[发明专利]设计极高温反应器用的同轴双管式热气管道的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种设计极高温反应器用的同轴双管式热气管道的方法，更具体而言，涉及一种设计能够最小化流体流动造成的流致振动的极高温反应器用的同轴双管式热气管道的方法。

背景技术

在世界各地的许多国家中，包括韩国，正在研究使用极高温反应器(VHTR)的极高温度热量来制氢。在核氢系统中，如韩国制氢研究规划，使用从VHTR获得的极高温(约950℃)氦气和碘硫热化学工艺来分解水而产生作为清洁能源的氢气的想法正在被考虑。

氦气因为是惰性气体而在正常操作中使传输到核氢系统主回路的放射性最小，并且由于不会发生与气态相变以及水-金属反应相关的问题，因而也改善了系统的稳定性。此外，由于可以进行布雷顿循环(Brayton cycle)，所以氦气可以提高热效率和经济效率。在设计布雷顿循环时，可以基于在主回路和副回路之间提供连接的中间热交换器(IHX)进行间接式热交换。

下面参照图1简要说明核氢系统100。核氢系统100需要至少两个热气管道(HGD)10和40以及一个IHX 30。具体而言，核氢系统100需要一个位于VHTR 20与IHX 30之间的主HGD 10和一个位于IHX 30与SO₃分解器(图未示)之间的副HGD 40。这里，对于主HGD 10，诸如图2所示的同轴双管结构在热膨胀和结构强度方面具有优势，并被认为是很 好的候选者。在副HGD 40的情况下，由于在IHX 30和制氢装置之间相当大的距离，热膨胀成为重要设计因素，因此可以使用除了同轴双管结构之外的单管结构。

这种核氢系统100被设计为在这样的方式下操作，即在VHTR 20产生的极高温(约950℃)氦气22流到主HGD 10中央的衬管1，其是VHTR20和IHX 30之间的气体移动通道，由IHX 30的热交换冷却的低温(约490℃)氦气32流到衬管1的外壳(即第一绝缘体2和内管3)与HGD压力管5之间的环形部4，然后流回到VHTR 20(参见图2)。

图3是同轴双管式主HGD 10的详细截面图。同轴双管式主HGD 10被构造成使得衬管1、第一绝缘体2、内管3、HGD压力管5和第二绝缘体6依该顺序同轴配置。第二绝缘体6的外部由空气7冷却。如上所述，在VHTR 20产生的极高温氦气22流到衬管1的内部空间，由IHX 30的热交换冷却的低温氦气32沿与极高温氦气22相反的方向流到内管3与HGD压力管5之间的环形部4。

在图3中，示出了构成主HGD 10的各部件的直径，配置如下：

D₁＝衬管1的内径；

D₂＝衬管1的外径＝第一绝缘体2的内径；

D₃＝第一绝缘体2的外径＝内管3的内径；

D₄＝内管3的外径＝环形部4的内径；

D₅＝环形部4的外径＝HGD压力管5的内径；

D₆＝HGD压力管5的外径＝第二绝缘体6的内径；和

D₇＝第二绝缘体6的外径＝主HGD 10的外径。

此外，对应于D₁～D₇的各部分的温度由T₁～T₇表示，T₀代表极高温氦气22在衬管1中央处的温度。

具有上述同轴双管结构的主HGD 10在极高温中压(7.0MPa)条件下使用很长一段时间，并经历极高温(950℃)氦气和低温(490℃)氦气的流动、温度和压力循环等导致的热膨胀。因此，主HGD 10必须被设计为能够承受这些条件的结构。特别是，在图3所示的主HGD 10的同轴双 管结构中，重要的是设计极高温氦气22在其中流动的衬管1、包围衬管1的内管3和低温氦气32在其中流动的环形部4。主HGD 10的主要部分的尺寸，即各管的内(或外)径和厚度，设计如下。

首先，从将要设计的电厂数据预测VHTR 20的输出和氦气平均流速，将得到的结果应用于热输出用式1和连续方程用式2，再从算出的流动截面积A求得衬管1的内径D₁。

[式1]