ОХЛАДИТЕЛЬ РАСПЛАВА ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
COOLING UNIT OF COOLANT MELT

Изобретение относится к области теплотехники тяжелых жидкометаллических теплоносителей (расплавов свинца и его сплавов) и может быть использовано в исследовательских, испытательных стендах и установках атомной техники с реакторами на быстрых нейтронах.
При создании охладителей расплавов свинца и его сплавов всегда необходимо разрешать противоречие, заключающееся в следующем. Необходимо, с одной стороны, обеспечивать отвод от высокотемпературного расплава жидкого металла, задаваемое варьируемое количество тепла, поддерживая необходимую температуру расплава на выходе из охладителя. С другой стороны, необходимо исключить возможность замерзания расплава жидкого свинца (температура плавления свинца - 326°C, эвтектики свинец-висмут - 125°C) при всех изменениях температуры и расхода жидком металлического теплоносителя на входе в охладитель.
2
Применение в охладителях расплава жидкометаллического теплоносителя традиционной теплоотводящей среды - воды, возможно только при ее давлении существенно выше атмосферного; для охлаждения воды и для исключения застывания расплава свинца давление воды должно быть более 200 кгс/см, что существенно усложняет конструкцию охладителя и контура его циркуляции. Применение в охладителе другой традиционной теплоотводящей среды - воздуха, учитывая его теплофизические свойства, требует значительных поверхностей теплообмена, что существенно увеличивает массогабаритные характеристики охладителя и его стоимость, сложнее решается проблема первоначального разогрева охладителя до температуры выше температуры плавления жидкометаллического теплоносителя перед вводом охладителя в работу. Поддержание постоянной температуры жидкого металла при варьируемых расходе и температуре теплоносителя на входе в охладитель возможно только за счет широкого диапазона расходов воздуха и, соответственно, изменения аэродинамического сопротивления охладителя, что существенно усложняет его конструкцию и контур циркуляции.
Известен теплообменник, содержащий корпус с крышкой, с патрубками входа и выхода теплообменивающихся жидкостей и пучок теплообменных U-образных труб, закрепленных в трубной доске (Патент RU №2383838, МПК F28D 7/00, опубл. 10.03.2010).
К недостаткам этого технического решения относятся: недостаточная эффективность регулирования теплообмена и возможное замерзание тяжелого жидкометаллического теплоносителя при операциях ввода и вывода теплообменника из действия.
Известна ядерная энергетическая установка, содержащая реактор со свинцовым теплоносителем или его сплавами, с размещенными под свободным уровнем теплоносителя активной зоной, парогенераторами, средствами циркуляции, системой защитного газа и теплообменником системы расхолаживания (Свидетельство на полезную модель RU №24748 МПК G21C 9/00 опубл. 20.08.2002).
Теплообменник системы расхолаживания представляет собой капал, заглубленный под свободный уровень теплоносителя, концевой участок которого размещен на уровне входа в напорную камеру активной зоны реактора, выходной конец сообщен с атмосферой через систему вытяжной вентиляции, например, через вытяжную трубу. На сообщенном с атмосферой входном участке установлено сопло, суженная часть которого соединена через арматуру с расположенной выше сопла водяной емкостью. Однако по своему конструктивному исполнению он не может служить прототипом.
В качестве прототипа принят теплообменник (Патент RU №2378593, МПК F28D 7/00, опубл. 10.01.2010), который может быть использован в ядерной энергетической установке. Теплообменник содержит корпус с патрубками подвода и отвода жидкометаллического теплоносителя, трубную теплообменную систему с патрубками подвода охлаждающей воды и отвода воздушно-паровой смеси. Входной участок труб теплообменной системы расположен в камере, образованной крышкой и трубной доской.
Однако в этом техническом решении недостаточна эффективность регулирования теплообмена.
Решаемая задача - совершенствование конструкции охладителя расплава жидкометаллического теплоносителя.
Технический результат - повышение эффективности регулирования теплообмена. Технический результат достигается тем, что в охладителе расплава жидкометаллического теплоносителя, содержащем корпус с патрубками подвода и отвода жидкометаллического теплоносителя, трубную теплообменную систему с патрубками подвода охлаждающей воды и отвода воздушно-паровой смеси, перед патрубком подвода охлаждающей воды установлен регулятор ее расхода, а перед ним - задатчик температуры, вход которого соединен с выходом термопреобразователя, установленного на патрубке отвода жидкометаллического теплоносителя, на входном участке труб теплообменной системы установлено устройство ввода капель воды в поток воздуха.
Обеспечивается надежное поддержание заданной температуры жидкометаллического теплоносителя при всех возможных изменениях его расхода и температуры на входе в охладитель, исключение замерзания жидкометаллического теплоносителя при всех возможных режимах его работы.
Изобретение поясняется чертежом, где схематично изображен охладитель расплава жидкометаллического теплоносителя.
Охладитель расплава жидкометаллического теплоносителя содержит теплообменный модуль, состоящий из корпуса 1 с крышкой, патрубка 2 подвода и патрубка 3 отвода тяжелого жидкометаллического теплоносителя, трубную теплообменную систему 4 в виде трубок Фильда; выходные патрубки 5 линии отвода воздушно-паровой смеси, сообщенные с атмосферой, устройство 6 ввода капель воды в поток воздуха, компрессор и подводящие патрубки, линию 7 с патрубком подвода охлаждающей жидкости (воды), на которой установлен регулятор 8 расхода воды, управляемый от задатчика 9 температуры и сигнала термопреобразователя 10, установленного в выходном потоке жидкометаллического теплоносителя на патрубке 3 отвода теплоносителя. Вход задатчика 9 температуры соединен с выходом термопреобразователя 10.
Работа охладителя в технологическом режиме осуществляется следующим образом:
Начинается подача воды из линии 7 подвода воды в устройство 6 ввода капель воды в поток воздуха, куда одновременно начинается подача воздуха из компрессора в линию 11 подачи воздуха. В устройстве 6 ввода капель воды образуется водовоздушный поток с мелкодисперсной водной средой, взвешенной в потоке, который поступает в теплообменную систему 4 в виде трубок Фильда и, пройдя цикл нагревания, паровая смесь через патрубки 5 линии отвода воздушно-паровой смеси отводится в атмосферу. При изменении расхода жидкометаллического теплоносителя или при изменении температуры теплоносителя на выходе из охладителя происходит регулирование подачи воды с помощью регулятора 8 расхода воды, управляемого от задатчика 9 температуры и сигнала термопреобразователя 10, установленного в выходном потоке жидкометаллического теплоносителя. При выводе охладителя из действия прекращают подачу воды, затем отключают линию 11 подачи воздуха от компрессора. Остатки жидкометаллического теплоносителя дренируют через патрубок 12.
Охладитель предлагаемой конструкции позволит повысить безопасность эксплуатации и эффективность регулирования теплоотвода от тяжелого жидкометаллического теплоносителя за счет испарения мелкодисперсной фазы воды в системе теплообмена в виде трубок Фильда, а также исключить замерзание высокотемпературного теплоносителя при операциях ввода и вывода охладителя из действия. Применение данной системы позволит уменьшить массогабаритные характеристики охладителя по сравнению с известными воздушными теплообменниками за счет уменьшения теплообменных поверхностей необходимых для обеспечения охлаждения жидкометаллического теплоносителя, обеспечит удобство и простоту эксплуатации.
Анализ аналогов показывает, что предлагаемое решение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень», а лабораторные испытания подтвердили его промышленную применимость. Охладитель преимущественно может быть использован для исследовательских, испытательных стендов и установок.