一种用于液态金属与超临界气体的换热器

1.本发明属于换热器技术领域，是一种用于液态金属与超临界气体的换热器，特别是液态铅铋合金与超临界二氧化碳两种特殊工质之间换热的特殊芯体结构。


背景技术：

2.目前，以液态铅铋合金为冷却工质的小型高效核动力反应堆是国际上核能发展的前沿领域，因此涉及到液态铅铋合金能量交换的换热器也备受关注，现阶段研究较多的是管壳式换热器，采用管壳式换热器将液态铅铋合金热量传递给水、氦气、及二氧化碳等工质，换热后可得到高压高温的水蒸气、氦气及二氧化碳，并对转机进行做功，进而实现机械能到电能的转换。
3.承受高温高压的管壳式换热器广泛应用于火电发电系统中，如高压加热器、低压加热器等都采用管壳式换热器，但一直存在着换热器换热效率相对较低，换热器体积大的问题。随着技术的进步，印刷电路板换热器(pche)开始在火电系统中应用，换热器效率明显提高，pche的体积只是有管壳式换热器的十分之一左右。但因液态铅铋熔点125℃，粘度是水的2倍左右，密度超过水的10倍，因此常规的pche换热器并不能应用于液态铅铋合金和水、氦气、及二氧化碳等工质之间的换热。


技术实现要素：

4.本发明目的是为应用液态金属与超临界气体的布雷顿循环发的电系统提供一种一种高效、紧凑、安全的换热器。
5.本发明的目的是这样实现的：包括换热器壳体、设置在换热器壳体上的两组换热器封头、设置在换热器壳体内的换热器芯体和支撑换热器壳体的换热器支架，换热器芯体包括液态金属换热板、超临界气体换热板及端板，两组换热器封头分别是液态金属进、出口封头和超临界气体进、出口封头，两组换热器封头均连接对应的管接头和法兰，且两种换热板均采用d型通道。
6.本发明还包括这样一些结构特征：
7.1.液态金属换热板、超临界气体换热板的d型通道的个数比是1:2或1:3。
8.2.液态金属为液态铅铋合金、液态汞、液态铅、液态钠钾合金或熔盐，超临界气体为二氧化碳、水蒸气、氦气。
9.3.超临界气体由入口管接头进入换热器封头，然后流入换热器芯体中的超临界气体换热板中，将热量传递给超临界气体换热板，并加热液态金属换热板，当液态金属换热板温度超过125℃后，液态金属管路阀门打开，液态金属由入口管接头进入换热器封头，然后流入换热器芯体中的液态金属换热板中，液态金属和超临界气体在换热器芯体中完成热交换，换热后的液态金属进入换热器封头，通过出口管接头流出换热器，换热后的超临界气体进入换热器封头，通过出口管接头流出换热器，进而实现了液态金属和超临界气体高效换热。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所提出的一种用于液态铅铋合金与超临界二氧化碳的换热器，采用特殊结构的换热器芯体，可以实现液态铅铋和二氧化碳高效的换热，并具有结构紧凑的特点，相比于管壳式换热器体积明显减小。本发明可以实现液态铅铋合金与超临界二氧化碳高效换热，优点如下：
11.(1)换热效率高，安全性高，设备结构紧凑，占地面积小，易于布置；
12.(2)液态铅铋侧采用大当量直径d型通道，防止液态铅铋合金堵塞通道，二氧化碳侧通道采用微通道形式，可以有效增大换热面积，利于提升液态铅铋合金与超临界二氧化碳换热效率；
13.(3)液态铅铋合金大当量直径d型通道采用机械精加工制备，超临界二氧化碳侧微通道采用蚀刻技术，两种换热板采用不同加工工艺，采用扩散焊工艺焊接为一整体换热器芯体，芯体焊接质量可以得到保证，换热器芯体强度高；
14.(4)液态铅铋合金与超临界二氧化碳换热板组成芯体装配到换热器壳体内，换热器安全性得到双重保证；
15.(5)该换热器配备支架，保证换热器装配后为倾斜布置，确保换热器在系统停运后液态铅铋合金可以排放干净，不会出现堵塞液态铅铋合金d型流道的现象；
16.(6)换热器两端封头为液态铅铋合金换热器专用的设计结构，保证系统停运后封头内不积存铅铋合金。
附图说明
17.图1是换热器主视图；
18.图2是换热器俯视图；
19.图3是芯体主视图；
20.图4是芯体俯视图；
21.图中：1换热器壳体；2换热器芯体；2-1二氧化碳换热板；2-2液态铅铋合金换热板；2-3芯体端板；3液态铅铋合金进口封头；3-1液态铅铋合金进口管接头；3-2液态铅铋合金进口法兰；4液态铅铋合金出口封头；4-1液态铅铋合金出口管接头；4-2液态铅铋合金出口法兰；5超临界二氧化碳出口封头；5-1超临界二氧化碳出口管接头；5-2超临界二氧化碳出口法兰；6超临界二氧化碳进口封头；6-1超临界二氧化碳进口管接头；6-2超临界二氧化碳进口法兰；7换热器支架。
具体实施方式
22.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
23.本发明结合液态铅铋合金与超临界二氧化碳给出本发明的实施案例：所提出一种用于液态铅铋合金与超临界二氧化碳换热的换热器，包括换热器壳体、换热器封头、管接头、法兰、及换热器芯体，换热器芯体由液态铅铋合金换热板、超临界二氧化碳换热板及端板组成，两种工质的换热板上都采用d型的直流道，液态铅铋合金换热板上的d型通道采用机械精加工方式制成，d型流道直径5～10mm，超临界二氧化碳换热板上的d型直通道采用蚀刻技术制成，d型流道直径1～3mm，本发明中以一个液态铅铋合金流道与两个超临界二氧化碳流道相对应进行方案说明，液态铅铋合金换热板和超临界二氧化碳换热板采用扩散焊的
方法焊接，两种工质换热板为交替叠放，换热器芯体上、下两侧都焊接端板增加芯体强度，换热器芯体放置在换热器壳体内，可进一步提升换热器整体安全性。换热器方案见附图1～4。
24.需要说明的是，以上介绍的是本发明的实施方案而并非限制。任何对本发明技术法案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术法案的精神和范围，均应该涵盖在本发明的权利要求范围之内。具体包含内容如下：
25.(1)该发明专利所提出的液态铅铋合金与超临界二氧化碳换热器，也适用于液态铅铋合金与水、水蒸气、氦气等工质之间换热；
26.(2)该种换热器换热板d型流道不限于直通道，也可采用s通道或z通道等形式；
27.(3)该换热器液态铅铋合金换热板的1个d型通道不仅可以与超临界二氧化碳换热板2个d型通道对应，也可以与多个二氧化碳换热板d型流道相对应；
28.(4)该发明专利换热器液态铅铋合金换热板不仅适用于液态铅铋合金，也适用于液态汞、液态铅、液态钠钾合金及熔盐等工质；
29.(5)该发明专利所提出换热器的超临界二氧化碳换热板不仅适用于二氧化碳，也适用于水蒸气、氦气等工质；
30.(6)该换热器不限于四代小堆发电系统中应用，也可应用于鱼雷、航空航天、光热发电系统等特殊设备及场所，其可广泛应用于涉及到液态金属传热的换热设备中。
31.本发明提供了一种用于液态铅铋合金和超临界二氧化碳换热器，换热器方案见图1～4。
32.该换热器主要由换热器壳体、换热器芯体、液态铅铋合金进出口封头、液态铅铋合金进出口管接头、液态铅铋合金进出口法兰、超临界二氧化碳进出口封头、超临界二氧化碳进出口管接头、超临界二氧化碳进出口法兰、及换热器支架等组成。
33.换热器芯体又由液态铅铋合金换热板、超临界二氧化碳换热板及换热器芯体端板组成。
34.结合液态铅铋合金与超临界二氧化碳换热器方案图对本发明方案进行详细的说明：
35.换热系统启动：超临界二氧化碳由入口管接头6-1进入换热器封头6，然后流入换热器芯体2中的超临界二氧化碳换热板2-1中，将热量传递给二氧化碳换热板，并加热液态铅铋合金换热板，当液态铅铋合金换热板温度超过125℃后，液态铅铋合金管路阀门打开，高温液态铅铋合金由入口管接头3-1进入换热器封头3，然后流入换热器芯体2中的液态铅铋合金换热板2-2中，液态铅铋合金和超临界二氧化碳在换热器芯体2中完成热交换，换热后的液态铅铋合金进入换热器封头4，通过出口管接头4-1流出换热器，换热后的超临界二氧化碳进入换热器封头5，通过出口管接头5-1流出换热器，进而实现了液态铅铋合金和超临界二氧化碳高效换热。
36.换热系统停止：液态铅铋回路停止工作后，维持超临界二氧化碳系统继续运行，利用换热器倾斜布置的特征将液态铅铋合金排出换热器芯体及封头，直至换热器内液态铅铋合金完全排空，此时可停止二氧化碳系统。
37.该换热器可以实现液态铅铋合金与超临界二氧化碳高效、安全的换热，同时也可以实现液态汞、钠钾合金及熔盐与超临界二氧化碳、水、水蒸气、及氦气的高效换热，该换热
器不仅可应用与四代小堆发电系统中，也可应用于太阳能发电、核潜艇和鱼雷等系统或设备中。