Система аварийного расхолаживания с комбинированным теплообменником

Полезная модель относится к энергетике и может быть использована для атомных энергетических установок. Сущность изобретения: энергетическая установка содержит систему аварийного расхолаживания, содержащую паровую и водяную ветки, теплообменник конденсатор, прямоточный парогенератор, емкость запаса воды и цистерну аварийного расхолаживания, которая разделена перегородкой на два участка, с помощью которых организуется в цистерне воздушный тракт циркуляции и гидрозатвор, что позволяет существенно уменьшить размеры теплообменника, обеспечить устойчивый отвод тепла в пассивном режиме от прямоточного парогенератора неограниченное время в широком диапазоне температур первого контура и исключить замерзание теплообменника в период ожидания.

Полезная модель относится к области ядерной энергетики и может быть использована в системах аварийного отвода тепла ядерных реакторов без потребления внешних источников энергии.

Известна система пассивного отвода тепла (СЛОТ) ядерных установок, в которой отвод остаточных тепловыделений осуществляется через промежуточный контур в атмосферный воздух через воздушный теплообменник-конденсатор (ВТК). (Патент RU .2002320 от 16.05.1991) Причем во время нормальной работы ядерной установки, для предотвращения попадания холодного воздуха в ВТК через неплотности, организуется естественная циркуляция в промежуточном контуре, которая предотвращает замерзание ВТК.

Недостатком такой системы является то, что ВТК имеет большие габариты, а так же то, что из-за протечек в промежуточном контуре вовремя нормальной работы ядерной установки тратится энергия, запасенная в активной зоне. Причем данная СПОТ не применима для ядерных установок с прямоточными парогенераторами, в связи с тем, что из-за большого гидравлического сопротивления прямоточного парогенератора, превышающего движущий напор промежуточного контура, невозможно организовать естественную циркуляцию в промежуточном контуре при нормальной работе ядерной установки.

Известна система пассивного отвода тепла от парогенераторов (СПОТ ПГ) ядерных установок, в которой отвод остаточных тепловыделении осуществляется через промежуточный контур в атмосферный воздух за счет выпаривания запасов воды (Патент RU 2050025 от 14.05.1992). Отвод тепла из промежуточного контура СПОТ ПГ организован через теплообменник конденсатор-испаритель (ТКИ), который в несколько раз меньше (ВТК) за счет высокой эффективности теплопередачи. Система является предвключенной и тепловые потери через промконтур практически отсутствуют.

Недостатком такой системы является ограниченность ее действия по времени объемом выпариваемых запасов воды.

СПОТ ПГ не применима для ядерных установок с прямоточным ПГ, так как при включении системы за счет осушения ТКИ организуется избыток теплообменной поверхности, что приводит к снижению давления пара в ПГ и запариванию дросселей, при этом мощность, отводимая от прямоточного ПГ, не обеспечивает отвод остаточных тепловыделений без превышения давлением 1 контура безопасных пределов.

Наиболее близким техническим решением является система аварийного расхолаживания САР (Патент RU52245 от 12.07.2005), ядерных реакторов, в которой отвод остаточных тепловыделений от активной зоны к запасу воды осуществляется через промежуточный контур, причем избыточное давление в промежуточном контуре поддерживается с помощью компенсационного баллона с газом, а остаточные тепловыделения отводятся последовательно через ВТК и ТКИ. Замерзание ВТК в режиме ожидания предотвращается осушением промежуточного контура.

Недостатком такой системы является ограниченный диапазон работы по температуре 1 контура, при котором система работает эффективно в двухфазном режиме циркуляции промежуточного контура. При понижении температуры 1 контура система аварийного расхолаживания переходит в низкоэффективный режим однофазной циркуляции. При этом газ, имеющийся в промежуточном контуре, собирается в верхней части контура и разрывает циркуляцию, полностью прекращая теплоотвод.

Технической задачей является создание системы аварийного отвода тепла, позволяющей обеспечить устойчивый отвод тепла от прямоточного парогенератора в пассивном режиме действия неограниченное время и исключающей возможность замерзания ВТК при отрицательной температуре окружающей среды в режиме ожидания.

Задача решается путем использования комбинированного теплообменника-конденсатора (ТК) работающего в двух режимах: режиме нагрева и испарения запасов воды, а после исчерпания запасов воды, в режиме теплоотвода к атмосферному воздуху.

Технический результат достигается за счет размещения ТК в цистерне с запасом воды для аварийного расхолаживания (ЦАР) с организованным через нее трактом воздушной циркуляции и гидрозатвором для исключения циркуляции воздуха в воздушном тракте в режиме ожидания. Для чего ЦАР разделяется перегородкой на два участка: обогреваемый участок, где расположен ТК и адиабатный участок. В верхней части адиабатный и обогреваемый участок соединены с приточным участком и тяговой трубой соответственно и все вместе образуют воздушный тракт циркуляции. Участки ЦАР соединены друг с другом в нижней части и при наличии штатного запаса воды организуют гидрозатвор. Гидрозатвор и размещение ТК под уровнем воды в ЦАР позволяет исключить возможность замораживания ТК при отрицательных температурах окружающей среды.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где:

На фигуре схематично показана система аварийного расхолаживания (САР) с комбинированным теплообменником.

Система представляет собой промежуточный контур, подключенный к парогенератору 1 по пару и воде и воздушный контур, имеющий в своем ЦАР 2.

В состав промежуточного контура системы входят:

Теплообменник-конденсатор (ТК) 3, расположенный в ЦАР 2, подключенный к парогенератору 1 по пару паровой веткой 4, а по воде - водяной веткой 5. На водяной ветке 5 установлен отсечной клапан 6. Емкость запаса воды (ЕЗВ) 7 подключена в верхней и нижней части к входу и выходу ТК 3 соответственно и расположена по координате ниже верхней точки активной части ТК 3 на определенную высоту, тем самым обеспечивая давление промежуточного контура, достаточное для эффективной работы прямоточного парогенератора 1. Парогенератор 1 отключается от 2 контура по пару и питательной воде отсечными клапанами 8,9.

В состав воздушного контура системы входят:

Цистерна аварийного расхолаживания 2 в которой расположен ТК 3 и перегородка 10 организующая в ЦАР 2 два участка: адиабатный участок соединенный с приточным участком 11 в верхней части и обогреваемый участок соединенный в верхней части с тяговой трубой 12.

ТК 3 обеспечивает эффективный отвод остаточных тепловыделений во время работы в двух режимах в режиме нагрева и испарения запасов воды и в режиме теплоотвода к атмосферному воздуху.

Система аварийного отвода тепла работает следующим образом:

Исходно система аварийного отвода тепла подключена к парогенератору по паровой ветке и отключена по водяной ветки в режиме ожидания система заполняется конденсатом по верхнюю точку паропровода.

При возникновении аварийной ситуации парогенератор 1 отключается от 2 контура отсечными клапанами 8, 9. К парогенератору 1 открытием отсечного клапана 5 подключается водяная ветка 4 системы. В парогенератор начинает поступать вода по водяной ветке 4 промежуточного контура. По промежуточному контуру САР развивается естественная циркуляция. Естественная циркуляция возникает за счет разности плотностей пара, генерируемого в парогенераторе 1 и конденсата, образующегося в ТК 3. Теплоотвод в конечный поглотитель в штатном режиме работы САР осуществляется через ТК 3 в воду, запасенную в ЦАР 2, нагревая и испаряя ее. После осушения ЦАР 2 гидрозатвор, образующийся перегородкой 10, исчезает и ТК 3 работает в режиме воздушного теплообменника, обеспечивая теплоотвод в атмосферный воздух.

ЕЗВ 9 позволяет поддерживать давление в промежуточном контуре САР и обеспечивает устойчивость работы прямоточного парогенератора.

Тяговая труба 11 служит для эвакуации пара при наличии воды в ЦАР 2 и создания необходимой тяги при работе ТК 3 в режиме воздушного теплообменника.

Выполнение системы аварийного отвода тепла предложенным образом, т.е. путем использования комбинированного ТК 3, позволяет существенно уменьшить размеры ТК 3, обеспечить устойчивый отвод тепла в пассивном режиме от прямоточного парогенератора неограниченное время в широком диапазоне температур первого контура. Также обеспечивается незамерзание ТК 3 в режиме ожидания, что позволяет повысить надежность работы системы, а, следовательно, надежность реакторной установки в целом.

Система аварийного расхолаживания, содержащая паровую и водяную ветки, комбинированный теплообменник-конденсатор, прямоточный парогенератор, емкость запаса воды, цистерну запаса воды для аварийного расхолаживания, отличающаяся тем, что в цистерну запаса воды для аварийного расхолаживания установлена перегородка, разделяющая ее на два участка, каждый из которых соединен с атмосферой в верхней части выше уровня воды, причем между собой соединены отверстиями в перегородке, находящимися под уровнем воды.