CN115218699B - 一种适用于临氢工况的高温热管及其防渗氢失效方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于临氢工况的高温热管及其防渗氢失效方法，所述高温热管自上往下分为冷凝段、绝热段和蒸发段，所述冷凝段上端部分设有变径氢囊，所述变径氢囊的顶部端盖设置有中心孔，该中心孔内安装有贯穿端盖的管状氢窗，所述管状氢窗向下延伸至蒸发段，所述蒸发段底部端盖中心处安装有管状氢囊，所述管状氢囊的上端开口并向上延伸至变径氢囊内，同时管状氢囊套装在管状氢窗的外围。当高温热管应用于临氢工况时，在其管状氢窗的上端口插入较细的吹扫气管，延伸至氢窗底部，并持续通入吹扫气，在吹扫气的作用下，渗入热管的氢气可由氢窗快速排出热管外，进而防止渗入氢气形成较长的气塞而造成热管传热失效。

Description

一种适用于临氢工况的高温热管及其防渗氢失效方法
技术领域
本发明涉及一种相变传热元件，具体涉及一种适用于临氢工况的高温热管及其防渗氢失效方法，属于传热技术领域。
背景技术
热管由于传热性能优良、均温性良好，已被广泛应用于工业节能、电子散热、太空探索等领域，对设备传热效率、可靠性和安全性的提升具有显著作用。随着科学技术的蓬勃发展，近年来热管的应用逐渐向一些高温、热环境复杂多变的苛刻工况拓展，如太阳能高汇聚热利用、超高速飞行器热防护、微型核反应堆、高温热化学反应器等。
高温热管通常指以碱金属为工质、工作温度在400～1200℃间的热管。高温热管在化学反应器、能源转换设备的应用中往往会面临富含氢气氛围的工况，在高温和氢压差的作用下，氢气会从高温热管金属管壁渗入内部，并在热管内部工质蒸气的携带下于冷凝段聚集形成气塞，最终导致高温热管无法有效传热，甚至失效。美国休斯顿大学的研究学者们在甲烷蒸汽重整反应器中尝试使用高温热管作为传热元件供热，然而在利用纯氢对反应器中催化剂进行还原再生的过程中发现，仅19个小时反应器内的高温热管即完全失效。由此可见，高温热管虽能提高设备传热传质效果和整体效率，但渗氢失效问题无法解决，高温热管就很难在能源化工设备中推广应用。
现有解决高温热管渗氢失效的方法大致可以分为两种，分别为抑制氢气的渗入和及时排出渗入氢气。抑制氢气渗入是指在高温热管管壳外表面涂覆一层氢气渗透率较低的涂层，降低氢气渗入速率，从而达到延缓其渗氢失效的目的，但并不能完全避免其失效。为此，美国的Thermacore公司提出了采用渗氢速率较高的金属材料在热管冷凝段气塞区域构建“氢窗结构”(HydrogenWindow)来快速排出热管内渗入氢气的方法。金属材料的透氢性一般以钯及其合金为佳，但因其与钠、钾等碱金属不相容，高温热管氢窗结构中的透氢材料通常以纯镍或其合金为主。Thermacore公司起初通过在高温热管冷凝段内布置多根镍管用于排氢，但因气塞区域温度远远低于蒸气区，该氢窗结构的排氢性能不佳。于是，他们又提出了含环状“氢囊”(GasPocket)的氢窗结构，利用氢囊收集氢气，同时依靠蒸气热辐射提高氢窗的温度，以提升排氢性能，并基于实验验证该方案的可行性，结果表明在空间核反应堆短暂间歇性临氢的运行工况下，该热管在临氢运行时会渗氢，非临氢时则能快速排氢，热管也能有效发挥其性能。
为实现连续排氢，德国纽伦堡大学针对生物质气化反应器所用高温热管提出了另一种氢窗结构与排氢方法，将镍管制成的氢窗安装在冷凝段轴线位置，热管运行时在氢窗内通入氮气进行吹扫，从而连续排氢。该方法舍弃了氢囊，结构更为简单，但因氢窗区域的温度较低，实验测试结果显示，该热管在临氢工况下H2气塞的长度会占据总长的20％～30％，说明渗氢问题对该热管的整体传热性能仍有显著的负面影响。
综上所述，利用渗氢速率较高的材料构建氢窗结构，并通过气体吹扫实现连续性排氢是目前高温热管抗渗氢失效的主要方法。然而，现有氢窗结构下高温热管的整体传热性能仍不理想，如何构筑高效的高温热管氢窗结构是当前高温热管在临氢工况下高效、可靠应用的技术难点。
发明内容
本发明的目的是解决高温热管在临氢工况应用面临的渗氢失效问题，提出了一种适用于临氢工况的高温热管及其防渗氢失效方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种适用于临氢工况的高温热管，所述高温热管自上往下分为冷凝段、绝热段和蒸发段，在其管内空间部分充有液态金属工质，且高温热管的主体部分内壁上附有毛细多孔材料层，所述冷凝段上端部分设有变径氢囊，所述变径氢囊的顶部端盖设置有中心孔，该中心孔内安装有贯穿端盖的管状氢窗，所述管状氢窗向下延伸至蒸发段，所述蒸发段底部端盖中心处安装有管状氢囊，所述管状氢囊的上端开口并向上延伸至变径氢囊内，同时管状氢囊套装在管状氢窗的外围。
进一步的，所述高温热管的管壳采用耐热不锈钢材质，其主体部分管外径为10～60mm，壁厚为1～5mm，总长为0.1～6m，且冷凝段与蒸发段长度比例在0.1～20。
进一步的，所述液态金属工质为钠、钾、钠钾合金、汞、锂和铯中的任一种，液态金属工质占热管内部空间的体积分数为5％～40％。
进一步的，所述变径氢囊长度占热管总长的5％～20％，变径氢囊的管径大于热管主体管径，其与热管主体管径的比例在1.5～3，壁厚与热管主体一致。
进一步的，所述管状氢窗置于管状氢囊内部，两者同轴设置，所述管状氢窗采用渗氢速率较高且与液态金属相容的材质，其长度为热管总长的70％～90％，管径为热管主体管径的10％～30％，壁厚为0.2～2mm。
更进一步的，所述管状氢窗采用的材质为纯镍，其一端向上延伸至管外，采用开口结构；另一端则向下沿热管轴线延伸至蒸发段内，采用封口结构。
进一步的，所述管状氢囊采用与热管主体结构一致的材质，长度与热管总长的比例为0.95～0.98，其管径为所述管状氢窗的150％～200％，壁厚在0.2～1mm；
进一步的，所述管状氢囊的下端直接固定在蒸发段端盖上，且其近端盖处的管壁上留有排液口，上端则沿热管轴心向上延伸至热管变径氢囊内，且采用开口结构。
另一方面，本发明还提供了一种适用于临氢工况的高温热管的防渗氢失效方法，当高温热管应用于临氢工况时，在其管状氢窗的上端口插入吹扫气管，延伸至管状氢窗底部，并持续通入吹扫气；热管工作气氛中的氢气通过热管管壁扩散进入管内后，在工质汽化/冷凝相变循环流动的作用下，快速汇集到冷凝段顶端的变径氢囊内，再由热管轴线处的管状氢囊顶部开口进入其内部，然后部分氢气通过渗透进入管状氢窗，在吹扫气的作用下，渗入热管的氢气由管状氢窗快速排出热管外，进而防止渗入氢气形成较长的气塞而造成热管传热失效。
进一步的，吹扫气在管状氢窗内的流速范围为0.3～2m/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：冷凝段顶端变径氢囊和轴线处管状氢囊的使用可有效减少氢气气塞长度，管状氢囊则会通过热辐射加热管状氢窗的管壁而使其保持较高的温度和渗氢速率，轴线处管状氢囊的存在还可以增大氢窗与氢气的接触面积，进而加快渗入氢气的排出，强化临氢高温热管的整体传热性能。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明的一种适用于临氢工况的高温热管的示意图。
图中：1-冷凝段，2-绝热段，3-蒸发段，4-毛细多孔材料层，5-液态金属工质，6-变径氢囊，7-管状氢窗，8-管状氢囊，9-排液口，10-吹扫气管，11-吹扫气。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明，但并不因此限制此发明的适用范围。以下实施例所述的一种适用于临氢工况的高温热管所用的整体结构材料为耐热不锈钢材质，管状氢窗采用渗氢速率较高且与液态金属相容的材质(如镍及其合金)，液态金属工质为钠、钾、钠钾合金、汞、锂或铯等。
实施例一。
如图1所示，一种适用于临氢工况的高温热管，热管为管状封闭结构，热管的主体部分内壁附有毛细多孔材料层4，热管的管内空间部分充有液态金属工质5，其整体结构自上往下分为冷凝段1、绝热段2和蒸发段3，所述冷凝段1上端部分设有变径氢囊6，所述变径氢囊6顶部端盖置有中心孔，该中心孔内焊有贯穿端盖的管状氢窗7，所述蒸发段3底部端盖中心处焊有管状氢囊8。
当所述高温热管处于临氢工况，在其管状氢窗7的上端口插入较细的吹扫气管10，延伸至管状氢窗7底部，并持续通入吹扫气11。热管工作气氛中的氢气通过热管管壁扩散进入管内后，在工质汽化/冷凝相变循环流动的作用下，快速汇集到冷凝段1顶端的变径氢囊6内，再由热管轴线处的管状氢囊8顶部开口进入其内部，因管状氢窗7的氢渗透速率较高，在吹扫气11的作用下，渗入热管的氢气又由管状氢窗7快速排出热管外，从而防止渗入氢气形成较长的气塞而造成热管传热失效。管状氢囊8底部设置的排液口9则可以防止管状氢囊8内发生液态工质的积聚。
实施例二。
如实施例一所述的一种适用于临氢工况的高温热管，用于甲烷的干重整反应器(750～850℃)，用来改善反应床的均温性，提高反应效率，防止催化剂床局部温度过高或过低而失效。在所述高温热管中，其热管主体结构采用耐热不锈钢材质，管外径在10～60mm，壁厚1～5mm，总长0.1～6m，冷凝段1与蒸发段3长度比例在0.1～20，绝热段2长度依据实际情况设置。冷凝段1顶端的变径氢囊6，其长度占热管总长的5％～20％，管外径与热管主体管径的比例在1.5～3，壁厚与热管主体一致。冷凝段1顶部端盖中心孔内焊接的管状氢窗7，其采用渗氢速率较高且与液态金属相容的材质(如镍及其合金)，长度为热管总长的70％～90％，管径为热管主体管径的10％～30％，壁厚在0.2～2mm。蒸发段3底部端盖焊接的管状氢囊8，其采用与热管主体结构一致的材质，长度与热管总长的比例为0.95～0.98，其管径为所述管状氢窗7的150％～200％，壁厚在0.2～1mm。
作为本实施例的一种优选：
所述热管主体结构管壳采用310s不锈钢，管外径为34mm，壁厚2mm，总长1.1m，冷凝段1长度为0.4米，绝热段2长度为0.2米，蒸发段3长度为0.4米；管内充入的液态金属工质5为金属钠，占热管内部空间的体积分数为20％。
所述冷凝段1顶端的变径氢囊6，通过变径管与热管主体结构连接，长度为0.1米，管外径较热管主体管径更大，为52mm，壁厚与热管主体一致为2mm。
所述冷凝段1顶部端盖中心孔内焊接的管状氢窗7，其采用的材质为纯镍(牌号Ni200)，长度为900mm，外径为6mm，壁厚为1mm；其一端向上延伸至管外，采用开口结构；另一端则向下沿热管轴线延伸至蒸发段3内，采用封口结构。
所述蒸发段3底部端盖焊接的管状氢囊8，其采用与热管主体结构一致的材质，长度1.05米，外径为12mm，壁厚为1mm；该管状氢囊的一端直接固定在蒸发段3端盖上，近端盖处的管壁上留有排液口9，另一端则沿热管轴心向上延伸至热管变径氢囊6内，采用开口结构；所述管状氢囊8与所述管状氢窗7同轴，所述管状氢窗7置于所述管状氢囊8内部。
所述用于甲烷干重整的高温热管抗渗氢失效方法如下：
因甲烷干重整产生的氢气会通过热管的金属管壳扩散进入热管内部，在工质汽化/冷凝相变循环流动的作用下，氢气快速汇集到冷凝段1顶端的变径氢囊6内形成氢气气塞，再由管状氢囊8的开口处进入氢囊驻留。为防止渗入氢气过多而热管失效，通过吹扫气管10向管状氢窗7内通入200mL/min的氮气(管状氢窗内的氮气气速约为0.7～0.8m/s)，可以实现渗入氢气的连续排出。变径氢囊6直径较大能驻留更多H2，可减少H2气塞区对热管整体传热性能的影响。而轴线处管状氢囊8的存在还可以增大管状氢窗7与氢气的接触面积，进而加快渗入氢气的排出。少许由管状氢窗7上端口进入其内部的钠工质可从排液口9回到蒸发段3底部。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种适用于临氢工况的高温热管，其特征在于，所述高温热管自上往下分为冷凝段（1）、绝热段（2）和蒸发段（3），在其管内空间部分充有液态金属工质（5），且高温热管的主体部分内壁上附有毛细多孔材料层（4），所述冷凝段（1）上端部分设有变径氢囊（6），所述变径氢囊（6）的顶部端盖设置有中心孔，该中心孔内安装有贯穿端盖的管状氢窗（7），所述管状氢窗（7）向下延伸至蒸发段（3），所述蒸发段（3）底部端盖中心处安装有管状氢囊（8），所述管状氢囊（8）的上端开口并向上延伸至变径氢囊（6）内，同时管状氢囊（8）套装在管状氢窗（7）的外围；所述变径氢囊（6）的管径大于热管主体管径；所述管状氢窗（7）采用的材质为纯镍，其一端向上延伸至管外，采用开口结构，另一端则向下沿热管轴线延伸至蒸发段内，采用封口结构；所述管状氢囊（8）采用与热管主体结构一致的材质。
2.根据权利要求1所述的一种适用于临氢工况的高温热管，其特征在于，所述高温热管的管壳采用耐热不锈钢材质，其主体部分管外径为10~60mm，壁厚为1~5mm，总长为0.1~6m，且冷凝段（1）与蒸发段（3）长度比例在0.1~20。
3.根据权利要求1所述的一种适用于临氢工况的高温热管，其特征在于，所述液态金属工质（5）为钠、钾、钠钾合金、汞、锂和铯中的任一种，液态金属工质（5）占热管内部空间的体积分数为5%~40%。
4.根据权利要求1所述的一种适用于临氢工况的高温热管，其特征在于，所述变径氢囊（6）长度占热管总长的5%~20%，变径氢囊（6）与热管主体管径的比例在1.5~3，壁厚与热管主体一致。
5.根据权利要求1所述的一种适用于临氢工况的高温热管，其特征在于，所述管状氢窗置于管状氢囊内部，两者同轴设置，所述管状氢窗（7）采用渗氢速率较高且与液态金属相容的材质，其长度为热管总长的70%~90%，管径为热管主体管径的10%~30%，壁厚为0.2~2mm。
6.根据权利要求1所述的一种适用于临氢工况的高温热管，其特征在于，所述管状氢囊（8）长度与热管总长的比例为0.95~0.98，其管径为所述管状氢窗的150%~200%，壁厚在0.2~1mm。
7.根据权利要求1所述的一种适用于临氢工况的高温热管，其特征在于，所述管状氢囊（8）的下端直接固定在蒸发段端盖上，且其近端盖处的管壁上留有排液口（9），上端则沿热管轴心向上延伸至热管变径氢囊（6）内，且采用开口结构。
8.一种如权利要求1至7中任一项所述适用于临氢工况的高温热管的防渗氢失效方法，其特征在于，当高温热管应用于临氢工况时，在其管状氢窗（7）的上端口插入吹扫气管（10），延伸至管状氢窗（7）底部，并持续通入吹扫气（11）；热管工作气氛中的氢气通过热管管壁扩散进入管内后，在工质汽化/冷凝相变循环流动的作用下，快速汇集到冷凝段（1）顶端的变径氢囊（6）内，再由热管轴线处的管状氢囊（8）顶部开口进入其内部，然后部分氢气通过渗透进入管状氢窗（7），在吹扫气（11）的作用下，渗入热管的氢气由管状氢窗（7）快速排出热管外，进而防止渗入氢气形成较长的气塞而造成热管传热失效。
9.根据权利要求8所述一种适用于临氢工况的高温热管的防渗氢失效方法，其特征在于，吹扫气（11）在管状氢窗（7）内的流速范围为0.3~2m/s。
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