CN212694846U - 热管堆余热排出系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例涉及深海核动力系统技术领域，提供一种热管堆余热排出系统。所述热管堆余热排出系统包括热管堆和换热器，所述热管堆的热管处于水平横卧状态，所述换热器包括外壳，所述热管贯穿插设于所述外壳，所述外壳包括内层壳体与外层壳体，所述外壳上下相对位置分别设置有出水口和进水口，所述出水口和所述进水口使所述内层壳体的内部与所述外层壳体的外部连通。本实用新型实施例提供的热管堆余热排出系统，在实现非能动地排出热管堆的余热的同时，相比于传统的反应堆余热排出系统，省去了专门的冷却器，简化了系统结构，减小了系统体积，节省了宝贵的舱内空间，能够适用于内部空间极为狭小的水下航行器。

Description

热管堆余热排出系统

技术领域

本实用新型涉及深海核动力系统技术领域，尤其涉及一种热管堆余热排出系统。

背景技术

无人潜航器(Unmanned undersea vehicle，简称UUV)是深海科学考察、资源勘测及开发利用、水下特定任务执行的有效工具，为满足其向大型化、长航时、高航速和智能化方向发展时对输出功率和续航时间的要求，常采用具有能量密度高、寿期长、不依赖空气等特征的核动力装置作为动力源。受制于深海宝贵的舱内空间资源、复杂水下环境以及无人条件，必须采用先进反应堆。

目前国内外均对热管型反应堆开展了较多研究，对象范围涵盖了海洋、陆地和空间。热管型反应堆(简称：热管堆)为全固态堆芯，利用热管作为堆芯热量导出手段，没有回路系统和转动部件，系统大大简化，可以做到堆芯免维护，特别适用于空间受限的UUV。反应堆故障停堆后，裂变产物衰变和剩余中子继续反应，带来特殊的剩余热量(简称余热)，若不及时带走，将造成反应堆融合，产生放射性物质外泄等严重后果，因此充分保障核安全是反应堆应用的第一条件。

针对此问题，在陆地核电站设计中，发展出了非能动余热排出系统，即在故障停堆时，无需人为干预、仅依靠自然循环即可带出余热，非能动余热排出技术成为核能应用的重要安全保障。当前对UUV采用核反应堆研究不够深入，应用于UUV的核反应堆非能动余热排出系统并未有方案见诸报道。而陆地核电站非能动余热排出系统通常需要非常高的垂直空间布置冷却器，以提升自然循环驱动力，保证足够冷却工质能够带出热量，因此并不适用于UUV中极为狭窄的空间。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种热管堆余热排出系统，用以解决现有的非能动余热排出系统的结构尺寸较大，不适用于空间受限的水下航行器的问题。

本实用新型实施例提供一种热管堆余热排出系统，包括热管堆和换热器，所述热管堆的热管处于水平横卧状态，所述换热器包括外壳，所述热管贯穿插设于所述外壳，所述外壳包括内层壳体与外层壳体，所述外壳上下相对位置分别设置有出水口和进水口，所述出水口和所述进水口使所述内层壳体的内部与所述外层壳体的外部连通。

其中，所述内层壳体的内部沿所述热管的轴线方向设有多个竖向隔板，多个所述竖向隔板将所述内层壳体的内部分成多个冷却通道，所述冷却通道与所述出水口和所述进水口连通。

其中，同一个所述竖向隔板嵌套有多个所述热管。

其中，每一所述竖向隔板的上端和下端分别安装有横向挡板，相邻两个所述横向挡板之间以及最边缘的所述横向挡板与所述内层壳体之间均留有间隙，所述冷却通道通过所述间隙与所述出水口和进水口连通，位于多个所述竖向隔板的同一侧的多个所述横向挡板形成具有所述间隙的弧形面，所述弧形面与所述内层壳体之间形成集水区。

其中，所述内层壳体的上下相对位置构造有向外凸出的集水体，所述集水体与所述弧形面之间形成所述集水区。

其中，所述间隙的宽度从中间向两侧逐渐减小。

其中，所述进水口安装有截止阀，所述出水口安装有止回阀。

其中，所述外层壳体为圆柱形结构，所述热管与所述圆柱形结构的轴线平行。

其中，所述换热器安装于所述热管的绝热段。

本实用新型实施例提供的热管堆余热排出系统，通过在水平横卧的热管上套设换热器，并在换热器壳体上设置上下相对的进水口和出水口，使海水能够自动进入换热器与热管进行换热，从而实现无需人员干预，仅依赖海水即可自动将反应堆的余热导出，即非能动的余热排出；另外通过设置双层壳体的换热器，保证热管堆正常运行时换热器内的热管不与外界换热，减少热能的损失。该热管堆余热排出系统相比于传统的反应堆余热排出系统，省去了专门的冷却器，简化了非能动余热排出系统的结构，减小了体积，节省了宝贵的舱内空间，能够适用于内部空间极为狭小的水下航行器。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例热管堆余热排出系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例热管堆余热排出系统的A-A剖面图。

图中：1、热管堆；11、热管；2、换热器；21、内层壳体；22、外层壳体；23、出水口；24、进水口；3、竖向隔板；4、冷却通道；51、第一横向挡板；52、第二横向挡板；53、第三横向挡板；61、第一间隙；62、第二间隙；63、第三间隙。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，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实用新型实施例中的具体含义。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

如图1所示为本实用新型实施例热管堆余热排出系统的结构示意图，该热管堆余热排出系统包括热管堆1和换热器2，热管堆1的热管11处于水平横卧状态，换热器2包括外壳，热管11贯穿插设于外壳，外壳包括内层壳体21与外层壳体22，外壳上下相对位置分别设置有出水口23和进水口24，出水口23和进水口24使内层壳体21的内部与外层壳体22的外部连通。

具体的，如图1所示，换热器2两端设有与热管11配合的通孔，以供换热器2套设在热管11上。在热管堆1正常运行的情况下，出水口23和进水口24处于关闭状态，外壳内部空间处于密封状态，在双层壳体的保护下，位于换热器2内的热管11不与外界换热，此时该段热管属于热管11的绝热段；当热管堆1停堆时，则打开进水口24和出水口23，海水自动从进水口24进入内层壳体21并与热管11进行热交换，冷却热管11外壁，海水自身温度升高、密度降低，从而持续往上流动经出水口23流出，将热管堆1内的余热排出。

本实用新型实施例提供的热管堆余热排出系统，通过在水平横卧的热管11上套设换热器2，并在换热器2壳体上设置上下相对的进水口24和出水口23，使海水能够自动进入换热器2与热管11进行换热，从而实现无需人员干预，仅依赖海水即可自动将反应堆的余热导出，即非能动的余热排出；另外通过设置双层壳体的换热器2，保证热管堆1正常运行时换热器2内的热管11不与外界换热，减少热能的损失。该热管堆余热排出系统相比于传统的反应堆余热排出系统，省去了专门的冷却器，简化了非能动余热排出系统的结构，减小了体积，能够适用于内部空间极为狭小的水下航行器，尤其是无人潜航器，节约宝贵的舱内空间。

需要说明的是，热管11分为蒸发段、绝热段和冷凝段，蒸发段位于堆芯本体内，反应堆堆芯内核裂变产生的热量从蒸发段通过热管11的毛细力输送到冷凝段，并通过冷却工质与冷凝段进行换热带出，以供后续的发电系统做功。为了减少热能损失，位于蒸发段和冷凝段之间的绝热段的外部一般包覆有绝热层以避免与外界换热。本实用新型实施例提供的热管堆余热排出系统可充分利用热管11绝热段的空间，即将换热器2套设在热管11绝热段，最大程度的减小余热排出系统所占的舱内空间。

其中，进水口24安装有截止阀，出水口23安装有止回阀。本实用新型实施例中，截止阀和止回阀均为电磁控制阀。在截止阀和止回阀在正常通电情况下均处于常闭状态，在事故停堆工况下，核动力系统发电停止，电磁控制阀失电，此时自动打开。

如图2所示为本实用新型实施例热管堆余热排出系统的A-A剖面图，内层壳体21的内部沿热管11的轴线方向设有多个竖向隔板3，多个竖向隔板3将内层壳体21的内部分成多个冷却通道4，冷却通道4与出水口23和进水口24连通。

由于热管堆1存在径向功率分布不均的问题，使热管堆1上热管11的温度呈中间高四周低的分布。本实用新型实施例中，通过在内层壳体21内设置多个竖向隔板3，使海水从进水口24进入内层壳体21后，沿冷却通道4向上流动，使中间温度较高的热管11周围的海水能够快速上升，加快对中间高温热管11的换热。

本实用新型实施例中，可以将多个热管11分布于各冷却通道4内；也可以在同一竖向隔板3上嵌套多个热管11，以使同一竖向隔板3上的热管11同时处于两个冷却通道4内，使中间高温热管11的热量能够通过海水传递给两侧的低温热管11，从而横向均匀各热管11的温度，实现热管11的均匀降温，提高热管堆1余热排出效率。

以图2所示的热管11分布为例，即热管11呈六边形阵列分布，且竖向分布五列热管11。本实用新型实施例中，可以设置四个竖直隔板，使内层壳体21内形成五个冷却通道4，从左到右的五列热管11一一位于这五个冷却通道4内(图中未示出)；也可以设置五个竖直隔板，使内层壳体21内形成六个冷却通道4，从左到右的五列热管11一一嵌入这五个竖直隔板中，使每列热管11同时处于两相邻的冷却通道4中，相邻冷却通道4内的热量可通过热管11相互传递。具体的，最中心的一列热管11数量最多，总体温度最高，使得中间两个冷却通道4内的海水温度得到最快升高。一方面可以随着海水的迅速升温，加速中间两个冷却通道4的海水上升，加速换热；另一方面可以通过相邻两列热管11将中间热管11的热量横向传递给两侧冷却通道4内的海水，从而实现均匀降温。

本实用新型实施例中，每一竖向隔板3的上端和下端分别安装有横向挡板，相邻两个横向挡板之间以及最边缘的横向挡板与内层壳体21之间均留有间隙，冷却通道4通过该间隙与出水口23和进水口24连通，位于多个竖向隔板3的同侧的多个横向挡板形成具有该间隙的弧形面，弧形面与内层壳体21之间形成集水区。

具体的，以图2中的竖向隔板3的分布为例说明，五个竖向隔板3从左至右分别为第一竖向隔板、第二竖向隔板、第三竖向隔板、第四竖向隔板和第五竖向隔板，第三竖向隔板的上端和下端分别安装有第一横向挡板51，第二、四竖向隔板的上端和下端分别安装有第二横向挡板52，第一、五竖向隔板的上端和下端分别安装有第三横向挡板53。其中，横向挡板与竖向隔板3可以为一体成型结构，也可以是通过其他方式如焊接方式连接。

本实用新型实施例中，第一横向挡板51与第二横向挡板52之间留有第一间隙61、第二横向挡板52与第三横向挡板53之间留有第二间隙62、第三横向挡板53与内层壳体21内壁之间留有第三间隙63。位于五个竖向隔板3下侧的第一横向挡板51、第二横向挡板52和第三横向挡板53形成具有第一间隙61、第二间隙62和第三间隙63的第一弧面，第一弧面与内层壳体21之间形成下集水区；位于五个竖向隔板3上侧的第一横向挡板51、第二横向挡板52和第三横向挡板53形成具有第一间隙61、第二间隙62和第三间隙63第二弧面，第二弧面与内层壳体21之间形成上集水区。需要说明的是，本实用新型实施例中，竖向隔板3同侧的多个横向挡板形成的面不限于弧形面，如也可适应于实际内层壳体21的形状结构而排列，本实用新型实施例不做具体限定。

本实用新型实施例提供的热管堆余热排出系统，无需专门的集箱，利用换热器2内壳与竖向隔板3之间的空间进行海水分配和混合，大大节省了水下航行器内部空间。

海水从进水口24进入下集水区，然后从五个竖向隔板3下侧的第一间隙61、第二间隙62和第三间隙63流入各冷却通道4与热管11进行换热并分别从五个竖向隔板3上侧的第一间隙61、第二间隙62和第三间隙63进入上集水区混合后从出水口23排出换热器2。

本实用新型实施例中，间隙的宽度从中间向两侧逐渐减小。以图2中的换热器2结构为例，第一间隙61、第二间隙62和第三间隙63的宽度逐渐减小。使进入下集水区的海水通过第一间隙61、第二间隙62和第三间隙63进行分配，由于第一间隙61最大，通过对应的冷却通道4的海水流量也最大，而第三间隙63最小，通过对应的冷却通道4的海水流量最小，使流经中间冷却通道4的大流量海水能够带走中间高温热管11更多的热量，流经两侧冷却通道4的低流量海水带走两侧相对较低温度热管11的热量。从而进一步达到均匀降温的目的。

本实用新型实施例通过集水区与不同宽度间隙的配合，保证中间区域较多的热管11拥有更大流量的冷却水，而在较为边缘的区域，热管11数量少，采用较少的冷却水量，从而充分保证每根热管11有适量的冷却水量，进行均匀冷却，有效的带出反应堆的余热。

如图2所示，本实用新型实施例中，内层壳体21的上下相对位置构造有向外凸出的集水体，集水体与弧形面之间形成集水区。

具体的，仍然以图2中的换热器2结构为例，内层壳体21的上下相对位置即重力方向上，分别设置有上集水体和下集水体，下集水体与第一弧形面之间形成下集水区，上集水体与第二弧形面之间形成上集水区。这样可以扩大内层壳体21的内部空间，使冷却通道4的长度尽可能的长，增大海水与热管11的接触面积。

需要说明的是，本实用新型实施例中换热器2的内层壳体21和/或外层壳体22可以为圆柱形结构，也可以是其他形状的结构，本实用新型实施例不做具体限定，只要能够保证热管堆1上的所有热管11插设于换热器2的外壳后位于内层壳体21内即可，外层壳体22则可依据水下航行器的舱内空间个性化设机，只要保证内层壳体21与外层壳体22之间形成一定厚度的空气保温层即可。当外层壳体22为圆柱形结构时，热管11与外层壳体22的轴线平行。其中，内层壳体21也可适应于外层壳体22的结构设计成圆柱形结构。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种热管堆余热排出系统，包括热管堆，其特征在于，还包括换热器，所述热管堆的热管处于水平横卧状态，所述换热器包括外壳，所述热管贯穿插设于所述外壳，所述外壳包括内层壳体与外层壳体，所述外壳上下相对位置分别设置有出水口和进水口，所述出水口和所述进水口使所述内层壳体的内部与所述外层壳体的外部连通。

2.根据权利要求1所述的热管堆余热排出系统，其特征在于，所述内层壳体的内部沿所述热管的轴线方向设有多个竖向隔板，多个所述竖向隔板将所述内层壳体的内部分成多个冷却通道，所述冷却通道与所述出水口和所述进水口连通。

3.根据权利要求2所述的热管堆余热排出系统，其特征在于，同一个所述竖向隔板嵌套有多个所述热管。

4.根据权利要求2或3所述的热管堆余热排出系统，其特征在于，每一所述竖向隔板的上端和下端分别安装有横向挡板，相邻两个所述横向挡板之间以及最边缘的所述横向挡板与所述内层壳体之间均留有间隙，所述冷却通道通过所述间隙与所述出水口和进水口连通，位于多个所述竖向隔板的同一侧的多个所述横向挡板形成具有所述间隙的弧形面，所述弧形面与所述内层壳体之间形成集水区。

5.根据权利要求4所述的热管堆余热排出系统，其特征在于，所述内层壳体的上下相对位置构造有向外凸出的集水体，所述集水体与所述弧形面之间形成所述集水区。

6.根据权利要求4所述的热管堆余热排出系统，其特征在于，所述间隙的宽度从中间向两侧逐渐减小。

7.根据权利要求1所述的热管堆余热排出系统，其特征在于，所述进水口安装有截止阀，所述出水口安装有止回阀。

8.根据权利要求1所述的热管堆余热排出系统，其特征在于，所述外层壳体为圆柱形结构，所述热管与所述圆柱形结构的轴线平行。

9.根据权利要求1所述的热管堆余热排出系统，其特征在于，所述换热器安装于所述热管的绝热段。

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