ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК F28D7/00 F28D15/02 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для отвода тепла от первого контура ядерной энергетической установки (ЯЭУ).

Известен промежуточный теплообменник между первым и вторым натриевыми контурами ЯЭУ и реактором БН-600 [1]
В промежуточном теплообменнике натрий первого контура, загрязненный радиоактивными примесями, отдает тепло незагрязненному натрию второго контура, которое тот в свою очередь в другом теплообменнике передает воде и пару третьего контура. Недостатком аналога является то, что его нельзя использовать для теплообмена между загрязненным радиоактивностью натрием первого контура и теплоносителем вода-пар. При взаимодействии натрия с водой и паром протекает бурная химическая реакция. Поэтому, чтобы избежать крупных аварий с тяжкими последствиями между контуром с натрием, загрязненными радиоактивными примесями, и контуром воды и пара создают дополнительный, промежуточный контур с теплоносителем натрием, в котором нет радиоактивных примесей. Наиболее близким к предлагаемому является теплообменный аппарат, содержащий холодильник-излучателль космической ЯЭУ с ядерным реактором "Топаз" и охлаждаемую водой газовакуумную камеру, в которую помещают ЯЭУ во время ее наземных испытаний [2]
В этом аппарате неиспользованное, отбросное тепло отводится от ядерного реактора "Топаз" жидкометаллическим теплоносителем к проточному трубчато-ребристому холодильнику-излучателю, имеющему форму усеченного конуса. Внутри холодильника-излучателя установлен экран, служащий для отражения теплового излучения, направленного внутрь. Далее тепло посредством излучения передается на стенки газовакуумной камеры, охлаждаемые водой.

Недостатком этого теплоообменного аппарата является незначительный вклад теплопроводности по газу и газовой конвекции и теплообмен между холодильником-излучателем и стенками газовакуумной камеры, так как в объеме камеры создается разрежение для имитации условий космоса во время наземных испытаний.

Целью изобретения является создание теплообменного аппарата, в котором для теплообмена могут одновременно эффективно использоваться тепловое излучение, теплопроводность и конвекция газа, что позволит осуществить передачу тепла в теплообменном аппарате от теплоносителя, загрязненного радиоактивными примесями, каким является, например, теплоноситель первого контура ЯЭУ с реактором БН-600, к теплоносителю вода-пар. Таким образом отпадает необходимость в промежуточном контуре с неактивированным теплоносителем.

Поставленная цель достигается тем, что в теплообменном аппарате, содержащем вертикальную газовакуумную камеру с охлажденными стенками, патрубки для ввода и вывода охлаждаемого и охлаждающего теплоносителем, вакуумирования и заполнения газом и размещенный в камере трубчато-ребристый излучатель тепла с внутренним экраном, газовакуумная камера выполнена с кольцевым поперечным сечением, внутри излучателя тепла установлен дополнительный излучатель с наружным экраном, образующим с упомянутым внутренним экраном полость, сверху и снизу сообщенную с полостью газовакуумной камеры. При этом патрубок для ввода охлаждающего теплоносителя может быть размещен в верхней части камеры, излучатели тепла могут выполняться из тепловых труб, а внутри камеры может быть размещен вентилятор.

Предлагаемый теплообменный аппарат является теплообменным аппаратом с промежуточным теплоносителем газом, заключенным в полости камеры, если его трубчато-ребристые излучатели выполнены проточными, т.е. если по их трубкам прокачивается охлаждаемый теплоноситель. Если же трубчато-ребристые получатели выполнены на тепловых трубах, то в теплообменном аппарате будет два промежуточных теплоносителя. Первым из них можно назвать заключенный внутри тепловых труб их теплоноситель, вторым газ, заключенный в полости камеры. Таким образом, газ, заключенный в полости камеры или этот же газ совместно с теплоносителем тепловых труб могут выполнять ту же функцию, что и промежуточный контур с неактивированным теплоносителем ЯЭУ с реактором БН-600. При использовании предлагаемого теплообменного аппарата в тепловой схеме ЯЭУ с реактором БН-600 отпадает необходимость в промежуточном контуре с неактивированным теплоносителем.

Использование газа в качестве промежуточного теплоносителя между охлаждаемым и охлаждающим теплоносителями позволяет достигать любой разницы в температуре этих теплоносителей. Причем чем больше разница в температуре охлаждаемого и охлажденного теплоносителей, тем эффективнее работает теплообменный аппарат, так как с повышением разницы в температуре теплоносителей увеличиваются тепловые потоки, переносимые теплоизлучателем, теплопроводностью и конвекцией.

Существующие системы вакуумирования и напуска газа позволяют изменять давление газа в камере в очень широком диапазоне и поддерживать его постоянным. В результате с изменением давления газа в камере в таком же широком диапазоне будет меняться и мощность, передаваемая кольцевым теплообменным аппаратом. Это связано с тем, что мощность, передаваемая теплопроводностью и конвекцией газа, зависит от давления газа. Если объем камеры вакууммировать, то мощность теплообменного аппарата будет определяться только как мощность, передаваемая излучением.

Повышенная надежность предлагаемого теплообменного аппарата по сравнению с известными достигается тем, что в его конструкции отсутствует самый слабый их узел трубные решетки. Наиболее повышенной надежностью будет обладать кольцевой теплообменный аппарат, если его излучатели будут изготовлены на тепловых трубах. В этом случае возможна будет такая конструкция теплообменного аппарата, в которой будут полностью отсутствовать температурные напряжения в деталях и узлах, отрицательно влияющие на их прочность. В предлагаемом кольцевом теплообменном аппарате можно реализовать широкий набор гидравлических схем обоих теплоносителей. В частности, гидравлические схемы можно выбрать такими, что на выходе из теплообменного аппарата будет выходить острый перегретый пар охлаждающего теплоносителя. Широкий набор различных конструкций рубашек охлаждения охлаждаемых стенок теплообменного аппарата и за счет других конструктивных особенностей.

Предлагаемый теплообменный аппарат в кольцевой газовакуумной камере можно рассматривать как теплообменную ячейку значительно более мощного теплообменного аппарата, состоящего из таких же кольцевых теплообменных ячеек различных диаметров, вставленных друг в друга таким образом, что охлаждаемая стенка между соседними теплообменными ячейками является общей для них. Такой теплообменный аппарат может быть любой мощности, будет обладать широким набором технологических схем теплоносителей, в нем более эффективно будет работать охлаждающий теплоноситель.

На чертеже изображен один из возможных вариантов выполнения предлагаемого теплообменного аппарата.

Теплообменный аппарат содержит вертикальную кольцевую газовакуумную камеру 1 с патрубком 2 вакуумирования и заполнения камеры газом патрубками 3 для ввода и вывода охлаждаемого теплоносителя, патрубками 4 для ввода и вывода охлаждающего теплоносителя и рубашкой охлаждения 5, трубчато-ребристые излучатели 6 и 7 с коллекторами 8 и 9 для тепловых труб 10, экраны 11 и вентилятор 12.

Теплообменный аппарат работает следующим образом. В составе энергетической установки теплообменный аппарат патрубками 2, 3 и 4 подключают соответственно к системам вакуумирования и заполнения газом газовакуумной камеры 1, охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей. Напускают в газовакуумную камеру газ до определенного давления, лучше гелий, так как этот газ инертен, одноатомен и поэтому прозрачен для излучаемых тепловых волн, обладает хорошей теплопроводностью. Включают циркуляцию охлаждающего теплоносителя через рубашку охлаждения 5, охлаждаемого до теплоносителя через коллекторы 8 и 9 для тепловых труб 10. За счет высокой температуры охлаждаемого теплоносителя тепловые трубы 10 могут выйти на рабочий режим и температура их поверхности, являющейся поверхностью излучателей 6 и 7, поднимается до примерно такой же температуры. Тепло от излучателей 6 и 7 передается на охлаждаемые стенки камеры 1 за счет теплового излучения, теплопроводности и конвекции гелия. Экраны отражают к охлаждаемым стенкам камеры 1 тепло, излучаемое в направлении полости между экранами 11, которая снизу и сверху сообщена с полостью камеры 1. Поскольку температура в полости между экранами 11 выше, чем температура в полостях, примыкающих к охлаждаемым стенкам камеры 1, газ, находящийся в полости между экранами 11, будет менее плотным. Из-за разности в плотности внутри камеры 1 возникает естественная циркуляция газа, направление которой показано на чертеже стрелками, т.е. внутри камеры возникает конструктивно организованный конвективный теплообмен. Чтобы сделать его более эффективным можно включить вентилятор 12 и увеличить скорость циркуляции газа в камере 1. Подача охлаждающего теплоносителя сверху камеры 1 снижает температуру слоя газа примыкающего вверху к ее стенкам, за счет чего его плотность увеличивается и увеличивается скорость его естественной циркуляции в объеме камеры 1.

Предлагаемый теплообменный аппарат может работать при любой разнице между температурой охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей, обладает широким диапазоном регулирования передаваемой мощности, значительно большей надежностью по сравнению с известными.

Использование: в теплотехнике и может быть использовано для отвода тепла от первого контура ядерной энергетической установки. Сущность изобретения: в теплообменном аппарате, содержащем вертикальную газовакуумную камеру 1 с охлаждаемыми стенками, трубчато-ребристый излучатель тепла 7 с внутренним экраном 11, патрубки охлаждаемого 3 и охлаждающего 4 теплоносителей, вакуумирования и заполнения газом, газовакуумная камера имеет кольцевое поперечное сечение, внутри излучателя 7 установлен дополнительный излучатель 6 с наружным экраном 11, образующим с внутренним экраном 11 полость, сверху и снизу сообщенную с полостью газовакуумной камеры 1, при этом патрубок 4 для ввода теплоносителя, охлаждающего стенки газовакуумной камеры 1, расположен в ее верхней части, излучатели 11 выполнены из тепловых труб 10, а внутри газовакуумный камеры 1 установлен вентилятор 12, осуществляющий циркуляцию газа. Аппарат может работать при любой разности температур передаваемой им мощности и большей по сравнению с известными надежностью. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, содержащий вертикальную газовакуумную камеру с охлаждаемыми стенками, патрубки для ввода и вывода охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей, вакуумирования и заполнения газом, и размещенный в камере трубчато-ребристый излучатель тепла с внутренним экраном, отличающийся тем, что газовакуумная камера выполнена с кольцевым поперечным сечением, внутри излучателя тепла установлен дополнительный излучатель с наружным экраном, образующим с внутренним экраном полость, сверху и снизу сообщенную с полостью газовакуумной камеры. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что патрубок для ввода охлаждающего теплоносителя размещен в верхней части газовакуумной камеры. 3. Аппарат по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что излучатели тепла выполнены из тепловых труб. 4. Аппарат по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что он снабжен вентилятором, установленным внутри газовакуумной камеры.