一种热管换热装置的制作方法

本发明涉及海洋核动力系统技术领域，尤其涉及一种热管换热装置。

背景技术：

在海洋核动力系统中，通常以热管利用毛细力非能动传热作为堆芯热量导出手段，即将热管插入固态堆芯内，形成热管冷却反应堆(简称：热管堆)，这样可以取消传统一回路主泵等动部件，使堆芯结构大大简化，可靠性也随之提高。热管分为蒸发段、绝热段和冷凝段，蒸发段位于堆芯本体内，绝热段和冷凝段在堆芯的外部。

现有技术中通常将热管换热器设置在热管的冷凝段，利用二回路工质直接冲刷热管表面，实现对热管的冷却，并带走热管的热量用于后续做功，但是换热效率不够理想。于是为了提高换热能力，采用热管表面加装翅片等措施来强化换热，但该方法无法直接应用于热管堆上。

主要原因是热管堆的出口温度通常为600℃以上，若动力转换系统采用水作为工质，则会在换热器内会发生相变，工质体积急剧变大、流速变高，且在高温下有较大腐蚀性；若采用氦气、超临界二氧化碳等气体工质，其超高流速又会带来热管的流致振动。动力转换系统在这两种情况下长期运行，均存在热管损坏的隐患。另外，由于反应堆功率分布不均匀使冷却工质的温度也呈现不均匀的分布，这不仅会导致工质流动损失，还加剧了热管的振动。再有，工质进口的剧烈的升温条件以及工质与热管间的强烈换热会造成换热器内部温度场异常复杂，导致热管换热器内部各处的结构件膨胀不均，从而出现不同程度的热应力及热损伤。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种热管换热装置，用以解决利用现有的热管换热技术容易引起热管振动而导致热管损坏的问题。

本发明实施例提供一种热管换热装置，包括换热体，所述换热体包括多层依次套接的基体，每层所述基体的内部分布有用于安插热管的安装孔，每一所述安装孔的周围分布有供冷却工质流通的贯穿所述基体的传热通道，所述传热通道的横截面积从所述换热体的最内层的基体到最外层的基体逐渐减小。

其中，同一所述基体内的所述传热通道的横截面积在从中心向外延伸的方向上逐渐减小。

其中，所述传热通道的分布密度从所述换热体的最内层的基体到最外层的基体逐渐减小。

其中，所述换热体包括内基体和外基体，所述外基体套接于所述内基体的外侧。

其中，所述内基体中的传热通道沿所述冷却工质的流动方向呈波浪形。

其中，所述内基体采用钛合金材质制成，所述外基体采用不锈钢材质制成。

其中，每一所述安装孔的周围分布有六个所述传热通道。

其中，所述安装孔为盲孔。

其中，所述换热体的工质入口端安装有入口分配箱，所述换热体的工质出口端安装有出口混合箱，所述入口分配箱上设置有工质入口和通孔，所述通孔用于供所述热管穿过后插入所述安装孔，所述出口混合箱上设置有工质出口。

其中，多个所述工质入口均匀分布于所述入口分配箱的侧壁，所述工质出口设置于所述出口混合箱的端盖的中心。

本发明实施例提供的热管换热装置，一方面通过在换热体的各层基体内设置用于安装热管的安装孔和供冷却工质流通的传热通道，使冷却工质仅在专门的传热通道中流动，并通过基体与热管进行换热，相比于传统的热管换热器，避免了冷却工质对热管的直接冲刷造成的热管的振动和腐蚀；另一方面通过从最内层的基体到最外层的基体横截面积逐渐减小的传热通道，改善了换热体温度分布不均匀的问题，避免了换热装置由于热应力不均造成的应力损伤，为热管堆的换热提供有效安全的换热接口。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例热管换热装置的纵截面结构示意图；

图2为本发明实施例热管换热装置与热管堆的安装结构示意图；

图3为本发明实施例热管换热装置与热管安装后的a-a剖面图；

图4为本发明实施例热管换热装置与热管安装后的b-b剖面图。

图中：1、换热体；10、安装孔；11、内基体；110、第一传热通道；12、外基体；120、第二传热通道；2、热管堆；3、热管；4、入口分配箱；41、工质入口；42、通孔；5、出口混合箱；51、工质出口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，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发明实施例中的具体含义。

在本发明的描述中，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发明中的具体含义。

如图1所示为本发明实施例热管换热装置的纵截面结构示意图。该热管换热装置，包括换热体1，换热体1包括多层依次套接的基体，每层基体的内部分布有用于安插热管的安装孔10，每一安装孔10的周围分布有供冷却工质流通的贯穿基体的传热通道，传热通道的横截面积从换热体1的最内层的基体到最外层的基体逐渐减小。其中，基体可以是柱形结构如圆柱形结构，也可以是其他结构，本发明实施例不做具体限定。当基体为柱形结构时，安装孔10的轴线与基体的中心轴线平行。热管通过基体与冷却工质进行热交换。

安装孔10的排布方式与对应安装的热管堆2上热管的排布方式相同。例如，通常的热管堆是由热管和燃料棒交替插入“蜂窝煤”结构体的孔中形成的，则安装孔10与传热通道也呈类似“蜂窝煤”的孔的排布方式。

如图2所示为本发明实施例热管换热装置与热管堆的安装结构示意图。使用时，先将热管3插入安装孔10并与安装孔10紧密结合，使热管3的热量能够传递给基体。热管3从热管堆2带出热量，通过热传导的方式将热量传递给各层基体。冷却工质从传热通道靠近热管堆2的一端流入，流经传热通道时吸收基体的热量，并从另一端流出，从而实现热管3与冷却工质的热交换。

由于热管堆2存在径向功率分布不均的问题，使热管堆2上的热管3的温度呈余弦曲线分布，从而造成换热体1从最内层的基体到外层基体的温度呈相应的曲线分布。本发明实施例中，传热通道的横截面积从最内层的基体到最外层的基体逐渐减小，通过大通经获得更大的换热面积、更强的换热能力和更小的流动阻力，通过小通径获得更大的流动速度，提高换热系数。换热体1内冷却工质的流量及冷却负荷由最内层的基体到最外层的基体呈梯度式逐渐减小，即利用中间大流量冷却工质带走更多热负荷到边缘小流量冷却工质带走少量的热负荷，使换热体1由最内层的基体到最外层的基体趋于较均匀的温度分布，从而使各层基体承受较均匀的热应力，避免换热体1膨胀不均造成的应力损伤，提高换热装置的安全性和可靠性。

本发明实施例提供的热管换热装置，一方面通过在换热体1的各层基体内设置用于安装热管3的安装孔10和供冷却工质流通的传热通道，使冷却工质仅在专门的传热通道中流动，不与热管直接接触，通过基体与热管3进行换热，相比于传统的热管换热器，避免了冷却工质对热管3的直接冲刷造成的热管3的振动和腐蚀；另一方面通过从最内层的基体到最外层的基体横截面积逐渐减小的传热通道，改善了换热体1温度分布不均匀的问题，避免了换热装置由于热应力不均造成的应力损伤，为热管堆2的换热提供有效安全的换热接口。

其中，同一基体内的传热通道的横截面积在从中心向外延伸的方向上逐渐减小。从而使换热体1从中心向外延伸的方向上呈现更加均匀的温度分布。例如该基体为圆柱形结构，则其内部的传热通道的横截面积在该基体径向上从中心向外逐渐减小。

本发明实施例中，为进一步均匀换热体1内各层基体的温度，还可以使换热体1内传热通道的分布密度从换热体的最内层的基体到最外层的基体逐渐减小，使温度相对较高的基体具有相对较大换热面积，使温度相对较高的基体的热量能够更有效的传递给冷却工质，使换热体1整体温度分布均匀。

如图3所示为本发明实施例热管换热装置与热管安装后的a-a剖面图。本发明实施例中，每一安装孔10的周围分布有六个传热通道。当然可根据实际需求增加或减少安装孔10周围的传热通道的数量，本发明实施例不做具体限定。

如图1所示，本发明实施例中的安装孔10为盲孔，使热管3安装于安装孔10后不与基体外部的冷却工质接触，避免热管3内含有碱金属的工质泄露进入到冷却工质中，使冷却工质在后续做功时对发电装置中的部件如叶片造成损坏。

考虑每层基体的温度不同，每层基体的膨胀程度不同。本发明实施例中，从最内层的基体到最外层的基体，采用膨胀系数呈梯度下降的材质制成，使整个换热体1由内到外呈现较为均匀的膨胀。另外考虑基体在不同温度下承受的热应力不同，对于较高温度的内层基体采用机械强度相对较高的材质制作，保证换热体1的完整性和安全性，对于较低温度的外层基体，则优先采用导热率高的材质制作。

如图3所示，本发明实施例中，换热体1包括两层基体，分别为内基体11和外基体12，外基体12套接于内基体11的外侧。其中，内基体11处于热管堆2的高功率区，外基体12处于热管堆2的低功率区，内基体11中设置第一传热通道110，外基体12中设置第二传热通道120，第一传热通道110的横截面积大于第二传热通道120的横截面积。即内基体11采用大通径的传热通道，通过大流量冷却工质带走内基体11内更多的热负荷，同时大通经的传热通道可增大冷却工质的换热面积、提升冷却工质的换热能力并降低冷却工质的流动阻力；外基体12采用小通经的传热通道，通过较低流量的冷却工质带走外基体12内较少的热负荷，同时采用小通经的传热通道可提高冷却工质的流动速度，得到较高的换热系数。

本发明实施例中，内基体11的温度高，冷却工质从传热通道入口到出口的温度变化大，内基体11的膨胀较大，则采用低膨胀系数、高机械强度的钛合金材质，以限制其膨胀并保证较高的可靠性。外基体12的温度低，冷却工质从传热通道入口到出口的温度变化相对较小，外基体12的膨胀较小，则采用导热率高的不锈钢材质。从而形成具有膨胀较少、强度更高的内基体11和膨胀较多但热导率更高的外基体12的换热体1结构，更利于热管3将热量传递给基体和冷却工质，避免由于内外基体热应力不均造成的应力损伤。

本发明实施例中，内基体11中的传热通道沿冷却工质的流动方向呈波浪形。进一步增大了处于高温区的内基体11中冷却工质与内基体11的接触面积，提升冷却工质的换热能力。外基体12中的传热通道则设置为直通道，以获得更低的冷却工质流动阻力。其中，波浪形传热通道相对内基体11中心周向对称分布，例如当内基体11为圆柱形时，内基体11中的波浪形传热通道则相对内基体11的轴线中心对称。

本发明实施例中，如图1和图2所示，换热体1的工质入口41端安装有入口分配箱4，换热体1的工质出口51端安装有出口混合箱5，入口分配箱4上设有工质入口41和通孔42，通孔42用于供热管3穿过后插设于安装孔10，出口混合箱5上设有工质出口51。冷却工质从工质入口41进入入口分配箱4，继而进入传热通道与热管3进行换热，经过传热通道进入出口混合箱5混合后从工质出口51排出，用于后续做功。如图4所示为本发明实施例热管换热装置与热管安装后的b-b剖面图。

其中，入口分配箱4和出口混合箱5可分别与换热体1的端面焊接固定，也可以与基体套接固定，如螺纹套接方式，且保证入口分配箱4和出口混合箱5与基体之间密封连接。

本发明实施例中，入口分配箱4上可设置多个工质入口41，多个工质入口41均匀分布于入口分配箱4的侧壁，使冷却工质从多个方向同时进入入口分配箱4，从而均匀的进入各传热通道，工质出口51设置于出口混合箱5的端盖的中心。

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