ТЕПЛООБМЕННИК, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
HEAT EXCHANGER, IN PARTICULAR, FOR HIGH-TEMPERATURE NUCLEAR REACTOR

Настоящее изобретение в целом относится к теплообменникам, в частности теплообменникам для высокотемпературного ядерного реактора (ВЯР) и сверхвысокотемпературного ядерного реактора (СВЯР).
Более конкретно, объектом настоящего изобретения является установка для осуществления теплообмена между первым и вторым теплоносителями, содержащая:
- наружный корпус, имеющий центральную ось и оборудованный по меньшей мере одним входом и одним выходом первого теплоносителя и по меньшей мере одним входом и одним выходом второго теплоносителя,
- центральный коллектор, расположенный вдоль центральной оси и сообщающийся или со входом, или с выходом первого теплоносителя,
- кольцевой коллектор, установленный вокруг центрального коллектора и сообщающийся соответственно или с выходом, или со входом первого теплоносителя,
- множество теплообменников, размещенных вокруг центральной оси и установленных в радиальном направлении между центральным коллектором и кольцевым коллектором,
- множество входных осевых коллекторов, сообщающихся с входом второго теплоносителя, и множество выходных осевых коллекторов, сообщающихся с выходом второго теплоносителя, при этом входные и выходные осевые коллекторы установлены в окружном направлении между теплообменниками,
- каждый теплообменник содержит множество каналов циркуляции первого теплоносителя между центральным и кольцевым коллекторами и множество каналов циркуляции второго теплоносителя от по меньшей мере одного входного коллектора к по меньшей мере одному выходному коллектору.
Установки этого типа известны из документа JP 2004/144422, в котором описана теплообменная установка, оборудованная входом вторичного теплоносителя для каждого входного осевого коллектора. В такой установке, как правило, каждый вход соединен с соответствующим осевым коллектором при помощи приваренной трубки. Во время работы соединение между трубкой и коллектором подвергается очень сильным термомеханическим воздействиям, что может привести к его разрушению.
В этой связи настоящим изобретением предлагается теплообменная установка, в которой возможность таких разрушений значительно снижается, как при нормальной работе, так и в аварийной ситуации.
Таким образом, объектом настоящего изобретения является установка вышеуказанного типа, содержащая входную камеру, выполненную с первой осевой стороны теплообменников, и устанавливающую сообщение между входом или входами второго теплоносителя и по меньшей мере несколькими входными осевыми коллекторами.
Установка может также содержать один или несколько следующих отличительных признаков, рассматриваемых отдельно или в любых технически возможных комбинациях:
- входная камера имеет кольцевую форму и охватывает центральный коллектор;
- установка содержит выходную камеру, выполненную со второй осевой стороны теплообменников, противоположной первой стороне, устанавливающую сообщение между выходом или выходами второго теплоносителя и по меньшей мере несколькими выходными осевыми коллекторами;
- установка содержит смотровой канал, продолжающий центральный коллектор в осевом направлении со второй стороны и изолированный от него съемной крышкой люка, при этом выходная камера имеет кольцевую форму и охватывает смотровой канал;
- по меньшей мере, теплообменники, входная и выходная камеры и входные и выходные осевые коллекторы объединены в механический блок, извлекаемый из корпуса в виде единого элемента;
- корпус выполнен с центральной вертикальной осью и содержит бак, внутри которого находится блок и который вверху содержит отверстие для извлечения указанного блока и съемную герметичную крышку, закрывающую отверстие бака;
- бак содержит цилиндрическую обечайку, коаксиальную с центральной осью, в которой выполнены вход и выход второго теплоносителя, при этом входная и выходная камеры герметично соединены с входом и выходом второго теплоносителя через съемные манжеты, откидывающиеся внутрь камер;
- манжеты выполнены с возможностью демонтажа изнутри камер;
- корпус содержит несколько входов и несколько выходов второго теплоносителя, причем эти входы и выходы объединены на одной окружной половине кольца;
- блок содержит наружный цилиндрический кожух, коаксиальный с центральной осью, ограничивающий снаружи выходную камеру и кольцевой коллектор;
- установка содержит нижние входные и выходные коаксиальные коллекторы, сообщающиеся соответственно с входом и выходом первого теплоносителя и расположенные под блоком, который в нижней части ограничен кожухом в виде усеченного конуса, сходящегося от цилиндрического кожуха, причем указанный кожух в виде усеченного конуса охватывает центральный коллектор и ограничивает вместе с ним кольцевой коллектор, при этом нижние коллекторы заканчиваются вверху фланцами, выполненными с возможностью герметичного соединения с ними нижних свободных концов центрального коллектора и кожуха в виде усеченного конуса путем простого соединения посадки;
- центральный коллектор содержит смотровое отверстие, закрываемое съемной крышкой, сообщающееся с входной камерой, а смотровой канал содержит отверстие, сообщающееся с выходной камерой;
- корпус содержит нижнее дно, а установка содержит циркуляционный агрегат, закрепленный на нижнем дне и выполненный с возможностью всасывания первого теплоносителя, выходящего из кольцевого канала или из центрального канала, и его нагнетания к выходу первого теплоносителя;
- входные и выходные осевые коллекторы, центральный коллектор и кольцевой коллектор имеют проходные сечения, достаточные для того, чтобы оператор мог иметь непосредственный доступ к теплообменникам;
- вход и выход первого теплоносителя являются коаксиальными;
- теплообменники расположены с равномерными промежутками по окружности вокруг центральной оси, при этом каждый осевой коллектор ограничен изнутри и снаружи внутренним и наружным окружными листами, соединенными сваркой с двумя теплообменниками, между которыми находится указанный коллектор;
- кольцевой коллектор ограничен изнутри теплообменниками и наружными листами;
- центральный коллектор ограничен теплообменниками и внутренними листами;
- каждый теплообменник содержит множество теплообменных модулей, установленных друг над другом в осевом направлении;
- модули имеют прямоугольное сечение, перпендикулярное к центральной оси, и содержит механически обработанные углы по всей осевой высоте теплообменника, который дополнительно содержит кованые и/или механически обработанные металлические профили, которые установлены в механически обработанных углах и с которыми при помощи сварки соединяют модули; и
- каждый из профилей содержит полку, выступающую в окружном направлении относительно модулей в сторону соседнего осевого коллектора и соединенную сваркой с внутренним или наружным листом, ограничивающим указанный осевой коллектор.
Вторым объектом настоящего изобретения является использование установки, характеризующееся следующими отличительными признаками:
- первый теплоноситель в основном содержит гелий, и второй теплоноситель в основном содержит гелий и/или азот;
- первый теплоноситель в основном содержит гелий, и второй теплоноситель в основном содержит воду, при этом второй теплоноситель испаряется в теплообменной установке;
- первый и второй теплоносители в основном содержат воду, при этом второй теплоноситель испаряется в теплообменной установке; и
- один из двух теплоносителей поступает из ядерного реактора.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 показана в перспективе теплообменная установка в соответствии с настоящим изобретением с вырезом, позволяющим видеть внутренние части установки;
на фиг.2 показана установка, изображенная на фиг.1, вид в осевом разрезе по плоскости II-II на фиг.3;
на фиг.3 показана установка, изображенная на фиг.2, вид в разрезе по плоскости III-III на фиг.2;
на фиг.4 показана установка, изображенная на фиг.2, вид в разрезе по плоскости IV-IV на фиг.2;
на фиг.5 показана установка, изображенная на фиг.2, вид в разрезе по плоскости V-V на фиг.2, показывающий расположение теплообменников;
на фиг.6А и 6В показана схема направления циркуляции соответственно первого и второго теплоносителей в теплообменниках, изображенных на фиг.5;
на фиг.6С показаны пластины теплообменника, изображенные на фиг.5, вид в разобранном состоянии;
на фиг.7 показан модуль теплообменника, изображенный на фиг.1 и 2, вид в перспективе;
на фиг.8А и 8В показаны увеличенные части VIIIA и VIIIB, изображенные на фиг.7, вид сверху;
на фиг.9 показана часть установки, показанной на фиг.1, в разобранном состоянии со съемным механическим блоком, содержащим теплообменники и коллекторы и отсоединенным от нижней части корпуса, при этом корпус показан с частичным вырезом;
на фиг.10А и 10В показан увеличенный вид частей ХА и ХВ, изображенных на фиг.2;
на фиг.11 показан увеличенный вид части XI, изображенной на фиг.2;
на фиг.12 показан увеличенный вид части XII, изображенной на фиг.2;
на фиг.13 показана принципиальная схема средств, применяемых в ядерном реакторе для извлечения механического блока, изображенного на фиг.10, из наружного корпуса.
Установка 1, показанная на фиг.1 и 2, предназначена для использования в высокотемпературном ядерном реакторе или в сверхвысокотемпературном ядерном реакторе (ВЯР/СВЯР) с целью осуществления теплового обмена между первым и вторым теплоносителями.
Первый теплоноситель является первичным теплоносителем ядерного реактора и циркулирует в нем по замкнутому контуру. Он проходит через активную зону ядерного реактора (не показан), затем через установку 1 и, наконец, возвращается на вход активной зоны. Первичный теплоноситель нагревается в активной зоне реактора и выходит из нее, например, при температуре около 850°С. Он отдает часть тепла вторичному теплоносителю в установке 1 и выходит из нее, например, при температуре около 450°С. Как правило, первичным теплоносителем является по существу чистый газообразный гелий.
Второй теплоноситель является вторичным теплоносителем ядерного реактора и циркулирует в нем по замкнутому контуру. Он проходит через установку 1, затем поступает в газовую турбину, приводящую в действие электрический генератор, и возвращается на вход установки 1. Вторичный теплоноситель входит в установку 1, например при температуре около 405°С, и выходит из нее, например при температуре около 805°С. Вторичным теплоносителем является газ, в основном содержащий гелий и азот.
Установка 1 содержит:
- наружный корпус 2 с по существу вертикальной центральной осью X, содержащий вход 4 и выход 6 первичного теплоносителя, четыре входа 8 и четыре выхода 10 вторичного теплоносителя;
- восемь теплообменников 12, установленных в корпусе 2, в которых происходит теплообмен между первичным и вторичным теплоносителями;
- коллекторы 14 и 16 циркуляции первичного теплоносителя внутри корпуса 2;
- коллекторы 18 и 20 циркуляции вторичного теплоносителя внутри корпуса 2;
- входную камеру 22, распределяющую вторичный теплоноситель в коллекторы 18, и выходную камеру 24, собирающую вторичный теплоноситель на выходе из коллекторов 20;
- нижнее внутреннее оборудование 26, направляющее первичный теплоноситель между коллекторами 14 и 16, с одной стороны, и входом 4 и выходом 6 первичного теплоносителя, с другой стороны; и
- вентилятор 28 циркуляции первичного теплоносителя, закрепленный на корпусе 2.
Корпус 2 содержит бак 30, внутри которого установлены теплообменники 12 и коллекторы 14, 16, 18, 20, содержащий вверху отверстие 32 и съемную крышку 34, герметично закрывающую отверстие 32 бака 30.
Бак 30 содержит цилиндрическую верхнюю обечайку 36, коаксиальную с осью X, цилиндрическую нижнюю обечайку 38, коаксиальную с осью X, расположенную под верхней 36 и имеющую диаметр, немного меньший по сравнению с обечайкой 36, коническое кольцо 40, установленное между обечайками 36 и 38, и нижнее выпуклое дно 42, закрывающее обечайку 38 снизу.
Верхний свободный край обечайки 36 охватывает отверстие 32 и образует фланец 44.
Крышка 34 выполнена выпуклой вверх и содержит свободный край, образующий фланец 46, соответствующий фланцу 44 бака 30. Крышка 34 содержит верхнее дно с сечением, по существу, в виде эллипса в плоскости, содержащей ось X.
Как показано на фиг.11, крышка 34 выполнена с возможностью жесткого крепления на баке 30 при помощи восьмидесяти анкерных винтов 50, установленных в отверстия 52, во фланце 46, и завинченных в резьбовые отверстия 54, выполненные во фланце 44. Во фланце 46 установлена металлическая прокладка 55 повышенного уплотнения, например, типа прокладок, продаваемых под коммерческим названием «HELICOFLEX», обеспечивающая герметичность между крышкой 34 и баком 30 после их соединения друг с другом.
Входы 8 вторичного теплоносителя выполнены в нижней части кольца 36 на одной окружности этого кольца. Все четыре входа выполнены на одной половине кольца 36, как показано на фиг.4. Эти входы являются круглыми и имеют оси, расположенные относительно друг друга под углом 42°.
Выходы 10 вторичного теплоносителя выполнены в верхней части верхнего кольца 36 и расположены на одной окружности этого кольца (фиг.3). Она находятся на той же половине кольца 36, что и входы 8. Как и входы, эти выходы 10 являются круглыми, и их оси расположены друг относительно друга под углом 42°.
Нижнее кольцо 38 содержит единый отвод, в котором выполнены вход 4 и выход 6 первичного теплоносителя. Вход 4 и выход 6 являются коаксиальными, как показано на фиг.2, при этом выход 6 охватывает вход 4.
Дно 42 выполнено выпуклым вниз и содержит круглое центральное отверстие с центром на оси X, в котором закреплен вентилятор 28.
Как показано на фиг.5, вокруг оси Х выполнены восемь теплообменников 12, которые равномерно распределены вокруг этой оси. Теплообменники 12 являются пластинчатыми теплообменниками. Каждый теплообменник 12 содержит восемь идентичных модулей 56, установленных вертикально друг над другом.
Как показано на фиг.7, каждый модуль 56 имеет форму параллелепипеда. Каждый модуль 56 содержит наружный кожух 58, в котором механической обработкой выполнены входные 60 и выходные 62 отверстия для первичного теплоносителя и входные 64 и выходные 66 отверстия для вторичного теплоносителя, и множество пластин 67, расположенных в виде вертикальной стопки внутри кожуха 58.
Отверстия 60 и 62 выполнены на двух противоположных сторонах кожуха 58, обращенных соответственно наружу и внутрь установки 1. Отверстия 64 и 66 выполнены на двух по существу радиальных и противоположных сторонах кожуха 58 (фиг.6А-6С).
Установленные друг над другом пластины 67 ограничивают между собой множество каналов циркуляции вторичного теплоносителя, выполненных, по существу, в окружном направлении от отверстия 64 до отверстия 66. Следует отметить, что отверстие 64 смещено в радиальном направлении наружу по отношению к отверстию 66 таким образом, чтобы вторичный теплоноситель циркулировал в модуле 56 по Z-образной траектории, как показано на фиг.6В.
Каналы циркуляции первичного и вторичного теплоносителей расположены друг над другом, чередуясь в модуле 56, чтобы повысить эффективность теплообмена между теплоносителями.
Радиальные каналы циркуляции первичного теплоносителя не выходят вдоль двух радиальных сторон модуля 56, поэтому вторичный теплоноситель не может проходить в эти каналы через отверстия 64 и 66. Точно так же, по существу, окружные каналы циркуляции вторичного теплоносителя не выходят вдоль внутренней и наружной сторон модуля 56, поэтому первичный теплоноситель не может проходить в эти каналы через отверстия 60 и 62.
Как показано на фиг.7, параллелепипедные модули 56 содержат углы, выполненные механической обработкой по всей осевой высоте теплообменника 12. Этот теплообменник 12, кроме того, содержат кованые и механически обработанные металлические профили 68, установленные в механически обработанных углах модулей 56. Эти профили 68 расположены по всей осевой высоте теплообменника 12. Модули 56 крепят друг к другу при помощи сварки через их соответствующие кожухи 58, а также крепят при помощи сварки с металлическими профилями 68.
Профили 68 содержат главную часть 70 прямоугольного сечения, перпендикулярную к оси Х и находящуюся в механически обработанных частях модулей 56, и полку 72, выступающую в окружном направлении относительно модулей 56.
Главную часть 70 соединяют при помощи сварки с модулями 56 вдоль двух осевых линий 74 и 76 сварных швов, показанных на фиг.7, 8А и 8В. Линия 74 расположена вдоль радиальных сторон модулей 56, а линия 76 - вдоль внутренних сторон или вдоль наружных сторон модулей 56.
Следует отметить, что полые осевые каналы 78 выполняют механической обработкой в модулях 56 и в профилях 68 сзади линий 74 и 76 сварки и по всей длине этих линий. Наличие этих полых каналов 78 позволяет контролировать качество сварных швов 74 и 76 при помощи ультразвука.
Необходимо также отметить, что полки 72 сопрягаются с радиальными сторонами модулей 56 по заранее определенному радиусу кривизны R, вычисленному таким образом, чтобы снизить напряжения в профилях 68.
Модули 56 соединяют также друг с другом сваркой по сварным швам 79. Эти сварные швы 79 выполнены по кромкам, ограничивающим радиальные, внутренние и наружные стороны модулей 56 снизу и сверху.
Установка 1 содержит четыре входных осевых коллектора 18, сообщающихся с входом 8 вторичного теплоносителя через входную камеру 22, и четыре выходных осевых коллектора 20, сообщающихся с выходом вторичного теплоносителя через выходную камеру 24.
Коллекторы 18 и 20 установлены по окружности между теплообменниками 12, как показано на фиг.5. Входные 18 и выходные 20 осевые коллекторы поочередно распределены вокруг центральной оси Х таким образом, что вокруг центральной оси Х последовательно расположены теплообменник 12, входной осевой коллектор 18, теплообменник 12, выходной осевой коллектор 20, теплообменник 12, входной осевой коллектор 18 и так далее.
Осевые коллекторы 18 и 20 имеют, каждый, перпендикулярно к оси X, сечение в виде сектора кольца, ограниченное изнутри и снаружи окружными листами, соответственно 80 и 82, и по бокам радиальными сторонами теплообменников 12, между которыми выполнен указанный коллектор.
Внутренний и наружный листы 80 и 82 данного осевого коллектора 18 или 20 приварены встык к полкам 72 профилей 68 двух теплообменников 12, соседних с коллектором. Форму полок 72 определяют таким образом, чтобы эти полки вписывались в продолжение внутреннего или наружного листов 90 или 82 (фиг.8А и 8В).
Модули 56 направлены таким образом, чтобы входное отверстие 64 выходило во входной осевой канал 18, а выходное окно 66 выходило в выходной осевой канал 20.
Установка 1 дополнительно содержит центральный коллектор 14, расположенный вдоль оси Х и сообщающийся с входом 4 первичного теплоносителя, и кольцевой канал 16, сообщающийся с выходом 6 первичного теплоносителя.
Центральный коллектор 14 расположен в радиальном направлении внутри теплообменников 12 и ограничен внутренними сторонами модулей 56 и внутренними листами 80. Он имеет, по существу, круглое сечение, перпендикулярное к оси X. Отверстия 60 выходят в центральный коллектор 14.
Кольцевой коллектор 16 выполнен вокруг теплообменников 12 в радиальном направлении наружу относительно этих теплообменников. Он ограничен изнутри наружными листами 82 и наружными сторонами модулей 56. Отверстия 62 выходят в кольцевой коллектор 16.
Камеры входа 22 и выхода 24 вторичного теплоносителя расположены соответственно под теплообменниками 12 и над этими теплообменниками 12 (фиг.1 и 2).
Центральный коллектор 14 продолжен в осевом направлении вниз промежуточным цилиндрическим участком 84, расположенным под теплообменниками 12. Точно так же кольцевой коллектор 16 продолжен в осевом направлении вниз промежуточным кольцевым участком 86, охватывающим промежуточный цилиндрический участок 84.
Входная камера 22 имеет кольцевую форму и расположена в осевом направлении на уровне входов 8 вторичного теплоносителя. Она охватывает промежуточный цилиндрический участок 84 и расположена в радиальном направлении внутри промежуточного кольцевого участка 86. Входная камера 22 ограничена в радиальном направлении снаружи цилиндрической стенкой 85.
Кроме того, установка 1 содержит смотровой канал 88, продолжающий коллектор 14 в осевом направлении вверх за пределы теплообменников 12. Этот смотровой канал 88 изолирован от центрального коллектора 14 съемной крышкой 92 смотрового люка.
Выходная камера 24 тоже имеет кольцевую форму и охватывает смотровой канал 88.
Входные осевые каналы 18 открыты вниз и сообщаются с входной камерой 22. Они закрыты сверху и изолированы от выходной камеры 24. Выходные осевые каналы 20, наоборот, закрыты снизу и изолированы от входной камеры 22 и открыты вверх и сообщаются с выходной камерой 24.
Кольцевой коллектор 16 закрыт сверху и не сообщается с выходной камерой 24.
Согласно важному отличительному признаку настоящего изобретения теплообменники 12, входная 22 и выходная 24 камеры и коллекторы 14, 16, 18 и 20 объединены в механический блок 94, выполненный с возможностью извлечения в виде единого элемента из корпуса 2. Этот блок показан на фиг.9.
Блок 9 имеет цилиндрическую форму с осью X.
Блок 94 ограничен сверху плоской круглой пластиной 96, радиально снаружи цилиндрическим кожухом 98 и снизу - кожухом 100 в виде сеченого конуса, продолжающим цилиндрический кожух 98 вниз и сходящийся, начиная от последнего. Верхняя пластина 96 ограничивает выходную камеру 24 сверху (фиг.1 и 2). Смотровой канал 88 продолжен вверх, выступая над пластиной 96, и образует захватный грибок 102 блока 94. Крышка 92 расположена на уровне верхней пластины 96.
Блок 94 содержит также соединительный обод 104, охватывающий верхнюю пластину 96 (фиг.9), выступая в радиальном направлении наружу по отношению к кожуху 98. Этот обод образует снизу опорную поверхность 106. С радиально внутренней стороны фланец 44 содержит соответствующую опорную поверхность 108, на которую опирается опорная поверхность 106, когда блок 94 устанавливают внутри бака 30.
Блок 94 содержит также четыре элемента 108 жесткости, выполненные радиально от захватного грибка 102 до обода 104.
Наружный кожух 94 ограничивает в радиальном направлении снаружи выходную камеру 24 и кольцевой коллектор 16, в частности промежуточный участок 86 этого коллектора. Он содержит четыре круглых отверстия 110 в верхней части и четыре круглых отверстия 112 в нижней части, расположенные в продолжении соответственно выходов 10 вторичного теплоносителя и входов 8 вторичного теплоносителя, когда блок 94 установлен в корпусе 2.
Блок 94 содержит также горизонтальную кольцевую перегородку 114 (фиг.1 и 2), ограничивающую входную камеру 22 снизу и расположенную между соответствующими участками 84 и 86 центрального 14 и кольцевого 16 коллекторов.
Кроме того, под участком 84 центральный коллектор 14 продолжен нижним цилиндрическим участком 116 с осью Х и заканчивается внизу свободным краем 118 (фиг.2).
Конусный кожух 100 охватывает нижний участок 116 и заканчивается внизу цилиндрическим бортиком 120 с осью X. Кольцевой участок 86 кольцевого коллектора 16 выходит внизу между нижним участком 116 и конусным кожухом 100.
Как показано на фиг.1, блок 94 содержит кольцо 122 жесткости, выполненное гофрированным для циркуляции первичного теплоносителя и расположенное вокруг нижнего участка 116. Это нижнее кольцо 122 крепится сваркой вверху к перегородке 114 и внизу к конусному кожуху 100. Радиальные элементы 124 жесткости крепятся сваркой одновременно к перегородке 114, к конусному кожуху 100 и к нижнему кольцу 122 и повышают жесткость блока 94 в нижней части.
Наружное цилиндрическое кольцо 126 (фиг.12) крепится сваркой под конусным кожухом 100. Оно расположено вблизи конического кольца 40 бака 30. Это наружное кольцо усилено шестью радиальными элементами 128 жесткости, закрепленными сваркой одновременно на конусном кожухе 100 и на наружном кольце 126. На этих элементах 128 жесткости установлены три шпонки 130, показанные на фиг.12, взаимодействующие с осевыми пазами 132, выполненными на кольце 40 бака 30. Шпонки 130 и пазы 132 расположены под углом 120° относительно друг друга вокруг оси Х и служат метками для поворота блока 94 вокруг оси X.
Выходная камера 24 герметично соединяется с выходами 10 второго теплоносителя при помощи наружной 140 и внутренней 142 манжет, показанных на фиг.10А. Наружную манжету 140 завинчивают на кольцевой детали 144, закрепленной сваркой в выходе 10. Манжета 140 имеет трубчатую форму и расположена от входа 10 внутрь таким образом, что заходит в отверстие 110 наружного кожуха 98. Крепежные винты 146 доступны изнутри выходной камеры 24.
Отверстие 110 охвачено бортом 148, выступающим внутрь выходной камеры 24, начиная от кожуха 98. Внутренняя манжета 142 имеет трубчатую форму и установлена между наружной манжетой 140 и выступающим бортом 148. Ее крепят при помощи винтов 150 на свободном конце выступающего борта 148.
Металлические уплотнительные прокладки известного типа, выпускаемые под коммерческим названием «HELICOFLEX», установлены между наружной манжетой 140 и кольцевой деталью 144, с одной стороны, и между внутренней манжетой 142 и выступающим бортом 148, с другой стороны.
Кроме того, манжеты 140 и 142 герметично соединены между собой трубчатым сильфоном 154. Манжеты 140 и 142 могут свободно перемещаться скольжением относительно друг друга в радиальном направлении по отношению к оси X, при этом герметичность сохраняется за счет наличия сильфона 154.
Теплоизоляционные блоки 156 изолируют сильфон 154 и винты 146 от вторичного теплоносителя, проходящего от выходной камеры 24 к выходу 10.
Входная камера 22 (фиг.10В) герметично соединена с входами 8 при помощи наружной 158 и внутренней 160 манжет, аналогичных описанным выше наружной и внутренней манжетам 140 и 142. Однако при этом необходимо отметить, что выступающий борт 148 в этом случае выполнен от наружного кожуха 98 за пределы цилиндрической стенки 85 до внутреннего пространства входной камеры 22. Цилиндрическую стенку 85 крепят сваркой на выступающем борту 148. Таким образом, выступающий борт 148 обеспечивает герметичный проход от входной камеры 22 через кольцевой промежуточный участок 86 коллектора 16 до наружного кожуха 98. Кроме того, следует отметить, что наружная и внутренняя манжеты 158 и 160 и сильфон 154 не являются теплоизоляторами, учитывая умеренную температуру вторичного газа на входе из установки 1.
Смотровой канал 88 содержит широкое отверстие 163, которое обеспечивает доступ к системам отсоединения выходной камеры 24. Промежуточный участок 84 коллектора 14 содержит смотровое отверстие 164, сообщающееся с входной камерой 22 (фиг.2). Это смотровое отверстие 164 герметично закрывается съемной крышкой. Смотровое отверстие (не показано), оборудованное съемной крышкой, обеспечивает доступ к кольцевому каналу 16 со стороны выходных осевых каналов 20.
Нижнее внутреннее оборудование 26 содержит нижние входные коллекторы 179 и выходные коллекторы 172, коаксиальные с осью X, сообщающиеся соответственно с входом 4 и выходом 6 первичного теплоносителя (фиг.2). Нижний выходной коллектор 172 охватывает нижний входной коллектор 170. Нижний входной коллектор 170 соединяется с входом 4 при помощи радиального трубопровода 174, который проходит через нижний выходной коллектор 172. Коллектор 172 герметично крепят сваркой вокруг трубопровода 174.
Нижний входной 170 и выходной 172 коллекторы заканчиваются сверху фланцами 176, выполненными с возможностью герметичного соединения со свободным краем 118 центрального коллектора 14 и бортиком 120 конусного кожуха 100 путем простой посадки. Фланцы 176 содержат изнутри усеченные конусные опорные поверхности, обеспечивающие направление свободного края 118 и бортика 120. Кроме того, снаружи последних установлены металлические прокладки, обеспечивающие герметичный контакт с внутренней стороной фланцев 176.
Нижний выходной коллектор 172 закрыт снизу дном 178, перпендикулярным к оси X. Нижний входной коллектор 170 содержит цилиндрическую обечайку 180 с осью X, выполненную до дна 178, и дно 182, перпендикулярное к оси X, закрывающее обечайку 180 на промежуточном уровне между трубопроводом 174 и дном 178.
Дно 178 содержит центральное отверстие 184, через которое происходит всасывание от вентилятора 28. Кроме того, обечайка 180 содержит пропускные отверстия 186 под дном 182, обеспечивая, таким образом, проход для первичного теплоносителя от нижнего выходного коллектора 172 через отверстия 186 в объем, заключенный между дном 178 и дном 182, и всасывание от вентилятора 28.
Кроме того, нижнее внутреннее оборудование 26 содержит также конусное кольцо 188, сходящееся вверх, большое основание которого закреплено сваркой на нижнем кольце 38 бака 30 и малое основание которого закреплено сваркой вокруг нижнего выходного коллектора 172. Конусное кольцо 188 содержит пропускные отверстия 190. Эти отверстия устанавливают сообщение между объемом, находящимся под нижними входным и выходным коллекторами 170 и 172, и объемом, находящимся вокруг этих же нижних коллекторов.
Выход 6 первичного теплоносителя непосредственно сообщается с объемом, находящимся вокруг нижних коллекторов 170 и 172.
Вентилятор 28 нагнетает первичный теплоноситель через радиальные отверстия внутрь выпуклого дна 42, при этом первичный теплоноситель может выходить оттуда через отверстия 190 вверх, затем через выход 6.
Наконец, бак 30 содержит три опорных блока 194, вставленных и закрепленных сваркой в нижнее кольцо 38. Блоки 194 расположены на угловом расстоянии 120° друг от друга вокруг оси X. Как показано на фиг.13, через блоки 194 установка 1 опирается на бетонные опоры 196, выступающие относительно стенок отсека 197, в котором размещена установка 1.
Распорки 198, установленные между стенками отсека и верхним кольцом 36 бака 30, позволяют зафиксировать установку 1 в вертикальном положении.
2
3
Высокотемпературные части установки 1 выполнены теплоизоляционными, например, при помощи блоков, содержащих волокна АlО или углеродные волокна. Эти части работают при температурах, близких или превышающих 800°С при нормальной работе. К таким частям относятся трубопровод 174, нижний входной коллектор 170, центральный коллектор 14, включая промежуточный 84 и нижний 116 участки, выходные осевые коллекторы 20, выходная камера 24, манжеты 140 и 142, соединяющие выходную камеру 24 с выходами 10 вторичного теплоносителя.
Корпус 2 имеет общую высоту около 27 м и диаметр около 7 м. Цилиндрический кожух 98 имеет диаметр около 6300 мм.
Каждый теплообменник 12 имеет осевую высоту около 4800 мм, радиальную глубину около 1300 мм и окружную ширину около 560 мм. Каждый модуль 56 имеет высоту около 600 мм.
Диаметр центрального коллектора 14 составляет около 2800 мм. Его определяют таким образом, чтобы внутренние листы 80, ограничивающие осевые коллекторы 18 и 20, имели развернутую окружную длину и гибкость, достаточные, чтобы воспринимать деформации, которыми действуют теплообменники 12 в плоскости, перпендикулярной к оси Х.
Радиальная глубина кольцевого коллектора 16 составляет примерно 500 мм. Ее определяют таким образом, чтобы оператор мог попасть внутрь кольцевого коллектора 16 для осуществления осмотра и/или ремонта на наружной стороне теплообменников 12.
Входы 8 вторичного теплоносителя имеют пропускной диаметр не менее 850 мм, а выходы 10 вторичного теплоносителя имеют пропускной диаметр не менее 1 м.
Размеры установки 1 рассчитывают, например, для давления первичного теплоносителя примерно в 50 бар, расхода первичного теплоносителя примерно 200 кг/с, расхода вторичного теплоносителя примерно 600 кг/с и разности давления между первичным и вторичным теплоносителями примерно 5 бар при нормальной работе.
Далее описаны пути циркуляции первичного и вторичного теплоносителя в установке 1 (фиг.1).
Первичный теплоноситель поступает в установку 1 через вход 4, проходит по трубопроводу 174 в нижний входной коллектор 170, затем в центральный коллектор 14. Из центрального коллектора 14 он распределяется по различным теплообменникам 12, распределенным вокруг центрального коллектора 14, через которые он проходит в радиальном направлении до кольцевого коллектора 16, отдавая часть своего тепла вторичному теплоносителю. После этого первичный теплоноситель проходит вниз вдоль кольцевого коллектора 16, его нижнего участка 86, проходит через отверстия гофрированного кольца 122, затем между нижним коллектором 170 и нижним коллектором 172. Затем первичный теплоноситель проходит через отверстия 186 кольца 180, всасывается вентилятором 28 и нагнетается в радиальном направлении в нижнюю часть бака 30. После этого он проходит через отверстия 190 конусного кольца 186 и выходит из установки 1 через выход 6, выполненный вокруг входа 4.
Вторичный теплоноситель поступает в установку через входы 8, проходит через манжеты 158 и 160 во входную камеру 22, затем из входной камеры 22 распределяется по различным входным осевым коллекторам 18. Вторичный теплоноситель проходит через теплообменники 12 в окружном направлении и собирается в выходных осевых коллекторах 20. Он проходит по коллекторам 20 в осевом направлении до выходной камеры 24, затем распределяется из камеры 24 в различные выходы 10.
Далее описаны операции обслуживания установки 1.
В случае необходимости незначительного вмешательства в теплообменники 12, например для перекрывания канала циркуляции первичного теплоносителя или вторичного теплоносителя, оператор производит операции непосредственно на теплообменниках 12, которые остаются на месте внутри установки 1.
Для этого сначала снимают крышку 34 наружного корпуса 2. После этого оператор открывает крышку 92 и попадает в смотровой канал 88. Если ремонт требуется произвести на стороне теплообменника 12, обращенной к выходному осевому каналу 20, оператор проходит через отверстия 163 (фиг.2), попадает в выходную камеру 24 и спускается из камеры 24 в соответствующий выходной осевой коллектор.
Если ремонт необходимо произвести на наружной стороне теплообменника 12, оператор проникает в кольцевой коллектор 16 из камеры 24 через выходной осевой канал 20, содержащий смотровое отверстие, и производит ремонт из коллектора 16.
Если требуется произвести ремонт на внутренней стороне теплообменника 12, оператор открывает крышку 90 и проходит из смотрового канала 88 в центральный коллектор 14. Он осуществляет ремонт из центрального коллектора 14.
Если ремонт требуется произвести на стороне теплообменника 12, обращенной к входному осевому коллектору 18, оператор спускается вдоль центрального коллектора 14 до промежуточного участка 84, открывает крышку 164, попадает во входную камеру 22 и поднимается в соответствующий входной осевой коллектор 18 из камеры 22.
Если на теплообменниках 12 необходимо произвести значительный ремонт, например заменить модуль 56, то сначала из бака 30 необходимо извлечь блок 94. Для этого над отсеком 197, в котором находится установка 1, предусмотрен отсек 200 обслуживания (фиг.13). Оба отсека сообщаются через отверстие 202, закрытое подвижной крышкой 203 разделительного люка, выполненного над установкой 1.
Сначала в верхней части установки 1 устанавливают герметичное кольцо 204. Прокладки обеспечивают герметичность между кольцом 204 и фланцем 44 бака 30, с одной стороны, и между кольцом 204 и периферическим краем крышки 203, с другой стороны. Над герметичным кольцом 204 помещают виниловый рукав 206 и подвешивают к поперечине мостового крана 201 отсека 200.
Сначала при помощи мостового крана 201 снимают крышку 34 корпуса 2. После этого корпус 2 изолируют от отсека 200 обслуживания, установив на место крышку 203 во время удаления крышки 34. После установки на место винилового рукава 206 и открывания крышки 203 операторы попадают в выходную камеру 24 через крышку 92 и отверстие 163. Они снимают теплоизоляционные блоки 156, защищающие манжеты 140 и 142, затем снимают винты 146 и 150 при помощи соответствующих инструментов. После отсоединения манжет 140 и 142 операторы вытягивают эти манжеты (при помощи специальных приспособлений) внутрь выходной камеры 24. Эти же операции они производят на четырех выходах 10 вторичного теплоносителя.
После этого операторы попадают во входную камеру 22 через люки 90 и 164. Они отсоединяют манжеты 158 и 160, соединяющие входы 8 вторичного теплоносителя с входной камерой 22 и вытягивают эти манжеты (при помощи специальных приспособлений) внутрь камеры.
После этого они выходят из установки 1.
Поперечину мостового крана 201 соединяют после этого с захватным грибком 102 блока 94. Блок приподнимают, поднимая поперечину мостового крана 201, извлекают из бака 30 и поднимают через отверстие 202 в отсек 200. Он оказывается внутри винилового рукава 206, после чего корпус 1 изолируют путем закрывания крышки отверстия 202. Мостовой кран после этого перемещают внутри отсека 200 обслуживания для укладки блока 94 на соответствующую подставку. В этом отсеке производят сложные операции обслуживания.
Установку на место блока 94 в бак 30 осуществляют, производя описанные выше операции в обратном порядке.
Блок 94 должен направляться путем поворота вокруг оси Х во время его установки на место таким образом, чтобы разметочные шпонки 130 зашли в соответствующие пазы 132.
После того, как опорная поверхность 106 фланца 104 окажется в положении опоры на соответствующую опорную поверхность 108 бака 30, поперечину мостового крана 201 отсоединяют от захватного грибка 102.
Отсек 200 обслуживания может быть общим для нескольких установок 1, обслуживающих один ядерный реактор или обслуживающих несколько разных ядерных реакторов.
Описанная выше установка имеет много преимуществ.
Осевые коллекторы 18 и 20 выходят во входную 22 и выходную 24 камеры и механически непосредственно не соединены с входами и выходами 8 и 10 вторичного теплоносителя. Эта конфигурация является предпочтительной с учетом разницы расширений между выходами 8 и 10, связанными с баком, и камерами 22 и 24, принадлежащими к блоку теплообменника 94, существенно ограничивая, таким образом, термомеханические напряжения в этих соединениях.
Расположение теплообменников 12 и входных и выходных осевых коллекторов 18 и 20 обеспечивает этим коллекторам 18 и 20 большое пропускное сечение. Скорость осевой циркуляции вторичного теплоносителя вдоль этих коллекторов составляет, например, от 10 до 20 м/с. В других конструкциях теплообменников эти скорости достигают 60 м/с. Эти ограниченные значения скорости способствуют сохранению гидравлического равновесия между входами и выходами 64 и 66 вторичного теплоносителя каждого модуля 56 при нормальной работе. Эти ограниченные скорости обеспечивают также равномерное распределение вторичного теплоносителя между различными модулями 56, расположенными друг над другом в одном осевом коллекторе 18, и с термогидравлической точки зрения способствуют работе в переходном режиме. Общая производительность теплообменников 12 повышается.
Чрезвычайно благоприятным является также термомеханическое поведение коллекторов. Осевые коллекторы 18 и 20 ограничены внутренним 80 и наружным 82 гибкими окружными листами, легко деформирующимися под действием напряжений, создаваемых теплообменниками 12. Действительно, теплообменники представляют собой блоки повышенной жесткости по сравнению с листами 80 и 82 и воздействуют на эти листы усилием деформации. Листы 80 и 82 выполнены в виде тонких кожухов с большим радиусом кривизны, что придает им большую гибкость.
Входные и выходные камеры 22 и 24 имеют большие размеры и не содержат внутренних перегородок. Поэтому входная камера обеспечивает равномерное распределение вторичного теплоносителя между различными входными осевыми коллекторами 18. Кроме того, за счет своего большого пропускного сечения эти камеры не оказывают большого сопротивления циркуляции вторичного теплоносителя. Они обеспечивают также легкий доступ к входам 8 и выходам 10 и, следовательно, позволяют легко и быстро отсоединять манжеты 140, 142, 158 и 160 от входов 8 и выходов 10.
Наконец, тот факт, что камеры не содержат внутренних перегородок, позволяет располагать входы 8 и выходы 10 с одной стороны корпуса 2.
Таким образом, можно располагать установку 1 вблизи стенки отсека 97, при этом все трубопроводы входа и выхода вторичного теплоносителя расположены противоположно стенке.
Блок 94, который содержит все теплообменники, а также основные коллекторы циркуляции первичного и вторичного теплоносителей, можно извлечь в виде единого элемента из наружного корпуса 2. Эта операция является простой и удобной, и ее осуществляют при помощи мостового крана отсека обслуживания, находящегося над теплообменной установкой 1, после удаления крышки 34 и откидывания манжет 140 и 142 внутрь входной 22 и выходной 24 камер. Откидывание манжет 140 и 142 осуществляют легко и быстро при помощи соответствующих инструментов, в результате чего операторы получают лишь незначительные дозы облучения.
После демонтажа манжет 140 и 142 извлечение блока 94 и его установку в корпус 2 осуществляют простым снятием и посадкой.
Нижние коллекторы 170 и 172 содержат фланцы 176 соответствующей формы для направления нижней части блока 94 во время его установки на место. Герметичное соединение центрального коллектора 14 и кольцевого коллектора 16 с нижними коллекторами 170 и 172 осуществляют путем простой посадки в вертикальном направлении.
Сложные операции обслуживания на теплообменниках 12 удобно осуществлять в специальном отсеке обслуживания, оборудованном соответствующими механизмами.
Кроме того, мелкий ремонт можно осуществлять на теплообменниках 12 на месте, то есть не извлекая блок 94 из корпуса 2. Центральный коллектор, кольцевой коллектор и входные и выходные осевые коллекторы имеют достаточно большие размеры сечения, чтобы оператор мог в них пройти и там работать. Доступ к теплообменникам 12 для их ремонта возможен с четырех сторон.
Модули 56, образующие каждый теплообменник 12, соединены друг с другом сваркой вдоль кромок, ограничивающих снизу и сверху внутреннюю, наружную и радиальные стороны этих модулей. Угловые сварные швы при этом не нужны, учитывая наличие профилей 68, находящихся в механически обработанных углах модулей 56.
Внутренний и наружный окружные листы 80 и 82 крепят сваркой на полках 72 профилей 68. Эти сварные швы находятся на расстоянии от модулей 56 и могут контролироваться при помощи рентгенографии.
Критическая зона С (см. фиг.8А и 8В), в которой термомеханическое напряжения являются максимальными, находится на соединении между полкой 72 и основной частью 70 профиля 68 и, таким образом, расположена в массе профиля 68, а не на уровне сварного шва.
Наконец, полка 72 сопрягается с радиальными сторонами модулей 56 по радиусу с кривизной (R), оптимизированной в зависимости от термомеханических напряжений в критической зоне С.
Эти различные конструктивные особенности придают теплообменникам 12 особую прочность по отношению к термомеханическим напряжениям.
Описанная выше теплообменная установка может иметь много вариантов выполнения.
Так например, теплообменники 12 могут быть не пластинчатыми, а трубчатыми и кожухотрубными теплообменниками.
Вентилятор 28 можно устанавливать не на дне бака 30, а на крышке 34. В этом случае необходимо изменить циркуляцию первичного теплоносителя, выходящего из теплообменников 12. Кольцевой коллектор 16 продолжают вверх до вентилятора 28 и перегораживают, чтобы образовать восходящую часть, направляющую первичный теплоноситель к вентилятору 28, и нисходящую часть, направляющую первичный теплоноситель от вентилятора 28 к выходу 6.
Удаление блока 94 в этом случае является более сложным, так как необходимо демонтировать вентилятор 28 перед снятием крышки 34 корпуса 2.
Теплообменная установка может содержать больше или меньше восьми теплообменников 12.
Входы 8 вторичного теплоносителя можно расположить в верхней части верхнего кольца 36, при этом выходы 10 вторичного теплоносителя следует располагать под теплообменниками 12.
Первичный теплоноситель может циркулировать от входа 4 к теплообменникам 12 в кольцевом коллекторе 16 и возвращаться из теплообменников к выходу 6 через центральный коллектор.
Первичный теплоноситель может циркулировать от входной камеры 22 через осевые каналы 18 и 20 в выходную камеру 24, и в этом случае вторичный теплоноситель будет циркулировать в центральном коллекторе 14 и в кольцевом коллекторе 16.
Первичный теплоноситель может быть не чистым гелием, а смесью гелия и азота. Первичный теплоноситель может также в основном содержать воду.
Вторичный теплоноситель может быть, по существу, чистым гелием или смесью гелия и азота (например, 20% гелия и 80% азота или 40% гелия и 60% азота). Вторичный теплоноситель может также в основном содержать воду и испаряться в теплообменной установке. В этом случае теплообменная установка выполняет функцию парогенератора.
Следует отметить, что описанная выше теплообменная установка 1 имеет много оригинальных признаков, которые могут быть объектом защиты независимо друг от друга.
Так, можно предусмотреть, чтобы установка 1 содержала механический блок, извлекаемый в виде единой детали, такой как 94, тогда как осевые коллекторы 18 и 20 соединяют с входами 8 и выходами 10 при помощи соединительных трубопроводов, а не через камеры, такие как 22 и 24. В этом случае конечные части соединительных трубопроводов можно отсоединять от входов и выходов 8 и 10 вручную, например, из свободного пространства между крышкой 34 и теплообменниками 12 и из свободного пространства, находящегося между конусным кожухом 100 и теплообменниками 12. Эти конечные части откидывают внутрь соединительных трубопроводов или полностью от них отсоединяют и вручную удаляют из корпуса 2.
Точно так же можно предусмотреть, чтобы установка 1 содержала теплообменники 12, оборудованные профилями 68, описанными выше, тогда как осевые коллекторы 18 и 20 не соединяют с входами 8 и выходами 10 через камеры 22 и 24, и/или чтобы установка не содержала съемного блока 94.