示，一種換熱器，所述換熱器包括管程側和殼程側，所述管程側包括進口管1、進口腔室2、傳熱管束3、出口腔室4和出口管5，所述熱流體從進口管1進入進口腔室2，依次通過傳熱管束3、出口腔室4和出口管5；所述殼程側包括進口通道6、內殼7、外殼8和出口通道9，所述冷流體依次通過進口通道6、內殼7和外殼8限定的空間和出口通道9，進口腔室2、傳熱管束3、出口腔室4設置在內殼和外殼限定的空間內，所述內殼7和外殼8是弧狀布置，所述的傳熱管束3呈弧形布置，所述傳熱管束3的弧形和內殼7、外殼8的弧形具有相同的圓心。

通過上述相同圓心結構的弧狀設置，而且將進口腔室2和出口腔室4設置在內殼和外殼形成的弧狀空間內，所述傳熱管束3可以在內殼和外殼形成的弧狀空間內自由地熱脹冷縮，因此換熱管束適用的溫度范圍和流體范圍更廣泛，大大拓展了換熱器的應用范圍。

作為優選，所述的進口管1和出口管2的與進口腔室2和出口腔室4相連接的部分也設置在弧狀空間內，而且作為優選，所述進口管1和出口管2與進口腔室2和出口腔室4相連接的部分為柔性結構或者彈性結構。

通過設置柔性結構或者彈性結構，可以進一步方便換熱管束3在弧形空間內的自由地伸縮。

作為優選，如圖2所示，所述傳熱管束3外壁向外延伸的金屬桿3-1，所述金屬桿3-1端部為尖狀結構3-1-1，從傳熱管束3外壁箱所述金屬桿3-1的端部的方向與冷流體的流動方向相對。即尖狀結構迎面對著流來的冷流體。如圖2所示箭頭所指的流動方向。

作為優選，如圖2所示，所述金屬桿3-1與傳熱管束3外壁面的夾角A是30－60度，進一步優選為40－45度。

作為優選，如圖2所示，相鄰的換熱管束的管子中心之間的距離為換熱管束外管直徑的1.7-2.5倍，金屬桿3-1的端部的尖狀結構3-1-1距離換熱管束3的外管壁的距離h優選為外管直徑的0.4-0.6倍。

通過上述優選的夾角和距離，使得阻力較小的情況下，實現很好的換熱效果。

換熱管3外部設置端部為尖狀的桿，可以在氣液兩相流的流動中，一方面可以破壞層流底層，并且增加傳熱面積進行強化傳熱，而且因為是桿，流動阻力小，也不會增加殼程的流動阻力，而且通過設置尖端部，能夠刺破氣液兩相流中的氣泡，實現擴大氣液界面以及氣相邊界層并增強擾動。因此通過設置尖狀的桿，大大的提高了殼程側的換熱系數。

作為優選，所述金屬桿3-1為多個，金屬桿3-1的分布密度M作為距離進口通道6的函數F（S），即M=F(S),在同一根換熱管束上， F’(S)>0，其中F’(S)是F（S）的一次導數。即沿著冷流體的流動方向，所述的金屬桿3-1的分布密度越來越大。因為沿著流體的流動方向，殼程的冷流體溫度越來越高，從而導致的氣液兩相流中的氣體也越來越多，因此通過有規律的設置多個尖狀金屬桿3-1，可以進一步提高換熱系數，節約材料。通過實驗發現，有規律地設置金屬桿3-1的分布密度，能夠增加20％左右的換熱效率，而且還能降低5％左右的流動阻力。

作為優選，F"(S)>0，其中F"(S)是F（S）的二次導數。即即沿著冷流體的流動方向，所述的金屬桿3-1的分布密度越來越大的幅度不斷的增大。在實驗中發現，氣體的增長不是隨著距離線型的增長，而且呈增加式的增長，因此通過設置上述的規律變化，進一步提高換熱效率。

作為優選，金屬桿3-1也是弧狀結構。通過如此設置，保證和冷流體的流動方向相對應，提高擾流效果。

作為優選，金屬桿3-1包括連接換熱管束的傾斜部分3-1-2和與傾斜部分3-1-2相連并且與換熱管束平行的平行部分3-1-3。所述的尖部3-1-1設置在平行部分3-1-3的端部。

作為優選，所述的平行部分3-1-3金屬桿是弧狀結構，平行部分3-1-3所在的圓弧和換熱管束3的圓弧所在的圓心是同一個。

通過設置平行部分3-1-3，可以使尖部3-1-1直插冷卻流體的流動方向，提高換熱效果。

作為優選，如圖3所示，所述傾斜部分3-1-2與換熱管束管壁的夾角A為45－70度，優選為55－60度。

通過上述優選的夾角，使得阻力較小的情況下，實現很好的換熱效果。

作為優選，所述的換熱器應用于核反應堆中的堆艙10內的堆芯余熱的排出。所述的內殼和外殼分別是堆艙10的內殼和外殼，所述的熱流體是反應堆的冷卻劑，所述冷卻劑所述的冷流體是冷卻水。

反應堆冷卻劑從堆芯出發，依次流過余熱排出冷卻器管程的進口管1、進口腔2室、傳熱管束3、出口腔室4和出口管5，被余熱排出冷卻器殼程夾層內的冷卻水冷卻后，返回堆芯。冷卻水從冷源11下部出發，依次流過余熱排出冷卻器殼程的進口通道6、內殼7和外殼8放入夾層、出口通道9，被余熱排出冷卻器管程的反應堆冷卻劑加熱后，向上流入冷源11。

通過設置在夾層中，使得換熱器的高度位置可在夾層內上下調整，不受堆艙10內其他設備管道的干涉限制，即可調節管程和殼程冷熱芯高度差，從而實現管程和殼程的自然循環能力和載熱能力的匹配。而且通過設置在夾層中，可以充分利用堆艙10的空間，余熱排出冷卻器殼程利用了內殼和外殼之間的夾層空間，沒有增加額外的設備、管道、閥門及附件等結構，整個殼程流道的路徑較短，截面較寬，結構簡易，具有低流阻的特點。

作為優選，所述出口通道9比進口通道6設置的位置高，所述的進口腔室2比出口腔室4設置的位置高。通過上述的設置，換熱器的管程和殼程的可建立自然循環流動，持續地將堆艙內的堆芯余熱排出至冷源。

作為優選，金屬桿3-1的分布密度M作為高度的函數F（H），即M=F(H), F’(H)>0，其中F’(H)是F（H）的一次導數。即隨著高度的增加，所述的金屬桿3-1分布密度越來越大。因為隨著高度的增加，氣液兩相中的氣體越來越多，因此通過增加金屬桿3-1密度，可以進一步按照規律分布金屬桿，提高換熱系數。通過實驗發現，能夠提高15％－18％左右傳熱系數，而且還能夠進一步降低3％的流動阻力。

作為優選，F"(H)>0，其中F"(H)是F（H）的二次導數。即隨著高度的增加，所述的金屬桿3-1分布密度越來越大的幅度不斷的增加。通過實驗發現，隨著高度的增加，氣泡的增加不是線型增加，而是增長幅度越來越高，因此通過設置，進一步提高還熱系數。

作為優選，在出口通道9設置孔板。通過設置孔板，在冷卻水沸騰時可起到均流和抑制倒流的作用，保持兩相自然循環流動穩定

作為優選，所述換熱管束為橫截面為圓形的多根換熱管3。

如圖4所示，所述換熱管3內部設置內翅片3-2，所述內翅片3-2將換熱管分為多個小通道3-3，在內翅片上設置連通孔3-2-1，從而使相鄰的小通道3-3彼此連通。

通過設置內翅片3-2，將換熱管分為多個小通道3-3，進一步強化傳熱，但是相應的流體流動的壓力增加。通過設置連通孔3-2-1，保證相鄰的小通道3-3之間的連通，從而使得壓力大的小通道內的流體可以向鄰近的壓力小的小通道內流動，解決冷凝端的內部各個小流道26壓力不均勻以及局部壓力過大的問題，從而促進了流體在換熱通道內的充分流動，同時通過連通孔的設置，也降低了換熱管內部的壓力，提高了換熱效率。

優選的，沿著冷卻劑的流動方向，所述連通孔的面積不斷的減少。

所述的連通孔3-2-1為正方形結構，沿著冷卻劑的流動方向，所述正方形的邊長不斷的減少。

作為優選，所述正方形的對角線與換熱管束的軸線平行。

沿著流體的流動方向，換熱管內的流體不斷的冷凝，氣液兩相流的中的汽體也逐漸的冷凝為液體，使得換熱管內的壓力不斷的降低，而且因為連通孔3-2-1的存在，使得熱管內部的壓力分配越來越均勻，因此連通孔的面積不需要很大，通過設置不斷的減小，從而使得在保證熱管內部壓力均勻和壓力的情況下，通過連通孔面積的減少來增加換熱面積，從而提高換熱效率。

優選的，沿著流體的流動方向，所述連通孔3-2-1的面積不斷的減少的幅度不斷增加。通過如此設置，也是符合流動壓力的變化規律，進一步降低流動阻力的同時，提高換熱效率。通過如此設置，通過是實驗發現可以提高10%左右的換熱效率，同時阻力基本保持不變。

優選的，沿著流體的流動方向，連通孔的分布數量越來越少，進一步優選，所述連通孔數量16不斷的減少的幅度不斷增加。

通過上述數量的分布原理與面積減少原理相同，通過數量分布少來減少面積。

優選的，連通孔3-2-1的形狀為圓形。

優選的，所述內翅片3-2為多個，內翅片3-2從圓管的中心軸線向外延伸，與圓管的內壁連接，所述內翅片3-2之間的夾角相同。通過內翅片之間的夾角相同，可以使得換熱管內部流體分配保持均勻，壓力分配也相應的保持均衡。

優選的，所述內翅片3-2為4個，如圖4所示。所述內翅片之間的夾角為90°。

在實際實驗中發現，連通孔3-2-1的面積不能過小，過小的話會導致流動阻力的增加，而且連通孔3-2-1的最小的面積與圓管管徑有關，一般的是管徑越大，則連通孔面積就可以設計的越小，管徑越小，連通孔3-2-1的面積可以設計的越大，因此連通孔3-2-1與圓管管徑及其相鄰連通孔3-2-1之間的距離必須滿足一定要求，否則就會導致流動阻力過大。

所述內翅片為4個情況下，所述圓管的內直徑為D，所述正方形連通孔的邊長B，所述同一翅片上相鄰的連通孔之間的距離為S，滿足如下關系：

S/D*10>=a-b*LN(B/D*10)；

其中a,b是參數，13<a<14,11<b<12;LN是對數函數；

0.2<S/D<0.7；優選為0.35-0.63;

0.2<B/D<0.3

2.5<D<10m；

0.7<B<2.1m。

其中，S等于相鄰連通孔3-2-1中心之間的距離。如圖4、5所示的左右相鄰和上下相鄰的連通孔中心之間的距離。

進一步優選，10<S<45mm。

優選的，隨著B/D的增加，所述的a,c增加，b減小。

作為優選，S/D*10=-b*LN(B/D*10)。

此時換熱效果達到最佳，流動阻力恰好滿足要求。

如果換熱管束為弧狀，例如如圖1所示，所述的圓管所在的圓弧的弧長為H，連接所在的圓弧的兩端點的弦長為S，則需要考慮彎曲所帶來的阻力變化，則上述公式變為：

（S/D*10）*(S/H)^c>=a-b*LN(B/D*10)；

其中c是參數，0.3<c<0.5;進一步優選，0.38<c<0.41；其中圓弧所在的弧度為45-75度，進一步優選為50－60度。上述的度都是角度。

其他的參數選擇保持不變。

作為優選，（S/D*10）*(S/H)^c>=a-b*LN(B/D*10)，此時換熱效果達到最佳，流動阻力恰好滿足要求。

作為優選，如圖4、5所示，每個內翅片上設置多排連通孔3-2-1，所述多個連通孔3-2-1可以設置為錯排結構。通過錯排接構，可以進一步提高換熱，降低壓力。

作為在核反應冷卻中的應用，如圖1所示，低流阻緊湊式余熱排出冷卻器殼程的內殼7為外徑φ18m圓筒形結構，外殼8亦為內徑φ20m圓筒形結構，兩者之間存在一個寬約1m的環形夾層，夾層下部設置內徑φ0.8m圓形進口通道6，夾層上部設置有內徑φ0.8m圓形出口通道9，夾層通過進口通道6和出口通道9與冷源11空間相連通，夾層內充滿冷卻水。低流阻緊湊式余熱排出冷卻器管程的傳熱管束3、進口腔室2和出口腔室4浸泡在夾層內的冷卻水中，傳熱管束3由100根φ20mm、平均長度約為11m的傳熱管呈圓弧形布置而成，進口管1和出口管5內徑φ0.25m的圓管，貫穿內殼7并與堆芯相連通。

如圖1所示，在管程，高溫反應堆冷卻劑經進口管1流入進口腔室2，再分流至100根傳熱管內，被殼程冷卻水冷卻，冷卻后的低溫反應堆冷卻劑匯入出口腔室4，再經出口管5返回堆芯，在此過程中傳熱管受熱伸長變形，但熱應力因傳熱管束3的圓弧形布置方式得以自動消除。在殼程，冷卻水被反應堆冷卻劑加熱升溫向上流動，經出口通道9排入冷源11上部，而冷源11下部的低溫冷卻水亦不斷地從進口通道6吸入夾層，由于余熱排出冷卻器殼程通道結構簡易具有阻力較小的特點，因此形成較大流量的持續自然循環流動。

雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。