在兩種流體之間交換熱量的熱交換器、利用液態(tài)金屬和氣體的熱交換器的用途、至利用液 ...的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及兩種流體之間的熱交換器。
[0002]本發(fā)明更具體地涉及新型的緊湊且具有高的熱功率的熱交換器的制造。
[0003]本發(fā)明因此涉及包括壓力之下的排管式堆容器(calandria)中的一個或多個板式交換器模塊的熱交換器。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的兩種流體之間的交換器的主要用途是其利用液態(tài)金屬和氣體的用途。它可以有利地涉及液態(tài)鈉和氮氣。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的交換器所針對的主要應(yīng)用是來自利用液態(tài)金屬(例如液態(tài)鈉)冷卻的快中子反應(yīng)堆(稱為鈉快反應(yīng)堆(Sodium Fast Reactor，SFR))的第二循環(huán)的液態(tài)金屬(例如液態(tài)鈉)與作為來自第三循環(huán)的氣體的氮氣之間的熱量交換，并且該反應(yīng)堆形成了所謂的第四代反應(yīng)堆系中的一部分。
[0006]盡管關(guān)于該主要應(yīng)用進行了描述，但是根據(jù)本發(fā)明的熱交換器還可以實施在需要兩種流體(例如液體和氣體)之間交換的任何其它的應(yīng)用中，優(yōu)選當(dāng)需要有緊湊且高的熱功率的交換器時。
[0007]在本發(fā)明的上下文中，“初級流體”應(yīng)當(dāng)被理解成表達熱術(shù)語中的通常意義，也就是熱流體，該熱流體將其熱量傳遞至作為冷流體的次級流體。
[0008]另一方面，在本發(fā)明的上下文中，“次級流體”應(yīng)當(dāng)被理解成表達熱術(shù)語中的通常意義，也就是冷流體，熱量從初級流體傳遞到冷流體。
[0009]在主要的應(yīng)用中，初級流體是在SFR反應(yīng)堆的熱轉(zhuǎn)換循環(huán)的所謂的次級回路中循環(huán)的鈉，而次級流體是在所述循環(huán)的第三回路中循環(huán)的氮氣。
【背景技術(shù)】
[0010]現(xiàn)有所謂的板式熱交換器提供了顯著優(yōu)于現(xiàn)有所謂的管式熱交換器，尤其是其熱性能水平及其通過表面面積與熱交換體積的有利的高比例的緊湊性。緊湊的板式交換器用在多種工業(yè)領(lǐng)域中。
[0011]已知的管式交換器例如是管和排管式交換器，其中筆直的或以U形彎曲的或以線圈形式的管束被固定到穿通的板上并布置在稱為排管式堆容器的密封的封閉件的內(nèi)部。在這些管和排管式交換器中，一種流體在管內(nèi)部循環(huán)，而另一種流體在排管式堆容器內(nèi)部循環(huán)。這些管和排管式交換器呈現(xiàn)出龐大的體積，從而是不緊湊的。
[0012]文獻已經(jīng)包含了制造熱交換器的描述，所述熱交換器包括在壓力下布置在排管式堆容器中的緊湊的板式交換器模塊。
[0013]此處可以引證專利FR2733823，其公開了在由密封的封閉件組成的壓力之下的排管式堆容器中，帶有波紋的板束的安裝，所述波紋使得所述板在高于其固有的機械強度可能允許的壓力下操作。這種交換器的實現(xiàn)高度地取決于用來制造波紋板束的技術(shù)，并且其局限于單個的板束，具有限制交換器的整體熱功率的伴隨缺點。
[0014]緊湊的板式交換器當(dāng)前在核領(lǐng)域中沒有實施并且沒有核工程規(guī)范包括它們。
[0015]然而，在具有高溫或特高溫氣體的反應(yīng)器(稱為“高溫反應(yīng)堆”，High TemperatureReactor，HTR;或“特高溫反應(yīng)堆”，Very High Temperature Reactor，VHTR)方面所進行的研究的背景下，AREVA公司已經(jīng)提出了通過放置流體供應(yīng)的一部分和共用的分配歧管來設(shè)計一連串的板式交換器模塊的排管式堆容器的解決方案。例如，在專利FR 2887618中描述的這一解決方案是有利的，這由于通過增大串聯(lián)的交換器模塊的數(shù)量，可以增大交換器的整體熱功率。另一方面，交換器模塊的徑向取向和歧管關(guān)于形成排管式堆容器的密封的封閉件的相對布置一方面將交換器的用途限制到氣體與氣體之間的交換(由于液體不可能排出)，并且另一方面使得不可能具有真正緊湊的交換器。因此，由結(jié)構(gòu)(密封的封閉件、支撐結(jié)構(gòu)等)和歧管所占據(jù)的體積遠(yuǎn)大于交換器模塊的固有體積。
[0016]除了交換器緊湊性的問題和高的整體熱功率的問題，本發(fā)明的發(fā)明人面臨需要找到液態(tài)金屬(例如液態(tài)鈉)與氣體之間的熱交換器，需要能夠?qū)崿F(xiàn)液態(tài)金屬回路的重力排出并從而在該回路中消除滯留區(qū)域。
[0017]在他們研究原型液態(tài)鈉冷快中子核反應(yīng)堆的背景下，發(fā)明人已經(jīng)提出了設(shè)計液態(tài)鈉與氣體之間的熱交換器的解決方案，這實現(xiàn)了緊湊的板式交換器模塊。該解決方案例如描述在出版物[I]中。
[0018]圖1至圖1C重現(xiàn)了在該出版物[I]中所公開的熱交換器的視圖。
[0019]熱交換器I旨在第一流體與第二流體之間傳遞熱，該第一流體為氮氣(N2)(冷流體)，第二流體為液態(tài)鈉(Na)。
[0020]另外在這些圖1至圖1C中指出的是當(dāng)?shù)獨夂外c進入和離開交換器I時，如所提供的氮氣和鈉各自的特征溫度和壓力。尤其是，180bar的壓力是氮氣的壓力，從而在密封的封閉件2中占主導(dǎo)地位。
[0021]具有中心軸線X的熱交換器I包括密封的封閉件2，豎直且平行于軸線X布置的多個(附圖標(biāo)記為3)交換器模塊3.1、交換器模塊3.2、交換器模塊3.3、交換器模塊3.4容納在該密封的封閉件2中。如在圖1A中更好地示出的，相同的交換器模塊的數(shù)量等于四。
[0022]密封的封閉件2為通?；旧蠄A柱形，并且基本上由連接到底部21的蓋子20組成。蓋子20沒有開口。
[0023]因此，密封的封閉件2在其多個縱向端部中的一個縱向端部2a處包括兩個用于氮氣的入口 10和出口 11以及用于液態(tài)鈉的入口 12和出口 13。
[0024]每一個交換器模塊3.1、交換器模塊3.2、交換器模塊3.3、交換器模塊3.4包含兩個流體回路，一個流體回路致力于使來源于SFR核反應(yīng)堆的鈉(Na)循環(huán)而作為熱交換器模塊的初級流體，并且另一個流體回路致力于使作為次級流體的氮氣(N2)循環(huán)。
[0025]多個(附圖標(biāo)記為3)交換器模塊3.1、交換器模塊3.2、交換器模塊3.3、交換器模塊3.4由支撐結(jié)構(gòu)4支撐。
[0026]如在下文中所解釋的，支撐結(jié)構(gòu)4柔性地固定在密封的封閉件2中。為此，交換器模塊3.1、交換器模塊3.2、交換器模塊3.3、交換器模塊3.4置于多孔(open-work)的支撐板40上，支撐板40經(jīng)由柔性臂40a、柔性臂40b、柔性臂40c懸掛在封閉件2中(圖1C)。
[0027]用于氮氣的輸入腔室5在封閉件2上方、在封閉件2的上縱向端部2b處軸向形成在交換器模塊3.1至3.4與封閉件2的蓋子20之間。
[0028]如通過向內(nèi)指向的箭頭在圖1中所示出的，該腔室5與包括在交換器模塊3.1至3.4中的一者中的氮氣回路的每一個入口(未示出)連通。
[0029]與腔室5相反，第一中心歧管6圍繞中心軸線(X)軸向地布置。該第一中心歧管6的功能是回收熱的氮氣，在交換器模塊3.1至3.4中，熱量已經(jīng)從鈉傳遞至熱的氮氣。
[0030]因此，該中心歧管6上游與包括在交換器模塊3.1至3.4中的一者中的氮氣回路的每一個出口(未示出)相連通。在下游，該中心歧管6與用于來自封閉件2的氮氣的出口 11相連通。
[0031]環(huán)形歧管7圍繞中心歧管6和交換器模塊3.1至3.4布置，形成用于氮氣的導(dǎo)向空間。該環(huán)形歧管7的功能是將冷的氮氣帶入到腔室5中。
[0032]更具體地，該環(huán)形歧管7基本上由向外展開形的導(dǎo)流器70和圓柱形的殼體71組成。因此，用于氮氣的導(dǎo)向空間被從上游到下游限定邊界，在外側(cè)通過封閉件2限定邊界并且在內(nèi)側(cè)通過第一中心歧管6限定邊界之后通過導(dǎo)流器70和殼體71限定邊界。環(huán)形歧管7圍繞第一中心歧管6同軸布置。
[0033]因此，環(huán)形歧管7上游與用于來自封閉件2的氮氣的入口10相連通，并在下游與腔室5相連通。
[0034]多個(附圖標(biāo)記為8)輸入導(dǎo)管81、輸入導(dǎo)管82、輸入導(dǎo)管83、輸入導(dǎo)管84布置成將熱的鈉帶入到包括在交換器模塊3.1至3.4中的一者中的鈉回路的每一入口(未示出)中。
[0035]因此，每一輸入導(dǎo)管81至84上游與用于封閉件2的鈉的入口12相連通，并且下游與包括在交換器模塊3.1至3.4中的一者中的鈉回路的每一入口31至34相連通。
[0036]如在圖1A中更好地示出的，每一入口31至34被制造在模塊3.1至3.4的下側(cè)的側(cè)面上:多個(附圖標(biāo)記為8)輸入導(dǎo)管81至84因此向內(nèi)彎曲，以能夠敞開到這些側(cè)向入口 31至34中。
[0037]布置多個(附圖標(biāo)記為9)輸出導(dǎo)管91、輸出導(dǎo)管92、輸出導(dǎo)管93、輸出導(dǎo)管94，以從包括在交換器模塊3.1至3.4中的一者中的鈉回路的每一出口抽取冷的鈉。
[0038]因此，每一輸出導(dǎo)管91至94上游與包括在交換器模塊3.1至3.4中的一者中的鈉回路的出口相連通，并且下游與用于封閉件2的鈉的出口 13相連通。用于冷的鈉的出口 13側(cè)向形成并朝向封閉件2的頂部。
[0039]如在圖1A中更好地示出的，每一個鈉出口被制造在模塊3.1至3.4的頂部的側(cè)面上;多個(附圖標(biāo)記為9)輸出導(dǎo)管91至94因此向內(nèi)彎曲，以能夠敞開到這些側(cè)向出口中。
[0040]另外，如在圖1A中更好地示出的，多個(附圖標(biāo)記為8)輸入導(dǎo)管81至84與第二中心歧管14相連通，該第二中心歧管14因此使熱的液態(tài)鈉穿過封閉件2的入口 12。第一中心歧管6與第二中心歧管14同軸并布置在環(huán)形歧管7與第二中心歧管14之間。