[发明专利]一种超高温超高压孔道式换热器/蒸发器设计方案

权利要求书

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。