ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Предлагаемое техническое решение относится к области ядерной техники, в частности, к теплообменным устройствам, и может быть использовано в реакторных установках с жидкометаллическим охлаждением.
При проектировании теплообменных устройств с жидкометаллическим охлаждением существенно важной является задача по созданию условий и конструкций, обеспечивающих выполнение проходного сечения в теплообменнике с таким зазором между тепловыделяющей поверхностью теплообменного элемента и корпусом, при котором не перекрывается проходное сечение, как при нормальной работе, так и при различных аварийных ситуациях.
Наиболее близким к заявленному по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является парогенератор (см. П.А.Андреев, Д.И.Гремилов, Е.Д.Федорович, Теплообменные аппараты ядерных энергетических установок. - Л.: Судостроение, 1969, с.121, рис.104), содержащий один или несколько элементов с теплообменными поверхностями, размещенных в корпусе с камерами подвода и отвода нагреваемой и/или испаряемой среды.
Недостатком данной конструкции является то, что в аварийных или в других нештатных ситуациях, а также при неправильных действиях
персонала или систем автоматики возможно практически мгновенное застывание жидкометаллического теплоносителя, которое приводит к прекращению циркуляции его через парогенератор и другие теплообменники, что может привести к прекращению теплоотвода от активной зоны реактора и ее разрушению.
Решаемая задача - совершенствование конструкции теплообменника ядерной энергетической установки (ЯЭУ) и обеспечение безопасности реакторного блока энергетической установки с жидкометаллическими теплоносителями.
Технический результат - обеспечение расхода теплоносителя через проходное сечение теплообменника в ситуациях, сопровождающихся замерзанием теплоносителя, которое приводит к прекращению циркуляции через теплообменник и другие конструкции и негативно сказывается на них, т.к. коэффициенты изменения объема при фазовом переходе могут привести к пластическим деформациям и к разрушению конструкций. Полное прекращение расхода в теплообменниках и парогенераторах соответствующих реакторных установок может привести к прекращению теплоотвода от активной зоны реактора и ее разрушению.
Этот технический результат достигается тем, что в теплообменнике для ЯЭУ, содержащем один или несколько элементов с теплообменными поверхностями, размещенных в корпусе с камерами подвода и отвода нагреваемой и/или испаряемой среды, выполнено цилиндрическое углубление в корпусе, в котором установлены элементы электрообогрева с
теплоизоляцией. Причем, радиальное расстояние между стенкой цилиндрического углубления корпуса и поверхностью ближайшего к ней элемента с теплообменной поверхностью должно удовлетворять следующему условию:
где δ - радиальное расстояние между стенкой цилиндрического углубления корпуса и поверхностью ближайшего к ней элемента с теплообменной поверхностью, м;
q - величина теплового потока через теплообменную поверхность при максимальном (аварийном) теплоотводе через теплообменную поверхность, Вт;
Δt - разность между температурой застывшего жидкометаллического теплоносителя и минимально возможной температурой нагреваемой или испаряемой среды, градус;
λ - коэффициент теплопроводности застывшего жидкометаллического теплоносителя, .
Жидкометаллические теплоносители: свинец, эвтектика свинец - висмут, свинец - литий в застывшем состоянии имеют плохую теплопроводность. Передача тепла через застывший слой по мере увеличения толщины этого слоя - ухудшается. Сохранившийся промежуток для циркуляции теплоносителя позволит сохранить теплоотвод, а в последующем
- при испарении или дренировании воды из трубной системы - позволит разморозить теплообменник достаточно просто и достаточно быстро.
Предлагаемый теплообменник, представленный на чертеже, содержит один или несколько теплообменных элементов 1, с теплообменными поверхностями 2, размещенных в корпусе 3, с камерой 4 подвода нагреваемой и испаряемой среды и с камерой 5 отвода нагреваемой и испаряемой среды. Корпус 3 теплообменника снабжен патрубком 6 подвода жидкометаллического теплоносителя и патрубком 7 отвода жидкометаллического теплоносителя. На внешней стороне цилиндрического углубления 8 стенки корпуса установлены элементы электрообогрева 9, заключенные в теплоизоляцию 10. С целью исключения прекращения циркуляции в теплообменнике радиальное расстояние 11 должно удовлетворять следующему условию:
где δ - радиальное расстояние между стенкой цилиндрического углубления корпуса и поверхностью ближайшего к ней элемента с теплообменной поверхностью, м,
q - величина теплового потока через теплообменную поверхность при максимальном (аварийном) теплоотводе через теплообменную поверхность, Вт;
Δt - разность между температурой застывшего жидкометаллического теплоносителя и минимально возможной температурой нагреваемой и испаряемой среды, градус;
λ - коэффициент теплопроводности застывшего жидкометаллического теплоносителя, .
При δ меньшем предлагаемого соотношения в ситуациях, сопровождающихся замерзанием жидкометаллического теплоносителя, происходит перекрывание проходного сечения теплообменника, что может привести к его выходу из строя и разрушению.
Работа теплообменного устройства в технологическом режиме осуществляется следующим образом:
Жидкометаллический теплоноситель, от трубопровода рабочего участка, поступает в теплообменник через патрубок 6 подвода жидкометаллического теплоносителя, проходит в межтрубном пространстве теплообменных элементов 1, внутри которых протекает охлаждающая среда.
В теплообменнике происходит передача избыточного тепла от жидкометаллического теплоносителя к охлаждающей среде, через теплообменные поверхности 2 теплообменных элементов 1.
Далее охлажденный Жидкометаллический теплоноситель выходит из патрубка 7 отвода жидкометаллического теплоносителя и поступает в трубопровод рабочего участка.
Теплообменник предлагаемой конструкции исключает замерзание проходного сечения, а сохранившийся промежуток для циркуляции теплоносителя, позволит сохранить теплоотвод и в последующем - при испарении или дренировании воды из трубной системы - позволит разморозить теплообменник достаточно быстро и просто.