專利名稱:一種用于反應堆冷中子源垂直孔道內(nèi)的慢化劑冷凝器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核反應堆冷中子源裝置的慢化劑冷凝器，特別涉及一種放置在反應堆冷中子源垂直孔道內(nèi)的慢化劑冷凝器。
背景技術(shù)：
常用的冷中子源慢化劑兩相熱虹吸循環(huán)回路由中子慢化劑包，慢化劑，冷凝器，傳輸管和冷卻劑組成，特別是對于核發(fā)熱功率較大的冷中子源，由于可靠性和安全性原因，換熱能力強、尺寸小的板翅式等換熱器不宜被使用。而人們習慣采用的管殼式冷凝器尺寸較大，難以將其設(shè)置在直徑尺寸受嚴格限制的反應堆內(nèi)冷源中子源的垂直孔道中。故通常放置在距堆內(nèi)中子慢化劑包較遠的反應堆外。造成熱虹吸循環(huán)回路加長，慢化劑包內(nèi)液位控制難度顯著增大，低溫管出入冷源孔道的數(shù)量多，結(jié)構(gòu)布置困難，冷量損失大等問題。
根據(jù)申請人所進行的資料檢索，檢索到和本發(fā)明相關(guān)或有關(guān)的參考文獻有以下幾篇[1]Werner Gaubatz，Klaus Gobrecht，The FRM-II cold neutron source，Physica B 276-278(2000)104-105。
C.O.Choi，M.S.Cho，etc，Current Status of Neutron Source andActivity in Korea，International Workshop on Cold Neutron utilization，KAERI，Taejon，The Republic of Korea，77-91。
鑒于對反應堆內(nèi)設(shè)備在安全、可靠和無泄漏等方面的要求，需要將置于堆內(nèi)的慢化劑冷凝器設(shè)計成管殼式結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的管殼式結(jié)構(gòu)是將來自下方中子慢化包的汽態(tài)慢化劑從冷凝器外繞管輸送到其頂部，進入冷凝器后，在冷凝列管內(nèi)向下流動，逐漸被冷凝成液體，依靠重力作用流到下方的慢化劑包中去。這樣制成的回路循環(huán)系統(tǒng)需要大直徑的垂直孔道才能容納冷凝器和并行的輸氣管道。故這種結(jié)構(gòu)布置方案對較大的反應堆是不可行的。目前國際上的大型研究性反應堆冷中子源中，還沒有將慢化劑冷凝器放置在堆內(nèi)的先例。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述的技術(shù)現(xiàn)狀和常規(guī)管殼式換熱器在應用于冷中子源時的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種能適應細長型冷中子源垂直孔道內(nèi)安裝的大容量高效管殼式冷凝器。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種放置在反應堆冷中子源垂直孔道內(nèi)的高效慢化劑冷凝器，其特征在于，它包括圓筒形的冷凝器殼體，冷凝器殼體上連接有雙腔體的上封頭和錐形下封頭，在冷凝器殼體的內(nèi)部設(shè)置有由上管板、若干根冷凝器列管、輔助輸汽冷凝管和下管板構(gòu)成的冷凝器芯；雙腔體的上封頭的內(nèi)腔與堆外的慢化劑穩(wěn)壓罐相連接，外腔與堆外的冷卻劑冷卻系統(tǒng)相連接；下封頭與兩相慢化劑往返傳輸管相連接。
本發(fā)明的其它一些特點是，所述輔助輸汽冷凝管和若干根冷凝管都固定在上管板和下管板上，且都與雙腔體的上封頭的內(nèi)腔體和下封頭的腔體連通。
所述輔助輸汽冷凝管與冷凝器殼體同心設(shè)置，多根冷凝管設(shè)置在冷凝器殼體和輔助輸汽冷凝管之間均勻分布。
所述輔助輸汽冷凝管的直徑大于冷凝列管的直徑。
所述冷凝器殼體及冷凝器芯與雙腔體的上封頭和下封頭通過焊接連接在一起；對于冷卻劑管間兩程流動的冷凝器，所述輔助輸汽冷凝管與冷凝器殼體之間設(shè)有隔離板，隔離板將冷凝管與冷凝器殼體之間形成的夾層分為兩部分，隔離板的下部有使兩部分連通的孔。
本發(fā)明通過對管殼式換熱器結(jié)構(gòu)和被冷凝介質(zhì)流動形態(tài)的設(shè)計，實現(xiàn)冷中子源兩相循環(huán)回路全部安裝在反應堆內(nèi)。慢化劑冷凝器與其下方的中子慢化劑包之間慢化劑的往返傳輸管采用單管結(jié)構(gòu)，在管內(nèi)從慢化劑包來的汽態(tài)慢化劑依靠熱虹吸作用向上流動，被冷凝器冷凝成液體的慢化劑依靠重力作用向下流動或滴落。該連接管直徑應選用較大值，以防發(fā)生液泛。單管的上端與冷凝器的下封頭(錐狀封頭)連接，以便下落的液體形成束流不影響上行的汽態(tài)工質(zhì)。冷凝器中設(shè)若干根小直徑冷凝管組成冷凝列管，同時在冷凝列管的中央設(shè)置一根大直徑的輔助輸汽冷凝管，被冷凝的一部分慢化劑通過輔助輸汽冷凝管流到上封頭腔室內(nèi)。在上封頭腔室內(nèi)，冷凝列管與輔助輸汽冷凝管相互連通，冷凝器的上封頭設(shè)有與堆外的氣態(tài)慢化劑穩(wěn)壓罐相通的連接管。
本發(fā)明由于采用冷凝器與中子慢化劑包之間的大直徑單管連接和冷凝器內(nèi)粗細冷凝管并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使這種符合反應堆安裝結(jié)構(gòu)要求的細長形冷凝器(長徑比達20∶1以上)，充分利用了冷凝列管的換熱面積及流動通流截面，與傳統(tǒng)管殼式換熱器相比，使兩相熱虹吸循環(huán)流動阻力減小，換熱能力提高，使大功率反應堆冷中子源在反應堆內(nèi)設(shè)置兩相熱虹吸循環(huán)回路的構(gòu)想得以實現(xiàn)。



圖1為冷卻劑管間兩程流動的慢化劑冷凝器結(jié)構(gòu)圖；圖2為冷卻劑管間單程流動的慢化劑冷凝器結(jié)構(gòu)圖；圖3為圖1的俯視剖面圖。
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人依據(jù)發(fā)明的技術(shù)方案所完成的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
具體實施方式
參見圖1、圖2和圖3，按本發(fā)明的技術(shù)方案制作的反應堆內(nèi)慢化劑冷凝器，它包括圓筒形的冷凝器殼體1、冷凝器芯、雙腔體的上封頭2和錐形下封頭7；冷凝器芯包括上管板3、冷凝器列管4、輔助輸汽冷凝管5和下管板6；圖3中的8為隔離板。冷凝器殼體1及冷凝器芯與雙腔體的上封頭2和下封頭7通過焊接連接。雙腔體的上封頭2的內(nèi)腔與堆外的慢化劑穩(wěn)壓罐相連接，雙腔體的上封頭2的外腔與堆外的冷卻劑冷卻系統(tǒng)相連接；下封頭7與兩相慢化劑往返傳輸管相連接；在冷凝器殼體1內(nèi)壁與位于冷凝器中央的大管徑的輔助冷凝輸氣管5的外壁之間均勻分布有若干根冷凝管4，輔助輸汽冷凝管5和冷凝列管4都固定在上下管板上，且都與上封頭的內(nèi)腔體和下封頭的腔體連通。
冷凝器的管內(nèi)供慢化劑冷凝流動，雙腔體的上封頭2的內(nèi)腔體與堆外的慢化劑穩(wěn)壓罐通過管道連接；下封頭7的腔體通過一根管子與其下方的慢化劑包連通，這根管子供汽態(tài)慢化劑向上流動和被液化的慢化劑向下流動。冷凝列管4之間的通道供冷卻劑流動。
按照冷卻劑流動管程，冷凝器可以制成兩種型式①冷卻劑管間兩程流動，在雙腔體內(nèi)設(shè)置一隔離板8，把外腔體(即冷凝管與冷凝器殼體之間形成夾層)分為兩個獨立部分，隔離板8的下方有通孔，使雙腔體的上封頭分別與下部的分為兩部分的冷凝列管間腔體相連通，冷卻劑從上部封頭夾層的一側(cè)輸入，通過一側(cè)管間流向下方，到下管板6通過隔離板8上的通孔進入夾層的另一空間，通過另一側(cè)管間向上流出。
②冷卻劑管間單程流動，即雙腔體的上封頭和下封頭都制成夾層結(jié)構(gòu)，都與管間連通，冷卻劑從下方的慢化劑包夾層輸送上來，通過下封頭夾層送到冷凝器管間，從雙腔體的上封頭外腔流出。
本發(fā)明的反應堆內(nèi)慢化劑冷凝器工作原理如下在反應堆運行之前，啟動氦制冷機，低溫氦通過冷凝器時使來自于慢化劑穩(wěn)壓罐的慢化劑(氫或氘等)逐漸液化，再通過兩相慢化劑往返傳輸管流到下方的慢化劑包中去，形成慢化劑液體層對穿過的熱中子進行冷卻慢化。在慢化過程中，中子穿過慢化包時對慢化劑和慢化劑包(通常為鋁合金或不銹鋼等)作用的核發(fā)熱使部分慢化劑被加熱汽化，汽體溢出慢化劑層后從兩相慢化劑往返傳輸管中向上流動，從冷凝器的下封頭7進入冷凝列管4和輔助輸汽冷凝管5，氣體在冷凝列管4中邊上升邊被冷凝，冷凝的液體順著冷凝管壁流向下方；同時，汽體在輔助輸汽冷凝管5中也向上流動，其中的少部分在上升過程中被冷凝后順管壁流向下方。大部分汽體流到雙腔體的上封頭2的內(nèi)腔室中，從冷凝列管4的上端進入冷凝列管內(nèi)被冷凝成液體。該液體在重力的作用下沿冷凝管向下方流去。因此，在冷凝列管4中，汽態(tài)工質(zhì)是從上下兩端進入，冷凝液是沿管壁單向向下流動的。
本發(fā)明的冷凝器在下端與慢化劑包的連接采用單管連接，冷凝介質(zhì)的進入與輸出在同一管內(nèi)完成，與傳統(tǒng)換熱器的冷凝介質(zhì)進入、輸出管分開設(shè)計的結(jié)構(gòu)相比，這種單管結(jié)構(gòu)有利之處在于①連接管和冷凝器的結(jié)構(gòu)簡單；②在熱負荷變化時，能容易控制維持慢化劑包內(nèi)的液體慢化劑的液位；③適用于冷凝器與慢化劑包之間高度差小的場合，而冷凝器放置在反應堆內(nèi)正是這種情況。
本發(fā)明的冷凝器在冷凝列管的中央并聯(lián)設(shè)置了一根較大直徑的輔助輸汽冷凝管，這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的等直徑列管的冷凝器相比，有如下優(yōu)點①適用于制成細長型且換熱能力要求較大的場合；②由于設(shè)置了大直徑的輔助輸汽冷凝管，在與傳統(tǒng)的管殼式冷凝器及其熱虹吸循環(huán)回路外形尺寸相同的情況下，將換熱器發(fā)生臨界液泛的冷凝流量提高60％以上；③冷凝器中央大直徑的輸汽冷凝管既是換熱冷凝管也是輸汽管，不需在冷凝器以外設(shè)置專門的向頂端輸氣的管道，故有利于兩相熱虹吸循環(huán)系統(tǒng)在細長的垂直孔道中布置。
權(quán)利要求
1.一種放置在反應堆冷中子源垂直孔道內(nèi)的高效慢化劑冷凝器，其特征在于，它包括圓筒形的冷凝器殼體(1)，冷凝器殼體(1)上連接有雙腔體的上封頭(2)和錐形下封頭(7)，在冷凝器殼體(1)的內(nèi)部設(shè)置有由上管板(3)、若干根冷凝器列管(4)、輔助輸汽冷凝管(5)和下管板(6)構(gòu)成的冷凝器芯；雙腔體的上封頭(2)的內(nèi)腔與堆外的慢化劑穩(wěn)壓罐相連接，外腔與堆外的冷卻劑冷卻系統(tǒng)相連接；下封頭(7)與兩相慢化劑往返傳輸管相連接。
2.如權(quán)利要求
1所述的高效慢化劑冷凝器，其特征在于，所述若干根冷凝管(4)和輔助輸汽冷凝管(5)都固定在上管板(3)和下管板(6)上，且都與上封頭(2)的內(nèi)腔體和下封頭(7)的腔體連通。
3.如權(quán)利要求
1所述的高效慢化劑冷凝器，其特征在于，所述輔助輸汽冷凝管(5)與冷凝器殼體(1)同心設(shè)置，多根冷凝管(4)設(shè)置在冷凝器殼體(1)和輔助輸汽冷凝管(5)之間均勻分布。
4.如權(quán)利要求
1所述的高效慢化劑冷凝器，其特征在于，所述輔助輸汽冷凝管(5)的直徑大于冷凝管(4)的直徑。
5.如權(quán)利要求
1所述的高效慢化劑冷凝器，其特征在于，所述冷凝器殼體(1)及冷凝器芯與雙層上封頭(2)和下封頭(7)通過焊接連接在一起；
6.如權(quán)利要求
1所述的高效慢化劑冷凝器，其特征在于，對于冷卻劑管間兩程流動的冷凝器，所述輔助輸汽冷凝管(5)與冷凝器殼體(1)之間設(shè)有隔離板(8)，隔離板(8)將冷凝管與冷凝器殼體之間形成的夾層分為兩部分，隔離板(8)的下部有使兩部分連通的孔。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種用于反應堆冷中子源垂直孔道內(nèi)的慢化劑冷凝器，它包括一種放置在反應堆冷中子源垂直孔道內(nèi)的高效慢化劑冷凝器，其特征在于，它包括圓筒形的冷凝器殼體，冷凝器殼體上連接有雙腔體的上封頭和錐形下封頭，在冷凝器殼體的內(nèi)部設(shè)置有由上管板、若干根冷凝器列管、輔助輸汽冷凝管和下管板構(gòu)成的冷凝器芯；雙腔體的上封頭的內(nèi)腔與堆外的慢化劑穩(wěn)壓罐相連接，外腔與堆外的冷卻劑冷卻系統(tǒng)相連接；下封頭與兩相慢化劑往返傳輸管相連接。本發(fā)明能有效消除冷凝列管內(nèi)汽、液逆向流動所發(fā)生的液泛，并充分利用冷凝列管的換熱面積及流動通流截面，使兩相熱虹吸循環(huán)流動阻力減小，換熱能力提高，利于兩相熱虹吸循環(huán)系統(tǒng)在細長的垂直孔道中布置。
文檔編號G21G4/02GKCN1595545SQ200410026268
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月24日
發(fā)明者趙忖, 馮全科, 沈峰, 畢勤成 申請人:西安交通大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan