换热器及具有其的反应堆系统

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，更具体地说，涉及一种换热器及具有其的反应堆系统。

背景技术

反应堆系统的换热器一般设置在反应堆压力容器内部，其被包容在压力容器内的一次侧冷却剂内部，与一次侧冷却剂进行热交换。现有技术中反应堆系统的换热器一般为套管结构或列管结构，套管结构存在自然循环下换热效率低的问题，套管换热器存在较大的制造难度和后期维护难度。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种换热器，该换热器的结构设计可以有效地提高换热效率，本发明的第二个目的是提供一种包括上述换热器的反应堆系统。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种换热器，包括：

中心筒，所述中心筒具有进口和出口；

外导向筒，所述外导向筒套设在所述中心筒外侧且所述外导向筒与所述中心筒相对固定，所述中心筒与所述外导向筒之间具有间隙；

设置于所述中心筒与外导向筒之间的螺旋换热管，所述螺旋换热管缠绕在所述中心筒外侧，且所述螺旋换热管的进口与所述中心筒的出口连通。

优选地，上述换热器中，所述中心筒与外导向筒之间的间隙内由内至外设置有多层所述螺旋换热管；

相邻的两层所述螺旋换热管的缠绕方向相反。

优选地，上述换热器中，还包括多个定位架，所述定位架包括垫条和弧形卡扣，所述垫条的长度方向与所述中心筒的长度方向平行，所述垫条上沿其长度方向设置有多个管槽，同一层的多圈所述螺旋换热管分别卡设在多个所述管槽内，所述弧形卡扣能够封堵所述管槽的槽口。

优选地，上述换热器中，所述螺旋换热管的螺旋角度为13°-20°。

优选地，上述换热器中，还包括与所述中心筒的进口连通的中心进液管；

所述中心进液管包括依次连接且相互垂直的第一段和第二段，所述中心进液管的第一段与所述中心筒同轴连接。

优选地，上述换热器中，还包括与所述螺旋换热管的出口连通的缓冲箱以及与所述缓冲箱连通的总出管；所述螺旋换热管的出口与所述缓冲箱之间通过第一管板连接；

所述总出管与所述中心筒相互垂直，所述中心进液管的第一段穿过所述缓冲箱内，所述中心进液管的第二段穿过所述总出管。

优选地，上述换热器中，所述螺旋换热管的出口端伸出所述外导向筒的部分为L型且沿着所述中心进液管的外壁延伸。

优选地，上述换热器中，还包括与所述螺旋换热管的出口连通的缓冲箱以及与所述缓冲箱连通的总出管；所述螺旋换热管的出口与所述缓冲箱之间通过第一管板连接；

所述总出管与所述中心筒相互垂直，所述中心进液管的第一段穿过所述缓冲箱，所述中心进液管的第二段位于所述缓冲箱的外侧且与所述总出管平行。

优选地，上述换热器中，还包括与所述中心筒的出口连通的中心出管和与所述中心出管连通的端箱，所述螺旋换热管的进口与所述端箱连通；

所述螺旋换热管的进口与所述端箱通过第二管板连接。

一种反应堆系统，包括压力容器，还包括至少一个如上述中任一项所述的换热器，所述换热器与所述压力容器上的管嘴焊接或法兰连接。

应用本发明提供的换热器时，该换热器可以整体浸入一次侧冷却剂内，外导向筒两端开口，一次侧冷却剂进入外导向筒内。而冷却剂先进入中心筒内，冷却剂经中心筒的出口后进入螺旋换热管内，最终从螺旋换热管的出口排出该换热器。螺旋换热管和中心筒整体浸在外导向筒内的一次侧冷却剂内，以实现螺旋换热管和中心筒内的二次侧冷却剂与外导向筒内的一次侧冷却剂进行热交换，进而对一次侧冷却剂降温。

由上可知，本申请提供的换热器结构中，螺旋换热管和中心筒内的二次侧冷却剂共同与压力容器内的一次侧冷却剂进行热交换，螺旋换热管与中心筒内冷却剂逆向流动，与现有技术相比，增加了换热面积，提高了换热效率。另外，上述换热器具有结构紧凑、系统简单、传热效率高、贯穿件数量减少等优点，有效降低了制造成本。同时取消了一次侧冷却剂管道，降低了LOCA事故风险。

为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种反应堆系统，该反应堆系统包括上述任一种换热器。由于上述的换热器具有上述技术效果，具有该换热器的反应堆系统也应具有相应的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一种实施例提供的换热器的结构示意图；

图2为本发明第一种实施例提供的换热器的剖视图；

图3为本发明第一种实施例提供的另一换热器的结构示意图；

图4为本发明第二种实施例提供的换热器的结构示意图；

图5为本发明第二种实施例提供的换热器的剖视图；

图6为本发明第三种实施例提供的换热器的结构示意图；

图7为本发明第三种实施例提供的换热器的剖视图；

图8为本发明实施例提供的部分螺旋换热管与中心筒内的冷却剂的流向示意图；

图9为本发明实施例提供的定位架的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的换热器的俯视图。

在图中：

1-总出管、2-缓冲箱、3-中心筒、3a-中心进液管、3b-中心出管、4-螺旋换热管、5-外导向筒、6-端箱、7-第二管板、8-支耳、9-第一管板、10-定位架、10a-垫条、10b-弧形卡扣。

具体实施方式

本发明的第一个目的在于提供一种换热器，该换热器的结构设计可以有效地提高换热效率，本发明的第二个目的是提供一种包括上述换热器的反应堆系统。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1-图6，本申请提供了一种换热器，该换热器可以固定在反应堆系统的压力容器内部，以给压力容器内的一次侧冷却剂降温。

本申请提供的换热器包括中心筒3、外导向筒5和螺旋换热管4。其中，中心筒3具有进口和出口，冷却剂可以经中心筒3的进口进入中心筒3内部，冷却剂可以经中心筒3的出口流出中心筒3内部。

外导向筒5套设在中心筒3外侧，并且中心筒3与外导向筒5之间具有间隙。换言之，中心筒3与外导向筒5层叠设置，且中心筒3的外壁与外导向筒5的内壁之间具有间隙。外导向筒5与中心筒3相对固定，具体地，外导向筒5与中心筒3可以固定连接，或者外导向筒5与中心筒3之间通过其它部件固定连接。

螺旋换热管4设置在中心筒3与外导向筒5之间，螺旋换热管4缠绕在中心筒3外侧。即螺旋换热管4围绕中心筒3盘旋缠绕。螺旋换热管4的进口与中心筒3的出口连通。冷却剂依次经中心筒3和螺旋换热管4进行热交换。

应用本发明提供的换热器时，该换热器可以整体浸入一次侧冷却剂内，外导向筒5两端开口，一次侧冷却剂进入外导向筒5内。而冷却剂先进入中心筒3内，冷却剂经中心筒3的出口后进入螺旋换热管4内，最终从螺旋换热管4的出口排出该换热器。螺旋换热管4和中心筒3整体浸在外导向筒5内的一次侧冷却剂内，以实现螺旋换热管4和中心筒3内的冷却剂与外导向筒5内的一次侧冷却剂进行热交换，进而对一次侧冷却剂降温。

由上可知，本申请提供的换热器结构中，螺旋换热管4和中心筒3内的二次侧冷却剂共同与压力容器内的一次侧冷却剂进行热交换，螺旋换热管4与中心筒3内冷却剂逆向流动，与现有技术相比，增加了换热面积，提高了换热效率。另外，上述换热器具有结构紧凑、系统简单、传热效率高、贯穿件数量减少等优点，有效降低了制造成本。同时取消了一次侧冷却剂管道，降低了LOCA事故风险。

该处需要说明的是，螺旋换热管4和中心筒3的内部通道与外导向筒5的内部空间相互独立，即螺旋换热管4和中心筒3的内部通道与外导向筒5的内部空间不相通，以防止螺旋换热管4和中心筒3内的冷却剂泄露。螺旋换热管4和中心筒3的内部通道均与压力容器外侧的冷却剂流通管路连通，在此不作限定。

外导向筒5的外壁上设置有支耳8，以便利用支耳8与压力容器内壁固定连接，实现整个换热器与压力容器内壁固定连接。换热器的主体承压材料为Incloy690，非结构部件选用奥氏体不锈钢或Incloy690材料。

为了进一步提高换热效率，中心筒3与外导向筒5之间的间隙内由内至外设置有多层螺旋换热管4。换言之，中心筒3与外导向筒5之间的间隙内设置有多层螺旋换热管4，多层螺旋换热管4沿着由中心筒3至外导向筒5的方向依次排布。

其中，相邻的两层螺旋换热管4可以相互独立，多层螺旋换热管4均不相通，每层螺旋换热管4为一独立的冷却剂管道。

或者，相邻的两层螺旋换热管4也可以相通，多层螺旋换热管4依次首尾连通。

为了抑制流致振动的发生，相邻的两层螺旋换热管4的缠绕方向相反。当然，相邻的两层螺旋换热管4的缠绕方向也可以相同，在此不作限定。

可选地，螺旋换热管4沿着等距螺旋线延伸。螺旋换热管4的螺旋角度可以为13°-20°。若垂直于中心筒3轴线的平面为第一平面，则螺旋换热管4轴线的切线与第一平面的夹角为13°-20°。当然根据实际情况，螺旋换热管4的螺旋角度还可以为其它数值，在此不作限定。

为了便于定位螺旋换热管4，上述换热器中，还包括多个定位架10。每个定位架10包括垫条10a和弧形卡扣10b，垫条10a的长度方向与中心筒的长度方向平行，垫条10a上沿其长度方向设置有多个管槽，同一层的多圈螺旋换热管4分别卡设在多个管槽内，弧形卡扣10b能够封堵管槽的槽口，以防止螺旋换热管脱离管槽。加工时，螺旋换热管4安置在垫条10a的管槽中后用弧形卡扣10b在螺旋换热管外与垫条10a点焊固定。在缠绕下一层螺旋换热管4时，在上一层弧形卡扣10b上点焊固定新的垫条10a，然后重复之前的工作。

每层螺旋换热管4通过一个或多个定位架10固定，固定同一层螺旋换热管4的多个定位架10沿中心筒3周向分布。

垫条10a的厚度视流体阻力需求而进行调整，宜选取2～10mm。

为了便于装配，上述换热器中，还包括与中心筒3的进口连通的中心进液管3a。中心进液管3a与中心筒3依次连接，冷却剂经中心进液管3a后进入中心筒3。中心进液管3a的管径可以比中心筒3的管径小。

进一步的，中心进液管3a包括依次连接且相互垂直的第一段和第二段，中心进液管3a的第一段与中心筒3同轴连接。如此设置，在有限的高度和容积范围内增大了换热面积，提高了换热效率。同时，也更加便于中心进液管3a与压力容器外界的冷却剂管路连通。

如图1-2所示，本发明的第一种实施例中，换热器还包括缓冲箱2和总出管1，缓冲箱2与螺旋换热管4的出口连通，总出管1也与缓冲箱2连通。如此，螺旋换热管4内的冷却剂经螺旋换热管4的出口进入缓冲箱2，缓冲箱2内的冷却剂经总出管1排出该换热器。总出管1与中心筒3相互垂直，总出管1的轴线与中心筒3的轴线相互垂直。中心进液管3a的第一段穿过缓冲箱2内，中心进液管3a的第二段穿过总出管1。如此设置，在有限的高度和容积范围内增大了换热面积，提高了换热效率。同时，也更加便于总出管1与压力容器外界的冷却剂管路连通。

其中，螺旋换热管4的出口与缓冲箱2之间可以通过第一管板9连接。多层螺旋换热管4相互独立时，多根换热管的出口通过第一管板9与缓冲箱2连接，结构简单，成本较低。中心进液管3a可以穿过第一管板9且与第一管板9焊接，中心进液管3a与中心筒3之间也可以焊接，第一管板9与缓冲箱2间也可以焊接，总出管1与缓冲箱2间焊接。总出管1的末端通过法兰与其它冷却剂管路连接或者总出管1的末端可以直接与其它冷却剂管路焊接。

如图3所示，上述第一种实施例中，缓冲箱2的顶部可以采用盲板密封，盲板通过法兰与缓冲箱2固定连接，以便于进行运行过程中的检修、堵管、在役检查等。

如图3-4所示，本发明的第二种实施例中，螺旋换热管4的出口端伸出外导向筒5的部分沿着中心进液管3a的外壁延伸。螺旋换热管4可以包括螺旋段和延伸段，其中螺旋段缠绕在中心筒3外侧，延伸段伸出外导向筒5。螺旋换热管4的延伸段沿着中心进液管3a的外壁延伸，且螺旋换热管4的延伸段为L型。如此设置，在有限的高度和容积范围内增大了换热面积，提高了换热效率。同时，也更加便于螺旋换热管4与压力容器外界的冷却剂管路连通。

多层螺旋换热管4的出口通过管板与其它冷却剂管路连通。中心进液管3a与管板焊接。中心进液管3a与中心筒3间也可以焊接。

如图5-6所示，本发明的第三种实施例中，换热器还包括缓冲箱2和总出管1，缓冲箱2与螺旋换热管4的出口连通，总出管1也与缓冲箱2连通。如此，螺旋换热管4内的冷却剂经螺旋换热管4的出口进入缓冲箱2，缓冲箱2内的冷却剂经总出管1排出该换热器。总出管1与中心筒3相互垂直，总出管1的轴线与中心筒3的轴线相互垂直。中心进液管3a的第一段穿过缓冲箱2，中心进液管3a的第二段位于缓冲箱2的外侧且与总出管1平行。如此设置，在有限的高度和容积范围内增大了换热面积，提高了换热效率。同时，也更加便于总出管1和中心进液管3a与压力容器外界的冷却剂管路连通。

其中，螺旋换热管4的出口与缓冲箱2之间可以通过第一管板9连接。多层螺旋换热管4相互独立时，多根换热管的出口通过第一管板9与缓冲箱2连接，结构简单，成本较低。

中心进液管3a可以穿过第一管板9且与第一管板9焊接，中心进液管3a与中心筒3之间也可以焊接，第一管板9与缓冲箱2间也可以焊接，总出管1与缓冲箱2间焊接。总出管1的末端通过法兰与其它冷却剂管路连接或者总出管1的末端可以直接与其它冷却剂管路焊接。

在另一具体实施例中，换热器还可以包括与中心筒3的出口连通的中心出管3b和与中心出管3b连通的端箱6，螺旋换热管4的进口与端箱6连通。中心筒3内的冷却剂进入端箱6内，端箱6内的冷却剂再进入螺旋换热管4。中心出管3b的管径可以小于中心筒3的管径，中心出管3b与中心筒3同轴连接。

螺旋换热管4的进口与端箱6之间可以通过第二管板7连接。多层螺旋换热管4相互独立时，多根换热管的进口通过第二管板7与端箱6连接，结构简单，成本较低。第二管板7与端箱6和中心筒3可以焊接。

基于上述实施例中提供的换热器，本发明还提供了一种反应堆系统，该反应堆系统包括上述实施例中任意一种换热器。由于该反应堆系统采用了上述实施例中的换热器，所以该反应堆系统的有益效果请参考上述实施例。

上述反应堆系统包括压力容器以及至少一个上述实施例中任意一种换热器，换热器与压力容器上的管嘴焊接或法兰连接。根据压力容器内堆芯功率不同可沿压力容器壁分布多个换热器。一次侧冷却剂在换热器中心筒3和螺旋换热管4外侧进行自上而下的自然循环，二次侧冷却剂在换热器中心筒3和螺旋换热管4内侧进行强制循环。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。