Устройство для пассивного отвода избыточной тепловой энергии из внутреннего объема защитной оболочки объекта (варианты) Российский патент 2019 года по МПК G21C9/00 

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано на тепловых и атомных станциях для пассивного отвода избыточной тепловой энергии из внутреннего объема объекта при полном отключении электрического питания перекачивающих насосов.

Известны устройства аналогичного назначения, например, по авторскому свидетельству СССР №1563295, МПК F01K13/02, авторов А.П. Лапшина, В.П. Татаринова и др. «Система отвода тепла от энергетического контура» [1].

Данная система отвода тепла содержит подключенный к источнику тепла через паропроводы охлаждаемый воздухом теплообменник, выход которого по конденсату соединен с источником тепла, причем теплообменник установлен на высоте, при которой гидростатическая разность давлений больше гидравлических потерь, а теплообменник заключен в корпус, снабженной тяговой трубой и шиберами с поршневыми приводами, управляемыми по давлению в контуре. Кроме того, шиберы установлены и на входе в корпус и на выходе него в тяговую трубу.

Недостатками данной системы являются ее ограниченная производительность по передаче тепловой энергии от источника в тяговую трубу и низкая механическая надежность из-за наличия подвижных узлов и деталей: поршневой привод, шибера и т.д. В качестве рабочего тела, циркулирующем в теплообменнике, может использоваться только вода.

Известно так же [2] «Устройство для отвода избыточной тепловой энергии из внутреннего объема защитной оболочки атомной электростанции авторов М.Р. Мустафина, В.Д. Бумагина и др. по патенту РФ №2504031, МПК 621C 15/00.

Данное устройство при полном отключении электроэнергии пассивно отводит избыточную тепловую энергию в атмосферу из внутреннего объема защитной оболочки и от охлаждаемой воды в бассейне выдержки топливо выделяющих сборок (ТВС). Для этого устройство содержит соединенные между собой системой легкокипящего теплоносителя три теплообменника, которые смонтированы один над другим, причем нижний теплообменник расположен в емкости для воды внутри средней части защитной оболочки, средний теплообменник размещен то же внутри в верхней части защитной оболочки, а верхний теплообменник укреплен на наружной поверхности стенки купола защитной оболочки, обдуваемой воздухом. Система легкокипящего теплоносителя оснащена клапанами с сильфонным сервоприводом, установленными на входном участке третьего теплообменника.

Клапаны с сильфонным сервоприводом состоят из расположенных в гильзообразном корпусе и в гофрированном кольцами герметичном чехле направляющего стакана, в котором размещен шток с поршнем на одном конце, тарелкой для посадочного седла на другом конце, перфорированной направляющей для штока, при этом между поршнем и дном гильзообразного корпуса смонтирована регулируемая телескопическая рессора. В данном устройстве емкость для воды представляет собой бассейн выдержки для отработанного тепловыделяющего ядерного топлива.

Недостатками данного устройства являются низкая надежность из-за наличия движущихся механических узлов, сложное устройство клапана с сильфонным сервоприводом, необходимость разной калибровки клапанов на открывание по давлению для поэтапного включения в работу теплообменников. Кроме того, использование только легкокипящих теплоносителей, в том числе фреонов, перфторорганических соединений и т.п., является не эффективным в силу их низкой теплоемкости и низкой теплоты парообразования по сравнению с водой.

Так же легкокипящие теплоносители не могут быть универсальными рабочими жидкостями для других объектов АЭС и ТЭЦ, работающих с высокими температурами.

Наиболее близким аналогом (прототипом) [3] является «Бассейн для выдержки отработанного ядерного топлива» авторов И.И. Свириденко, О.Ю. Москаленко по патенту Украины №83014. МПК G21C 15/18.

В данном устройстве в бассейне выдержки размещены отработанные в реакторе ТВС с системой отвода от них остаточной тепловой энергии посредством кольцевого двухфазного термосифона, который имеет нижний теплообменник, состоящий из испарителей и сборного коллектора, конденсатора (воздушного теплообменника), помещенного в воздушный канал и двух трубопроводов, соединяющих теплообменники: подающий паровой трубопровод и обратный конденсационный трубопровод.

Рабочим телом в данном устройстве является смесь спирта с водой и осуществляется поддержание вакуума в пределах 0,05*10⁵ Па, что позволяет контролировать уровень температур около 50 градусов Цельсия.

Недостатки прототипа следующие:

- низкая производительность, обусловленная малой теплотой парообразования спиртовой смеси;

- необходимость поддерживать в термосифоне заданное разряжение;

- узкое предназначение: используется только для воздушного охлаждения;

- не является универсальным устройством, конструкция и рабочее тело которого может использоваться для отвода тепловой энергии от разных промышленных агрегатах, АЭС, ТЭЦ.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание устройства для пассивного отвода тепловой энергии от разных типов источников, имеющих высокую производительность и широкий диапазон используемых температур.

Технический результат предлагаемого изобретения по первому варианту заключается в следующем. Увеличена производительность устройства за счет того, что:

- паровой трубопровод между теплообменниками выполнен сотовым состоящим из нескольких труб малого диаметра, по которым паровые пузыри в снарядном режиме перемещают порции рабочей жидкости;

- в воздушном теплообменнике на конце сотового трубопровода размещен гидросифон для конденсации паров в жидкости и перелив ее на дно теплообменника;

- обратный конденсационный трубопровод между теплообменниками выполнен с оребренной поверхностью и оснащен обратным клапаном, что позволяет создать на стенках трубопровода эффективное пленочное испарение жидкости и режим форсированного нагрева рабочей жидкости при закрывающемся обратном клапане.

Технический результат предлагаемого изобретения по второму варианту заключается в следующем:

- упрощена конструкция и повышена надежность устройства при использовании его для пассивного отвода избыточной энергии в водоем: не имеет подвижных элементов и не содержит регулируемых узлов;

- расширен выбор возможных рабочих тел (рабочих жидкостей) для разных условий применения устройства на промышленных объектах, ТЭЦ и АЭС.

Технический результат по первому варианту при воздушном охлаждении достигается за счет того, что в кольцевом двухфазном термосифоне, заполненном рабочей жидкостью, содержащим испарительный теплообменник, размещенный в бассейне охладителе на объекте, конденсаторный теплообменник в охлаждающем канале, а теплообменники соединены паровым и конденсационным трубопроводами, причем паровой трубопровод выполнен сотовым из нескольких внутренних труб малого диаметра, теплообменники представлены корпусными конструкциями, верхний конец сотового парового трубопровода в конденсаторном теплообменнике оснащен гидросифоном с переливом жидкости, а верхний и нижний концы конденсационного трубопровода установлены на уровне дна у обоих теплообменников.

Технический результат по первому варианту достигается также за счет того, что конденсационный трубопровод оснащен ребрами охлаждения и обратным клапаном.

Технический вариант по второму варианту при водяном охлаждении достигается за счет того, что испарительный теплообменник кольцевого двухфазного термосифона, заполненного рабочей жидкостью, размещен в бассейне охладителе на объекте, а конденсаторный теплообменник в охлаждающем водоеме, причем теплообменники соединены паровым и конденсационными трубопроводами, причем в варианте использования охлаждающего водоема, в который погружен конденсаторный теплообменник, оба конца парового трубопровода установлен на уровне дна обоих теплообменников, нижний конец конденсационного трубопровода размещен у дна конденсаторного теплообменника, а его верхний конец - в верхней части испарительного теплообменника.

На фиг. 1 изображен вариант предлагаемого «Устройства для отвода избыточной тепловой энергии из внутреннего объема защитной оболочки объекта (Вариант 1)» с размещением внешнего теплообменника в тяговой вентиляционной трубе (воздушная среда), а на фиг. 2 представлен вариант «Устройства…» с размещением внешнего теплообменника в охлаждающем водоеме.

Устройство по первому варианту (фиг. 1) содержит бассейн 1 охладитель каких либо изделий на объектах АЭС или ТЭЦ, в котором размещен герметичный испарительный теплообменник 2, соединенный сотовой трубой 3, внутри которой размещены трубы меньшего диаметра, с внешним герметичным конденсаторным теплообменником 4, содержащим гидросифон 5 с охлаждающими ребрами 6, причем теплообменники соединены обратным сливным конденсационным трубопроводом 7. Теплообменники заполнены рабочей жидкостью 8 с температурой испарения и теплотой парообразования применительно к требованиям объекта, на котором предлагаемое устройство используется. Это может быть вода на объектах реакторов АЭС, типа ВВЭР и РБМК с температурой испарения 100 градусов Цельсия при нормальном атмосферном давлении, фреоны, перфторорганические соединения и т.д. для низкотемпературных объектов, в том числе для бассейнов выдержки отработанных тепловыделяющих сборок 9 реакторов на диапазоны температур 30…70 градусов Цельсия. По первому варианту (фиг. 1) пассивный отвод избыточной тепловой энергии от объекта производится в атмосферу через тяговый вентиляционный охлаждающий канал 10, а для улучшения теплообмена все теплообменники оснащены охлаждающими ребрами 11. Для увеличения производительности устройства по отводу тепловой энергии конденсационный трубопровод также оснащен обратным клапаном 12, поворачивающемся под действием собственного веса на шарнире (не показано на чертеже) и ребрами 13 охлаждения.

По второму варианту (фиг. 2) «Устройства…» пассивный отвод избыточной тепловой энергии производится в водоем посредством внешнего герметичного конденсационного теплообменника 4, соединенного с герметичным испарительным теплообменником 2 бассейна 1 охладителя на объекте нагнетающим трубопроводом 14 пароводяной смеси и конденсационным сливным трубопроводом 15.

«Устройство…» по первому варианту работает следующим образом. При достижении в бассейне 1 охладителе и, соответственно, в герметичном испарительном теплообменнике 2 заданной для пассивного теплоотвода температуры, например, 57,2 градуса Цельсия для смеси рабочей жидкости перфторгексана CF3(CF2)4CF3 с водой, начинает испаряться перфторгексан и его пары поступают в трубы малого диаметра сотовой трубы 3. Пузыри пара жидкости 8, поднимающиеся вверх, увлекают за собой и проталкивают, как поршни, порции еще неиспарившейся воды, обладающей более высокой теплоемкостью. Оптимальный диаметр труб малого диаметра, входящих в состав сотовой трубы 3 для паров воды составляет от 5 до 16 мм. [4]. (См. Щеклеин С.Е., Стариков Е.В. Никитин А.Д. Парожидкостный двигатель. Патент на полезную модель РФ №160724. МПК F03G 7/06). Пары рабочей смеси, проходя через слой жидкости в гидросифоне 5, конденсируются, накопившаяся жидкость переливается через край гидросифона на охлаждающие ребра 6 и, попадая на дно конденсационного теплообменника 4, по стенкам сливного трубопровода 7 возвращается в испарительный теплообменник 2.

Отвод тепла в атмосферу производится воздушным потоком V тягового вентиляционного охлаждающего канала 10, омывающего корпус и ребра 11 внешнего конденсационного теплообменника 4.

В рабочем режиме приоткрытый под действием собственного веса обратный клапан не используется, так как столб жидкости в трубе 7, равный высоте теплообменника 2, противодействует давлению паров жидкости, а эффект аэролифта в трубе большого диаметра незначителен, поэтому пары жидкости в рабочем режиме будут перемещаться только по сотовой трубе 3. Кроме того ребра 13 трубопровода 7 способствуют его дополнительному охлаждению, создавая на стенках пленочное испарение [5]. (См. Тананайко Ю.М., Воронцов Е.Г. Методы расчета и исследования пленочных процессов). Клапан 12 может использоваться при работе в критических режимах работы устройства, когда происходит взрывное испарение жидкости. В этом случае клапан поворачивается и закрывает вход в трубу 7.

Устройство по второму варианту работает следующим образом (фиг. 2).

При достижении в бассейне 1 охладителя и, соответственно, в герметичном испарительном теплообменнике 2 заданной для теплоотвода температуры, в верхней части теплообменника 2 скапливаются пары жидкости, которые создают избыточное давление и выталкивают рабочую жидкость 8 через обратный паровой трубопровод 14 пароводяной смеси во внешний герметичный конденсаторный теплообменник 4, размещенный в охлаждающем водоеме.

Поскольку конденсаторный теплообменник 4 герметичен и полностью заполнен рабочей жидкостью 8, то последняя вынуждена при наличии избыточного давления подниматься по нагнетающему конденсатному трубопроводу 15, переливаясь снова в герметичные теплообменник 2.

Отвод тепла в водоем производится путем охлаждения водой корпуса теплообменника 4 непосредственно и через его ребра 11.

Например, в бассейне 1 охладителя ТВС необходимо поддерживать температуру порядка 43 градусов Цельсия. Для этого применяем рабочую жидкость 8 из смесевого состава воды в равных пропорциях с перфторгексаном и перфторпентаном, имеющих температуры кипения соответственно 57,2 и 29,3 градусов Цельсия, а среднюю - 43,2 градусов. Таким образом, испаряющиеся пары этих перфторорганических соединений вынуждают перемещаться по контуру между теплообменниками воду с более высокой теплоемкостью, что повышает эффективность теплообмена.

Таким образом, предлагаемое изобретение, использующее соответствующие рабочие жидкости с заданной температурой и теплотой испарения имеет высокую производительность и может найти универсальное применение на разных промышленных объектах, на АЭС и ТЭС.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Лапшин А.П., Татаринов В.П. и др. Система отвода тепла от энергетического контура. Авторское свидетельство СССР №1563295. МПК F01K13/02 (аналог).

2. Мустафин М.Р., Бумагин В.Д. и др. Устройство для отвода избыточной тепловой энергии из внутреннего объема защитной оболочки атомной электростанции. Патент РФ №2504031. МПК G21C 15/00 (аналог).

3. Свириденко И.И., Москаленко О.Ю. Бассейн для выдержки отработанного ядерного топлива. Патент Украины №8314. МПК G21C 15/18 (прототип).

4. Щеклеин С.Е., Стариков Е.В., Никитин А.Д. Парожидкостный двигатель. Патент РФ на полезную модель №160724. МПК F03G 7/06.

5. Тананайко Ю.М., Воронцов Е.Г. Методы расчета и исследования пленочных процессов. Киев, 1975.

6. Колыхан Л.И., Наганов А.В. и др. Система пассивной безопасности атомной электростанции. Авторское свидетельство СССР №1829697. МПК G21CC 9/00 (аналог).

7. Патент Великобритании №1225997. МПК G21C 15/18, 1971 (аналог).

8. Патент ФРГ №3129289. МПК G21C 15/18? 1982 (аналог).

Изобретение относится к устройству для пассивного отбора избыточной тепловой энергии от промышленных объектов, АЭС и ТЭЦ без использования внешних источников энергии и оборудования. В кольцевом двухфазном термосифоне, заполненном рабочей жидкостью, испарительный теплообменник размещен в бассейне-охладителе на объекте, конденсаторный теплообменник - в охлаждающем канале, а теплообменники соединены паровым и конденсатным паропроводами. В варианте использования воздушного охлаждающего канала паровой трубопровод выполнен сотовым из нескольких внутренних труб малого диаметра, верхний конец сотового парового трубопровода в конденсаторном теплообменнике оснащен гидросифоном с переливом жидкости, верхний и нижний концы конденсатного трубопровода установлены на уровне дна у обоих теплообменников. В варианте использования охлаждающего водоема, в который погружен конденсаторный теплообменник, оба конца парового трубопровода водно-паровой смеси установлены на уровне дна обоих теплообменников, нижний конец конденсатного трубопровода размещен у дна конденсаторного теплообменника, а его верхний конец - в верхней части испарительного теплообменника. При использовании устройства на низкотемпературных объектах, например в бассейнах выдержки ТВС, в качестве рабочей жидкости в кольцевом двухфазном термосифоне может использоваться смесевой состав из воды с низкокипящими перфторорганическими соединениями. Техническим результатом является повышение производительности и возможность универсального применения на разных промышленных объектах, ТЭЦ и АЭС. 2 ил.

Устройство для пассивного отвода избыточной тепловой энергии из внутреннего объема защитной оболочки объекта, содержащее заполненный рабочей жидкостью кольцевой двухфазный термосифон, испарительный теплообменник которого размещен в бассейне-охладителе на объекте, а конденсаторный теплообменник в охлаждающем канале, причем теплообменники соединены паровым и конденсатным паропроводами, отличающееся тем, что паровой трубопровод выполнен сотовым из нескольких внутренних труб малого диаметра, верхний конец сотового парового трубопровода в конденсаторном теплообменнике оснащен гидросифоном с переливом жидкости, верхний и нижний концы конденсатного трубопровода установлены на уровне дна у обоих теплообменников, а конденсатный трубопровод оснащен ребрами охлаждения и обратным клапаном, причем в качестве рабочей жидкости в кольцевом двухфазном термосифоне для низкотемпературных объектов используется вода или смесевой состав из воды с низкокипящими перфторорганическими соединениями.