一种热管冷凝段防颗粒物沉积系统

1.本发明属于包括核能在内的能源领域以及机械设备领域，具体涉及一种可有效防止热管冷凝段细颗粒物沉积的系统。


背景技术：

2.热管是1963年美国los alamos国家实验室发明的一种通过汽化潜热进行传热，依赖毛细力、重力、向心力等作用维持工质循环的非能动传热设备，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，其特点为传热效率高、等温性高、可变性强、结构简单且能较好地适应环境，从宇航事业到厨房设备，热管在加热、恒温、冷却、均热、热交换及热控制等方面，其应用范围十分广泛。小型堆应用高温热管即碱金属热管作为换热装置，以简化一、二回路换热方式，提高换热效率以及保障其安全性。
3.已有研究将热管作为反应堆的换热装置，尤其在小型核电设备中正在开始积极应用研究。早在21世纪初，美国新墨西哥大学就提出将热管应用于空间反应堆电源系统，在其传热过程中，可能会存在细颗粒物杂质，颗粒物在工质中凝聚、沉积并附着在换热管道表面，阻碍换热甚至造成管道腐蚀，引发严重事故，对反应堆安全性造成不利影响。而现有的研究多集中于翅片管式、套管式以及板式换热器等传统换热设备内的颗粒物沉积。近年来对反应堆用热管的性能、能量转换、制造工艺等方向研究较多，对热管式换热器尤其是冷凝段部分细颗粒物沉积的研究很少。
4.影响细颗粒物沉积的因素以自然循环条件下颗粒受到的热泳力、浮力、重力为主导，其所在介质的黏度、流速、介质与壁面间的温差以及壁面表面能等均会影响细颗粒物的沉积率。研究表明，颗粒沉降过程中，颗粒的反弹速度与颗粒的弹性模量、粒径以及规则超疏水表面的表面能有关。颗粒越大，弹性模量越大，表面能越低，则颗粒更易反弹，从而难以黏附于表面。因此，改进热管系统结构，减少细颗粒物沉积特别是冷凝段的沉积是亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种热管冷凝段防颗粒物沉积系统，其技术目的是有效防止热管内颗粒物沉积特别是冷凝段沉积，进而提高换热效率，减轻管壁腐蚀。
6.本技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种热管冷凝段防颗粒物沉积系统，该防颗粒物沉积系统所在位置为热管的冷凝段，所述热管还包括蒸发段以及冷凝段与蒸发段之间的绝热段，所述热管的管体的外层为管壁，所述管壁内表面设有与之连接的吸液芯，所述管体内填充有循环流动的热管内工质，所述冷凝段外表面处设有圆角凸起和凹槽，所述冷凝段外部设有正交方向的电磁场。
8.进一步地，位于所述冷凝段管壁外表面的超疏水表面由位于冷凝段管壁外表面的纳米涂层构成，所述纳米涂层材料为sio2或al或ti或v，所述超疏水表面的接触角θ》150
°
。
9.进一步地，所述圆角凸起的高度为3mm～5mm，所述圆角凸起的材料为铝合金或石
墨烯或gh2747。
10.进一步地，所述凹槽为平行于热管横截面的环状凹槽，所述凹槽的横截面为矩形，该横截面宽为2mm～3mm，深度为1mm～3mm。
11.进一步地，所述冷凝段的进口处和出口处都设有圆环形状的磁铁，进口处磁铁n极与出口处磁铁s极相对；将冷凝段接地，热管外工质接正电极，所述冷凝段与热管外工质形成回路，所述回路的电场方向与所述管体轴线垂直。
12.进一步地，所述绝热段、所述冷凝段和所述蒸发段均为直管，所述绝热段管道截面面积大于所述蒸发段和所述冷凝段的管道截面面积。
13.进一步地，所述管壁外表面材料为5a06铝镁合金或氧化石墨烯。
14.进一步地，所述吸液芯为仿磷脂双分子层结构，所述仿磷脂双分子层结构包括两层金属球体，两层所述金属球体通过金属纤维连接。
15.进一步地，所述金属球体的直径为0.5mm～0.8mm，其材料为铝合金或石墨烯或gh2747；所述金属纤维的直径为3μm～5μm，其材料为镍合金。
16.进一步地，每层的所述金属球体都呈六边形排布相连，靠近所述管壁的一层金属球体焊接在所述管壁的内表面；每个金属球体与10～20根金属纤维焊接在一起。
17.本技术的有益效果在于：本技术所述热管冷凝段外表面的圆角凸起可对工质进行扰流，并对颗粒物起反弹作用，凹槽则通过扰动流体对细颗粒物的运动沉积造成干扰；热管磁力线与电场线垂直、与流线平行时，产生的电磁力与流线、电场线均正交，电磁力对流体的作用效果相对较强，对流体产生左右双向搅拌作用，使工质加速流动。从而使得整个热管具有良好的传热性能并且能减少颗粒沉积，能够提高换热器的换热效率，能够应用于包括小型反应堆在内的类似能源系统，结构简单、安全性强。
附图说明
18.图1为本技术所述防颗粒物沉积的热管的结构示意图；
19.图2为图1的a-a剖面图；
20.图3为图1的b-b剖面图；
21.图4为图1的c-c剖面图；
22.图5为金属球体轴向排列方式示意图；
23.图6为吸液芯结构局部放大图；
24.图7为冷凝段外壁凹槽局部剖面图；
25.图中：1-管体；2-冷凝段；3-绝热段；4-蒸发段；5-回路；6-纳米涂层；7-磁铁；8-热管内液体流动方向；9-热管内气体流动方向；10-吸液芯；11-管壁；12-绝热套管；13-圆角凸起；14-凹槽；15-电场方向；16-磁场方向；17-金属球体；18-金属纤维；19-热管内工质；20-热管外工质。
具体实施方式
26.下面将结合附图对本技术技术方案进行详细说明。
27.图1为本技术所述防颗粒物沉积特别是冷凝段沉积的热管的结构示意图，结合图2，该热管包括管体1，管体1内自左而右设有冷凝段2、绝热段3和蒸发段4，冷凝段2、绝热段3
和蒸发段4的外层为管壁11，管壁11内表面设有与之连接的吸液芯10。
28.管体1的一端为冷凝段2，管体1的另一端为蒸发段4，在冷凝段2与蒸发段4之间为绝热段3，绝热段3管道内径大于蒸发段4管道内径和冷凝段2管道内径，绝热段3管道截面面积大于所述蒸发段4管道截面面积和所述冷凝段2管道截面面积。
29.管体1内填充有循环流动的工质19，热管内工质19种类根据实际温度所需确定。
30.管壁11的材料为inconel-690合金或c71500合金，inconel-690合金具有优良的抗晶间腐蚀和抗晶间应力腐蚀开裂的能力，高纯度c71500合金可抵抗冷变形、热变形且耐腐蚀，更适用于船用小型堆换热器。
31.冷凝段2处的管壁11外表面涂有纳米涂层6，绝热段3处的管壁11外表面设有绝热套管12，冷凝段2处的管壁11外表面设有平行于管体1横截面的环状凹槽14，凹槽14之外的管壁11外表面上设有圆角凸起13，凹槽14和圆角凸起13的表面都涂有纳米涂层6，如图7所示。
32.作为具体实施例地，圆角凸起13的高度为3mm～5mm，圆角凸起13的材料为铝合金或inconel-690合金或gh2747合金，通过圆角凸起可对工质进行扰流，并对颗粒物其反弹作用。
33.作为具体实施例地，凹槽14的横截面为矩形，该横截面的宽为2mm～3mm，深度为1mm～3mm，凹槽通过扰动流体对细颗粒物的运动沉积造成干扰。
34.作为具体实施例地，纳米涂层6的材料为sio2或al或ti或v，纳米涂层6构成超疏水表面，超疏水表面的接触角θ》150
°
，具有较低的表面能，可使颗粒物反弹，防止细颗粒物粘附在管道表面造成腐蚀。纳米涂层采用激光刻蚀技术微纳双层结构，可有效降低纳米涂层的表面能，具有优良的防污防附着特性，且具有良好的超疏水性能。
35.冷凝段2的进口处和出口处都设有环状磁铁7，冷凝段2的进口处磁铁n极与出口处磁铁s极相对，磁铁7形成的磁场方向16与管体1轴线平行。
36.将冷凝段2接地，外部工质接正电极，形成回路5，回路5的电场方向15与管体1轴线垂直，如图4所示。当磁力线16与电场线15垂直、与流线(管体1内外工质的流向)平行时，产生的电磁力与流线、电场线均正交，电磁力对流体的作用效果相对较强，对流体产生左右双向搅拌作用，使工质加速流动。
37.热管外工质20的循环，例如水、空气、液态金属、超临界co2等的流动。
38.本技术管体1内外工质的流动可以进行同方向的顺流或者反方向的逆流或者叉流；可以是强迫循环，也可是自然循环。
39.吸液芯10为仿磷脂双分子层结构，如图3所示。该仿磷脂双分子层结构包括两层相对交叉仿磷脂分子结构，即两层金属球体17，两层金属球体17通过金属纤维18连接，同时，每个金属球体17与10～20根金属纤维18焊接在一起，如图6所示。每层的金属球体17都呈六边形排布相连，如图5所示。靠近管壁11的一层金属球体17焊接在管壁11的内表面。
40.作为具体实施例地，金属球体17的直径为0.5mm～0.8mm，金属球体17的材料为铝合金或石墨烯或gh2747；金属纤维18的直径为3μm～5μm，金属纤维18的材料为镍合金。
41.吸液芯10仿照磷脂双分子层(细胞膜)结构的流动性设计，受力时产生轻微扰动，金属纤维18具有良好的导热及防腐蚀性能，且能够起扰流作用，促进导热并减少颗粒物沉积。
42.本技术所述防颗粒物沉积的热管，其工作原理为：蒸气运行到冷凝段2放出热量后冷凝为液态工质，冷凝段2内的液态工质在吸液芯10产生的毛细驱动力的作用下回流到蒸发段4，开始新的循环，如此不断循环，从而高效地将热量从蒸发段4传递到冷凝段2，外部热量被由低温蒸发段4吸收，内部热量由冷凝段2排向管外。
43.以上为本技术示范性实施例，本技术的保护范围由权利要求书及其等效物限定。