一种应用热管作为导热元件的余热排出换热器装置
技术领域
本发明涉及一种应用热管作为导热元件的余热排出换热器装置，属于核动力高性能传热研究领域。
背景技术
核燃料具有能量高度集中、耗料少以及不需空气助燃等优势，因此，核能在作为火箭、人造卫星、潜艇及航空母舰等的特殊动力使用的同时，也在发电及海水淡化等方面获得了一定的应用。然而，在利用核燃料在反应堆内发生反应所释放热量的同时，也需通过换热设备向外界环境释放大量热量，寻找一种能将热量排出堆外且安全、可靠、高效的冷却系统换热设备成为目前的研究之重。相对于目前常用的核反应堆冷却系统换热设备而言，热管作为一种依靠内部工质相变和连续循环来实现热量传递的非能动换热元件，其具有传热效率高、压力损失小、工作可靠性高等优点。此外，由于热管余热排出换热器内每根热管相对独立，即使在单根热管失效时，也并不会影响其他热管的正常工作，不必对整个热管余热排出换热器进行更换。因此，若能将热管余热排出换热器应用于核反应堆冷却系统中，可以也大大降低由于单根传热元件损坏，导致整体核反应堆冷却系统失效的危险，且可有效降低冷却系统换热设备的维修运行成本。
目前，在核动力领域热管余热排出换热器的研究很少，尤其是针对热管工作过程中内部工质的流动与传热机理、热管换热器的设计计算和热管换热器在核动力方面的应用仍有许多不足。
本专利利用热管余热排出换热器技术，将高温流体作为热管蒸发段对流传热的热源，低温流体作为热管冷凝段的冷源，应用热管内部工质相变和连续循环实现热量非能动高效传递，避免了余热堆积无法排出，节约了常规冷却水系统水量和电量，从而直接核反应堆冷却系统换热设备进行了优化，提升了核反应堆冷却系统换热设备的安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用热管作为导热元件的余热排出换热器装置。
由热侧进口阀(1)、热侧进口段管接头(2)、蒸发腔(3)、热管蒸发段(4)、热侧出口段管接头(5)、热侧出口阀(6)、蒸发腔管板(7)、热管绝热段(8)、冷凝腔管板(9)、冷凝腔(10)、热管冷凝段(11)、冷侧进口阀(12)、冷侧进口段管接头(13)、冷侧出口段管接头(14)、冷侧出口阀(15)组成。
其中热侧进口阀(1)的出口和热侧进口段管接头(2)的进口相连，热侧进口段管接头 (2)的出口和蒸发腔(3)的进口相连，蒸发腔(3)的出口和热侧出口段管接头(5)的进口相连，热侧出口段管接头(5)的出口和热侧出口阀(6)的进口相连，热管蒸发段(4)、热管绝热段(8)和热管冷凝段(11)通过蒸发腔管板(7)和冷凝腔管板(9)固定嵌入在蒸发腔(3)和冷凝腔(10)之中，热管蒸发段(4)、热管绝热段(8)和热管冷凝段(11)的管内壁覆有吸液芯，冷侧进口阀(12)的出口和冷侧进口段管接头(13)的进口相连，冷侧进口段管接头(13)的出口和冷凝腔(10)的进口相连，冷凝腔(10)的出口和冷侧出口段管接头(14)的进口相连，冷侧出口段管接头(14)的出口和冷侧出口阀(15)的进口相连。
在热侧环路中，开启热侧进口阀(1)、在热侧环路动力的推动下，高温流体流经热侧进口阀(1)，随后通过热侧进口段管接头(2)，进入蒸发腔(3)内，高温流体和热管蒸发段(4) 通过对流传热进行换热后，热管蒸发段(4)吸收热量，高温流体温度降低，流经热侧出口段管接头(5)，开启热侧出口阀(6)，高温流体经由热侧出口阀(6)流出。
在热管内部循环中，热量从蒸发腔(3)中的高温流体通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递热管蒸发段(4)内的液-汽分界面，液体在热管蒸发段(4)内的液-汽分界面上蒸发，热管蒸发段(4)内产生的蒸气在微小的压差下流经热管绝热段(8)，在热管冷凝段(11) 内的汽-液分界面上凝结，热量从汽-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷凝腔(10)中的低温流体，热管冷凝段(11)内的工质再沿多孔材料靠毛细力的作用流回热管蒸发段(4)，如此循环不已。
在冷侧环路中，开启冷侧进口阀(12)、在冷侧环路动力的推动下，低温流体流经冷侧进口阀(12)，随后通过冷侧进口段管接头(13)，进入冷凝腔(10)内，低温流体和热管冷凝段(11)通过对流传热进行换热后，热管冷凝段(11)放出热量，低温流体温度升高，流经冷侧出口段管接头(14)，开启冷侧出口阀(15)，低温流体经由冷侧出口阀(15)流出。
该装置的主要传热部件为热管或两相闭式热虹吸管或以密闭空间内通过两次简单相变实现热量传递的部件。
热管内的介质可以为水、钠、钾、乙醇、萘、汞、氨。
所述余热排出换热器装置中的热侧进口段管接头(2)接入蒸发腔(3)和热侧出口段管接头(5)接出蒸发腔(3)的型式可以为对中、切向、多进口、轴向及其组合，冷侧进口段管接头(13)接入冷凝腔(10)和冷侧出口段管接头(14)接出冷凝腔(10)的型式可以为对中、切向、多出口、轴向及其组合。
附图说明
附图1为本发明的原理图。
附图1中的标号名称：1.热侧进口阀，2.热侧进口段管接头，3.蒸发腔，4.热管蒸发段， 5.热侧出口段管接头，6.热侧出口阀，7.蒸发腔管板，8.热管绝热段，9.冷凝腔管板，10.冷凝腔，11.热管冷凝段，12.冷侧进口阀，13.冷侧进口段管接头，14.冷侧出口段管接头，15.冷侧出口阀。
附图2为本发明的热管局部示意图。
附图2中的标号名称：4.热管蒸发段，8.热管绝热段，11.热管冷凝段。
具体实施方式
如图1所示，一种应用热管作为导热元件的余热排出换热器装置主要由热侧进口阀1、热侧进口段管接头2、蒸发腔3、热管蒸发段4、热侧出口段管接头5、热侧出口阀6、蒸发腔管板7、热管绝热段8、冷凝腔管板9、冷凝腔10、热管冷凝段11、冷侧进口阀12、冷侧进口段管接头13、冷侧出口段管接头14、冷侧出口阀15组成。
热侧进口阀1的出口和热侧进口段管接头2的进口相连，热侧进口段管接头2的出口和蒸发腔3的进口相连，蒸发腔3的出口和热侧出口段管接头5的进口相连，热侧出口段管接头5的出口和热侧出口阀6的进口相连，热管蒸发段4、热管绝热段8和热管冷凝段11通过蒸发腔管板7和冷凝腔管板9固定嵌入在蒸发腔3和冷凝腔10之中，热管蒸发段4、热管绝热段8和热管冷凝段11的管内壁覆有吸液芯，冷侧进口阀12的出口和冷侧进口段管接头13 的进口相连，冷侧进口段管接头13的出口和冷凝腔10的进口相连，冷凝腔10的出口和冷侧出口段管接头14的进口相连，冷侧出口段管接头14的出口和冷侧出口阀15的进口相连。
在热侧环路中，开启热侧进口阀1、在热侧环路动力的推动下，高温流体流经热侧进口阀1，随后通过热侧进口段管接头2，进入蒸发腔3内，高温流体和热管蒸发段4通过对流传热进行换热后，热管蒸发段4吸收热量，高温流体温度降低，流经热侧出口段管接头5，开启热侧出口阀6，高温流体经由热侧出口阀6流出。
在热管内部循环中，热量从蒸发腔3中的高温流体通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递热管蒸发段4内的液-汽分界面，液体在热管蒸发段4内的液-汽分界面上蒸发，热管蒸发段4内产生的蒸气在微小的压差下流经热管绝热段8，在热管冷凝段11内的汽-液分界面上凝结，热量从汽-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷凝腔10中的低温流体，热管冷凝段11内的工质再沿多孔材料靠毛细力的作用流回热管蒸发段4，如此循环不已。
在冷侧环路中，开启冷侧进口阀12、在冷侧环路动力的推动下，低温流体流经冷侧进口阀12，随后通过冷侧进口段管接头13，进入冷凝腔10内，低温流体和热管冷凝段11通过对流传热进行换热后，热管冷凝段11放出热量，低温流体温度升高，流经冷侧出口段管接头14，开启冷侧出口阀15，低温流体经由冷侧出口阀15流出。
本发明利用热管或两相闭式热虹吸管或以密闭空间内通过两次简单相变实现热量传递的部件为余热排出换热器的主要部件，通过蒸发腔内将高温流体作为热管蒸发段对流传热的热源，冷凝腔内将低温流体作为热管冷凝段对流传热的冷源，同时以热管内部工质相变和连续循环的方式实现热量从热管蒸发段传至热管冷凝段，将反应堆余热排出，为适用于核反应堆冷却系统换热设备提供新的思路和解决方案，为核反应堆余热堆积的排出提供了一个安全高效的传热平台。
