CN111551057A - 一种热管堆传热接口装置 - Google Patents

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廖梦然
劳星胜
陈凯
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赵振兴
马灿
柳勇
李勇
魏志国
陶模
陈朝旭
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    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0275—Arrangements for coupling heat-pipes together or with other structures, e.g. with base blocks; Heat pipe cores
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    • G—PHYSICS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Abstract

本发明实施例涉及海洋核动力系统技术领域，提供一种热管堆传热接口装置。所述热管堆传热接口装置包括基体，所述基体内分布有用于安插热管的安装孔，每一所述安装孔的周围分布有供冷却工质流通的贯穿所述基体的传热通道，所述传热通道为变截面通道。本发明实施例提供的热管堆传热接口装置，一方面通过在基体上设置用于安装热管的安装孔和供冷却工质流通的传热通道，使冷却工质通过基体与热管进行换热，相比于传统的热管换热器，避免了冷却工质对热管的直接冲刷造成的热管振动和腐蚀；另一方面通过设置变截面的传热通道，使冷却工质在传热通道的轴向沿程上保持最大传热能力和最小流动阻力，提高换热效率。

Description

一种热管堆传热接口装置
技术领域
本发明涉及海洋核动力系统技术领域，尤其涉及一种热管堆传热接口装置。
背景技术
海洋核动力系统中的热管冷却反应堆(简称：热管堆)本体为一体化的“蜂窝煤”结构，热管和燃料棒交替插入“蜂窝煤”结构体的孔中，燃料棒与热管间通过结构体导热传热，以热管利用毛细力非能动传热的方式将堆芯的热量导出，可以取消传统一回路主泵等动部件，使堆芯结构大大简化，可靠性也随之提高。
热管堆与动力转换系统之间需要专门的传热装置，用以带出热管所携带的热量，并传递给后续动力转换系统，例如超临界二氧化碳循环发电系统或者氦气布雷顿循环发电系统。该传热装置作为反应堆和动力转换系统的桥梁，尤其应用于海洋时，在外部恶劣环境的影响下，能否安全、安静、稳定的传递能量，是核动力系统的非常关键的环节。
目前针对热管的传热，通常采用壳体将热管围住，然后冷却工质横掠或顺流冲刷热管，类似于传统管壳式换热器的结构，这种传热形式并不适用热管堆。主要原因是热管堆的热管温度可达500℃以上，如冷却工质超临界二氧化碳或氦气的流速过高，且直接冲刷热管，将带来热管的振动而产生噪声，且长时间的振动易导致热管损坏；某些特殊的冷却工质在高温下具有一定腐蚀性，会造成热管管壁的腐蚀，造成热管泄漏。另外，冷却工质在轴向沿程上的温度、密度、流速等的变化对冷却工质的传热能力和流动阻力存在不同程度的影响，而传统的换热装置无法适应冷却工质的轴向沿程变化，使得传热效率低。再有，反应堆的功率分布不均匀使冷却工质的温度也呈现不均匀的分布，从而导致传热装置的支撑构件的热膨胀特征复杂，容易带来安全隐患。
发明内容
本发明实施例提供一种热管堆传热接口装置，用以解决现有的热管换热技术容易引起热管振动而导致热管损坏，且传热效率低的问题。
本发明实施例提供一种热管堆传热接口装置，包括基体，所述基体内分布有用于安插热管的安装孔，每一所述安装孔的周围分布有供冷却工质流通的贯穿所述基体的传热通道，所述传热通道为变截面通道。
其中，所述传热通道的横截面为圆形，根据公式
Figure BDA0002515963690000021
Figure BDA0002515963690000022
计算得到所述传热通道的横截面直径；
其中，Q为传热量，Cp为冷却工质的比热容，T0为冷却工质的初始温度，W为冷却工质的流量，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，f为冷却工质的阻力系数，h为冷却工质的传热系数，u为冷却工质的流速，k为冷却工质的导热率，λ为冷却工质的粘度。
其中，所述基体内还设有一次均温通道和二次均温通道，所述基体分为位于中心呈圆柱状的中心区及位于所述中心区外的外围区，所述一次均温通道连通位于所述中心区的所述传热通道，所述二次均温通道连通位于所述外围区的所述传热通道。
其中，所述中心区的截面直径为所述基体的同向截面最小宽度的0.45～0.6倍。
其中，所述传热通道呈圆形阵列排布，所述一次均温通道和所述二次均温通道均沿所述传热通道的径向延伸。
其中，所述一次均温通道靠近所述基体的工质入口端并位于所述基体的三等分处，所述二次均温通道靠近所述基体的工质出口端并位于所述基体的另一三等分处。
其中，所述安装孔为盲孔。
其中，所述基体为柱形结构，所述安装孔的轴线与所述基体的中心轴线平行。
其中，所述基体的工质入口端安装有入口分配箱，所述基体的工质出口端安装有出口混合箱，所述入口分配箱上设有工质入口和通孔，所述通孔用于供所述热管穿过后插设于所述安装孔，所述出口混合箱上设有工质出口。
其中，多个所述工质入口均匀分布于所述入口分配箱的侧壁，所述工质出口设置于所述出口混合箱的端盖的中心。
本发明实施例提供的热管堆传热接口装置，一方面通过在基体上设置用于安装热管的安装孔和供冷却工质流通的传热通道，使冷却工质仅在专门的传热通道中流动，并通过基体与热管进行换热，相比于传统的热管换热器，避免了冷却工质对热管的直接冲刷造成的热管振动和腐蚀；另一方面通过设置变截面的传热通道，使冷却工质在传热通道的轴向沿程上保持最大传热能力和最小流动阻力，提高换热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例热管堆传热接口装置的纵截面结构示意图；
图2为本发明实施例热管堆传热接口装置与热管堆的安装结构示意图；
图3为本发明实施例热管堆传热接口装置与热管安装后的A-A剖面图；
图4为本发明实施例热管堆传热接口装置与热管安装后的B-B剖面图；
图5为本发明实施例热管堆传热接口装置与热管安装后的C-C剖面图。
图中：1、基体；11、安装孔；12、传热通道；13、一次均温通道；14、二次均温通道；2、热管堆；3、热管；4、入口分配箱；41、工质入口；42、通孔；5、出口混合箱；51、工质出口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示为本发明实施例热管堆传热接口装置的纵截面结构示意图，该热管堆传热接口装置包括基体1，基体1内分布有用于安插热管的安装孔11，每一安装孔11的周围分布有供冷却工质流通的贯穿基体1的传热通道12，传热通道12为变截面通道。其中，基体1可以是柱形结构如圆柱形结构，也可以是其他结构，本发明实施例不做具体限定。当基体1为柱形结构时，安装孔11的轴线与基体1的中心轴线平行。热管3通过基体1与冷却工质进行热交换，基体1采用传热材质制成，例如钛合金或不锈钢。
安装孔11的排布方式与对应安装的的热管堆上热管的排布方式相同。例如，通常的热管堆是由热管和燃料棒交替插入“蜂窝煤”结构体的孔中形成的，则安装孔11与传热通道12也呈类似“蜂窝煤”的孔的排布方式。
如图2所示为本发明实施例热管堆传热接口装置与热管堆的安装结构示意图。使用时，先将热管3插入安装孔11并与安装孔11紧密结合，使热管3的热量能够传递给基体1。热管3从热管堆2带出热量，通过热传导的方式将热量传递给基体1。冷却工质从传热通道12靠近热管堆2的一端流入，经过传热通道12时吸收基体1的热量，并从另一端流出，从而实现热管3与冷却工质的热交换。
冷却工质在传热通道12的轴向沿程上与热管3持续换热过程中，一方面冷却工质的温度逐渐升高，与热管3的温差逐渐减小，会降低冷却工质的传热能力；另一方面冷却工质的密度降低，流速增大，又会提升冷却工质的传热能力，但同时其流动阻力也会随之增大。
本发明实施例综合考虑冷却工质在传热通道12的轴向沿程上各项物理参数的变化对冷却工质的传热能力和流动阻力的影响，将传热通道12设置为变截面通道。例如，传热通道12的横截面积沿冷却工质流动方向逐渐增大或逐渐减小，当然也可以先逐渐减小后逐渐增大或先逐渐增大后逐渐减小，传热通道的侧壁可以呈弧形变化趋势，也可以呈直线变化趋势，具体根据实际冷却工质的传热能力和流动阻力的总体变化趋势确定。为了便于生产加工，本发明实施例中的传热通道12为锥形通道，如图1所示的传热通道12为横截面沿冷却工质流动方向逐渐增大的锥形通道。
为了使冷却工质在传热通道12中始终保持最大的传热能力和最小的流动阻力，本发明实施例根据冷却工质的温度、热流密度以及其从传热通道12的入口到出口的物性状态变化，计算获得冷却工质的传热系数和阻力系数，设计传热通道12的截面变化型式。
具体的，如传热通道12的横截面为圆形，则根据公式
Figure BDA0002515963690000051
Figure BDA0002515963690000052
计算得到所述传热通道的横截面直径。其中，Q为传热量，Cp为冷却工质的比热容，T0为冷却工质的初始温度，W为冷却工质的流量，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，f为冷却工质的阻力系数，h为冷却工质的传热系数，u为冷却工质的流速，k为冷却工质的导热率，λ为冷却工质的粘度，ρ为冷却工质的密度，d为传热通道的横截面直径。本发明实施例提供的热管堆传热接口装置，一方面通过在基体1上设置用于安装热管3的安装孔11和供冷却工质流通的传热通道12，使冷却工质仅在专门的传热通道12中流动，并通过基体1与热管3进行换热，相比于传统的热管换热器，避免了冷却工质对热管3的直接冲刷造成的热管3的振动和腐蚀；另一方面通过设置变截面的传热通道12，使冷却工质在传热通道12的轴向沿程上保持最大传热能力和最小流动阻力，提高换热效率。
如图3所示为本发明实施例热管堆传热接口装置与热管安装后的A-A剖面图，如图4所示为本发明实施例热管堆传热接口装置与热管安装后的B-B剖面图。本发明实施例中，基体1内还设有均温通道，分别为一次均温通道13和二次均温通道14，基体1分为位于中心呈圆柱状的中心区及位于中心区外的外围区，一次均温通道13连通位于中心区的传热通道12，二次均温通道14连通位于外围区的传热通道12。一次均温通道13用于平均基体1中心区的冷却工质的流量和温度，二次均温通道14用于平均基体1外围区的冷却工质的流量和温度。其中，中心区和外围区的交界处分布有传热通道12，此处的传热通道12既属于中心区又属于外围区，从而可以通过一次均温通道13和二次均温通道14使所有的传热通道12处于连通状态。
由于热管堆2存在径向功率分布不均的问题，使热管堆2上的热管3的温度呈余弦曲线分布，从而造成基体1从中心向外延伸的方向上的温度呈现相应的曲线分布。本发明实施例提供的热管堆传热接口装置，通过在基体1内设置一次均温通道13和二次均温通道14，改善基体1从中心向外延伸的方向上温度分布不均匀的情况，使基体1的中心到四周承受较均匀的热应力，使得基体1呈现较均匀的膨胀，保证基体1的完整性和安全性。
为了减小冷却工质从一条传热通道12通过均温通道与另一条传热通道12中的冷却工质汇流时，对另一条传热通道12内的冷却工质的流动阻力的影响，本发明实施例中，均温通道以使冷却工质从基体1中心向基体1外侧流通的方向设置。例如，如图3和图4所示，本发明实施例中的传热通道12呈圆形阵列排布，一次均温通道13和二次均温通道14均沿传热通道的径向延伸，同一周向上的传热通道12之间彼此不连通，使冷却工质通过均温通道实现径向上的流量和温度的均匀。
本发明实施例中，均温通道可与各传热通道12垂直；也可以与传热通道12呈一定的角度，以减小均温通道内的冷却工质对传热通道12内的冷却工质的流动阻力的影响，具体的，使均温通道内的冷却工质的流动方向与被入流的传热通道12内的冷却工质的流动方向的夹角为锐角。
本发明实施例中，一次均温通道13靠近基体1的工质入口端并位于基体1的三等分处，二次均温通道14靠近基体1的工质出口端并位于基体1的另一三等分处。热管3越靠近热管堆2温度越高，冷却工质刚进入传热通道12内时，与热管3存在剧烈的温差，使冷却工质的温度快速上升，将一次均温通道13设置于基体1的工质入口端并位于基体1的三等分处，使中心区的高温冷却工质先得到均温。冷却工质流到基体1另一三等分处时，中心区的冷却工质开始流向外围区，并在外围区进行第二次均温。通过这样的两次均温，保证在较小的工质流动阻力的情况下，通过冷却工质对基体进行均温，解决反应堆径向功率不均匀带来的基体内外侧膨胀不均的问题，避免传热接口装置长期运行时的热应力损伤，同时可改善各传热通道内流量分配不均的问题。
需要说明的是，一次均温通道13和二次均温通道14在基体1上的位置，可以根据实际工况中基体1的热应力分布来确定，并不局限于本发明实施例中位于基体1的三等分处。
本发明实施例中，中心区的截面直径为基体1的同向截面最小宽度的0.45～0.6倍。如基体1为圆柱形结构，则中心区截面直径为该圆柱形基体横截面直径的0.45倍、0.5倍或0.6倍。
如图1所示，本发明实施例中的安装孔11为盲孔，使热管3安装于安装孔11后不与基体1外部的冷却工质接触，避免热管3内含有碱金属的工质泄露进入到冷却工质中，使冷却工质在后续做功时对发电装置中的部件如叶片造成损坏。
本发明实施例中，如图1和图2所示，基体1的工质入口端安装有入口分配箱4，基体1的工质出口端安装有出口混合箱5，入口分配箱4上设有工质入口41和通孔42，通孔42用于供热管3穿过后插设于安装孔11，出口混合箱5上设有工质出口51。冷却工质从工质入口41进入入口分配箱4，继而进入传热通道12与热管3进行换热，经过传热通道12进入出口混合箱混合后从工质出口51排出，用于后续做功。如图5所示为本发明实施例热管堆传热接口装置与热管安装后的C-C剖面图。
其中，入口分配箱4和出口混合箱5可分别与基体1的端面焊接固定，也可以与基体套接固定，如螺纹套接方式，且保证入口分配箱4和出口混合箱5与基体之间密封连接。
本发明实施例中，入口分配箱4上可设置多个工质入口41，多个工质入口41均匀分布于入口分配箱4的侧壁，使冷却工质从多个方向同时进入入口分配箱4，从而均匀的进入各传热通道12，工质出口51设置于出口混合箱5的端盖的中心。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种热管堆传热接口装置，其特征在于，包括基体，所述基体内分布有用于安插热管的安装孔，每一所述安装孔的周围分布有供冷却工质流通的贯穿所述基体的传热通道，所述传热通道为变截面通道。
2.根据权利要求1所述的热管堆传热接口装置，其特征在于，所述传热通道的横截面为圆形，根据公式
Figure FDA0002515963680000011
Figure FDA0002515963680000012
计算得到所述传热通道的横截面直径；
其中，Q为传热量，Cp为冷却工质的比热容，T0为冷却工质的初始温度，W为冷却工质的流量，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，f为冷却工质的阻力系数，h为冷却工质的传热系数，u为冷却工质的流速，k为冷却工质的导热率，λ为冷却工质的粘度。
3.根据权利要求1所述的热管堆传热接口装置，其特征在于，所述基体内还设有一次均温通道和二次均温通道，所述基体分为位于中心呈圆柱状的中心区及位于所述中心区外的外围区，所述一次均温通道连通位于所述中心区的所述传热通道，所述二次均温通道连通位于所述外围区的所述传热通道。
4.根据权利要求3所述的热管堆传热接口装置，其特征在于，所述中心区的截面直径为所述基体的同向截面最小宽度的0.45～0.6倍。
5.根据权利要求3所述的热管堆传热接口装置，其特征在于，所述传热通道呈圆形阵列排布，所述一次均温通道和所述二次均温通道均沿所述传热通道的径向延伸。
6.根据权利要求3-5任一项所述的热管堆传热接口装置，其特征在于，所述一次均温通道靠近所述基体的工质入口端并位于所述基体的三等分处，所述二次均温通道靠近所述基体的工质出口端并位于所述基体的另一三等分处。
7.根据权利要求1-5任一项所述的热管堆传热接口装置，其特征在于，所述安装孔为盲孔。
8.根据权利要求1-5任一项所述的热管堆传热接口装置，其特征在于，所述基体为柱形结构，所述安装孔的轴线与所述基体的中心轴线平行。
9.根据权利要求1所述的热管堆传热接口装置，其特征在于，所述基体的工质入口端安装有入口分配箱，所述基体的工质出口端安装有出口混合箱，所述入口分配箱上设有工质入口和通孔，所述通孔用于供所述热管穿过后插设于所述安装孔，所述出口混合箱上设有工质出口。
10.根据权利要求9所述的热管堆传热接口装置，其特征在于，多个所述工质入口均匀分布于所述入口分配箱的侧壁，所述工质出口设置于所述出口混合箱的端盖的中心。
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