本發(fā)明涉及一種適用于長期運(yùn)行工況下的開式非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)，適用于核反應(yīng)堆安全技術(shù)領(lǐng)域的冷卻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

為了保障反應(yīng)堆的運(yùn)行安全性，新一代反應(yīng)堆在設(shè)計(jì)中主要采用了能動(dòng)和非能動(dòng)技術(shù)相結(jié)合的安全系統(tǒng)。在假想的嚴(yán)重事故情況下，非能動(dòng)安全系統(tǒng)的長期有效運(yùn)行對(duì)于導(dǎo)出堆芯余熱，保證反應(yīng)堆堆芯及安全殼殼體的完整性起著至關(guān)重要的作用。在設(shè)計(jì)新一代反應(yīng)堆安全殼冷卻系統(tǒng)時(shí)，開式非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)因具有傳熱環(huán)節(jié)少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單受到了各國學(xué)者的關(guān)注。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是運(yùn)行壓力低，易發(fā)生閃蒸流動(dòng)不穩(wěn)定，尤其是在長期運(yùn)行工況下，因排熱功率的降低會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)排熱能力降低或因振動(dòng)破損而失效。這對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著較大的威脅。為此，本發(fā)明提出了在開式自然循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)采用主動(dòng)注氣的技術(shù)手段，以提高自然循環(huán)能力的持續(xù)性和穩(wěn)定性，減弱流量擾動(dòng)所引起的機(jī)械振蕩，消除傳統(tǒng)非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)長期運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)流量下降，排熱能力降低的問題。

公開號(hào)為CN103161709 A的專利文件中，公開的“一種氣泡泵裝置”的主要特征在于采用變截面漸縮豎直提升管和安裝在氣泡發(fā)生器底部中央的熱交換裝置，通過加熱產(chǎn)生氣泡起到提升液體的作用。2009年2月出版的《International Journal of Heat and Fluid Flow》第30卷第1期中報(bào)道的《Air-lift pumps characteristics under two-phase flow conditions》等文獻(xiàn)中，對(duì)氣泡提升泵的結(jié)構(gòu)都有相關(guān)論述。這些文獻(xiàn)及發(fā)明專利中提出的氣泡提升泵并不適用于開式的非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)，一方面采用直接加熱不易控制氣泡的生成份額；另一方面介入式結(jié)構(gòu)會(huì)影響到自然循環(huán)回路內(nèi)流體的流動(dòng)并增大回路的阻力。所以若能對(duì)氣泡提升泵裝置進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而發(fā)明一種適用于長期運(yùn)行工況下的開式非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)，將會(huì)使核電站的非能動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng)更加安全可靠。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種適用于長期運(yùn)行工況下的開式非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)，可以用來提高自然循環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力及流動(dòng)穩(wěn)定性。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括換熱水箱、過濾裝置、質(zhì)量流量計(jì)、熱交換器、氣泡發(fā)生裝置、儲(chǔ)氣罐，所述換熱水箱的下端面分別設(shè)置有上升管口和下降管口，下降管口通過管路依次連接過濾裝置和熱交換器，上升管口通過管路依次連接氣泡發(fā)生裝置和熱交換器，在過濾裝置和熱交換器之間的管路上設(shè)置有下降管球閥和質(zhì)量流量計(jì)，所述氣泡發(fā)生裝置的進(jìn)氣管與儲(chǔ)氣罐連通，且在氣泡發(fā)生裝置與儲(chǔ)氣罐之間的管路上設(shè)置有注氣管流量調(diào)節(jié)閥。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.氣泡發(fā)生裝置包括外部套筒、設(shè)置在外部套筒內(nèi)的多孔介質(zhì)套筒、設(shè)置在外部套筒外的環(huán)形進(jìn)氣管以及設(shè)置在外部套筒兩端的用于與對(duì)應(yīng)管路連接的法蘭，所述環(huán)形進(jìn)氣管與外部套筒和多孔介質(zhì)套筒形成的間隙空腔相連通。

2.外部套筒的材料是不銹鋼，多孔介質(zhì)管由聚四氟乙烯或其他耐高溫的疏水材料燒結(jié)形成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用周向注氣方式，可以有效減小介入循環(huán)回路的附加阻力，裝置簡單易操作且發(fā)泡均勻，能獲得穩(wěn)定的泡狀流，有助于增強(qiáng)非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)的自然循環(huán)能力，克服長期運(yùn)行工況下系統(tǒng)換熱能力降低及閃蒸流動(dòng)不穩(wěn)定性的問題，且仍保持了系統(tǒng)非能動(dòng)的特征，使非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)更加安全可靠。

(1)本發(fā)明采用主動(dòng)注氣的方式，效率更高，而且產(chǎn)氣均勻，產(chǎn)氣量便于控制，操作方便簡單。

(2)本發(fā)明采用多孔介質(zhì)管作為氣泡發(fā)生裝置，相比普通開孔套筒，其所產(chǎn)氣泡細(xì)小均勻。

(3)本發(fā)明充分利用聚四氟乙烯等材料的疏水特性，水與多孔介質(zhì)的浸潤性較差，工質(zhì)流經(jīng)多孔介質(zhì)套筒的摩擦壓降較小，且氣泡更易脫離壁面。

(4)本發(fā)明采用周向環(huán)形進(jìn)氣方式，保證氣體沿周向均勻進(jìn)入多孔介質(zhì)中，避免在流道內(nèi)部出現(xiàn)產(chǎn)氣不均勻的現(xiàn)象。

(5)本發(fā)明選用的多孔介質(zhì)套筒內(nèi)徑與回路管道內(nèi)徑相同，相比微孔板和曝氣頭等結(jié)構(gòu)，大大減小了注氣裝置對(duì)主流的擾動(dòng)，避免引入過大附加阻力。

(6)本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡單，可以比較方便的進(jìn)行安裝、維修。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明氣泡發(fā)生裝置示意圖；

圖3是圖2沿豎直方向剖面示意圖；

圖4是圖2沿豎直方向的剖視圖。

圖5是圖4沿A-A方向的剖視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

結(jié)合圖1-5，本發(fā)明提供的一種適用于長期運(yùn)行工況下的開式非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)主要由換熱水箱1、過濾裝置2，下降管球閥3、質(zhì)量流量計(jì)4，熱交換器6，氣泡發(fā)生裝置7、8，注氣管流量調(diào)節(jié)閥9、儲(chǔ)氣罐10、溫度傳感器5、疏水閥11及其他相應(yīng)的閥門管道組成。其中熱交換器6設(shè)置在氣泡發(fā)生裝置的上游，也即在熱交換器下游增設(shè)了氣泡發(fā)生裝置，通過依據(jù)系統(tǒng)工況變化調(diào)整注氣量的方式來提高系統(tǒng)回路的自然循環(huán)能力，從而提高安全殼非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和長期有效的換熱能力，也即保障了長期運(yùn)行條件下系統(tǒng)的流動(dòng)穩(wěn)定性和排熱能力。氣泡發(fā)生裝置與管路之間采用法蘭聯(lián)接，具體位置可結(jié)合熱工參數(shù)變化范圍確定。換熱水箱屬于開式水箱，通過蒸發(fā)散熱的方式將回路工質(zhì)吸收的熱量排放到大氣中，而且與上升管和下降管接口均在水箱底面，即使水箱水位降低也能始終保持系統(tǒng)循環(huán)回路的連通，即在水箱蒸發(fā)干涸之前可以始終保持系統(tǒng)循環(huán)回路的連通。

本發(fā)明的氣泡發(fā)生裝置采用環(huán)形進(jìn)氣管，保證氣體沿周向均勻進(jìn)入多孔介質(zhì)中。其中注氣壓力始終大于上升段的靜壓頭，以避免多孔介質(zhì)套筒與不銹鋼套筒之間空腔中進(jìn)入液體，縮短有效產(chǎn)氣段。氣泡發(fā)生裝置是本發(fā)明設(shè)計(jì)和安裝的關(guān)鍵，兩端通過法蘭與回路相連接，其與熱交換器、圓管道共同組成了循環(huán)回路的上升段。氣泡發(fā)生裝置由多孔介質(zhì)管7和外部套筒8、環(huán)形進(jìn)氣管、法蘭組成。多孔介質(zhì)管7置于外部套筒8內(nèi)，在多孔介質(zhì)管與外部套筒之間存在環(huán)形間隙空腔(氣腔)，環(huán)形進(jìn)氣管與環(huán)形氣腔相連通，所需氣體由儲(chǔ)氣罐提供。多孔介質(zhì)管內(nèi)徑與連接管道的內(nèi)徑相同，不會(huì)對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)。多孔介質(zhì)管可由聚四氟乙烯或其他耐高溫疏水材料燒結(jié)而成，外部套筒采用的是不銹鋼材質(zhì)。多孔介質(zhì)內(nèi)腔為液體流道，內(nèi)徑與上升段管道內(nèi)徑相同，且多孔介質(zhì)具有疏水特性，可以最大程度減少流體流經(jīng)多孔介質(zhì)內(nèi)腔的局部損失。多孔介質(zhì)套筒與不銹鋼套筒之間存在一個(gè)環(huán)狀空腔，空氣由進(jìn)氣管進(jìn)入環(huán)狀空腔，因?yàn)樽鈮毫^大，空氣流過多孔介質(zhì)，并被多孔介質(zhì)碎化成細(xì)小、均勻的氣泡，與流道內(nèi)的液體混合后形成密度較小的氣液兩相流。最后，在上升段和下降段密度差的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力的作用。

當(dāng)發(fā)生全廠斷電事故時(shí)，采用非能動(dòng)技術(shù)的安全殼非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)(PCS系統(tǒng))開始啟動(dòng)，利用自然循環(huán)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)安全殼的長期冷卻功能。如圖1所示，傳統(tǒng)非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)通常包括設(shè)置在安全殼內(nèi)部的熱交換器6，以及通過上升管和下降管與所述熱交換器6相連接的設(shè)置在安全殼外的換熱水箱1。熱交換器內(nèi)的工質(zhì)受熱膨脹向上流動(dòng)，進(jìn)入換熱水箱1，冷卻后低溫、密度較高的工質(zhì)沿下降管再流向熱交換器6換熱，整個(gè)過程依靠的是冷熱段的密度差實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)完成熱量導(dǎo)出功能。研究表明，換熱水箱溫度越低對(duì)換熱系統(tǒng)的功率影響越明顯，其越低，安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)功率越高。而且在長期運(yùn)行工況下，隨著安全殼釋熱功率的降低以及上升管內(nèi)工質(zhì)溫度的升高，循環(huán)回路驅(qū)動(dòng)力逐漸下降，并且上升段中會(huì)發(fā)生閃蒸流動(dòng)不穩(wěn)定性。這種流動(dòng)不穩(wěn)定性會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械振蕩，由其產(chǎn)生的應(yīng)力損傷對(duì)于系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著較大的威脅，而且系統(tǒng)排熱能力也會(huì)因此明顯減弱。因此本發(fā)明在上升段熱交換器6的下游設(shè)置氣泡發(fā)生裝置7、8，依據(jù)運(yùn)行工況的變化利用流量調(diào)節(jié)閥9調(diào)節(jié)注氣量。氣體的引入使當(dāng)?shù)鼐植快o壓降低，閃蒸現(xiàn)象會(huì)提前發(fā)生，從而增加上升管中兩相段的長度，使自然循環(huán)回路的驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，保障了長期運(yùn)行工況下非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)的有效性和安全性。