ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК F28D15/02 

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

За аналог принят промежуточный теплообменник между первым и вторым натриевыми контурами ЯЭУ с реактором БН-600.

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 может возникнуть бурная химическая реакция. Поэтому, чтобы избежать крупных аварий с тяжкими последствиями между контуром с натрием, загрязненным радиоактивными примесями, и контуром воды и пара создают дополнительный промежуточный контур с теплоносителем натрием, в котором нет радиоактивных примесей.

За прототип принят теплообменный аппарат, сложными составными элементами которого являются холодильник-излучатель космической ЯЭУ с ядерным реактором "Топаз" и охлаждаемая водой газовакуумная камера, в которую помещают ЯЭУ во время ее наземных испытаний. Теплообменный аппарат работает следующим образом. Неиспользованное, отбросное тепло отводится от ядерного реактора 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 теплообменного аппарата является незначительный вклад теплопроводности по газу и газовой конвекции в теплообмен между холодильником-излучателем и стенками газовакуумной камеры, так как в объеме камеры создается разрежение для имитации условий космического пространства во время наземных испытаний.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание теплообменного аппарата, в котором для теплообмена могут одновременно эффективно использоваться тепловое излучение, теплопроводность и конвекция газа.

В результате осуществления изобретения будет достигнута возможность передачи тепла в теплообменном аппарате от теплоносителя, загрязненного радиоактивными примесями, каким является, например, натрий первого контура ЯЭУ с реактором БН-600 к теплоносителю вода-пар. Таким образом отпадает необходимость в промежуточном контуре с неактивированным натрием. Теплообменный аппарат может работать при любой разнице между температурой охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей, обладает широким диапазоном регулирования передаваемой им мощности, значительно большей надежностью по сравнению с известными.

Изобретение характеризуется следующими общими с прототипом признаками. Аппарат содержит установленный в вертикальной газовой камере с охлаждаемыми стенками трубчато-ребристый тепловой излучатель по крайней мере с одним экраном, расположенным по одну сторону от излучающей поверхности, при этом камера снабжена патрубками для ее вакуумирования, подачи и отвода охлаждаемого теплоносителей и газа.

Изобретение характеризуется следующими отличительными от прототипа признаками. Камера выполнена с двумя плоскопараллельными стенками, а тепловой излучатель в виде панелей, каждая из которых снабжена экраном, при этом панели установлены одна напротив другой и обращены друг к другу экранами с образованием между ними полости, открытой сверху и снизу в объем камеры, патрубки подачи охлаждающего теплоносителя расположены в верхней части камеры, панели составлены из тепловых труб, в камере дополнительно установлен вентилятор для циркуляции в ней газа.

Существенные признаки, выражающие в своей совокупности сущность изобретения, являются достаточными для достижения технического результата, обеспечиваемого изобретением.

Заявляемый теплообменный аппарат относится к теплообменным аппаратам с промежуточным теплоносителем, каким является газ, заключенный в объем камеры, если его трубчато-ребристые излучатели выполнены проточными, т.е. если по их трубкам прокачивается охлаждаемый теплоноситель. Если же трубчато-ребристые излучатели 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 объем камеры. Таким образом, газ, заключенный в объем камеры, или этот же газ совместно с теплоносителем тепловых труб могут выполнять ту же функцию, что и промежуточный контур с неактивированным натрием ЯЭУ с реактором БН-600.

Использование газа в качестве промежуточного теплоносителя между охлаждаемым и охлаждающим теплоносителями позволяет достигать любой разницы в температуре этих теплоносителей. Причем, чем больше эта разница в температуре, тем эффективнее работает теплообменный аппарат, так как с повышением разницы в температуре теплоносителей увеличиваются тепловые потоки, переносимые излучением, 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 теплообменным аппаратом. Это связано с тем, что мощность, передаваемая теплопроводностью и конвекцией газа, зависит от давления газа. Если объем камеры отвакуумировать, то мощность теплообменного аппарата будет определяться только мощностью, передаваемой излучением.

Повышенная надежность предлагаемого теплообменного аппарата по сравнению с известными достигается тем, что в его конструкции отсутствует самый слабый их узел, т.е. трубные решетки. Наиболее повышенной надежностью будет обладать предлагаемый теплообменный аппарат, если его излучатели будут выполнены на тепловых трубах. В этом случае возможна такая конструкция теплообменного аппарата, в которой полностью отсутствовали бы температурные напряжения в деталях и узлах, отрицательно влияющие на их прочность.

В предлагаемом теплообменном аппарате можно реализовать широкий набор гидравлических схем обеих теплоносителей. В частности, гидравлические схемы можно выбрать такими, что на выходе из теплообменного аппарата будет выходить острый перегретый пар охлаждающего теплоносителя. Широкий набор гидравлических схем может быть получен, в частности, за счет различных конструкций рубашек охлаждения охлаждаемых стенок теплообменного аппарата и других конструктивных особенностей.

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

На чертеже изображен один из возможных вариантов предлагаемого теплообменного аппарата.

Теплообменный аппарат состоит из вертикальной газовой камеры 1 с плоскими параллельными стенками, с патрубком 2 вакуумирования и заполнения камеры газом, патрубками 3 охлаждаемого теплоносителя, патрубками 4 охлаждающего теплоносителя, рубашкой охлаждения 5, теплоизлучающих панелей 6 и 7 с коллекторами 8 и 9 тепловых труб 10, экранов 11, вентилятора 1.

Теплообменный аппарат работает следующим образом.

В составе энергетической установки теплообменный аппарат патрубками 2, 3 и 4 подключают соответственно к системам вакуумирования и заполнения газом камеры 1 охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей. Напускают в камеру 1 газ до определенного давления, лучше гелий, так как это газ инертный, одноатомный и потому прозрачный для излучаемых тепловых волн, обладает хорошей теплопроводностью. Включают циркуляцию охлаждающего теплоносителя через рубашку охлаждения 5, охлаждаемого теплоносителя через коллекторы 8 и 9 тепловых труб 10. За счет высокой температуры охлаждаемого теплоносителя тепловые трубы 10 выйдут на рабочий режим и температура их поверхности, являющейся по сути поверхностью теплоизлучающих панелей 6 и 7, поднимется до примерно такой же температуры. Тело от панелей 6 и 7 передается на охлаждаемые стенки камеры 1 за счет теплового излучения, теплопроводности и конвекции гелия. Экраны 11 отражают к охлаждаемым стенкам камеры тепло, излучаемое в направлении полости между экранами, которая открыта снизу и сверху в объем камеры. Поскольку температура в полости между экранами выше температуры в полостях, примыкающих к охлаждаемым стенкам камеры, газ, находящийся в полости между экранами, будет менее плотным. Из-за разности в плотностях внутри камеры возникнет естественная циркуляция газа, направление которой показано на фиг. 1 стрелками, т.е. внутри камеры возникнет конструктивно организованный конвективный теплообмен. Чтобы сделать его более эффективным, можно включить вентилятор 12 и увеличить скорость циркуляции газа в камере. Подача охлаждающего теплоносителя сверху камеры снижает температуру слоя газа, примыкающего вверху к стенкам камеры, за счет чего его плотность увеличивается и увеличивается скорость его естественной циркуляции в объеме камеры.

Использование: в теплотехнике для отвода тепла от первого контура ядерной энергетической установки. Сущность изобретения: в теплообменном аппарате установлен в вертикальной газовой камере с охлажденными стенками трубчато-ребристый тепловой излучатель, по крайней мере, с одним экраном. Он расположен по одну сторону от излучающей поверхности. Камера снабжена патрубками для ее вакуумирования, подачи и отвода охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей и газа. Тепловой излучатель выполнен в виде панелей с экраном. Панели установлены вдоль плоско-параллельных стенок камеры одна напротив другой и обращены друг к другу экранами с образованием между ними полости, открытой сверху и снизу в объем камеры. Патрубки подачи охлаждающего теплоносителя расположены в верхней части камеры. Панели составлены из тепловых труб. В камере дополнительно установлен вентилятор для циркуляции в ней газа. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, содержащий установленный в вертикальной газовой камере с охлаждаемыми стенками трубчато-ребристый тепловой излучатель по крайней мере с одним экраном, расположенным по одну сторону от излучающей поверхности, при этом камера снабжена патрубками для ее вакуумирования, подачи и отвода охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей и газа, отличающийся тем, что камера выполнена с двумя плоскопараллельными стенками, а тепловой излучатель в виде панелей, каждая из которых снабжена экраном, при этом панели установлены вдоль плоскопараллельных стенок камеры одна напротив другой и обращены друг к другу экранами с образованием между ними полости, открытой сверху и снизу в объем камеры. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что патрубки подачи охлаждающего теплоносителя расположены в верхней части камеры. 3. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что панели составлены из тепловых труб. 4. Аппарат по пп.1 3, отличающийся тем, что в камере дополнительно установлен вентилятор для циркуляции в ней газа.