一种具有热电转换功能的余热排出热交换器

技术领域

本发明涉及核电厂余热排出技术领域，具体涉及一种具有热电转换功能的余热排出热交换器。

背景技术

非能动安全性是先进压水堆设计中的重要关注点，非能动余热排出系统是核电厂系统中非常重要的安全系统，能够在核反应堆发生紧急停堆后，利用自然循环的能力及时导出堆芯余热，确保反应堆的安全性。余热排出热交换器是非能动余热排出系统的关键部件之一，其内部通常采用C型管束设计，来自一次侧或二次侧的水携带堆芯释放的余热进入C型管束，将热量传递至换热水箱中的冷却水，通过换热水箱中的自然循环实现对C型管束内一次侧或二次侧水的持续冷却。核反应堆发生紧急停堆后，换热水箱内的水在余热排出过程中吸收大量的热量，温度持续上升，但该部分热量属于低品位热能，难以利用，最终排放至环境中。

从上世纪中叶开始，热电转换技术持续发展，在航空、军事等领域得到了广泛的应用。热电转换技术具有结构简单、无运动部件、使用寿命长等优点，能够利用太阳能、地热能、工业余热废热等低品位能源进行发电，是一种绿色环保的发电方式。基于塞贝克效应，当热电转换器件两侧存在温差时，即可产生电动势，随着热电材料的发展，热电转换技术在低温区间(300-500K)的应用已经得到广泛实践。在余热排出热交换器中，换热水箱内的水吸收大量来自堆芯的余热，温度升高，若能利用该部分热量进行发电，不仅可以提高热能的利用率，还可以在核反应堆发生紧急停堆后，提供应急电源。将热电转换技术应用于余热排出热交换器中，将换热水箱中的水作为热源，提供额外的发电器件冷却水作为冷源，维持热电转换器件两侧稳定的温差，即可持续产生电能，实现上述目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有热电转换功能的余热排出热交换器，该热交换器同时具有核反应堆余热排出和发电功能，能够利用核反应堆余热进行发电，提高核电厂热能的利用率。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有热电转换功能的余热排出热交换器，其特征在于：所述热交换器包括左侧C型换热管束1、右侧C型换热管束2、左侧温差发电板3、右侧温差发电板4、余热排出下部水箱5、余热排出上部水箱6、发电器件冷却下部水箱7、发电器件冷却上部水箱8；所述左侧C型换热管束1与右侧C型换热管束2位于余热排出下部水箱5内，左侧C型换热管束1与右侧C型换热管束2的进口、出口位于余热排出下部水箱5的同一侧壁面；所述余热排出下部水箱5与所述余热排出上部水箱6相连通共同构成了余热排出水箱；所述左侧温差发电板3与右侧温差发电板4紧贴在所述发电器件冷却下部水箱7的两侧，左侧温差发电板3与右侧温差发电板4在竖直方向上全部位于余热排出下部水箱5之内，左侧温差发电板3与右侧温差发电板4在水平方向上位于左侧C型换热管束1与右侧C型换热管束2之间；发电器件冷却下部水箱7与所述发电器件冷却上部水箱8相连通共同构成了发电器件冷却水箱；左侧温差发电板3与右侧温差发电板4以吸收了堆芯余热的余热排出水箱中的水为热源，发电器件冷却水箱中的水为冷源，在温差发电板两侧形成稳定的温差，利用堆芯余热进行发电，提高核电厂热能的利用率。

优选的，余热排出水箱与发电器件冷却水箱中水的流动方式均为自然循环。

优选的，左侧温差发电板3与右侧温差发电板4所发出的电能，能作为核反应堆停堆后的应急电源。

优选的，发电器件冷却下部水箱7竖直方向上部分位于余热排出下部水箱5内，部分位于余热排出上部水箱6内；发电器件冷却上部水箱8在竖直方向上全部位于余热排出上部水箱6之内。

优选的，所述余热排出水箱结构为T型；所述发电器件冷却水箱结构为T型。

优选的，所述左侧C型换热管束1与右侧C型换热管束2的几何结构一致，在热交换器内呈对称布置；所述左侧温差发电板3与右侧温差发电板4的几何结构一致，在热交换器内呈对称布置。

优选的，所述左侧温差发电板3与右侧温差发电板4的冷侧表面均朝向发电器件冷却下部水箱7。

优选的，所述发电器件冷却下部水箱7在未与温差发电板接触的外表面上布置有隔热材料。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明的热交换器，在C型换热管束旁设置有温差发电板，以吸收了堆芯余热的余热排出水箱中的水为热源，发电器件冷却水箱中的水为冷源，在温差发电板两侧形成稳定的温差，利用堆芯余热进行发电，提高核电厂热能的利用率。

2、本发明的热交换器，余热排出水箱与发电器件冷却水箱中水的流动方式均为自然循环，减少热电转换装置对外界环境的依赖性。

3、本发明的热交换器，温差发电板所发出的电能，可作为核反应堆停堆后的应急电源，提高核电厂的安全性。

附图说明

图1为本发明一种具有热电转换功能的余热排出热交换器的结构示意图。

图2中(a)和(b)分别为本发明一种具有热电转换功能的余热排出热交换器的余热排出水箱结构和原理示意图。

图3中(a)和(b)分别为本发明一种具有热电转换功能的余热排出热交换器的发电器件冷却水箱结构和原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：

如图1所示，本发明一种具有热电转换功能的余热排出热交换器，包括左侧C型换热管束1、右侧C型换热管束2、左侧温差发电板3、右侧温差发电板4、余热排出下部水箱5、余热排出上部水箱6、发电器件冷却下部水箱7、发电器件冷却上部水箱8；所述左侧C型换热管束1与右侧C型换热管束2位于余热排出下部水箱5内，左侧C型换热管束1与右侧C型换热管束2的进口、出口位于余热排出下部水箱5的同一侧壁面；所述余热排出下部水箱5与所述余热排出上部水箱6相连通共同构成了余热排出水箱；所述左侧温差发电板3与右侧温差发电板4紧贴在所述发电器件冷却下部水箱7的两侧，左侧温差发电板3与右侧温差发电板4在竖直方向上全部位于余热排出下部水箱5之内，左侧温差发电板3与右侧温差发电板4在水平方向上位于左侧C型换热管束1与右侧C型换热管束2之间；发电器件冷却下部水箱7与所述发电器件冷却上部水箱8相连通共同构成了发电器件冷却水箱；左侧温差发电板3与右侧温差发电板4以吸收了堆芯余热的余热排出水箱中的水为热源，发电器件冷却水箱中的水为冷源，在温差发电板两侧形成稳定的温差，利用堆芯余热进行发电，提高核电厂热能的利用率。

所述余热排出水箱结构为T型；所述发电器件冷却水箱结构为T型；T型结构有利于增加热交换器上方的水装量，提高热交换器的冷却能力。

所述左侧C型换热管束1与右侧C型换热管束2的几何结构一致，在热交换器内呈对称布置；所述左侧温差发电板3与右侧温差发电板4的几何结构一致，在热交换器内呈对称布置。对称布置有利于在余热排出水箱和发电器件冷却水箱中，降低冷却水在水平方向上温度分布的不均匀性；有利于保持左侧温差发电板3与右侧温差发电板4的发电功率的一致性。

所述左侧温差发电板3与右侧温差发电板4的冷侧表面均朝向发电器件冷却下部水箱7，发电器件的冷却水在两块温差发电板之间发挥冷却作用，不受外部热源的干扰。

所述发电器件冷却下部水箱7在未与温差发电板接触的表面上布置有隔热材料，防止余热排出水箱中的热水直接加热热电器件冷却水箱中的冷水，有利于维持温差发电板的冷源的稳定。

余热排出水箱的结构及工作原理如图2中(a)和(b)所示。余热排出水箱内装有两组C型换热管束，来自一次侧或二次侧的冷却剂携带堆芯释放的余热流经C型换热管束，加热余热排出下部水箱5内的水，余热排出水箱的上部与下部存在温度梯度，形成自然对流。一部分热量通过自然对流传递至余热排出上部水箱6内的水，一部分热量传递至温差发电板的热侧。

发电器件冷却水箱的结构及工作原理如图3中(a)和(b)所示。发电器件冷却下部水箱7的外表面沿轴向方向分为两个区域，位置偏下的区域紧贴温差发电板，在此区域内发电器件冷却水箱内的冷却水持续冷却温差发电板的冷侧；位置偏上的区域布置有隔热材料，在该高度范围内，余热排出上部水箱6内的水温度较高，隔热材料能够有效防止余热排出水箱中的水加热发电器件冷却水箱中的水，维持温差发电板冷侧的冷却能力。发电器件冷却水箱内，下部冷却水吸收温差发电板冷侧释放的热量，温度升高，在发电器件冷却上部水箱与发电器件冷却下部水箱存在温度梯度，形成自然对流，热量传递至发电器件冷却上部水箱8内的水。温差发电板两侧存在稳定的温差，能够基于热电转换的原理进行发电。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。