Устройство отвода тепла от энергетического контура

 

Изобретение относится к энергетике и может использоваться на атомных станциях и других объектах, где требуется обеспечить постоянную и надежную естественную вентиляцию помещения. Сущность изобретения: устройство отвода тепла от энергетического контура содержит концентрично установленный на защитной оболочке, выполненной по форме цилиндра со сферообразным куполом, кольцеобразный коллектор. В нижней части коллектора выполнены заборные отверстия, а в верхней части - выпускные отверстия, которые сообщены с входными участками тяговых шахт, в которых размещены воздушные теплообменники, подсоединенные к энергетическому контуру. Тяговые шахты симметрично изогнуты по контуру купола, и на их выходных участках установлен дефлектор и/или дефлекторы. 3 ил.

Изобретение относится к энергетике и может использоваться на атомных станциях и других объектах, где требуется обеспечить постоянную и надежную естественную вентиляцию помещения, не реагирующую на изменение направления ветра.

Известно устройство отвода остаточного выделения тепла от высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (патент ФРГ ДЕ 32 28 422 А1, кл. G 21 C 15/18, 1984).

Схема устройства отвода тепла от энергетического контура по указанному патенту состоит из вспомогательных теплообменников, встроенных вместе с реактором в общий корпус. Теплообменники с помощью трубопроводов связаны с внешними теплообменниками, расположенными в нижней части тяговых шахт. Тяговые шахты частично встроены в защитную оболочку реактора и равномерно расположены по окружности оболочки. Входы по воздуху в каждую тяговую шахту независимы друг от друга. Внешние теплообменники расположены выше теплообменников таким образом, чтобы было возможно организовать движение теплоносителя в теплообменниках за счет естественной циркуляции, т.е. нивелирного напора. На выходе тяговых шахт расположены шиберы, которыми можно регулировать поток воздуха.

При нормальной работе энергетического контура трубопроводы перекрыты вентилями и теплообменники отсечены от теплообменников и находятся в режиме ожидания.

В аварийном режиме после отключения реактора в нем продолжает выделяться тепло, которое требуется отвести из энергетического контура. В этом случае открываются вентили, шиберы, и в работу вступает система отвода тепла. Вода в теплообменнике нагревается и испаряется, пар по верхнему трубопроводу поступает во внешний теплообменник, там отдает тепло наружному воздуху и конденсируется. Конденсат сливается по нижнему трубопроводу во внутренние теплообменники. Горячий воздух через тяговые шахты уходит в атмосферу, тем самым отводя тепло от реактора.

Одним из недостатков рассматриваемой системы отвода тепла является ненадежность ее работы при полной потере всех внешних источников энергии и воздействия ветра. В этом случае мощность теплоотвода устройства зависит от направления и скорости ветра. Защитная оболочка в области расположения входов в тяговые шахты представляет собой цилиндр. Как известно, при поперечном обтекании цилиндра потоком воздуха по его окружности создается неравномерное поле статического давления. Максимальное значение на лобовой части, минимальное в зоне наибольшей скорости.

Представленные на фиг. 1-3 индикатрисы характеризуют поле давлений вокруг одиночного цилиндра, обтекаемого воздушным потоком, для двух скоростей воздушного потока Vв. 0,0 м/с, т.е. в отсутствие ветра, и Vв. 7,0 м/с при давлении невозмущенного потока 1 бар. Видно, что давление в лобовой части цилиндра увеличивается на 30 Па, а в кормовой и боковых зонах уменьшается на 20 и 70 Па соответственно. Разность давлений между лобовой и боковыми точками составляет 100 Па, что сравнимо с температурным нивелирным напором в тяговой шахте.

При увеличения скорости ветра эти перепады будут увеличиваться. Скорость ветра, обтекающего защитную оболочку атомной станции в экстремальном случае, может достигать 100 м/с.

Входные отверстия тяговых шахт системы отвода тепла в рассматриваемом изобретении ФРГ располагаются по окружности цилиндрической защитной оболочки и, очевидно, давление на входах в тяговые шахты будет различным.

Выходные отверстия шахт находятся ниже верхней точки защитной оболочки реактора. При ветре условия обтекания выходных отверстий будут иные, чем условия обтекания входов, поэтому поле давления на выходе воздушного потока будет отличаться от поля давлений на входе. При ветре по высоте тяговых шахт возникает перепад давления, в некоторых шахтах он по направлению противоположен нивелирному напору. Вследствие чего теплообменники, расположенные в этих шахтах, будут работать с пониженной тепловой мощностью.

Таким образом, очевидно, что представленная в данном патенте система отвода тепла при потере всех источников энергии может надежно работать только в отсутствии ветра или при слабом ветре.

Известно устройство (патент Франции N 25 84228 от 01.07.85, кл. G 21 C 15/18, F 28 B 1/60), которое принято в качестве прототипа.

В устройстве отвода тепла от трехпетлевого энергетического контура с водоводяным реактором основными элементами являются воздушные конденсаторы, размещенные в трех шахтах, расположенных по окружности защитной оболочки. В данном случае отсутствуют специальные встроенные теплообменники и воздушные конденсаторы непосредственно связаны трубопроводами с парогенераторами.

Конденсаторы расположены выше парогенераторов, что позволяет организовать естественную циркуляцию теплоносителя между парогенераторами и конденсаторами.

Тяговые шахты имеют внизу входные отверстия, в верхней части расположены шиберы, позволяющие управлять потоком нагретого воздуха. Входные отверстия шахт независимы друг от друга.

Устройство отвода тепла работает аналогично устройству, описанному выше.

При работе энергетического контура в номинальном режиме воздушные конденсаторы отключены от парогенератора и находятся в режиме ожидания.

В аварийном режиме вентили на трубопроводах открываются и пар из парогенератора по трубопроводу поступает в воздушные конденсаторы, где конденсируется и по трубопроводу поступает снова в парогенератор. Воздух в шахте нагревается и создает нивелирную тягу.

Эта система также является незащищенной от воздействия ветра. Изменение направления и скорости ветра будут менять величину напора в шахте и тем самым менять мощность теплосъема с воздушных конденсаторов в зависимости от его расположения на защитной оболочке.

Из вышеизложенного ясно, что для надежной работы системы отвода тепла необходимо обеспечить одинаковые условия на входе в воздушные конденсаторы и выходе из тяговых шахт независимо от направления и скорости ветра.

Таким образом, широко известны устройства отвода тепла от энергетического контура, содержащие подключенные к источнику тепла через паропроводы теплообменники, охлаждаемые воздухом, а выходы теплообменников по конденсату сообщены трубопроводами с источником тепла. Теплообменники устанавливаются в тяговых шахтах, размещенных по периметру защитной оболочки, и на такой высоте, при которой гидростатическая разность давлений больше гидродинамических потерь. Тяговые шахты организуют поток охлаждающего воздуха за счет температурного нивелирного перепада.

Недостатком таких устройств является зависимость эффективности теплосъема с воздушных теплообменников от направления и скорости ветра.

Задачей изобретения является повышение надежности и эффективности отвода тепла от энергетического контура атомных станций при работе в аварийных режимах независимо от направления и скорости ветра.

Задача достигается тем, что в устройстве отвода тепла от энергетического контура, содержащем установленные по периметру защитной оболочки, выполненной по форме цилиндра с сферообразным куполом, тяговые шахты с входными и выходными участками и воздушными теплообменниками, подсоединенными к энергетическому контуру, новым является то, что оно снабжено концентрично установленным на оболочке кольцеобразным коллектором, в нижней части которого выполнены заборные отверстия, а в верхней части выпускные отверстия, которые сообщены с входными участками тяговых шахт, при этом последние симметрично изогнуты по контуру купола и на их выходных участках установлен дефлектор и/или дефлекторы.

Существенными признаками для данного устройства является то, что оно снабжено кольцеобразным коллектором, с помощью которого обеспечивается постоянная равномерная воздушная тяга в шахтах, не зависящая от изменения направления и скорости ветра, поскольку в полости коллектора, сообщенного с входными участками тяговых шахт, происходит выравнивание давления ветрового поля.

Наличие дефлекторов позволяет увеличить скорость выравнивания давления в коллекторе и повысить скорость отсоса нагретого воздуха.

На фиг. 1 показана защитная оболочка с тяговыми шахтами,продольный разрез; на фиг. 2 защитная оболочка, вид сверху; на фиг. 3 индикатрисы давлений в коллекторе и дефлекторе при обдуве модели защитной оболочки в масштабе 1: 200 потоком воздуха со скоростью 10 38 м/с.

Устройство отвода тепла от энергетического контура содержит охлаждаемые воздухом теплообменники 1, размещенные в тяговых шахтах 2, которые расположены по периметру защитной оболочки 3, выполненной по форме цилиндра с сферообразным куполом.

Теплообменники 1 подключены через паропроводы 4 к источникам тепла 5, выход теплообменников 1 по конденсату сообщен трубопроводами 6 с источниками тепла 5.

На входе в тяговые шахты 2 и после теплообменников 1 установлены шиберы 7, открытие которых обеспечивает включение устройства в работу. Шиберы 7 могут выполнять функцию регулирования мощности устройства отвода тепла.

В энергетическом контуре в качестве источника тепла 5 используют парогенератор, который трубопроводами подключен к реактору 8.

По периметру защитной оболочки 3 при обдувании ее ветром создается неравномерное поле давления. Эта неравномерность изменяет перепады давления по высоте тяговых шахт 2 в зависимости от их месторасположения по периметру оболочки, что может понизить мощность отдельных теплообменников 1 и всего устройства отвода тепла в целом. Поэтому необходимо обеспечить одинаковые условия на входных участках 9 в тяговые шахты 2 независимо от их расположения по периметру защитной оболочки. В данном изобретении одинаковые условия на входе участков 9 в тяговые шахты 2 обеспечиваются установкой общего коллектора 10.

Общий коллектор 10 представляет собой замкнутый кольцеобразный коридор, расположенный концентрично по периметру защитной оболочки 3. Воздух в этот коллектор 10 поступает через заборные отверстия 11, выполненные в его нижней части. В объеме этого коллектора 10 происходит выравнивание перепадов давления, возникающих по периметру оболочки при обдувании ее ветром, и поэтому на входах участков 9 в тяговые шахты 2, которые сообщены с выпускными отверстиями, расположенными на верхней части общего коллектора 10, величина давления имеет одно и то же значение, т.е. общий коллектор обеспечивает одинаковые условия на входах 9 в тяговые шахты 2 независимо от их месторасположения на защитной оболочке.

Кроме того, необходимо обеспечить одинаковые условия и на выходных участках 12 тяговых шахт, которые создаются установкой в объем 13 дефлектора 14 и/или дефлекторов, которые представляют собой две концентрические обечайки круглого или квадратного сечения, и защитного зонта.

В этом случае тяговые шахты изогнуты по контуру купола и верхние отверстия участков 12 тяговых шахт 2 выходят в общий объем 13 дефлектора 14. Возможен вариант, при котором тяговые шахты могут иметь отдельные дефлекторы.

Устройство отвода тепла от энергетического контура работает следующим образом.

При нормальной эксплуатации АЭС, когда нагретый в реакторе 8 теплоноситель насосами 15 передается в парогенераторы, и генерируемый в парогенераторах пар по паропроводам 16 через стопорные клапаны 17 подается в турбину для выработки электроэнергии, устройство отвода тепла находится в режиме ожидания, т. е. теплообменники 1 заполнены паром. При этом шиберы 7 находятся в закрытом положении. В этом случае из парогенератора в воздушный теплообменник 1 по трубопроводу 4 поступает небольшое количество пара, необходимое только для компенсации тепловых потерь вследствие теплопроводности материала устройства, протечек воздуха и излучения. Пар конденсируется в теплообменнике и конденсат сливается по трубопроводу 6 обратно в парогенератор.

При аварии в случае обесточивания станции срабатывают клапаны 17 на паропроводах 16, отключается турбина, повышается давление в парогенераторе, открываются шиберы 7. Холодный воздух поступает снизу в общий коллектор 10, который выравнивает давление по внутреннему периметру и обеспечивает одинаковые условия на входных участках 9 для всех теплообменников 1. Холодный воздух, поступающий из общего коллектора к теплообменникам, охлаждает наружную поверхность трубчатки теплообменников 1 и конденсирует внутри трубчатки пар, поступающий по трубопроводам 4 из парогенераторов. Конденсат вследствие разности высот между теплообменниками 1 и парогенераторами или с помощью насосов сливается обратно в парогенераторы по трубопроводам 6. Нагретый воздух через открытые шиберы 7, тяговые шахты 2 и дефлектор 14 уходит в атмосферу. При работе в этом режиме независимо от направления и скорости ветра мощность теплообменников одинакова.

При наличии ветра по высоте тяговых шахт возникает дополнительный положительный напор и тем самым увеличивается мощность теплосъема с воздушных теплообменников 1.

Для обоснования работоспособности системы, состоящей из общего коллектора, тяговых шахт и дефлектора проведены экспериментальные исследования на модели главного корпуса атомной станции, выполненной в масштабе 1:200.

На фиг. 3 представлена экспериментальная индикатриса давлений в общей коллекторе и дефлекторе при обдувании защитной оболочки потоком воздуха со скоростью 10 38 м/с. Из фиг. 3 видно, что в объеме общего коллектора и дефлектора по всей окружности независимо от направления и скорости ветра обеспечивается одинаковая величина давления и тем самым на входах в воздушные теплообменники и на их выходах создаются одинаковые условия.

Кроме того, эксперименты показали, что по высоте тяговой шахты при наличии дефлектора и коллектора возникает тяговый напор, который составляет 0,35±0,03 от динамического напора воздуха.

Таким образом, благодаря совокупности отличительных признаков у предложенного устройства отвода тепла от энергетического контура появляется новое свойство, ведущее к достижению нового положительного эффекта, заключающегося в обеспечении надежности работы системы независимо от направления и скорости ветра и в повышении мощности охлаждения за счет дополнительного перепада давления при ветре.

Внедрение устройства отвода тепла от энергетического контура позволяет исключить или ограничить несанкционированные выбросы радионуклидов в окружающую среду при аварийных режимах, сохранить оборудование контура теплоносителя реакторной установки при проектных и запроектных авариях.

Внедрение устройства отвода тепла от энергетического контура повысит безопасность реакторных установок энергетических блоков и атомных электрических станций путем сохранения барьеров безопасности (оболочек твэл, плотности контура теплоносителя, сохранение необходимого количества пара и воды в пароводяном тракте без дополнительных подпиток) при авариях с полным обесточиванием АЭС и, даже при разрыве контура теплоносителя.

Формула изобретения

Устройство отвода тепла от энергетического контура, содержащее установленные по периметру защитной оболочки, выполненной по форме цилиндра с сферообразным куполом, тяговые шахты с входным и выходным участками и воздушными теплообменниками, подсоединенными к энергетическому контуру, отличающееся тем, что оно снабжено концентрично установленным на оболочке кольцеобразным коллектором, в нижней части которого выполнены заборные отверстия, а в верхней части выпускные отверстия, которые сообщены с входными участками тяговых шахт, при этом последние симметрично изогнуты по контуру купола и на их выходных участках установлены дефлектор и/или дефлекторы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3