УСТРОЙСТВО ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ ПЕРВОЙ И ВТОРОЙ ТЕКУЧИМИ СРЕДАМИ Российский патент 2011 года по МПК F28D9/00 

В целом настоящее изобретение относится к теплообменникам, в частности, для высокотемпературных ядерных реакторов (HTR) и для сверхвысокотемпературных ядерных реакторов (VHTR).

Более подробно, изобретение относится к устройству теплообмена между первой и второй текучими средами, содержащему:

- бак с центральной осью;

- множество модулей теплообмена между первой и второй текучими средами, размещенных внутри бака вокруг его центральной оси и содержащих находящиеся друг против друга соответствующие боковые стороны;

- по меньшей мере один коллектор питания модулей первичной текучей средой;

- по меньшей мере один коллектор питания модулей вторичной текучей средой;

- по меньшей мере один коллектор сбора и удаления выходящей из модулей первичной текучей среды;

- по меньшей мере один коллектор сбора и удаления выходящей из модулей вторичной текучей среды.

В документе JP-2004-144422 описано устройство теплообмена вышеуказанного типа, в котором коллекторы вторичного питания и вторичного удаления расположены соответственно на периферии и в центре бака, а коллекторы первичного питания и первичного удаления расположены между модулями.

В таком устройстве соединения между стенками коллекторов и модулей подвергаются воздействию очень высоких напряжений, которые могут привести к быстрому разрушению некоторых соединений.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства теплообмена, позволяющего снизить термомеханические напряжения.

Эта задача решена в устройстве теплообмена вышеуказанного типа, в котором согласно изобретению по меньшей мере некоторые из указанных коллекторов и/или некоторые части указанных коллекторов лежат между модулями, расположенными последовательно вокруг центральной оси, при этом указанные коллекторы или их части охватывают один и тот же модуль, располагаясь по существу, симметрично по отношению к центральной плоскости, находящейся между двумя боковыми сторонами указанного модуля таким образом, чтобы указанные коллекторы или их части создавали в боковых сторонах модуля по существу одинаковые термические напряжения.

Устройство может также содержать один или несколько перечисленных ниже отличительных признаков, рассматриваемых по отдельности или в любых технически возможных комбинациях:

- устройство содержит единый коллектор вторичного удаления, расположенный вдоль центральной оси наружной герметичной камеры, при этом коллектор или коллекторы первичного питания расположены в наружной камере вокруг коллектора вторичного удаления внутри по отношению к коллекторам вторичного питания и первичного удаления;

- коллекторы первичного питания и вторичного удаления, обслуживающие один и тот же модуль, сообщаются с концевой частью указанного модуля, обращенной внутрь наружной герметичной камеры, а коллекторы вторичного питания и первичного удаления, обслуживающие указанный модуль, сообщаются с концевой частью указанного модуля, обращенной наружу наружной герметичной камеры;

- каждый из модулей содержит набор расположенных друг над другом пластин, между которыми поочередно циркулируют первичная и вторичная текучие среды;

- каждый модуль содержит несколько отдельных подмодулей, при этом каждый модуль обслуживается по меньшей мере одним коллектором вторичного питания, содержащим прилегающие к подмодулям участки трубопровода и сильфоны, соединяющие участки трубопровода друг с другом;

- каждый подмодуль сообщен с коллектором вторичного удаления при помощи врезки, при этом участки трубопровода коллектора вторичного питания и врезка имеют гидравлический диаметр менее 500 мм;

- центральная ось наружной герметичной камеры расположена вертикально, а устройство содержит опорную обечайку крепления модулей, подвешенную к наружной герметичной камере, при этом опорная обечайка и модули могут свободно термически расширяться вниз по отношению к наружной камере;

- каждый из модулей содержит сплошной набор секций теплообмена между первичной и вторичной текучими средами, способных деформироваться друг относительно друга;

- между каждой парой модулей, последовательно размещенных вокруг центральной оси, расположен коллектор вторичного распределения, по меньшей мере частично ограниченный панелями, жестко закрепленными на боковых сторонах модулей;

- коллектор вторичного удаления по меньшей мере частично ограничен внутренними концевыми частями теплообменных модулей;

- первой и второй текучими средами являются газы, при этом первый газ предназначен для подачи в наружную герметичную камеру при температуре, превышающей 700°С, а второй газ предназначен для удаления из наружной герметичной камеры при температуре, превышающей 700°С;

- первая текучая среда в основном содержит гелий, а вторая текучая среда в основном содержит гелий и/или азот;

- первая и вторая текучие среды являются первичной и вторичной текучими средами высокотемпературного или сверхвысокотемпературного ядерного реактора.

Другие особенности и преимущества изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показано устройство теплообмена согласно первому варианту выполнения изобретения, вид в осевом разрезе;

на фиг.2 показан разрез по плоскости, перпендикулярной к центральной оси устройства, изображенного на фиг.1, вид по стрелкам II на фиг.1;

на фиг.3А показаны два теплообменных модуля, изображенных на фиг.1, и два коллектора вторичного питания, обслуживающих эти модули, вид спереди;

на фиг.3В - вид, аналогичный фиг.3А, для другого варианта выполнения коллекторов вторичного питания;

на фиг.4 показано устройство теплообмена согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в осевом разрезе;

на фиг.5 - разрез по плоскости, перпендикулярной к центральной оси устройства, показанного на фиг.4, вид по стрелкам V на фиг.4;

на фиг.6 показаны пластины, образующие теплообменные модули устройства, показанного на фиг.1, вид в перспективе;

на фиг.7 показан теплообменный подмодуль устройства, изображенного на фиг.1, образованного пластинами, показанными на фиг.6, вид в перспективе;

на фиг.8 показан подмодуль, изображенный на фиг.7, установленный на своей опорной обечайке, с выполненной на нем врезкой соединения с коллектором вторичного питания и участки трубопровода коллекторов вторичного питания, вид в перспективе;

на фиг.9 показан теплообменный модуль устройства, изображенного на фиг.4, вид в разрезе.

Показанное на фиг.1 и 2 устройство 1 предназначено для использования в высокотемпературном или сверхвысокотемпературном ядерном реакторе (HTR/VHTR) с целью обеспечения теплообмена между первой и второй текучими средами.

Первая текучая среда является первичной текучей средой ядерного реактора и циркулирует в замкнутом контуре внутри этого реактора. Она проходит через активную зону ядерного реактора (не показана), затем через устройство 1 и, наконец, возвращается на вход активной зоны. Первичная текучая среда нагревается в активной зоне реактора и выходит из нее, например, при температуре около 850°С. Она отдает часть своего тепла вторичной текучей среде в устройстве 1 и выходит из него, например, при температуре примерно 400°С. Обычно первичной текучей средой является технически чистый газообразный гелий.

Вторая текучая среда является вторичной текучей средой ядерного реактора и циркулирует внутри него в замкнутом контуре. Она проходит через устройство 1, затем через газовую турбину, вращающую электрический генератор, и возвращается на вход устройства 1. Вторичная текучая среда поступает в устройство 1, например, при температуре около 350°С и выходит из него, например, при температуре около 800°С. Вторичная среда является газом, в основном содержащим гелий и азот.

Устройство 1 содержит:

- наружную герметичную камеру 2 с по существу вертикальной центральной осью X, при этом камера 2 оборудована входом 4 и выходом 6 первичной текучей среды, четырьмя входами 8 и четырьмя выходами 10 вторичной текучей среды;

- восемь расположенных в камере 2 теплообменных модулей 12, в которых происходит теплообмен между первичной и вторичной текучими средами;

- кольцевой коллектор 14 питания модулей 12 первичной текучей средой;

- коллекторы 16 питания модулей 12 вторичной текучей средой;

- кольцевой коллектор 18 сбора и удаления первичной текучей среды, выходящей из модулей 12;

- центральный коллектор 20 сбора и удаления вторичной текучей среды, выходящей из модулей 12;

- входную камеру 22, распределяющую вторичную текучую среду по коллекторам 16, и выходную камеру 24, распределяющую вторичную текучую среду, выходящую из коллектора 20 вторичного удаления, по выходам 10;

- нижнее внутреннее оборудование 26, направляющее первичную текучую среду между коллекторами 14 и 18, с одной стороны, и входом 4 и выходом 6 первичной текучей среды, с другой стороны;

- циркулятор 28 для циркуляции первичной текучей среды, соединенный с герметичной камерой 2.

Герметичная камера 2 содержит бак 30, внутри которого находятся теплообменники 12 и коллекторы 14, 16, 18, 20. В верхней части бака 30 выполнено отверстие 32 и установлена съемная крышка 34, герметично закрывающая это отверстие 32.

В верхней части бака 30 выполнены входы 8 вторичной текучей среды, которые равномерно расположены по одной окружности.

Выходы 10 вторичной текучей среды выполнены в верхней части бака 30 немного ниже выходов 8 и равномерно распределены по одной окружности этого бака.

В нижней части бак 30 содержит единую врезку, в которой выполнен вход 4 и выход 6 первичной текучей среды. Вход 4 и выход 6 являются коаксиальными, как показано на фиг.2, при этом выход 6 охватывает вход 4.

Бак 30 закрыт снизу выпуклым дном, которое содержит круглое центральное отверстие с центром на оси X, в котором закреплен циркулятор 28.

Как показано на фиг.2, восемь модулей 12 расположены по кругу вокруг оси Х и равномерно распределены вокруг этой оси.

В первом варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг.1 - 3А/3В, теплообменники 12 представляют собой теплообменники пластинчатого типа жесткой конструкции. Каждый жесткий модуль 12 содержит три одинаковых подмодуля 36.

Теплообменные модули являются, например, модулями по типу пластинчатых теплообменников РМНЕ - Plate Machined Heat Exchanger, и в этом случае подмодули 36 выполнены, как показано на фиг.6 и 7.

Каждый подмодуль 36 выполнен из одинаковых пластин 38 наложенных друг на друга с чередованием в прямом и обратном направлениях, как показано на фиг.6.

Каждая пластина 38 содержит на своей верхней стороне множество параллельных вытравленных в продольном направлении каналов 40. Первые концы этих каналов 40 выходят на поперечный край 42 пластины. Противоположными концами 42 они выходят в поперечный канал 44 большой ширины, проходящий через всю пластину. Этот канал 44 закрыт вдоль поперечного края 46, противоположного краю 42, и открыт с двух противоположных концов.

Пластины 38 одного подмодуля наложены друг на друга, при этом верхние стороны 39 обращены вверх таким образом, чтобы поперечные каналы 44 чередовались на двух противоположных продольных концах подмодуля 36. Они соединены друг с другом при помощи сварки или пайки.

Первая и вторая текучие среды циркулируют в каналах 40 и 44 пластин 38 с чередованием в одной и другой пластинах набора. Таким образом, как показано на фиг.7, первая текучая среда (сплошные стрелки) заходит в подмодуль 36 через два открытых конца каналов 44, находящихся на первом продольном конце подмодуля 36. Она проникает в подмодуль 36 через две противоположные боковые стороны 47 подмодуля 36. Затем она проходит по каналам 40 и выходит из подмодуля 36 через поперечную сторону 48, находящуюся на продольном конце подмодуля 36, противоположном первому.

Вторичная текучая среда (контурные стрелки на фиг.7) заходит в подмодуль 36 через открытые концы каналов 44, находящиеся на втором продольном конце подмодуля 36, и выходит через поперечную сторону 50, расположенную на первом продольном конце. Первичная и вторичная текучие среды циркулируют противотоком одна относительно другой внутри подмодуля 36.

Как вариант, теплообменный модуль 12 может быть модулем по типу пластинчатых теплообменников PFHE - Plate Fin Heat Exchange. В этом случае продольные каналы 40 выполнены не травлением в верхней стороне 39 пластины 38, а образованы при соединении сваркой с этой верхней стороной взаимно параллельных ребер, ограничивающих между собой каналы 40.

Как показано на фиг.1, три подмодуля 36 одного теплообменного модуля 12 расположены друг над другом в осевом направлении на некотором расстоянии друг от друга. Чтобы облегчить техническое обслуживание теплообменных модулей 12, их объединяют в крепежном кожухе 52, извлекаемом из бака 30 в осевом направлении через отверстие 32.

Кожух 52 содержит верхнюю цилиндрическую обечайку 54, коаксиальную с центральной осью Х и ограничивающую внутри камеру 22 входа вторичной текучей среды, нижнюю цилиндрическую обечайку 56, тоже коаксиальную с центральной осью X, и пластину 58 разделения обечаек 54 и 56, по существу перпендикулярную центральной оси X.

Кожух 52 подвешен посредством пластины 58 на заплечике 59, выполненном внутри бака 30.

Камера 24 выхода вторичной текучей среды расположена внутри камеры 22.

Кожух 52 содержит также опорную обечайку 60 крепления теплообменных модулей 12 и внутреннюю обечайку 62, ограничивающую коллектор 20 удаления вторичной текучей среды.

Цилиндрическая обечайка 60 подвешена коаксиально с центральной осью Х под разделительной пластиной 58. Подмодули 36 закреплены при помощи любых соответствующих средств в окнах 64, вырезанных в обечайке 60 (фиг.8). Поперечная сторона 48 выхода вторичной текучей среды и каналы 44 входа первичной текучей среды расположены радиально внутри обечайки 60. Поперечная сторона 50 выхода первичной текучей среды и каналы 44 входа вторичной текучей среды расположены радиально снаружи обечайки 60.

Кольцевое пространство между нижней обечайкой 56 и опорной обечайкой 60 закрыто сверху разделительной пластиной 58, а снизу - системой кольцевого металлического сильфона 66, сжимаемого в осевом направлении.

Нижняя обечайка 62 закрыта снизу выпуклым дном 68. В верхней части она проходит через пластину 58 и выходит в камеру 24 выхода вторичной текучей среды.

Кольцевое пространство между опорной обечайкой 60 и нижней обечайкой 62 образует коллектор 14 первичного питания. Оно закрыто сверху кольцевой пластиной 70, расположенной ниже разделительной пластины 58, и сообщается в нижней части через съемный герметичный патрубок 72 с промежуточным участком 74 коллектора, коаксиальным с центральной осью X. Промежуточный участок 74 коллектора сообщается в радиальном направлении с входом 4 первичной текучей среды. Патрубок 72 обеспечивает отсоединение обечайки 60 от участка 74 коллектора, когда кожух 52 извлекают из бака 30.

В нижней обечайке 56 выполнены отверстия 76 для циркуляции первичной текучей среды, расположенные на небольшом расстоянии под пластиной 58. Отверстия 76 соединяют кольцевое пространство 78 между обечайками 56 и 60 с кольцевым пространством 80 между обечайкой 56 и наружным кожухом 2. Эти два кольцевых пространства совместно образуют коллектор 18 первичного удаления. Кольцевое пространство 80 закрыто сверху герметичным соединением пластины 58 с наружным кожухом 2. Кольцевое пространство 80 открыто вниз. Нижние внутренние пространства 26 образуют проход для первичной текучей среды от нижней части кольцевого пространства 80 до входа циркулятора 28, а затем от выхода циркулятора 28 до выхода 6 первичной текучей среды (фиг.1).

Устройство 1 содержит шестнадцать коллекторов 16 вторичного питания, расположенных в кольцевом пространстве 78 между обечайками 56 и 60 параллельно центральной оси X. Как показано на фиг.2 и 3А, каждый теплообменный модуль 12 обслуживается двумя коллекторами 16 вторичного питания, при этом каждый коллектор 16 питает три расположенных друг над другом подмодуля 36 модуля 12. Два коллектора 16, обслуживающие один и тот же модуль 12, расположены вдоль двух противоположных боковых сторон 47 подмодулей 36.

Как показано на фиг.3, каждый коллектор 16 содержит три участка жесткого трубопровода 82, каждый из которых прилегает к боковой стороне 47 подмодуля 36 и жестко закреплен на ней. Упомянутые участки жесткого трубопровода 82 соединены между собой сильфонами 84, сжимаемыми в осевом направлении. Как показано на фиг.8, участки 82 трубопровода прилегают к зонам двух противоположных поперечных сторон 47 одного подмодуля и сообщаются с концами поперечных каналов 44 входа вторичной текучей среды.

Как показано на фиг.2 и 3А, два коллектора 16 вторичного распределения, расположенных между двумя последовательными теплообменными модулями 12, содержат в верхней части загнутые концы 86, которые соединяются и сообщаются через участок 88, проходящий через разделительную плиту, с камерой 22 вторичного питания. Каждый из загнутых концов 86 соединен с самыми верхними участками 82 трубопровода при помощи другого сильфона 84, сжимаемого в осевом направлении. Верхние сильфоны 84 могут быть выполнены и даже дублированы таким образом, чтобы поглощать перемещения от радиальных тепловых расширений. Загнутые концы 86 можно и исключить. В этом случае верхние сильфоны снабжают трубами 89, обеспечивающими соединение с коллектором 22 вторичного питания через пластину 58 (фиг.3В).

Каждый подмодуль 36 содержит короб 90, полностью перекрывающий поперечную сторону 50 выхода вторичной текучей среды, при этом короб 90 подсоединен к коллектору 20 вторичного питания через врезку 92 меньшего диаметра.

Наконец, горячие части устройства 1, то есть части, по которым циркулирует первичная текучая среда до своего прохождения в теплообменные модули 12 и вторичная текучая среда, выходящая из теплообменных модулей 12, изолированы в холодных частях устройства 1 теплоизоляционным слоем 94. Как показано на фиг.1, эти части находятся в центре устройства 1 вдоль центральной оси Х оболочки 2. Таким образом, теплоизоляционный слой 94 расположен вокруг входа 4 первичной текучей среды, промежуточного участка 74 коллектора, опорной обечайки 60, кольцевой пластины 70, выходной камеры 24 и участка коллектора 20 вторичного удаления, находящегося между кольцевой пластиной 70 и камерой 24.

Далее со ссылками на фиг.1 будет подробно описана циркуляция первичной и вторичной текучих сред в представленном выше теплообменном устройстве 1.

Первичная текучая среда (пунктирные стрелки на фиг.1) входит в устройство 1 через вход 4, проходит через промежуточный участок 74 коллектора и поднимается в осевом направлении вдоль коллектора 14 первичного распределения вокруг коллектора 20 вторичного удаления.

Как показано на фиг.1 и 8, после этого она попадает в подмодули 36 через открытые концы поперечных каналов 44, проходит через подмодули 36, отдавая свое тепло вторичной текучей среде, выходит из подмодулей 36 через поперечную сторону 48, поднимается в осевом направлении в кольцевое пространство 78, проходит через отверстия 76 и заходит в кольцевое пространство 80, затем опускается в осевом направлении вдоль кольцевого пространства 80, после чего направляется нижними внутренними пространствами 26 до циркулятора 28 и выталкивается до первичного выхода 6.

Вторичная текучая среда входит в устройство 1 через входы 8 и распределяется камерой 22 в шестнадцать коллекторов 16 вторичного питания. Она проходит через эти коллекторы 16 в осевом направлении вниз, попадает в подмодули 36 через открытые концы поперечных каналов 44, проходит в радиальном направлении через подмодули 36 снаружи внутрь устройства 1, нагреваясь под действием тепла, отдаваемого первичной текучей средой, выходит из подмодулей 36 через сторону 50, проходит через короб 90 и врезку 92, выходит в коллектор 20 вторичного удаления, затем направляется коллектором 20 вторичного удаления вверх вдоль центральной оси до выходной камеры 24, которая распределяет вторичную среду в различные вторичные выходы 10.

Описанное теплообменное устройство имеет много преимуществ.

Коллекторы или части коллекторов, охватывающие один и тот же модуль, расположены по существу симметрично по отношению к центральной плоскости Р двух боковых сторон модуля таким образом, чтобы термические напряжения, создаваемые в боковых сторонах модуля, были по существу одинаковыми. Термические расширения двух боковых сторон модуля являются, таким образом, подобными. В результате, теплообменные модули не испытывают перекоса в окружном направлении. Наоборот, они остаются по существу симметричными по отношению к центральной плоскости своих боковых сторон. За счет этого снижаются термомеханические напряжения в опорной обечайке крепления теплообменных модулей.

В примере выполнения, показанном на фиг.1 - 3А/3В, обе боковые стороны модуля параллельны, и центральная плоскость Р является плоскостью, параллельной боковым сторонам, равноудаленной от этих двух сторон, и проходит через центральную ось Х герметичной камеры.

В целом центральная плоскость Р является плоскостью, расположенной посередине между двумя боковыми сторонами модуля.

Кроме того, напряжения, создаваемые при осевом тепловом расширении модулей и опорной обечайки, сводятся к минимуму за счет нескольких конструктивных решений.

Разделение модулей 12 на несколько расположенных друг над другом в осевом направлении отделенных друг от друга подмодулей 35 позволяет свести к минимуму напряжения, возникающие в опорной обечайке в результате осевого расширения модулей. Кроме того, опорная обечайка 60 подвешена к пластине 58 и может свободно термически расширяться вниз. Эта свобода обеспечивается, в частности, тем, что кольцевое пространство 78, отделяющее опорную обечайку 60 от нижней обечайки 56, закрыто снизу сильфоном 66, который может деформироваться в осевом направлении. Подмодули 36 могут смещаться в осевом направлении, поскольку между различными подмодулями 36 вдоль коллекторов вторичного питания установлены сильфоны 84, и подмодули 36 соединены с коллекторами вторичного удаления через врезки 92 меньшего сечения.

Объединение коллектора вторичного удаления и коллектора первичного питания в центре наружного кожуха позволяет поддерживать умеренную температуру стенок наружного кожуха 2. Действительно, эти два коллектора направляют газы, которые нагреты до температуры более 700°С, как правило до 800°С. Коллектор первичного удаления и коллектор вторичного питания, установленные на периферии наружного кожуха 2, направляют газы с гораздо более низкой температурой, например от 400°С до 500°С.

Использование большого числа коллекторов вторичного питания трубчатой формы, в данном случае по два коллектора на модуль, позволяет, с одной стороны, поддерживать скорость газов на достаточно низком уровне, порядка 34 м/с, и, с другой стороны, использовать трубопроводы небольшого гидравлического диаметра, например, менее 500 мм, для каждого коллектора вторичного питания. Поддержание скорости циркуляции газов на умеренном уровне благоприятно сказывается на термодинамическом поведении теплообменных модулей. Использование трубчатых коллекторов вторичного питания небольшого диаметра, повышая сопротивление, благоприятно сказывается на поддержании давления в этих коллекторах, в частности, во время аварии в случае разрыва первичного контура или вторичного контура, когда перепад давлений между первичными и вторичными контурами может превышать 5 МПа.

Предпочтительно врезки 92 тоже имеют гидравлический диаметр менее 500 мм по тем же соображениям.

Кроме того, использование трубопроводов небольшого диаметра позволяет устанавливать сильфоны между участками коллекторов, жестко закрепленными на подмодулях 36.

Второй вариант осуществления изобретения представлен со ссылками на фиг.4 и 5.

В этом варианте выполнения теплообменные модули представляют собой пластинчатые модули, показанные на фиг.9 и описанные также в документе US 5983992. Этот теплообменник содержит множество теплообменных секций С, установленных друг над другом. Каждая секция С содержит верхнюю пластину А, в первом конце которой вырезан вход Е текучей среды, а в противоположном конце которой вырезан выход S текучей среды. Секция С содержит также нижнюю пластину В, расположенную по существу параллельно верхней пластине А. В нижней пластине В вырезаны входы и выходы Е и S, при этом входы верхней и нижней пластин находятся на одной линии, так же как и выходы. Как показано на фиг.9, пластины А и В сварены своими периферическими краями. Входы и выходы Е и S верхней пластины А охвачены краем, выступающим по отношению к внутреннему пространству секции С, то есть выступающим со стороны, противоположной пластине В. Входы и выходы Е и S нижней пластины В симметрично выступают наружу секции, то есть со стороны, противоположной верхней пластине А. Между пластинами А и В установлен гофрированный металлический лист F, соединенный с этими пластинами сваркой. Он образует решетку ребер внутри секции С. Второй гофрированный металлический лист F такого же типа тоже соединен сваркой со стороной пластины А, обращенной наружу секции С. Третий гофрированный лист F соединен сваркой со стороной пластины В, обращенной наружу секции С.

Секции С наложены друг на друга и соединены друг с другом выступающими краями своих соответствующих входов и выходов. Секции расположены таким образом, чтобы входы и выходы всех секций С находились на одной линии.

Первая текучая среда заходит в секции С через входы Е, циркулирует в каналах, ограниченных гофрированными листами F, расположенными внутри каждой секции, и выходит через выходы S. Вторая текучая среда циркулирует в пространстве, ограниченном секциями С.

Выполненные таким образом теплообменные модули отличаются тем, что каждая секция может смещаться по отношению к смежным секциям и деформироваться, например, сжатием, изгибом или расширением.

На фиг.4 и 5 показано теплообменное устройство, модули которого являются гибкими пластинчатыми теплообменниками типа теплообменника, показанного на фиг.9. Ниже будут описаны только отличия этого устройства согласно второму варианту осуществления изобретения от устройства, показанного на фиг.1 - 3А/3В, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Идентичные элементы или элементы, выполняющие аналогичные функции, обозначены одинаковыми позициями в обоих вариантах выполнения.

Как показано на фиг.4, теплообменные модули 12 не разделены на несколько подмодулей 36, а наоборот, выполнены в виде единых модулей и образованы сплошным набором секций, в которых циркулируют первая и вторая текучие среды.

Каждый из теплообменных модулей 12 имеет форму параллелепипеда. Поступление первичной и вторичной текучих сред в модуль 12 происходит соответственно через радиально внутреннюю и радиально наружную зоны боковых сторон 47 модуля.

Кроме того, в отличие от первого варианта выполнения устройство 1 не содержит единого коллектора питания модулей 12 первичной текучей средой, выполненного кольцевой формы и охватывающего коллектор вторичного удаления, а содержит восемь отдельных коллекторов 14 первичного питания, расположенных в осевом направлении между модулями 12 и выходящих в камеру 95 распределения, находящуюся под модулями 12. Камера 95 сообщается с промежуточным участком 74 коллектора. Каждый коллектор 14 обслуживает охватывающие его два теплообменных модуля 12. Каждый модуль ограничен в радиальном направлении изнутри поперечной стороной 50 выхода вторичной текучей среды, радиально снаружи поперечной стороной 48 выхода первичной текучей среды и по бокам сторонами 47, обращенными к соседним модулям.

Между каждой парой модулей 12, расположенных последовательно вокруг центральной оси X, конструкция 96 крепления модулей 12 содержит две панели из секторов цилиндра 98 и 100, коаксиальных с центральной осью и выполненных по всей осевой высоте модулей 12. Эти панели закреплены сваркой на находящихся друг против друга боковых стенках 47 двух охватывающих их модулей 12. Панели 100 расположены по существу радиально на уровне наружных поперечных сторон 48 модулей 12, через которые выходит первичная текучая среда. Панели 98 установлены радиально между панелями 100 и коллекторами 14 первичного питания.

Устройство, образованное модулями 12 и панелями 98 и 100, подвешено к разделительной пластине 58 при помощи цилиндрической обечайки 102.

Кроме того, кольцевое пространство 78 закрыто снизу кольцевой пластиной 104.

Устройство 1 содержит восемь коллекторов 16 вторичного питания, расположенных между модулями 12 и ограниченных панелями 98 и 100 и боковыми сторонами 47 модулей 12. Каждый коллектор 16 обслуживает охватывающие его модули 12.

Вторичная текучая среда подается в коллекторы 16 питания из камеры 106, образованной внутренним пространством обечайки 102.

Каждый коллектор 14 первичного питания в плоскости, перпендикулярной к центральной оси Х герметичной камеры 2, имеет по существу овальное сечение.

Каждый коллектор 14 ограничен двумя вогнутыми панелями 108 и 110, вогнутые стороны которых направлены друг к другу и которые расположены по всей осевой высоте модулей 12. Панели 108 и 110 закреплены сваркой на боковых сторонах 47 охватывающих их модулей. Панель 110 расположена по существу на уровне внутренних поперечных сторон 50 модулей 12. Пространство, отделяющее вогнутую панель 108 от панели 98 в виде сектора кольца, заполнено теплоизоляционным материалом 94.

Как и в первом варианте выполнения изобретения, коллектор 20 вторичного удаления расположен вдоль центральной оси устройства 1. Он ограничен в окружном направлении поочередно внутренними поперечными сторонами 50 модулей 12 и вогнутыми панелями 110. Таким образом, горячий вторичный газ выходит непосредственно из модуля 12 в коллектор 20 вторичного удаления. Вторичный коллектор 20 ограничен снизу выпуклым дном 68, которое отделяет его от камеры 95 первичного распределения. Он продолжен в осевом направлении вверх трубопроводом 112 удаления, выполненным большого диаметра и проходящим через камеру 106 вторичного распределения и разделительную пластину 58.

Вход 114 и выход 116 вторичной текучей среды выполнены в центральной цилиндрической обечайке 118, имеющейся на крышке 34 теплообменного модуля. Эта обечайка 118 расположена вдоль центральной оси Х устройства 1. Вход 114 врезан в радиальном направлении в обечайку 118. Вторичный выход 116 выполнен изогнутым и содержит осевой участок 120 трубопровода, выполненный в продолжении обечайки 118, и участок 122, выполненный радиально по отношению к осевому участку 120. Трубопровод 112 вторичного удаления соединяет осевой участок 120 с коллектором 20 вторичного удаления.

Камера 106 вторичного распределения сообщается через выполненные в разделительной пластине 58 отверстия (не показаны) с внутренним пространством крышки 34, которое, в свою очередь, сообщается с входом 114 вторичной текучей среды.

Далее со ссылками на фиг.4 будет описана циркуляция первичной и вторичной текучих сред в устройстве 1.

Первичная текучая среда (пунктирные стрелки на фиг.4) поступает в герметичную камеру 2 через вход 4, проходит через промежуточный участок 74 трубопровода и попадает в камеру 94 распределения, откуда она подается в восемь коллекторов 14 первичного питания. Сбоку она попадает в модули 12 и выходит в радиальном направлении через их наружную поперечную сторону 48 в кольцевое пространство 78. Она поднимается вдоль кольцевого пространства 78 до отверстий 76, затем опускается вдоль кольцевого пространства 80. Затем внутреннее оборудование 26 направляет ее до всасывающего конца циркулятора 28, который затем нагнетает ее до первичного выхода 6.

Вторичная текучая среда попадает в устройство 1 через вторичный вход 114, проходит через крышку 34 и разделительную пластину 58, заходит в камеру 106 вторичного распределения, откуда она подается в восемь каналов 16 вторичного питания. Сбоку она попадает в модули 12 и выходит из модулей 12 через внутренние поперечные стороны 50 модулей, которые выходят в коллектор 20 вторичного удаления. После этого она поднимается вдоль этого коллектора и трубопровода 112 удаления до вторичного выхода 116.

Как и в предыдущем случае, вокруг самых горячих частей устройства 1, а именно вокруг частей, через которые циркулирует первичная текучая среда до ее прохождения в теплообменные модули 12 и вторичная текучая среда после ее выхода из теплообменных модулей 12, расположен теплоизоляционный материал 94. Как показано на фиг.4, теплоизоляционный материал расположен вдоль входа 4 первичной текучей среды, промежуточного участка 74 трубопровода, камеры 95 первичного распределения, между панелями 98 и 108, вдоль трубопровода 112 вторичного удаления и вдоль вторичного выхода 116.

Второй вариант осуществления изобретения тоже имеет много преимуществ.

Как и в первом варианте, коллекторы, охватывающие один и тот же модуль, расположены по существу симметрично по отношению к центральной плоскости Р между двумя боковыми сторонами указанного модуля, проходящей через центральную ось X, таким образом, чтобы эти коллекторы создавали на боковых сторонах модуля по существу идентичные термические напряжения. Таким образом, не происходит перекоса модулей в окружном направлении устройства 1. Панели 98, 100, 108 и 110, соединяющие два последовательных модуля, подвергаются за счет этого минимальным термомеханическим напряжениям.

Кроме того, выполнение теплообменных модулей 12 гибкими приводит к тому, что эти модули подвергаются намного меньшему тепловому расширению, чем в первом варианте выполнения. Таким образом, напряжения, действующие на панели 98, 100, 108 и 110 в результате осевого расширения модулей 12, уменьшаются, поэтому нет необходимости предусматривать сильфон типа сильфона 66 в первом варианте выполнения для закрывания кольцевого пространства в нижней части модулей 12. Нет также необходимости предусматривать специальную обечайку, соединенную через врезки с модулями 12, как обечайка 62, для ограничения коллектора 20 вторичного удаления. Этот коллектор можно выполнить намного более простым и экономичным при помощи внутренних поперечных сторон 50 модулей 12 и панелей 110, частично ограничивающих коллекторы первичного распределения.

Устройство 1 согласно второму варианту выполнения является компактным за счет того, что теплообменные модули выполнены в виде единых модулей, за счет расположения вторичных входов и выходов 114 и 116 и за счет расположения камер 95 и 106 распределения.

Как и в первом варианте выполнения, наиболее горячие части устройства 1 расположены вдоль центральной оси таким образом, чтобы поддерживать умеренную температуру наружной герметичной камеры 2.

Описанное выше устройство может иметь множество вариантов.

Оно может содержать больше или меньше восьми теплообменных модулей 12, например четыре, шесть, десять, двенадцать и даже больше.

В первом варианте выполнения каждый модуль 12 может содержать больше или меньше трех подмодулей, например два или четыре и даже больше четырех.

Число коллекторов может отличаться от вышеуказанного. Каждый модуль может обслуживаться одним коллектором каждого типа (питание/удаление, первичный/вторичный), двумя коллекторами и даже больше чем двумя коллекторами. Один и тот же коллектор может быть предназначен для одного модуля, или обслуживать два модуля, или обслуживать все модули.

Модули не обязательно должны иметь форму параллелепипедов и могут иметь любую соответствующую геометрическую форму (ромбовидное сечение, шестиугольное и т.д.).

Герметичная камера может содержать несколько входов и выходов первичной текучей среды как коаксиальных, так и не коаксиальных. Она может содержать больше или меньше четырех входов и четырех выходов вторичной текучей среды как коаксиальных, так и не коаксиальных.

Первичная среда может быть не технически чистым гелием, а смесью гелия и азота.

Вторичная текучая среда может быть технически чистым гелием или смесью гелия и азота (например, 20% гелия и 80% азота или 40% гелия и 60% азота).

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменниках для ядерных реакторов. Устройство теплообмена между первой и второй текучими средами содержит: множество модулей теплообмена между первой и второй текучими средами, распределенных вокруг центральной оси (X) и содержащих находящиеся друг против друга соответствующие боковые стороны; коллекторы питания модулей первичной и вторичной текучими средами и коллекторы удаления этих текучих сред. По меньшей мере, некоторые из указанных коллекторов и/или части указанных коллекторов расположены между модулями, при этом указанные коллекторы или части коллекторов, охватывающие один и тот же модуль, расположены по существу симметрично по отношению к центральной плоскости, проходящей между двумя боковыми сторонами указанного модуля таким образом, чтобы указанные коллекторы или части коллекторов создавали в боковых сторонах модуля по существу одинаковые термические напряжения. Технический результат - снижение термомеханических напряжений. 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство (1) теплообмена между первой и второй текучими средами, содержащее герметичную камеру (2) с центральной осью (X); множество модулей (12) теплообмена между первой и второй текучими средами, размещенных внутри герметичной камеры (2) вокруг центральной оси (X) и содержащих расположенные напротив друг друга соответствующие боковые стороны (47); по меньшей мере один коллектор (14) питания модулей (12) первичной текучей средой; по меньшей мере один коллектор (16) питания модулей (12) вторичной текучей средой; по меньшей мере один коллектор (18) сбора и удаления первичной текучей среды, выходящей из модулей (12); и по меньшей мере один коллектор (20) сбора и удаления вторичной текучей среды, выходящей из модулей (12), отличающееся тем, что по меньшей мере некоторые из указанных коллекторов (14, 16) и/или части указанных коллекторов (18) расположены между модулями (12), размещенными последовательно вокруг центральной оси (X), при этом указанные коллекторы (14, 16) или части коллекторов (18), охватывающие один и тот же модуль (12), расположены по существу симметрично по отношению к центральной плоскости, проходящей между двумя боковыми сторонами (47) указанного модуля (12) таким образом, чтобы указанные коллекторы (14, 16) или части коллекторов (18) создавали в боковых сторонах (47) модуля (12) по существу одинаковые термические напряжения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит единый коллектор (20) вторичного удаления, расположенный вдоль центральной оси (X) наружной герметичной камеры (2), при этом коллектор или коллекторы (14) первичного питания расположены вокруг коллектора (20) вторичного удаления в направлении внутрь наружной герметичной камеры (2) по отношению к коллекторам (16) вторичного питания и коллекторам (18) первичного удаления.

3. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что коллекторы (14) первичного питания и коллекторы (20) вторичного удаления, обслуживающие один и тот же модуль (12), сообщаются с концевой частью указанного модуля (12), обращенной внутрь наружной герметичной камеры (2), а коллекторы (16) вторичного питания и коллекторы (18) первичного удаления, обслуживающие указанный модуль (12), сообщаются с концевой частью указанного модуля (12), обращенной наружу наружной герметичной камеры (2).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из модулей (12) содержит набор расположенных друг над другом пластин (38; А, В), между которыми поочередно циркулируют первичная и вторичная текучие среды.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что каждый модуль (12) содержит несколько отделенных друг от друга подмодулей (36), при этом каждый модуль (12) обслуживается по меньшей мере одним коллектором (16) вторичного питания, содержащим участки (82) трубопровода, прилегающие к подмодулям (36), и сильфоны (84), соединяющие участки (82) трубопровода между собой.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что каждый подмодуль (36) сообщен с коллектором (20) вторичного удаления посредством врезки (92), при этом участки (82) трубопровода коллектора (16) вторичного питания и врезка (92) имеют гидравлический диаметр менее 500 мм.

7. Устройство по любому из пп.5 или 6, отличающееся тем, что центральная ось (X) наружной герметичной камеры (2) расположена вертикально, при этом устройство содержит опорную обечайку (60) крепления модулей (12), подвешенную к наружной герметичной камере (2), при этом опорная обечайка (60) и модули (12) выполнены с возможностью свободного термического расширения вниз относительно наружной герметичной камеры (2).

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что каждый из модулей (12) содержит набор секций (С) теплообмена между первичной и вторичной текучими средами, выполненных с возможностью деформации по отношению друг к другу.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что между каждой парой модулей (12), последовательно расположенных вокруг центральной оси (X), имеется коллектор (16) вторичного распределения, по меньшей мере частично ограниченный панелями (98, 100), жестко установленными на боковых сторонах (47) модулей (12).

10. Устройство по любому из пп.8 или 9, отличающееся тем, что коллектор (20) вторичного удаления по меньшей мере частично ограничен внутренними концевыми частями теплообменных модулей (12).

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первой и второй текучими средами являются газы, при этом первый газ предназначен для подачи в наружную герметичную камеру (2) при температуре, превышающей 700°С, а второй газ предназначен для удаления из наружной герметичной камеры (2) при температуре, превышающей 700°С.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что первая текучая среда в основном содержит гелий, а вторая текучая среда в основном содержит гелий и/или азот.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая и вторая текучие среды являются первичной и вторичной текучими средами высокотемпературного или сверхвысокотемпературного ядерного реактора.