超高温超高压孔道式换热器/蒸发器设计方案的制作方法

(一)技术领域：

本发明是一种适用于极端高温或极端高压的新型换热器/蒸发器设计方案，利用换热单元模块内部设置的特制孔道进行换热，称作孔道式换热器/蒸发器。以传热材料热传导为主的小孔或微孔的孔道间热量交换，传热系数高，传热温差小，在极端高温或极端高压条件下孔道间可安全稳定传热，具有高效简易、安全可靠的特点，属于传热设备技术领域，主要应用领域为核电火电、石油化工、化工医药、冶金能源、食品电子等。

(二)

背景技术：

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核电蒸汽发生器(steamgenerator)是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备，在核反应堆中，核裂变产生的热量由冷却剂带出，通过蒸汽发生器将热量传递给二回路工质，使其产生具有一定温度、一定压力和一定干度的蒸汽。此蒸汽再进入汽轮机中做功，转换为电能或机械能。在这个能量转换过程中，蒸汽发生器既是一回路的设备，又是二回路的设备，所以被称为一、二回路的枢纽。核电蒸汽发生器也是核电站最为关键的主要设备之一，蒸汽发生器与反应堆压力容器相连，不仅直接影响电站的功率与效率，而且在进行热量交换时，还起着阻隔放射性载热剂的作用，对核电站安全至关重要。因此，蒸汽发生器执行安全一级等级、i类抗震类别、一级规范级别和质量保证一级的质量要求，其材料和制造的高技术含量均为当代制造业之最。

核电蒸汽发生器作为核岛一回路主设备，主要功能有：将一回路冷却剂的热量通过传热管传递给二回路给水，加热给水至沸腾，经过汽水分离后产生驱动汽轮机的干饱和蒸汽；作为一回路压力边界，承受一回路压力，并与一回路其他压力边界共同构成防止放射性裂变产物溢出的第三道安全屏障；在预期运行事件、设计基准事故工况以及过度工况下保证反应堆装置的可靠运行。实际运行经验表明，蒸汽发生器能否安全、可靠的运行，对整个核动力装置的经济性和安全可靠性有着十分重要的影响。

压水堆核电站通常采用立式、自然循环、u型管、管壳式蒸汽发生器。u形管式换热器是指管束由弯管半径不等的u形管组成且管子两端都固定在同一管板上的管壳式换热器。由于每根u形管可自由伸缩，管束与壳体之间不会产生温差应力。壳程内设置折流板、纵向隔板等。折流板由拉杆固定。纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向以增加壳程介质流速。其结构比固定管板式换热器复杂，比浮头式换热器简单。

压水堆核电站用u型管管壳式蒸汽发生器其工作原理为：从反应堆流出的冷却剂经一回路热管段由蒸汽发生器的下封头的进口接近进入水室，然后在倒u型管束内流动，倒u型管的外表面与二回路给水接触，传热给二回路水，并使其汽化，完成一、二回路间的热交换。一回路冷却剂携带的热量传给二回路后，温度降低，再经过过下封头的出口水室和出口接管，流向一回路的过度管道然后进入主泵的吸入口。二回路的给水由蒸汽发生器的给水接管进入给水环管，通过环管上的一组倒j形管进入下筒体与管束套筒之间的环状空间(即下降通道)，与汽水分离器分离出的水混合后向下流动，直至底部管板，然后转向，沿着倒u型管束的管外(即上升通道)向上流动，被传热管内流动的一回路冷却剂加热，一部分水蒸发成蒸汽。汽水混合物离开倒u型管束顶部继续上升，依次进入旋叶式汽水分离器和干燥器，经汽水分离后，蒸汽从蒸汽发生器的顶部出口流向汽轮机做功，分离出来的水则往下与给水混合进行再循环。蒸汽发生器二回路侧流体流动通常是依靠自然循环驱动的；管束套筒将二次侧的水分为上升通道和下降通道；下降通道内流动的是低温的水与汽水分离器分离出来的饱和水混合物，属单相水(过冷水)，而上升通道流动的是汽水混合物，在相同的压力下，单相水的密度大于汽水混合物的密度，两者密度差导致管束套筒两侧产生压差，驱动下降通道的水不断流向上升通道，建立自然循环。

据压水堆核电厂事故统计显示，蒸汽发生器在核电厂事故中居首要地位。一些蒸汽发生器的可靠性是比较低的，蒸发器破管对核电厂的安全性、可靠性和经济效益有重大影响。因此，各国都把研究与改进蒸汽发生器当做完善压水堆核电厂技术的重要环节，并制定了庞大的科研计划，主要包括蒸汽发生器热工水力分析；腐蚀理论与传热管材料的研制；无损探伤技术；振动、磨损、疲劳研究；改进结构设计，减少腐蚀化学物的浓缩；改进水质控制等。

高温气冷堆核电站选用螺旋盘管式蒸发器。蒸汽发生器是联结并隔离一回路和二回路的核心换热设备，执行安全一级等级、抗震i类、质保qa1等级。主要功能是将核反应堆堆芯产生的热量由一回路传输二回路，产生过热蒸汽推动汽轮机做功并通过发电机发电。高温气冷堆蒸发器采用了立式、直流逆流组件式设计结构，与反应堆压力容器成肩并肩式布置，与主氦风机一起放置在蒸发器承压壳体内。蒸发器换热单元位于承压壳体的下部，主要由换热组件、主蒸汽连接管束、主给水连接管束、管箱、保温层、承重板、定位板、内部构件承重筒、热补偿组件、冷氦气上升管、连接法兰和其它内部构件等组成。单台蒸发器由19个换热组件构成换热单元，每个换热组件有35根换热管，换热管布置在外套筒与中心管之间的环形空间。换热管采用螺旋盘管结构，每个换热组件有5层螺旋盘管式换热管，从里往外，每层的换热管数依次为5、6、7、8、9根。相邻两层螺旋盘管的缠绕方向相反，每层传热管束通过三组支承结构进行固定。为了提高设备经济性，换热管材料采取了分段选材；换热管预热段、蒸发段和一小部分过热段采用成熟便宜的t22管材，换热管的高温过热段采用了高温合金管材。为了提高蒸发器紧凑度，减少蒸发器换热面积和体积，在一次侧与二次侧的流动方式上选择了逆流布置方式。为了满足换热管内气液两相流稳定性要求及各换热管之间流量分配要求，在蒸发器每根换热管的入口处加装了节流阻力件。

螺旋盘管式换热器/蒸发器是由一组或多组缠绕成螺旋状的管子置于壳体之中制成的；螺旋绕管式换热器的制造是先将多根换热管制成盘管，然后将管盘叠落在中心圆管上；管盘中的换热管由内向外呈螺旋缠绕。在换热过程中，高压的工作介质水和水蒸气自下而上通过螺旋状的管程，而低压工作介质氦气则由上往下通过壳程，两股工作介质在轴向逆向流动。在换热过程中，高压流体走内管，而低压流体则从外管之间的缝隙逆向通过。这种结构虽然保证流体是逆流换热，但由于两流程中存在较多的气流死区影响了换热效果，从而总的传热效率还是很低。螺旋盘管蒸发器设计特点是结构紧凑、传热面积比直管大，温差应力小，但管内的清洗较困难，可用于较高粘度的流体加热或冷却。

高温气冷堆具有固有安全特性，一回路工作介质参数较高，氦气出口温度达到750℃，完全支持二回路超超临界参数高效发电，以改善商业工程项目经济性。高温气冷堆超超临界参数发电除了高温合金材料难以选择之外，螺旋盘管蒸汽发生器二回路工作介质在25mpa～35mpa工作压力，600℃～700℃工作温度范围内承压可靠性不足，长期运行易发生破管事故是主要的制约因素。这是因为，螺旋盘管蒸发器高温端部件如传热管、管板、中心承重筒等，耐受750℃工作温度的高温合金材料其高温持久强度和高温蠕变性能通常数值不高(如高温合金材料760℃高温持久强度约为100mpa左右)，在此数值基础上再叠加要求传热管承受超高压力，传热管壁厚会成倍增加，传热系数却成倍减小，蒸发器设备造价亦会随之成倍上升，同时设备承压可靠性却呈陡降趋势，高温端破管概率上升。

未来用于制氢和氢冶炼的超高温气冷堆一回路工作介质参数将提升至950℃，需要通过氦气中间换热器将热量输送至900℃中间氦气回路，这样苛刻的极端高温对高温气冷堆蒸汽发生器的设计运行提出了更为严峻的挑战。

未来压水堆核电站也面临超超临界发电的市场要求，u型管管壳式蒸发器在技术上也无法胜任极端高温或极端高压的传热需求。即便面对目前一回路的工作压力和工作温度，由于传热管材料无法随温度场梯级使用，u型管管壳式蒸发器在设计制造上其成本造价也是高昂的，具有造价降低三分之一的设计潜力。

不足之处：无论是压水堆u型管蒸发器，还是高温气冷堆螺旋盘管蒸发器，管壳式蒸发器在极端高温或极端高压苛刻的情况下，或者超高温、超高压同时要求严苛的情况下(比如超超临界发电参数)，其设计方案暴露了设备可靠性不足，易导致传热管破管，甚至发生大破口事故的软肋，对核反应堆安全性构成威胁；且传统设计方案的设备造价过于昂贵，严重影响项目经济性。

(三)

技术实现要素：

本发明提出一种适用于极端高温或极端高压的全新换热器/蒸发器设计方案，利用换热单元模块内部设置的孔道进行换热，称作孔道式换热器/蒸发器。以传热材料热传导为主的小孔或微孔的孔道间热量交换，传热系数较高；在极端高温或极端高压条件下孔道间可安全稳定传热，具有高效简易、安全可靠的特点。

超高温超高压孔道式换热器/蒸发器设计方案如图1、图2所示，主要包括换热单元(1)、一次侧孔道(t1)、二次侧孔道(t2)、一次侧折流板(2)、二次侧折流板(3)、承压內筒(4)、內筒绝热层(5)、绝热层固定筒(6)、承压外筒(7)、一次侧入流管道(8)、入流管绝热层(9)、入流绝热固定筒(10)、一次侧回流管道(11)、二次侧入流管道(12)、二次侧出流管道(13)、出流管绝热层(14)、出流绝热固定筒(15)、內筒顶封头(16)、內筒封头绝热层(17)、绝热固定封头(18)、內筒底封板(19)、外筒顶封头(20)、外筒底封头(21)、承压外筒法兰(22)、承压封头法兰(23)、承压法兰密封环(24)、承压法兰紧固件(25)、一次侧工作介质强制循环泵或风机(26)、半球形盲板法兰(27)、盲板法兰密封(28)、盲板法兰紧固件(29)，其主要结构特征是换热单元(1)的两个工作面(a1，a2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置一次侧孔道(t1)，一次侧孔道数量、尺寸、形状、路径、弯直、流阻、位置关系、形位公差、表面粗糙度通过设计计算确定；另外两个工作面(b1，b2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置二次侧孔道(t2)，二次侧孔道数量、尺寸、形状、路径、弯直、流阻、位置关系、形位公差、表面粗糙度通过设计计算确定；一次侧工作介质从一次侧入流管道(8)引入后在换热单元一次侧孔道(t1)内流动，热量交换完成(散热)后从一次侧回流管道(11)流出；二次侧工作介质从二次侧入流管道(12)引入后在换热单元二次侧孔道(t2)内流动，热量交换完成(吸热)后从二次流出流管道(13)流出；一次侧孔道和二次侧孔道互不贯通且在一定温度条件下具备一定的承压(一次侧工作介质与二次侧工作介质之间的工作压差)能力；实现一次侧工作介质和二次侧工作介质以换热单元材料热传导为主、热辐射和热对流为辅部分逆流对流传热功能。

本发明的技术原理是：在换热单元内部设置形成的小孔或微孔紧贴式多层金属热传导传热，传热系数远高于管壳式传热管壁面热辐射传热；以传热材料热传导为主的小孔或微孔的孔道间热量交换，不仅传热系数较高，在极端高温或极端高压条件下孔道间可安全稳定传热，且高效简易、安全可靠；同等尺寸和材料的条件下，孔道式换热器可以实现多层孔道的密集紧凑设置，而管壳式换热器受两端管板孔桥强度制约无法紧凑布置传热管，多层孔道壁面传热面积比传热管壁面面积大幅度增加；同等换热能力的条件下，孔道式换热器比管壳式换热器能够实现更小的一次侧和二次侧换热温差。孔道式换热器/蒸发器具有高热效能特点，只交换热量不交换工作介质；不仅可以实现极端高温或极端高压苛刻工作介质条件下的传热，且比以热辐射为主、热传导和热对流为辅的管壳式传热器传热效率高，一次侧和二次侧实现传热温差小；与同等传热能力的管壳式换热器相比，孔道式换热器的体积、重量和成本减少三分之一以上。在适宜的换热单元材料选择加之适宜的传热孔道设计选择情况下，换热单元能够支持不超过1000℃极端高温或不超过1000公斤极端高压严苛传热条件下传热。特殊传热结构设计和材料选择情况下，一次侧或二次侧支持多股工艺流合并至一个流道内实现传热功能。

如图2所示，多个换热单元(1)通过非工作面c1/c2单面或双面组焊或增材制造串联构成一个换热单元组，辅之以焊接或增材制造一次侧折流板(2)、承压內筒(4)、一次侧入流管道(8)、內筒顶封头(16)、內筒底封板(19)形成连续折返的一次侧工作介质流道(l1)；辅之以焊接或增材制造的二次侧折流板(3)、承压內筒(4)、二次侧入流管道(12)、二次侧出流管道(13)、內筒顶封头(16)、內筒底封板(19)形成连续折返的二次侧工作介质流道(l2)，其主要结构特征是通过多个换热单元的梯级连续传热实现巨大温差传热和温度骤变传热。

承压內筒(4)和內筒顶封头(16)靠近承压外筒(7)一侧设置內筒绝热层(5)以及內筒封头绝热层(17)，其主要结构特征是阻断一次侧和二次侧热端高温工作介质的热量通过承压內筒和內筒顶封头热传导和热辐射向承压外筒冷端损失，提高工作介质流道的传热效能。一次侧入流管道(8)、二次侧出流管道(13)同理设置入流管绝热层(9)和出流管绝热层(14)阻断热量损失，各处绝热层分别用绝热层固定筒(6)、绝热固定封头(18)、入流绝热固定筒(10)、出流绝热固定筒(15)紧贴密实固定，其主要结构特征是防止设备运行全寿期内绝热层破损失效及绝热材料飞逸扩散。

承压外筒(7)与承压内筒(4)之间，一次侧回流管道(11)和一次侧入流管道(8)之间形成一次侧冷端工作介质回流流道(l3)并通过一次侧回流管道(11)流出，其主要结构特征是在承压外筒(7)作为一次侧工作介质冷端包围一次侧工作介质热端承压内筒(4)，一次侧回流管道(11)作为一次侧工作介质冷端包围一次侧工作介质热端一次侧入流管道(8)，实现“冷包热”设计理念。原则上通常把压力较低的工作介质选作一次侧工作介质，这样承压外筒仅承受热量交换后的低温低压一次侧冷端工作介质，降低了材料选择的难度，通常可以选择较为成熟的耐热钢承压材料。在一次侧和二次侧极端高温的情况下，虽然承压內筒(4)承受较高的温度，高温合金材料选择面受限，但由于承压內筒(4)仅承受一次侧和二次侧之间的工作压差，与单纯承受较大的二次侧高压所需要的承压內筒相比，大幅度减少了昂贵的高温合金材料用量，一定程度上降低了换热器或蒸发器的设备造价。

串联的换热单元(1)组內部，随着一次侧工作介质和二次侧工作介质连续折返传热，一次侧工作介质流道(l1)和二次侧工作介质流道(l2)的温度场随着工作介质流场呈逐渐递减下降的趋势；换热单元(1)和承压內筒(4)可以依据温度场下降的程度和方向梯级配置选择合适的耐热承压材料，比如在极端高温段选择昂贵的高温合金材料，普通高温段和中温段选择较为成熟的耐热承压材料，低温段选择造价较为低廉的承压材料。

承压外筒(7)、外筒顶封头(20)、外筒底封头(21)、承压外筒法兰(22)、承压封头法兰(23)、承压法兰密封环(24)、承压法兰紧固件(25)构成一次侧冷端工作介质承压壳体压力边界，法兰用于打开承压壳体在役检查承压內筒焊缝，检查、维修或堵塞孔道；外筒底封头(21)处设置半球形盲板法兰(27)、盲板法兰密封(28)、盲板法兰紧固件(29)，用于一次侧工作介质强制循环泵或风机(26)检修，防止一次侧工作介质泄露，特别适用于带有放射性的一次侧工作介质。承压外筒内壁上部设置“吊篮”或下部设置“牛腿”以便将换热单元的重量通过外筒传递給外部基础或支撑，吊篮和牛腿内部嵌入弹簧阻尼器(实心弹簧、空心弹簧、碟簧等)以吸收换热单元热态工作条件下产生的热膨胀。

用于传热的孔道通常依据结构材料的传热性能及工作介质的承压功能来具体设计，同时兼顾孔道加工工艺便利性，有时候还需要考虑孔道的流阻特性。如图1所示，孔道的截面形状通常可以是圆形、长圆形、椭圆形、半圆形，矩形、菱形、三角形、多边形、不规则形状等；孔道沿工作介质流动方向亦可设计为非等截面形状，如连续锥形孔道；非圆形状的孔道在加工过程中容易产生应力集中和微观缺陷，高压流体的工作条件下不推荐选用；优先推荐圆形、长圆形、椭圆形和半圆形孔道截面，一次侧和二次侧孔道的椭圆长轴直径(2a)和半圆直径弦(2r)平行于换热单元非工作面c1\c2，其椭圆短轴直径(2b)和半圆半径轴(r)垂直于换热单元非工作面c1\c2，这样在保证传热系数和承压功能的情况下可以增加换热孔道的数量，从而增加换热面积。孔道的内部流道可以“理解为”或等同于传热管的内壁管，两者功能结构完全类似，孔道大小尺寸结合工作流体的传热性能和换热材料承压功能计算确定，孔道和孔道之间留有壁厚孔间桥(h1)以满足承压强度要求，一次侧孔道和二次侧孔道之间设置留有一定的“壁厚”孔道桥(h2)防止高压端工作介质向较低压力介质端泄露；通常情况下较小尺寸的小孔或微孔可以承受高压或极端高压，不会造成孔道破损漏流，但小孔和微孔的流阻较大。孔道的换热面积一般是孔道截面周长与孔道路径长度的乘积，孔道在换热单元中的路径可以是沿直线设计布置，也可以是路径弯曲设计布置；直通孔道便于多种加工方式加工成型和形位公差精度控制，弯曲孔道一般加工工艺受限且加工成本较高；孔道内壁表面粗糙度影响过流流阻，光滑内壁面流阻一般较小。

直通孔道尺寸大小和截面形状设计确定后，通常在设计图纸上应提出孔道直线度和表面粗糙度技术要求；换热单元内一般设置一次侧或二次侧多个孔道，一次侧孔道与孔道轴心线之间应提出位置度和平行度形位公差技术要求，二次侧孔道和孔道之间亦然；一次侧孔道和二次侧孔道之间应提出位置度和垂直度(或空间夹角精度)形位公差技术要求。这些加工精度要求旨在确保孔道的质量水平，防止孔道加工过程中加工偏差造成的孔道间材料壁厚减薄减弱，从而产生破管失压事故。根据孔道的尺寸大小和截面形状，通常采用深孔钻、3d打印增材制造、多层板化学蚀刻再真空分子扩散焊、线切割等方式加工成型。

(四)附图说明

附图1为本发明孔道式换热器中换热单元孔道结构示意图。

附图2为本发明在高温气冷堆或超高温气冷堆蒸汽发生器/中间换热器应用方面一种结构示意图。

附图3为本发明在压水堆核电站或超临界压水堆核电站蒸汽发生器应用方面的一种结构示意图。附图3结构示意图本质上是附图2结构示意图的一种变形设计方案，区别在于换热单元b1、b2作为非工作面，c1、c2面作为二次侧孔道工作面，多个换热单元按照工作面c面对工作面c面顺次激光窄间隙焊接或tig窄间隙焊接，形成自上而下的多级贯穿孔道。这种结构设计的好处在于孔道可以在役检查，特别适用于高压流体的传热；工作面顺次焊接的设计结构还省却了二次侧折流板和承压內筒二次侧部分。

附图4为本发明在一体化壳式压水核动力堆、核供热堆或核电站环形换热器应用方面的一种结构示意图。附图4结构示意图本质上是附图3结构示意图的一种变形简化设计方案。简化之处在于去除了承压外筒，承压內筒直接作为二回路承压边界；变形之处在于a1、a2工作面变为了外圆柱形和内圆柱形工作面(环形换热器)，或者外圆弧形柱面和内圆弧形柱面(扇形换热器)。

(五)具体实施方式

附图2是本发明在高温气冷堆或超高温气冷堆蒸汽发生器/中间换热器应用方面一种实施例。

本实施例非常适合高温气冷堆超超临界参数发电用蒸汽发生器设计方案，超高温叠加超高压技术参数是本实施例的设计难点和痛点，螺旋盘管式蒸发器设计方案在超高温超高压设计条件下传热管可靠性不够易发生破管失水事故。高温气冷堆一次侧工作介质为工作压力8mpa、工作温度750℃的热氦气，经由一次侧入流管道(8)流入首级换热单元(1)和承压內筒(4)焊接围合的半月形入流空间，由于工作介质的高压强制引入一次侧孔道(t1)，通过换热单元组孔道和一次侧折流板(2)的导引及连续折返传热后，在末级换热单元(1)与承压內筒(4)围合的半月形出流空间流出至一次侧工作介质强制循环风机(26)，进入风机的工作介质为工作压力略低于8mpa、工作温度250℃的冷氦气。二次侧为工作压力25mpa、工作温度205℃的去离子除盐水，经由二次侧入流管道(12)流入末级换热单元(1)与承压內筒(4)围合的半月形入流空间，由于高压补水泵的工作压力强制引入二次侧孔道(t2)，通过换热单元组孔道和二次侧折流板(2)的导引及连续折返预热、加热、蒸发、过热等传热活动后，在首级换热单元(1)与承压內筒(4)围合的半月形出流空间流出至二次侧出流管道(13)，形成工作压力略低于25mpa、工作温度630℃～700℃参数的过热蒸汽，用于超超临界参数发电。换热单元(1)和承压內筒(4)材料在水的预热段选择马氏体耐热不锈钢，加热段、蒸发段选择汽轮机缸体用铁素体耐热钢，过热段材料选择高温镍基合金。

本实施例亦非常适宜制氢或氢冶炼领域用超高温气冷堆中间换热器设计方案。中间回热器为超高温气冷堆的一回路承压边界，通过中间回热器只与用户回路交换热量不交换工作介质，且二次侧压力高于一次侧压力，主要功能是防止一回路放射性工作介质逸出，极端高温是超高温气冷堆中间换热器的设计难点和痛点，管壳式中间回热器结构复杂，造价昂贵，运行过程还有潜在破管风险。超高温气冷堆一次侧入流工作介质为工作压力8mpa、工作温度950℃的热氦气，与二次侧传热后形成工作压力略低于8mpa、工作温度250℃的冷氦气；二次侧入流工作介质为9mpa、工作温度200℃的冷氦气，与一次侧传热后生成工作压力略低于9mpa、工作温度为900的热氦气。其工作原理同高温气冷堆超超临界发电用蒸汽发生器技术方案。材料选择逻辑亦相似，依据温度场梯度选材。

附图3是本发明在压水堆核电站或超临界压水堆核电站蒸汽发生器应用方面的一种实施例。

本实施例比较适合压水堆核电站用蒸汽发生器设计方案，超高压叠加高温技术参数是本实施例的设计难点，u型管式蒸发器设计方案在超高压叠加高温设计条件下设计较为成熟，但经常发生传热管破管堵管事故，设备可靠性仍需提高，一万多支高温合金传热管的选用造成设备造价过于昂贵，选用孔道式蒸发器有大幅度降低造价的潜力。压水堆核电站一次侧工作介质为工作压力15.5～17.3mpa、工作温度325～340℃的热除盐水，经由一次侧入流管道(8)流入首级换热单元(1)和承压內筒(4)焊接围合的半月形入流空间，由于工作介质的高压强制引入一次侧孔道(t1)，通过换热单元组孔道和一次侧折流板(2)的导引及连续折返传热后，在末级换热单元(1)与承压內筒(4)围合的半月形出流空间流出，工作介质为工作压力略低于15.5～17.3mpa、工作温度280～290℃的冷除盐水。二次侧为工作压力6～10mpa、工作温度35℃的去离子除盐水，经由二次侧入流管道(12)流入末级换热单元(1)下工作面，由于高压补水泵的工作压力强制引入二次侧孔道(t2)，通过多个换热单元组成的直通孔道预热、加热、蒸发、干燥等传热活动后，在首级换热单元(1)上工作面流出至二次侧出流管道(13)，形成工作压力略低于6～10mpa、工作温度270℃～320℃参数的饱和蒸汽，用于汽轮机组发电。换热单元(1)和承压內筒(4)材料在水的预热段、加热段、蒸发段选择马氏体不锈耐热钢或奥氏体不锈钢，避免高温合金的使用，可大幅度降低设备成本。鉴于一次侧比二次侧压力高，孔道需要在运行期间在役检查，一次侧工作介质走直流孔道的设计方案也是合理可行的。

本实施例非常适合于超临界压水堆核电站用蒸汽发生器设计方案，超高压叠加超高温技术参数是本实施例的设计难点和痛点。u型管式蒸发器设计方案在超高压叠加超高温设计条件下传热管可靠性不够，易于发生破管失水事故；且一万多支高温合金传热管的选用造成设备造价过于昂贵，选用孔道式蒸发器有大幅度降低造价的潜力。超临界压水堆核电站一次侧工作介质为工作压力23～27mpa、工作温度580～600℃的热除盐水，经由一次侧入流管道(8)流入首级换热单元(1)和承压內筒(4)焊接围合的半月形入流空间，由于工作介质的高压强制引入一次侧孔道(t1)，通过换热单元组孔道和一次侧折流板(2)的导引及连续折返传热后，在末级换热单元(1)与承压內筒(4)围合的半月形出流空间流出，生成为工作压力略低于23～27mpa、工作温度540～566℃的冷除盐水。二次侧为工作压力23～25mpa、工作温度35℃的去离子除盐水，经由二次侧入流管道(12)流入末级换热单元(1)下工作面，由于高压补水泵的工作压力强制引入二次侧孔道(t2)，通过多个换热单元组成的直通孔道预热、加热、蒸发、干燥等传热活动后，在首级换热单元(1)上工作面流出至二次侧出流管道(13)，形成工作压力略低于23～25mpa、工作温度566℃～580℃参数的饱和蒸汽，用于汽轮机组发电。换热单元(1)和承压內筒(4)材料在水的预热段、加热段、蒸发段选择马氏体不锈耐热钢或奥氏体不锈钢，蒸发段和过热段选用高温合金，设计方案不仅高效可靠，而且可大幅度降低设备成本。鉴于一次侧比二次侧压力高，孔道需要在运行期间在役检查，一次侧工作介质走直流孔道的设计方案也是合理可行的。

附图4本发明在一体化壳式压水核动力堆、核供热堆或核电站环形换热器应用方面的一种实施例。

本实施例特别适合于一体化壳式压水核动力堆、核供热堆或核电站用环形或多个扇形组合成的环形换热器设计方案，具备热工技术原理直观，结构简单紧凑实用，传热高效且一二回路温差较小，体积重量较小易于悬挂在压力容器内壁的设计优点。一次侧工作介质为流过堆芯自然循环或强迫循环上升的热流体，上升到环形孔道换热器上工作面时，进入一次侧多个竖直孔道与二次侧流体进行热交换，从孔道换热器下工作面流出后变成冷流体；二次侧冷流体从双层套管的内外管夹层流入孔道式换热器外圆环形工作面，经过指向堆芯呈辐条状分布的多个孔道(亦可匹配设计为锥形孔道)和内圆环形工作面，连续折返预热加热后生成热流体从双层套管内管流出。

本实施例的一种变形环形孔道式换热器设计方案是，环形孔道式换热器由多个扇形孔道式换热器组合而成，与附图4实施例的差别在于，二次侧的工作面不是扇面的外曲面和内曲面，而是扇面的两个侧平面；二次侧的多个孔道呈弧形分布设置在内曲面和外曲面之间的换热单元中。扇形孔道式换热器的侧平面由于设置二回路连续折返的折流板，其传热功能和效率不如整体环形换热器。

以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。按照本发明的技术原理，普通技术人员对孔道式换热器和蒸发器设计方案可有多种变形设计。本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

技术特征：

1.一种超高温超高压孔道式换热器/蒸发器设计方案，如图1、图2所示，包括换热单元(1)、一次侧孔道(t1)、二次侧孔道(t2)、一次侧折流板(2)、二次侧折流板(3)、承压內筒(4)、內筒绝热层(5)、绝热层固定筒(6)、承压外筒(7)、一次侧入流管道(8)、入流管绝热层(9)、入流绝热固定筒(10)、一次侧回流管道(11)、二次侧入流管道(12)、二次侧出流管道(13)、出流管绝热层(14)、出流绝热固定筒(15)、內筒顶封头(16)、內筒封头绝热层(17)、绝热固定封头(18)、內筒底封板(19)、外筒顶封头(20)、外筒底封头(21)、承压外筒法兰(22)、承压封头法兰(23)、承压法兰密封环(24)、承压法兰紧固件(25)、一次侧工作介质强制循环泵或风机(26)、保压检修抽芯筒(27)、半球形盲板法兰(28)、盲板法兰密封(29)、盲板法兰紧固件(30)，其主要结构特征是换热单元(1)的两个工作面(a1，a2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置一次侧孔道(t1)，一次侧孔道数量、尺寸、形状、路径、弯直、流阻、位置关系、形位公差、表面粗糙度通过设计计算确定；另外两个工作面(b1，b2)根据换热单元材料高温高压承压强度计算和热工流体传热分析设置二次侧孔道(t2)，二次侧孔道数量、尺寸、形状、路径、弯直、流阻、位置关系、形位公差、表面粗糙度通过设计计算确定；换热单元非工作面为(c1、c2)面。

一次侧工作介质从一次侧入流管道(8)引入后在换热单元一次侧孔道(t1)内流动，热量交换完成(散热)后从一次侧回流管道(11)流出；二次侧工作介质从二次侧入流管道(12)引入后在换热单元二次侧孔道(t2)内流动，热量交换完成(吸热)后从二次流出流管道(13)流出；一次侧孔道和二次侧孔道互不贯通且在一定温度条件下具备一定的承压(一次侧工作介质与二次侧工作介质之间的工作压差)能力；实现一次侧工作介质和二次侧工作介质以换热单元材料热传导为主、热辐射和热对流为辅部分逆流对流传热功能。鉴于孔道式传热在换热单元内形成紧贴式多层金属热传导传热，传热系数远高于管壳式传热管壁面热辐射传热；同等尺寸和材料的条件下，孔道式换热器可以实现多层孔道的密集紧凑设置，而管壳式换热器受两端管板孔桥强度制约无法紧凑布置传热管，多层孔道壁面传热面积比传热管壁面面积大幅度增加；同等换热能力的条件下，孔道式换热器比管壳式换热器能够实现更小的一次侧和二次侧换热温差。孔道式换热器/蒸发器具有高热效能特点，简易实用、安全可靠，只交换热量不交换工作介质；不仅可以实现极端高温或极端高压苛刻工作介质条件下的传热，且比以热辐射为主、热传导和热对流为辅的管壳式传热器传热效率高，一次侧和二次侧实现传热温差小；与同等传热能力的管壳式换热器相比，孔道式换热器的体积和重量减少30％以上。在适宜的换热单元材料选择加之适宜的传热孔道设计选择情况下，换热单元能够支持不超过1000℃极端高温或不超过1000公斤极端高压严苛传热条件下传热。特殊传热结构设计和材料选择情况下，一次侧或二次侧支持多股工艺流合并至一个流道内实现传热功能。

多个换热单元(1)通过非工作面c1单面或c1\c2双面组焊或增材制造串联构成一个换热单元组，辅之以焊接或增材制造的一次侧折流板(2)、承压內筒(4)、一次侧入流管道(8)、內筒顶封头(16)、內筒底封板(19)形成连续折返的一次侧工作介质流道(l1)；辅之以焊接或增材制造的二次侧折流板(3)、承压內筒(4)、二次侧入流管道(12)、二次侧出流管道(13)、內筒顶封头(16)、內筒底封板(19)形成连续折返的二次侧工作介质流道(l2)，其主要结构特征是通过多个换热单元的梯级连续传热实现巨大温差传热和温度骤变传热。

承压內筒(4)和內筒顶封头(16)靠近承压外筒(7)一侧设置內筒绝热层(5)以及內筒封头绝热层(17)，其主要结构特征是阻断一次侧和二次侧热端高温工作介质的热量通过承压內筒和內筒顶封头热传导和热辐射向承压外筒冷端损失，提高工作介质流道的传热效能。一次侧入流管道(8)、二次侧出流管道(13)同理设置入流管绝热层(9)和出流管绝热层(14)阻断热量损失，各处绝热层分别用绝热层固定筒(6)、绝热固定封头(18)、入流绝热固定筒(10)、出流绝热固定筒(15)紧贴密实固定，其主要结构特征是防止设备运行全寿期内绝热层破损失效及绝热材料飞逸扩散。

承压外筒(7)与承压内筒(4)之间，一次侧回流管道(11)和一次侧入流管道(8)之间形成一次侧冷端工作介质回流流道(l3)并通过一次侧回流管道(11)流出，其主要结构特征是在承压外筒(7)作为一次侧工作介质冷端包围一次侧工作介质热端承压内筒(4)，一次侧回流管道(11)作为一次侧工作介质冷端包围一次侧工作介质热端一次侧入流管道(8)，实现“冷包热”设计理念。原则上通常把压力较低的工作介质选作一次侧工作介质，这样承压外筒仅承受热量交换后的低温低压一次侧冷端工作介质，降低了材料选择的难度，通常可以选择较为成熟的耐热钢承压材料。在一次侧和二次侧极端高温的情况下，虽然承压內筒(4)承受较高的温度，高温合金材料选择面受限，但由于承压內筒(4)仅承受一次侧和二次侧之间的工作压差，与单纯承受较大的二次侧高压所需要的承压內筒相比，大幅度减少了昂贵的高温合金材料用量，一定程度上降低了换热器设备造价。

串联的换热单元(1)组内部，随着一次侧工作介质和二次侧工作介质连续折返传热，一次侧工作介质流道(l1)和二次侧工作介质流道(l2)的温度场随着工作介质流场呈逐渐递减下降的趋势；换热单元(1)和承压內筒(4)可以依据温度场下降的程度和方向梯级配置选择合适的耐热承压材料，比如在极端高温段选择昂贵的高温合金材料，普通高温段和中温段选择较为成熟的耐热承压材料，低温段选择造价较为低廉的承压材料。

承压外筒(7)、外筒顶封头(20)、外筒底封头(21)、承压外筒法兰(22)、承压封头法兰(23)、承压法兰密封环(24)、承压法兰紧固件(25)构成一次侧冷端工作介质承压壳体压力边界，法兰用于打开承压壳体在役检查承压內筒焊缝，检查、维修或堵塞孔道；外筒底封头(21)处设置保压检修抽芯筒(27)、半球形盲板法兰(28)、盲板法兰密封(29)、盲板法兰紧固件(30)，用于一次侧工作介质强制循环泵或风机(26)保压检修，防止一次侧工作介质泄露，特别适用于带有放射性的一次侧工作介质。承压外筒(7)内壁上部与换热管元组顶端面平齐处设置“吊篮”或下部与换热单元组底端面平齐处设置“牛腿”以便将换热单元的重量通过外筒传递給外部基础或支撑，吊篮和牛腿内部嵌入弹簧阻尼器(实心弹簧、空心弹簧、碟簧等)以吸收换热单元热态工作条件下产生的热膨胀。

2.如权利要求1所述的一种超高温超高压孔道式换热器/蒸发器设计方案，如图3所示，其特征是对换热单元(1)进行变形设计，换热单元b1、b2作为非工作面，c1、c2面作为二次侧孔道工作面，多个换热单元按照工作面c面对工作面c面顺次通过大功率真空电子束焊接、大功率真空分子扩散焊焊接、大功率激光自熔焊接、激光窄间隙复合熔覆焊接或tig窄间隙焊接，形成自上而下的多级贯穿孔道。这种结构设计的好处在于孔道可以在役检查，特别适用于高压流体的传热；工作面顺次焊接的设计结构还省却了二次侧折流板和承压內筒二次侧部分。二次侧为工作介质经由二次侧入流管道(12)流入末级换热单元(1)下工作面，由于高压补水泵的工作压力强制引入二次侧孔道(t2)，通过多个换热单元组成的直通孔道预热、加热、蒸发、干燥等传热活动后，在首级换热单元(1)上工作面流出至二次侧出流管道(13)。换热单元(1)和承压內筒(4)材料在介质的预热段、加热段、蒸发段选择马氏体不锈耐热钢或奥氏体不锈钢，避免高温合金的使用，可大幅度降低设备成本。若一次侧压力高于二次侧压力，为了便于高压侧孔道在运行期间在役检查，一次侧与二次侧可以互换流道，即一次侧高压工作介质走c1、c2面多级直流孔道，二次侧低压工作介质走a1、a2连续折返流道。这样的设计方案也是合理可行的。

3.如权利要求1、权利要求2所述的一种高温高压孔道式换热器/蒸发器设计方案，其特征是进行简化设计，简化之处在于去除了承压外筒(7)，承压內筒(4)直接作为承压边界。

4.如权利要求3所述的一种高温高压孔道式换热器/蒸发器设计方案，如图4所示，其特征是进行变形设计，变形之处在于a1、a2工作面变为了外圆柱形和内圆柱形工作面(环形换热器)，或者外圆弧形柱面和内圆弧形柱面(扇形换热器)。

5.如权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4所述的一种超高温超高压孔道式换热器/蒸发器设计方案或高温高压孔道式换热器/蒸发器设计方案，如图1所示，其特征是用于传热的孔道依据结构材料的传热性能及工作介质的承压功能来具体设计，同时兼顾孔道加工工艺便利性，有时候还需要考虑孔道的流阻特性。孔道的截面形状通常可以是圆形、长圆形、椭圆形、半圆形，矩形、菱形、三角形、多边形、不规则形状等；孔道沿工作介质流动方向亦可设计为非等截面形状，如连续锥形孔道；非圆形状的孔道在加工过程中容易产生应力集中和微观缺陷，高压流体的工作条件下不推荐选用；优先推荐圆形、长圆形、椭圆形或半圆形孔道截面，一次侧和二次侧孔道的椭圆长轴直径(2a)和半圆直径弦(2r)平行于换热单元非工作面c1\c2，其椭圆短轴直径(2b)和半圆半径轴(r)垂直于换热单元非工作面c1\c2，这样在保证传热系数和承压功能的情况下可以增加换热孔道的数量，从而增加换热面积。

6.如权利要求5所述的一种超高温超高压孔道式换热器/蒸发器设计方案或高温高压孔道式换热器/蒸发器设计方案，如图1所示，其特征是孔道的内部流道可以“理解为”或等同于传热管的内壁，两者功能结构完全类似，孔道大小尺寸结合工作流体的传热性能和换热材料承压功能计算确定，孔道和孔道之间留有壁厚孔间桥(h1)以满足承压强度要求，一次侧孔道和二次侧孔道之间设置留有一定的“壁厚”孔道桥(h2)防止高压端工作介质向较低压力介质端泄露；通常情况下较小尺寸的小孔或微孔可以承受高压或极端高压，不会造成孔道破损漏流，但小孔和微孔的流阻较大。孔道的换热面积一般是孔道截面周长与孔道路径长度的乘积，孔道在换热单元中的路径可以是沿直线设计布置，也可以是路径弯曲设计布置；直通孔道便于多种加工方式加工成型和形位公差精度控制，弯曲孔道一般加工工艺受限且加工成本较高。孔道内壁表面粗糙度影响过流流阻，光滑内壁面流阻一般较小。

7.如权利要5所述的一种超高温超高压孔道式换热器/蒸发器或高温高压孔道式换热器/蒸发器设计方案，如图1所示，其特征是直通孔道尺寸大小和截面形状设计确定后，在设计图纸上应提出孔道直线度和表面粗糙度技术要求；换热单元内一般设置一次侧或二次侧多个孔道，一次侧孔道与孔道轴心线之间应提出位置度和平行度形位公差技术要求，二次侧孔道和孔道之间亦然；一次侧孔道和二次侧孔道之间应提出位置度和垂直度(或空间夹角精度)形位公差技术要求。这些加工精度要求旨在确保孔道的质量水平，防止孔道加工过程中加工偏差造成的孔道间材料壁厚减薄减弱，从而产生破管失压事故。根据孔道的尺寸大小和截面形状，采用深孔钻、3d打印增材制造、多层板化学蚀刻加真空扩散焊、线切割等方式加工成型。

技术总结

一种超高温超高压孔道式换热器/蒸发器设计方案，利用换热单元内部设置的特制椭圆形、半圆形或锥形孔道进行换热。以紧贴式多层金属热传导为主的小孔或微孔的孔道间热量交换，不仅传热系数高，传热能效好，一次侧二次侧传热温差小，在极端高温或极端高压条件下孔道间可安全稳定传热，而且高效简易、安全可靠。能较好的避免传统管壳式换热器在超高温超高压工作条件下的破管失水事故。与同等传热能力的管壳式换热器相比，孔道式换热器的体积、重量和造价减少三分之一以上。适宜的换热单元材料选择加之适宜的传热孔道设计选择情况下，支持不超过1000℃极端高温或不超过1000公斤极端高压严苛传热条件下传热。孔道式换热器/蒸发器属于传热设备技术领域，主要应用于核电火电、石油化工、化工医药、冶金能源、食品电子等领域。

技术研发人员：孟想

受保护的技术使用者：孟想

技术研发日：2019.03.09

技术公布日：2020.09.15