一种基于环路热管散热的核能采暖系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种基于环路热管散热的核能采暖系统，该系统由冷凝器、蒸发室、蒸汽管道、冷凝水管道和核裂变结构组成。冷凝器内腔室被两块竖直隔板划分为左右冷凝室和中间腔室，蒸发室置于冷凝器中间腔室内，核裂变结构置于蒸发室底部中心。蒸发室竖壁外侧和竖直隔板内壁形成的间隙布置有蒸汽管道和冷凝水管道，蒸汽由蒸发室上盖板中的蒸汽出口进入蒸汽管道，再由冷凝器上端的蒸汽入口进入冷凝室冷凝，冷凝水经冷凝水管道和阀门进入蒸发室，以此完成汽水循环。冷凝器上盖板安装有控制面板，上盖板中烧结有温敏电阻丝，核裂变结构中的控制机构根据控制面板设定的温度与温敏电阻丝测得温度的差值信号调节裂变深度，从而控制室内采暖温度。
【专利说明】一种基于环路热管散热的核能采暖系统【技术领域】
[0001]本发明涉及新型核能采暖系统，具体属于使用新能源核能作为热源，采用分离式环路热管散热的采暖系统。
【背景技术】
[0002]国内常用的采暖方式有:双立管水平串联式和传统单管顺流式散热器采暖、低温热水地板辐射采暖和电热膜辐射采暖。双立管水平串联式系统水平方向串联过多散热器时，易造成前端过热而末端过冷现象，水平支管埋设在垫层中，增加了楼板的荷载，为系统维修留下隐患。单管顺流式系统形式简单、施工方便、造价低，但是不能进行局部调节和分户控制及计量，易出现局部区域过热或过冷的冷热不均现象。低温热水地板辐射采暖系统，洁净、卫生、舒适且高效、节能、运行费用低，但是对层高有3-8厘米左右的占用，属隐蔽性工程，不易维修；系统运行2-4年时，管路产生水垢，需专业设备进行清洗。电热膜辐射采暖无室外热源和热网，前期投资少、耗电少、升温快，用户可随意调节室温，方便、灵活，室内环境舒适，但是对住宅的节能性能要求较高，住户顶棚装修时受限制。总之，传统的采暖系统具有投资大，需专门热源和供热管路(低温电热膜辐射除外)；运行和维护费用高；管网能量利用效率低；易出现供热管路渗漏、腐蚀结垢；管网间热用户水力和热力不平衡等特点。同时我国能源利用技术落后，利用效率低下，在经济高速增长的条件下，能源的消耗速度比其他国家更快，能源枯竭威胁更早、更严重。在常规能源日益贫乏，污染日益严重的当今社会，基于核电技术的发展和设备的微型化，本发明提供一种使用核能作为热源的新型采暖系统。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为克服上述现有技术不足和能源紧张以及污染严重而提供一种利用核能作为热源，采用基于环路热管散热，能量转化效率高、供暖效果佳、系统简单、布置方便、性能稳定的新型采暖系统。
[0004] 本发明采用的技术方案是:本采暖系统由上下盖板密封矩形冷凝器外壳组成，上盖板顶面安装有控制面板，上盖板中烧结有温敏电阻丝。两块竖直隔板将冷凝器外壳内部空腔划为三个腔室，左右冷凝室分居中间腔室两侧。冷凝室由上盖板下壁面、冷凝器外壳内壁、竖直隔板外壁和下盖板上壁面构成。冷凝室竖壁外侧焊接铝合金翅片，竖壁内侧面加工有纵横交错的沟槽并设计有菱形交错的冷凝柱。两块竖直隔板顶端中心开有矩形蒸汽入口孔，和蒸汽管道相连，蒸汽管道另一端和蒸发室盖板中心的蒸汽出口孔相连。蒸发室内置于冷凝器中间腔室内，由蒸发室盖板、蒸发室外壳和下盖板的上壁面密闭构成，蒸发室布置于下盖板上壁面的中心。蒸发室的外侧竖壁和竖直隔板内壁及冷凝器外壳内壁形成间隙，布置有蒸汽管道和冷凝水管道。蒸发室顶端安装有汽水分离装置，蒸发室外壳两侧竖壁底端中心开有液体入口孔，通过冷凝水管道、阀门与竖直隔板底端中心的液体出口孔相连。冷凝水管道内有吸液芯，冷凝室的下端面和冷凝水管道设计有向中心的坡度。采暖系统热源使用核裂变释放的核能。核裂变结构内置于蒸发室底部中心，由上部控制机构和下部定位格架组成。定位格架内有矩形分布的控制棒导向管和核燃料棒，控制棒导向管和核燃料棒交替布置，相互包裹。核燃料棒高度为定位格架的半高，位于定位格架下部。控制棒导向管和定位格架等高，上半部分插入控制棒，控制棒与位于定位格架上部的控制机构相连，控制机构根据控制面板设定的温度和温敏电阻丝测得温度的差值信号调节控制棒插入位置，改变裂变深度，控制室内采暖温度。锆合金定位格架外壁面设计有表面经加工形成的纵横交错的沟槽，增加核态沸腾核心。
[0005]本发明采用上述技术方案后具有如下有益效果:
[0006]1.核能供暖系统清洁无污染，不像常规化石燃料供暖那样需燃烧排放巨量的污染物质到大气中，产生“温室效应”;能量密集，功率高，可在使用期内长期运行无需换料；燃料成本占供暖系统的费用比率低；
[0007]2.投资少，无外置热源和管网，运行和维护费用低；体积小，结构简单，布置方便，可根据实际需要组合使用；
[0008]3.可解决集中供暖出现的水力不平衡和热力不平衡，不会出现冷热不均现象；散热量大，采暖效果佳；采暖温度可随意调节；
[0009]4.环形热管系统通过工作流体的汽液相变实现小温差下高热流密度的能量传递。对冷凝室内壁面采用多尺度的表面热功能结构并设计菱形交错的柱状结构，提高了系统热力性能。蒸发器和冷凝器一体化设计，简化了系统结构并降低了能量损失率。与常规热管对比，结构上汽液管道分离，使其具有传热功率大、热传导高、不易干涸等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明核能采暖系统立体分解图；
[0011]图2为核裂变结构14、蒸发室17平面结构图；
[0012]图3为核裂变结构14放大图；
[0013]图4为核裂变结构14剖视图；
[0014]图5为冷凝器30结构图；
[0015]图6为本发明核能采暖系统原理图。
[0016]其中:1.温敏电阻丝；2.控制面板；3.上盖板；4.冷凝器外壳；5.蒸汽入口；
6.冷凝室；7.冷凝器翅片；8.阀门；9.毛细芯；10.蒸汽出口 ；11.蒸发室盖板；12.汽水分离器；13.蒸发室外壳；14.核裂变结构；15.液体入口 ；16.下盖板；17.蒸发室；18.控制机构；19.定位格架；20.控制棒；21.控制棒导向管；22.二氧化铀燃料芯；23.间隙；24.锆包壳；25.强化传热板；26.核燃料棒；27.冷凝柱；28.蒸汽管道；29.冷凝水管道；30.冷凝器；31.隔板；32.中间腔室；33.液体出口。
【具体实施方式】
[0017]图1所示为本发明核能采暖系统立体分解图。最上面为采暖系统的上盖板3，上盖板3中烧结有线性极好的温敏电阻丝1，通过调节温敏电阻丝I的电阻，可精确控制冷凝散热器翅片7的表面温度，上盖板3顶面布置有控制面板2，通过控制面板2按钮可控制核裂变结构14启停和调节核裂变散热量。在上盖板3和下盖板16间布置有冷凝器30。冷凝器30由冷凝器外壳4和上盖板3下壁面和下盖板16上壁面密封构成。冷凝器30内腔室由两块竖直隔板31划分为2个冷凝室6和一个中间腔室32，2个冷凝室6分居在中间腔室32两侧。两块竖直隔板31居中上端分别开有一个矩形蒸汽入口 5，蒸汽入口 5与蒸汽管道28相连。两块竖直隔板31居中下端分别开有一个矩形液体出口 33，液体出口 33与冷凝水管道29相连，冷凝水管道29内设计有毛细芯9，冷凝水管道29另一端与阀门8相连。冷凝室6的下端面向中间腔室32倾斜，便于液体回流，两个冷凝室6外壁面焊接有冷凝器翅片7，扩大散热面积。蒸发室17内置于冷凝器30中间腔室32内，由蒸发室外壳13、蒸发室盖板11和下盖板16上壁面组成，蒸发室外壳13为铅铋合金材质。蒸发室17布置在下盖板16上端面中心。蒸发室盖板11中央开有矩形蒸汽出口 10，蒸汽出口 10与蒸汽管道28相连。蒸发室17顶部设有汽水分离器12，经分离后的干燥蒸汽经蒸汽出口 10进入蒸汽管道28。蒸发室外壳13和冷凝室6对应的两侧壁面底部中间开有两个液体入口 15，经冷凝水管道29和阀门8的另一端相连，冷凝水管设计有一个向中心的坡度。在蒸发室17底部中心布置有核裂变结构14，通过核裂变释放出热能被水吸收，水吸热后汽化，汽化后的蒸汽经蒸汽管道28进入冷凝器30冷凝，释放出热量，给环境供暖，释放出热量后的冷凝水经冷凝水管道29回到蒸发室17继续吸收热量，完成循环。
[0018]图2为核裂变结构14、蒸发器17平面结构图。蒸发系统由核裂变结构14和蒸发器17组成，蒸发器17密封包裹核裂变结构14，蒸发器17和核裂变结构14均布置在下盖板16上壁面中心。蒸发器17竖壁内侧与核裂变结构14竖壁外侧间构成液态水和汽水混合区，蒸发室盖板11下壁面安装有汽水分离器12。
[0019]图3为核裂变结构14放大图。核裂变结构为供暖系统的热源，将裂变核能转化为被工质吸收的热能。核裂变结构14由控制机构18、定位格架19、控制棒20、控制棒导向管21、核燃料棒26和强化传热板25组成。定位格架19使用Zr-4合金，应用真空电子束焊接方法对Zr-4合金定位格架19进行焊接。定位格架19内加工有相互包裹的两种不同尺寸的孔:燃料孔和控制棒导向管21。燃料孔高度为定位格架19的一半,位于定位格架19下半部分，燃料孔内插入一定浓度的核燃料棒26。核燃料棒26有3层组成，中心为二氧化铀燃料芯22，中间为间隙23，可允许二氧化铀燃料芯22在高温下变形而不破坏外层包壳，最外面为锆包壳24，锆包壳24两端用锆塞头塞紧，经环焊密封。控制棒导向管21和定位格架19等高，上部插入控制棒20。定位格架19顶部设有控制机构18，控制结构18和控制棒20相连，控制机构18接受控制面板2的信号(信号由控制面板2设定的温度和温敏电阻丝I测定的温度的差值给定)，通过改变控制棒20的位置实现核裂变结构14的启停和调节核裂变散热量。定位格架19外壁焊接强化传热板25，蒸发室17的蒸发内表面和强化传热板25外表面采用纵横刨削挤压成形工艺制造纵横交错的沟槽结构，利于核态沸腾和强化沸腾。
[0020]图4为核裂变结构14剖视图。核燃料棒26在定位格架19中按矩形排列，控制棒导向管21在定位格架19中也按矩形排列，控制棒导向管21布置于周边四个核燃料棒26的中心，和冷凝室6相对应的定位格架19两侧竖壁焊接有竖直布置的强化传热板25。
[0021]图5为冷凝器30结构图。冷凝器30由冷凝器外壳4密封上盖板3和下盖板16。隔板31将冷凝器内划为分居两侧的两个冷凝室6和一个中间腔室32。冷凝室6由冷凝器外壳4竖壁内侧、隔板31竖壁外侧、上盖板3下壁面和下盖板16上壁面构成。隔板31顶部开有蒸汽入口 5，底部有液体出口 33。冷凝室6外壁内侧面加工有纵横交错的沟槽并设计有菱形交错的冷凝柱27，外壁外侧焊接冷凝器翅片7。
[0022]图6为本发明核能采暖系统原理图。基于分离式热管原理的核能采暖系统是由核裂变结构14、蒸发室17、蒸汽管道28、冷凝器30和冷凝水管道29组成，冷凝器上烧结有温敏电阻丝1，通过调节温敏电阻丝I，可精确控制冷凝散热器翅片7的表面温度。核裂变结构14设置于蒸发室17内，在蒸发室17顶部设置蒸汽出口 10，蒸汽通过蒸汽管道28和冷凝器30相连，冷凝器30作为供热设备置于被加热环境中，在冷凝器30最低处设置有冷凝水管道29，冷凝水管道29 —端和冷凝器30的液体出口 33相连，另一端通过阀门和蒸发室17的液体入口 15相连。
[0023]系统工作原理如下:人为设定的温度和上盖板3中温敏电阻丝I测得的冷凝器表面温度的差值信号传给控制棒控制机构18，控制机构18改变控制棒20在控制棒导向管21中插入位置，调节核裂变释放的热量，二氧化铀燃料芯22释放的热量经间隙23和锆包壳24传至定位格架19表面，为了增大换热面积，定位格架19表面焊接有强化传热板25，强化传热板25表面加工有沟槽,利于形成核态沸腾。液体在定位格架19表面和强化传热板25表面吸收热量，蒸发汽化，携带有液滴的蒸汽经过蒸发室17顶部的汽水分离器12形成干燥蒸汽。干燥蒸汽由蒸汽出口 10进入蒸汽管道28，蒸汽管道28与冷凝器30的两个冷凝室6顶部蒸汽入口 5相连。蒸汽在两个冷凝室6内释放热量，冷凝成液态水。为了增强冷凝器效果，冷凝室6竖壁内侧面加工有纵横交错的沟槽并设计有菱形交错的冷凝柱27，竖壁外侧焊接冷凝器翅片7。冷凝的液态水经冷凝水管道29流回蒸发室6，冷凝水管道29内布置有毛细芯9。为了确保流动的单向性,蒸汽管道28的尺寸大于冷凝水管道29的尺寸,使蒸汽管道28阻力小于冷凝水管道29的阻力，冷凝室6的下端面和冷凝水管道29设计有一个向热源的坡度。采用本发明的核能采暖系统清洁无污染；无外置热源和管网，运行和维护费用低；体积小，结构简单，布置方便；散热量大，采暖效果佳，用户可随意调节采暖温度，不会出现热用户间冷热不均现象。
【权利要求】
1.一种基于环路热管散热的核能采暖系统，由冷凝器(30)、蒸发室(17)、蒸汽管道(28)、冷凝水管道(29)和核裂变结构(14)组成，其特征在于:所述冷凝器(30)由上盖板(3)、下盖板(16)密封冷凝器外壳(4)构成，冷凝器(30)内腔室被两块竖直隔板(31)划分为左右两个冷凝室(6)和中间腔室(32)，隔板(31)顶部中心开有蒸汽入口(5)，底部开有液体出口(33);所述蒸发室(17)内置于冷凝器(30)的中间腔室(32)内，位于下盖板(16)的上壁面中心，由蒸发室盖板(11)、下盖板(16)和蒸发室外壳(13)构成，蒸发室盖板(11)开有蒸汽出口(10)，蒸发室外壳(13)与冷凝室(6)相邻两侧面的下部开有液体入口(15)；所述蒸汽管道(28)位于蒸发室(17)的顶部与中间腔室(32)的间隙，蒸汽管道(28)连接蒸汽出口(10)，蒸汽管道(28)的左右侧与左右两个冷凝室(6)相连，连接处为蒸汽入口(5)；所述冷凝水管道(29)位于蒸发室(17)与冷凝室(6)相邻两侧面的下部与中间腔室(32)的间隙，冷凝水管道(29) —端和液体出口(33)相连，另一端通过阀门(8)和液体入口(15)相连；所述核裂变结构(14)位于蒸发室(17)内底板中心。
2.根据权利要求1所述的一种基于环路热管散热的核能采暖系统，其特征在于:所述核裂变结构(14)由控制机构(18)、定位格架(19)、控制棒(20)、控制棒导向管(21)、核燃料棒(26)和强化传热板(25)组成，定位格架(19)使用Zr-4合金，内部有相互包裹的核燃料棒(26)元件孔和控制棒导向管(21),核燃料棒(26)位于定位格架(19)下部,高度为定位格架(19)的一半，控制棒导向管(21)和定位格架(19)等高，上部插入控制棒(20);定位格架(19)顶部设有控制机构(18)，控制结构(18)和控制棒(20)相连，控制机构(18)调节控制棒(20)的插入位置，定位格架(19)与冷凝室(6)相对应的两侧竖壁焊接有竖直布置的强化传热板(25)，强化传热板(25)的外表面采用纵横刨削挤压成形工艺制造纵横交错的沟槽结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于环路热管散热的核能采暖系统，其特征在于:所述冷凝室(6)外壁内侧加工有沟槽并焊接菱形交错的冷凝柱(27)，冷凝室(6)外壁外侧焊接冷凝器翅片(7)。
4.根据权利要求1所述的一种基于环路热管散热的核能采暖系统，其特征在于:所述上盖板(3)顶面安装有控制面板(2)，上盖板(3)中烧结有温敏电阻丝(I)。
5.根据权利要求1所述的一种基于环路热管散热的核能采暖系统，其特征在于:所述冷凝水管道(29)内有毛细芯(9)，冷凝水管道(29)的尺寸小于蒸汽管道(28)的尺寸，冷凝室(6)的下端面和冷凝水管道(29)设计有向中间腔室(32)倾斜的坡度。
6.根据权利要求1所述的一种基于环路热管散热的核能采暖系统，其特征在于:所述蒸发室外壳(13)为铅铋合金材质。
7.根据权利要求1所述的一种基于环路热管散热的核能采暖系统，其特征在于:所述蒸发室盖板(11)下壁面安装有汽水分离器(12)。
8.根据权利要求2所述的一种基于环路热管散热的核能采暖系统，其特征在于:所述核燃料棒(26)有3层组成，中心为二氧化铀燃料芯(22)，中间为间隙(23)，最外面为锆包壳(24)，锆包壳(24)两端用锆塞头塞紧，经环焊密封；核燃料棒(26)在定位格架(19)中按矩形排列，控制棒导向管(21)在定位格架(19)中也按矩形排列，控制棒导向管(21)布置于周边四个核燃料棒(26)的中心。
【文档编号】F24D12/00GK203571844SQ201320707630
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】吴鸽平, 虞永川, 马春花, 陆平, 王俊, 张敏 申请人:江苏大学, 镇江市电站辅机厂有限公司