CN115524362A - 一种高温热管传热能力测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温热管传热能力测试装置，其包括高温热管、蒸发段加热部件、绝热段绝热部件、冷凝段冷凝部件和温度采集部件；蒸发段加热部件包覆在高温热管的外周，从内向外依次由铅铋合金层、磁性层、防漏热层、感应加热部件、绝热保温层组成。采用本发明的测试装置，可实现高温热管的蒸发段受热效率高、温度均匀，高温热管的冷凝段冷凝能力强，同时避免了高温热管受热时冷凝段内部出现工质凝固和蒸发段内部出现碱金属工质干涸的现象。

Description

一种高温热管传热能力测试装置
技术领域
本发明涉及液态金属高温热管技术领域，具体涉及一种高温热管传热能力测试装置，适用于以钠、钾、锂等液态金属为工质的高温热管的测量。
背景技术
液态金属高温热管具有非能动的特性，无需其他动力机械进行热能输送，系统简单轻量、传热能力强，此外热管之间相互独立，可避免单点失效，提供冗余安全保障，因此液态金属高温热管是空间核反应堆电源堆芯热传输系统和辐射散热器的重要研究对象。为了获得液态金属高温热管的启动性能、热传输性能和服役环境适应性，通常需要对研制的液态金属高温热管进行性能测试，为此需要研发相应的高温热管测试装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温热管传热能力测试装置，通过合理的结构设计和材料选择，可实现高温热管传热效率和传热能力的有效测试。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
本发明提供了一种高温热管传热能力测试装置，其包括蒸发段加热部件、绝热段绝热部件、冷凝段冷凝部件和温度采集部件；蒸发段加热部件包覆在高温热管的外周，从内向外依次由铅铋合金层、磁性层、防漏热层、感应加热系统层、绝热保温层构成。高温热管一般由管壳、吸液芯、蒸汽腔、碱金属工质和端塞等构成；碱金属工质一般为钠、钾、锂等材料。
上述所述的测试装置中，作为优选，所述铅铋合金层采用铋金属含量为53-58%其余为铅的铅铋合金材料，更优选铋金属含量为55%，此时为铅铋共晶材料，熔点低最适合。铅铋合金层厚度2mm~5mm较好，太小不易安装，太大导热性能下降。
上述所述的测试装置中，作为优选，所述磁性层采用耐高温且具有磁性的碳钢或Inconel合金材料；磁性层整体形成桶状结构，高温热管的蒸发段和铅铋合金层均被包裹在桶内；磁性层的设计可以提高由于高温热管通常为薄壁结构带来的感应加热时磁性负载不足的问题，同时使得一些采用弱磁性或者无磁性材料加工制备的高温热管，也可以利用本发明的测试装置进行测试。磁性层的厚度需要根据感应加热线圈的功率来适当调整。
上述所述的测试装置中，作为优选，所述防漏热层为纳米二氧化硅气凝胶毡。防漏热层位于磁性层和感应加热部件的加热线圈之间，防漏热层贴合磁性层外壁面。防漏热层的设置能有效阻止磁性层被感应加热后获得的热量传递给感应加热部件，提高高温热管的受热功率。防漏热层厚度在5mm~15mm较好，太薄漏热比较严重，太厚会造成磁性层和感应加热部件间距太大漏磁严重。
上述所述的测试装置中，所述感应加热部件即为一般的感应加热装置，主要用于实现感应加热，其一般包括感应加热线圈、水电缆软连接线、高频感应加热电源、水冷机组和水管；感应加热线圈一般为螺旋盘绕的铜管，铜管与水电缆软连接线连接，铜管与水电缆软连接线内部为冷却水流道，水电缆软连接线通过水管与水冷机组连接。
上述所述的测试装置中，作为优选，所述绝热保温层包括内外两层，内层为气凝胶毡材料，外层为保温棉材料。气凝胶毡绝热保温性能更好，但是容易产生大量粉尘，外层包裹保温棉可减少粉尘同时保温棉价格低。绝热保温层贴合感应加热部件系统层设计。
上述所述的测试装置中，作为优选，所述绝热段绝热部件采用气凝胶毡和/或保温棉材料；更优选的，绝热段绝热部件包括两层，内层为气凝胶毡材料，外层为保温棉材料。
上述所述的测试装置中，作为优选，所述冷凝段冷凝部件包括冷凝套筒和冷凝段绝热保温层，冷凝套筒是空心圆环柱状结构，两端封端，其套设在高温热管外周，冷凝套筒与高温热管之间不贴合有气隙；冷凝套筒内装有冷却剂，所述冷却剂为液态铅铋合金材料；冷凝段绝热保温层包覆在冷凝套筒的外周，其优选包括两层，内层为气凝胶毡材料，外层为保温棉材料。
上述所述的测试装置中，作为优选，所述气隙厚度为0.3~2.0mm，优选0.5-1.0mm，该设计能够使得高温热管启动后整体温度分布更均匀，避免出现由于高温热管冷凝段温度较低造成的高温热管传热能力下降。另外，气隙可以为空气隔层，也可以根据需要在气隙内填充氦气等高导热气体。
上述所述的测试装置中，作为优选，所述冷凝套筒内的冷却剂为铋金属含量为55%其余为铅的液态铅铋合金材料；所述冷凝套筒包括外壳、折流板和冷却剂进出口，而冷却剂的循环使用是显而易见的，其通过一般的回路循环即可实现，折流板的设计有利于冷却剂在冷凝套筒内进行充分的热传递。冷凝套筒一般采用304或316不锈钢材料；在所述冷却剂进出口处设有用于温度监控的热电偶以及用于流量监控的流量计则可便于实际检测。另外，冷凝套筒加工完成后高温处理进行消磁，可避免蒸发段感应加热部件直接作用于冷凝套筒，给高温热管的传热能力测试带来误差。
上述所述的测试装置中，作为优选，所述温度采集部件用于采集高温热管管壳外壁面温度。所述温度采集部件一般包括热电偶、补偿导线、数据采集卡等；热电偶固定连接于高温热管管壳外壁面，并利用焊接在高温热管管壳外壁面的镀镍钢带进一步压紧，能提高高温热管壁面温度测量的准确性；镀镍钢带厚度为0.15mm能保障足够的机械强度，同时易于点焊并不破坏热管管壁。
采用本发明的测试装置在进行高温热管传热能力测试时，位于高温热管蒸发段的铅铋合金层被很快加热熔化，填充于高温热管蒸发段和磁性层之间，液态铅铋合金具有良好的导热性、化学惰性和高沸点特征，可以减少高温热管蒸发段的受热不均匀，同时释放高温热管蒸发段受热膨胀带来的热应力。此外高温热管传热能力测试过程中，高温热管的蒸发段容易破裂损坏，高温热管内部的碱金属工质化学性质活泼，一旦泄露会带来火灾、烧伤等严重安全事故，在液态铅铋合金环境下，即使碱金属工质泄露，由于泄露的碱金属工质被惰性的液态铅铋合金包覆，也能极大降低安全隐患；本发明的测试装置中，冷凝段冷凝部件采用铋金属含量为55%其余为铅的液态铅铋合金材料作为冷却剂，利用了该铅铋合金熔点低、沸点高、密度和热熔大的特点，使得冷凝套筒处于常压运行，避免了采用水作为冷却剂带来的潜在高温高压问题；同时铅铋合金熔点高于钠、钾等碱金属工质的熔点，可避免高温热管冷凝段温度过低而使得高温热管冷凝段内出现碱金属工质凝固和高温热管蒸发段内出现碱金属工质干涸的现象。采用本发明的测试装置，可实现高温热管的蒸发段受热温度均匀传热效率高，而高温热管的冷凝段冷凝能力强，同时避免了高温热管受热时冷凝段内部出现工质凝固和蒸发段内部出现碱金属工质干涸的现象。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述的一种高温热管传热能力测试装置示意图。
图2是高温热管的一般结构示意图。
图3是本发明具体实施方式中所述的蒸发段加热部件示意图。
图4是本发明具体实施方式中所述的冷凝段冷凝部件示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容进行详细说明。下述实施方式是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施方式所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
如图1所示，一种高温热管传热能力测试装置，包括高温热管1、安装在高温热管1下部的蒸发段加热部件2、安装在高温热管1中部的绝热段绝热部件3、安装在高温热管1上部的冷凝段冷凝部件4，高温热管1的蒸发段、绝热段、冷凝段均安装有带测温热电偶的温度采集部件5；温度采集部件5一般可由K型热电偶、K型热电偶补偿导线、含数据采集卡的仪控系统等组成；K型热电偶与高温热管管壳1-1外壁面直接接触，并利用厚度为0.15mm的镀镍钢带压紧在高温热管管壳1-1外壁面，镀镍钢带通过多点点焊固定在高温热管管壳1-1外壁面。
如图2所示为高温热管1的一般结构，其一般由Inconel合金管壳1-1、200目的钼合金丝网吸液芯1-2、蒸汽腔1-3、钠金属工质1-4和Inconel合金端塞1-5等组成。
如图3所示，本发明提供的蒸发段加热部件2从内向外依次由铅铋合金层2-1、碳钢磁性层2-2、二氧化硅气凝胶毡防漏热层2-3、感应加热部件2-4、绝热保温层2-5构成；铅铋合金层2-1采用铋含量为55%其余为铅的铅铋合金材料；磁性层2-2采用耐高温且具有磁性的碳钢材料。防漏热层2-3为纳米二氧化硅气凝胶毡，防漏热层位于磁性层和感应加热部件的加热线圈之间，防漏热层贴合磁性层外壁面，防漏热层的设置能有效阻止磁性层被感应加热后获得的热量传递给感应加热部件，提高高温热管的受热功率。绝热保温层2-5贴合感应加热部件2-4设置，绝热保温层2-5包括内外两层，内层为气凝胶毡材料，外层为保温棉材料。
如图4，冷凝段冷凝部件4包括冷凝套筒4-2和冷凝段绝热保温层4-3，在冷凝套筒4-2与高温热管之间设有气隙4-1，气隙4-1厚度为0.5mm；所述冷凝套筒4-2内装有铋金属含量为55%其余为铅的液态铅铋合金材料作为循环冷却剂。冷凝段冷凝部件4的冷凝套筒4-2采用304不锈钢材料，冷加工完成后进行了高温退火消磁处理；冷凝套筒包括外壳4-5、折流板4-4和冷却剂进出口4-6；所述冷却剂进出口4-6处均设有用于温度监控的热电偶以及用于流量监控的流量计，用于监控冷凝套筒4-2冷却剂进出口4-6处的液态铅铋合金温度（进口温度记为T1、出口温度记为T2）；冷却剂进口处还安装有高精度液态铅铋合金流量计，用于监控冷却剂进出口4-6处的液态铅铋合金体积流量（记为v）。
利用本发明的高温热管传热能力测试装置进行高温热管1测试时，感应加热部件2-4通过电磁感应，将能量传递给碳钢磁性层2-2，碳钢磁性层2-2吸能后温度升高，传递热量并加热融化铅铋合金层2-1，铅铋合金层2-1进一步将热量传递给高温热管1的蒸发段；高温热管1蒸发段的钠金属工质1-4受热后蒸发，在饱和蒸汽压驱动下载带热量至高温热管1冷凝段，钠蒸汽在冷凝段冷凝释放相变热，进一步在白钼丝网吸液芯毛细力的作用下回流至蒸发段，实现了热量从高温热管1蒸发段到冷凝段的传递。
利用本发明的高温热管传热能力测试装置计量高温热管1的传热功率时，计算公式为Q=c×m×Δt，式中Q为高温热管的传热功率，单位为kW；c为液态铅铋合金的比热容，单位为kW/（kg•℃）；m=v×ρ，为液态铅铋合金的质量流量，单位为kg/s；v为冷却剂进出口4-6处的液态铅铋合金体积流量，单位为m3/s；ρ为液态铅铋合金密度，单位为kg/m3；Δt为冷凝套筒4-2冷却剂出口和冷却剂入口的液态铅铋合金温差（T2-T1），单位为℃。
应当说明的是，本发明的上述所述之技术内容仅为使本领域技术人员能够获知本发明技术实质而进行的解释与阐明，故所述之技术内容并非用以限制本发明的实质保护范围。本发明的实质保护范围应以权利要求书所述之为准。本领域技术人员应当知晓，凡基于本发明的实质精神所作出的任何修改、等同替换和改进等，均应在本发明的实质保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温热管传热能力测试装置，包括蒸发段加热部件（2）、绝热段绝热部件（3）、冷凝段冷凝部件（4）和温度采集部件（5），所述蒸发段加热部件（2）包覆在高温热管的外周，从内向外依次由铅铋合金层（2-1）、磁性层（2-2）、防漏热层（2-3）、感应加热部件（2-4）、绝热保温层（2-5）构成；所述冷凝段冷凝部件（4）包括冷凝套筒（4-2）和冷凝段绝热保温层（4-3），在冷凝套筒（4-2）与高温热管的冷凝段之间设有气隙（4-1）；所述冷凝套筒（4-2）内装有冷却剂，所述冷却剂为液态铅铋合金材料。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述铅铋合金层（2-1）采用铋含量为53-58%其余为铅的铅铋合金材料。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁性层（2-2）采用碳钢或Inconel合金材料。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述防漏热层（2-3）为气凝胶毡。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝热保温层（2-5）包括内外两层，内层为气凝胶毡材料，外层为保温棉材料。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气隙（4-1）厚度为0.3~2.0mm。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷凝套筒（4-2）内的冷却剂为铋金属含量为55%其余为铅的液态铅铋合金材料。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷凝套筒（4-2）设有冷却剂进出口（4-6）以及折流板（4-4）；所述冷却剂进出口（4-6）处均设有用于温度监控的热电偶以及用于流量监控的流量计。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷凝套筒（4-2）经高温消磁处理。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度采集部件（5）的热电偶直接接触高温热管管壳（1-1）外壁面，并利用焊接在高温热管管壳（1-1）外壁面的厚度为0.15mm的镀镍钢带压紧。
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