[實用新型]一種具有石墨烯層的U形管

有效

• 申請號: 201420294595.1
• 申請日: 2014-06-04
• 公開（公告）號: CN203907575U
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發明（設計）人: 周濤;宋明強;劉亮
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: F22B37/00
• 分類號: F22B37/00;F28F21/02;C23C16/26
• 代理公司: 北京康思博達知識產權代理事務所(普通合伙) 11426
• 代理人: 路永斌;余光軍

技術領域

本實用新型涉及機械設備領域和核能領域，特別涉及到蒸汽發生器中U形管結構。?

背景技術

核電站是利用核裂變或核聚變反應所釋放的能量產生電能的發電廠，其內部通常由一回路系統和二回路系統組成，其中反應堆是核電站的核心。反應堆內部發生核聚變或核裂變反應，釋放出的熱能由一回路系統的冷卻劑帶出，通過蒸汽發生器使二回路冷卻劑轉變為蒸汽，從而驅動汽輪發電機組進行發電，因此，整個一回路系統被稱為“核供汽系統”，它相當于火電廠的鍋爐系統，二回路系統與火電廠的汽輪發電機系統基本相同。?

目前，大多數反應堆采用的是輕水堆，即，用輕水對核反應堆中的中子進行慢化和冷卻，輕水堆又分為壓水堆和沸水堆?，F以壓水堆為例說明蒸汽發生器的作用。?

壓水堆核電站的一回路系統與二回路系統完全隔開，它是一個密閉的循環系統。該核電站的原理流程為：主泵將低溫高壓一回路冷卻劑送入反應堆，使之保持在120～160倍大氣壓，在高壓條件下，一回路冷卻劑即使溫度高于300℃仍不會發生汽化，液態一回路冷卻劑把反應堆中釋放出的熱量帶出反應堆，并進入蒸汽發生器，通過傳熱管，把熱量傳遞給管外的二回路冷卻劑，通常使用水，使水沸騰產生蒸汽；一回路冷卻劑流經蒸汽發生器進行熱交換后，再由主泵送回反應堆，這樣往復循環，不斷地把反應堆中產生的熱量帶出，并轉換產生蒸汽；而從蒸汽發生器出來的高溫高壓蒸汽，推動汽輪發電機組發電，?做過功的廢汽在冷凝器中凝結成水，再由給水泵送入加熱器，重新加熱后送回蒸汽發生器，這就是二回路循環系統。?

由此可見，蒸汽發生器是連接一、二回路的重要設備，被稱為一、二回路的樞紐。蒸汽發生器能否安全、可靠地運行對整個核動力裝置的經濟性和安全可靠性有著十分重要的影響。而所謂的蒸汽發生器中的傳熱管則為整齊排列的U形管束，U形管束是蒸汽發生器中最重要的換熱組件，由核反應堆堆芯流出的高溫一回路冷卻劑經由U形管束與管外的水進行換熱后再流回堆芯，不斷循環往復，進行熱傳遞，U形管束換熱能力的好壞決定了蒸汽發生器換熱能力的大小。因此，制造U形管材料需要同時具備熱強性、熱穩定性和焊接性能好，導熱率高、熱膨脹系數小，抗均勻腐蝕、抗局部腐蝕能力強，有足夠塑性和韌性等優點，而普通金屬材料難以達到這一要求。?

目前，核電站用蒸汽發生器中的U形管主要選用因科鎳690材料,它的導熱系數約為12.1W/m·K，高于普通鋼材，同時它具有優良的抗晶間腐蝕和抗晶間應力腐蝕開裂的能力，機械性能遠超普通鋼材。?

然而核電站蒸汽發生器中因科鎳690材料制造的U形管的導熱系數仍不甚理想，存在提升空間，而其它具有更優導熱系數的金屬材料的耐腐蝕性，強度等性能均無法同時滿足核電站蒸汽發生器中U形管性能要求，同時U形管管壁結構富有改造余地。?

此外，目前蒸汽發生器中的U形管經長期使用，管壁傳熱性能顯著下降，破損嚴重，影響核動力裝置的傳熱效率，同時引發嚴重安全隱患。?

石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。其是由碳六元環組成的二維周期蜂窩狀點陣結構，其基本結構單?元為有機材料中最穩定的苯六元環結構，它可以卷成一維的碳納米管。石墨烯是目前世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，其結構非常穩定，迄今為止，仍未發現石墨烯中有碳原子缺失的情況，同時石墨烯具有極強的導熱能力，導熱系數高達5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石。?

相對于單層石墨烯而言，多層石墨烯強度增大，但其導熱能力有所下降，盡管如此，多層石墨烯的導熱能力仍然強于因科鎳690材料，根據圓柱筒壁熱阻計算公式石墨烯導熱能力隨厚度的增加而下降。石墨烯導熱系數為5300W/m·K，因科鎳690導熱系數為12.1W/m·K，所以石墨烯導熱能力強于同厚度的因科鎳690材料。?

在高壓流體的沖擊作用下，多層石墨烯的層間可以發生相對滑動，這會導致結構變形造成傳熱惡化?

目前，尚未有對作為核心部件的U形管管壁結構進行改進的報道，如能通過對U形管管壁結構進行合理設計并選用適當的材料，可能會開發出導熱性能更好，機械性能更強的U形管，以獲得更好的經濟性和安全可靠性。?

實用新型內容

為了解決上述問題，本實用新型采用如下技術方案：在保持U形管外形尺寸不變，即保持U形管外徑不變的情況下在U形管管壁中設置石墨烯層，利用石墨烯超高的導熱性能來提高U形管的導熱效率，同時利用其穩定的晶格結構及化學惰性來增加U形管的機械強度和耐腐蝕性，從而完成本實用新型。?

本實用新型目的在于提供以下方面：?