[发明专利]一种直流逆流孔道式换热器/蒸发器设计方案

权利要求书

1.一种直流逆流孔道式换热器/蒸发器设计方案，如图1、图2、图3、图4所示，主要包括上换热单元(1)、中换热单元(2)、下换热单元(3)、一次侧孔道(H1)、二次侧孔道(H2)、一次侧入流管道(4)、一次侧入流联箱(5)、一次侧出流管道(6)、换热单元承重支撑(7)、承压外筒承重牛腿(8)、承压外筒(9)、外筒底封头(10)、一次侧出流联箱(11)、换热单元绝热层(12)、绝热层包覆板(13)、二次侧出流联箱(14)、二次侧出流管道(15)、出流管道绝热层(16)、外筒顶封头(17)、二次侧入流联箱(18)、二次侧入流管道(19)、承压外筒法兰(20)、半球盲板法兰(21)、盲板法兰密封环(22)、盲板法兰紧固件(23)、一次侧工作介质强制循环泵或风机(24)。其主要结构特征是上换热单元(1)的两个工作面(B1，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(H1)，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二次侧孔道(H2)；中换热单元(2)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(H1)和二次侧孔道(H2)；下换热单元(3)的三个工作面(A1，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一次侧孔道(H1)，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二次侧孔道(H2)。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，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；设计制造需保证上换热单元(1)、中换热单元(2)和下换热单元(3)的孔道通径(H1、H2)、一次侧孔间桥(T1)、二次侧孔间桥(T2)及一次侧与二次侧孔道桥(T3)完全一致，孔道直线度、同轴度、平行度、垂直度和椭圆度在形位公差精度要求范围内。上换热单元(1)工作面(A2)和中换热单元(2)工作面(A1)，中换热单元(2)工作面(A2)和下换热单元(3)工作面(A1)通过真空加热加压分子扩散焊接工艺组焊在一起，形成一次侧和二次侧直流逆流换热流道；中换热单元(2)根据传热计算要求可以设置若干个串联在一起；上换热单元(1)结构的主要功能是将一次侧工作介质折流并和二次侧工作介质隔离，分别引导连接至一次侧入流联箱(5)和二次侧出流联箱(14)；中换热单元(2)结构的主要功能是一次侧工作介质和二次侧工作介质直流逆流传热；下换热单元(3)结构的主要功能是将一次侧工作介质折流并和二次侧工作介质隔离，分别引导连接至一次侧出流联箱(11)和二次侧入流联箱(18)。

一次侧工作介质从一次侧入流管道(4)引入一次侧入流联箱(5)后在上换热单元一次侧孔道(H1)内流动，折流后进入中换热单元(2)一次侧孔道(H1)和二次侧孔道(H2)工作介质直流逆流传热，随后进入下换热单元(3)一次侧孔道，热量交换完成(散热)后折流进入一次侧出流联箱(11)后流出；二次侧工作介质从二次侧入流管道(19)引入二次侧入流联箱(18)，依次在下换热单元(3)、中换热单元(2)和上换热单元(1)二次侧孔道(H2)内流动，热量交换完成(吸热)后从二次侧出流联箱(14)和二次侧出流管道(15)流出；一次侧孔道和二次侧孔道直流逆流但互不贯通，且在一定温度条件下具备一定的承压(一次侧与二次侧工作介质压差)能力；实现一次侧工作介质和二次侧工作介质以热对流为主、热传导热辐射为辅的逆流对流传热功能。

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，直流逆流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，直流逆流孔道式换热器的体积和重量减少三分之一以上。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。

多个中换热单元(2)通过工作面(A1、A2)与上换热单元(1)和下换热单元(3)组焊或增材制造串联构成一个换热单元组，其主要结构特征是通过多个换热单元梯级连续传热实现巨大温差传热和温度骤变传热。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一次侧、二次侧折流。换热单元四周设置换热单元绝热层(12)以及绝热层包覆板(13)，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热传导和热辐射向承压外筒(9)内冷端非传热流失，提高工作介质流道的传热效能。一次侧入流管道(4)、一次侧入流联箱(5)、二次侧出流联箱(14)、二次侧出流管道(15)等高温区域部件同理设置绝热层阻断热量损失，各处绝热层分别用绝热层包覆板固定，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(9)与换热单元绝热层(12)之间，一次侧出流管道(6)和一次侧入流管道(4)之间形成一次侧冷端工作介质回流流道(L3)并通过一次侧出流管道(6)流出，其主要结构特征是在承压外筒(9)作为一次侧工作介质冷端包围一次侧工作介质热端换热单元，一次侧出流管道(6)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(4)，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，虽然换热单元承受较高的温度，高温合金材料选择面受限，但由于换热单元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绝对高压所需要的换热单元相比，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。

串联的换热单元组内部，随着一次侧工作介质和二次侧工作介质连续直流逆流传热，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；换热单元组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。多个换热单元组成的直流逆流孔道通常经过预热、加热、蒸发、干燥等传热活动，换热单元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。

承压外筒(9)、外筒底封头(10)、外筒顶封头(17)、承压外筒法兰(20)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)处设置半球盲板法兰(21)、盲板法兰密封(22)、盲板法兰紧固件(23)，用于一次侧工作介质强制循环泵或风机(24)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(9)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。