一种耦合热管技术的非能动余热排出系统

1.本发明涉及非能动余热排出系统，具体涉及一种耦合热管技术的非能动余热排出系统。


背景技术：

2.静默式非能动热传输与能量转换系统利用热管技术获取小型核反应堆产生的热量，通过热管将能量从堆芯运输到温差发电器作为温差发电的热源，然后通过温差发电器将热能转化为电能，为水下无人潜航器提供动力。但由于温差发电的热电转换效率有限，大部分热量无法直接利用，需要及时带走多余的热量，进而维持温差发电器的工作温度。同时，水下潜航器的内部空间有限，结构复杂紧凑，受到外部结构和内部空间的限制。因此需要设计一种简单高效、紧凑可靠的余热排出系统。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种耦合热管技术的余热直接排出系统，针对新型海洋静默式热管反应堆核动力系统整体技术方案，创新性地提出利用高温热管实现海洋核动力系统静默非能动热传输过程。其中包括两级热管装置。第一级热管的吸热区插入核反应堆芯的导热基座内部，通过与基座中交错分布的燃料棒进行热交换，将热量通过热管传输给布置在热管放热区的温差发电装置，作为温差发电装置的热端。第二级热管的吸热区布置在温差发电装置的冷端，带走teg热电转换装置热电转换过程中未利用的余热，二级热管的放热区置于潜航器双层壳体的中间，双层壳体中间充满了海水，通过对流传热的方式，将未利用的热量从放热区传递给海水。本发明采用了高效热管技术，在保证结构紧凑，安全可靠的同时，提高了能量传输与冷却的效率，提高了热电器件的转换功率。本发明提出的非能动余热排出系统极大地提高了水下无人潜航器的安全性和稳定性。其次将热管技术运用在余热排出系统中，保证了系统的非能动性，结构全程封闭，安全稳定，无杂质进入，无污染，耐腐蚀。本发明提出的系统设备可靠，自动化程度高，易于安装维护，可有效减小无人水下设备的尺寸，降低投资。
4.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种耦合热管技术的非能动余热排出系统，由基座1、燃料棒2、第一级热管3、基体4、teg温差发电装置5、第二级热管6、肋片7、内外壳体间的海水8、潜航器外部的海水9、内壳体10和外壳体11组成；其中基座1、燃料棒2、第一级热管3、基体4、温差发电装置5、第二级热管6的吸热区位于内壳体10内，第二级热管6的放热区和肋片7位于内壳体10和外壳体11之间；
6.所述基座1位于堆芯内，起支撑固定的作用，燃料棒2分布在基座1中，核反应在燃料棒2处产生大量的热量，第一级热管3插入基座1中，与燃料棒2错列布置，第一级热管3的吸热区吸收燃料棒2产生的热量，并传递到第一级热管3的放热区；第一级热管3的放热区插入基体4中，基体4上布置了整齐排布的温差发电装置5，温差发电装置5与基体4相接触的一
端为温差发电装置5的热端，温差发电装置5的热端吸收从第一级热管3的放热区传递过来的热量，温差发电装置5的冷端与第二级热管6的吸热区相接触，第二级热管6带走温差发电装置5未利用的余热，维持温差发电装置5的冷端温度，温差发电装置5利用冷热端的温度差，产生电能，为水下静默式潜航器提供运行的能量；第二级热管6的放热区穿过内外壳体间的肋片7置于内外壳体间的海水8中，增加了散热面积，提高了散热效率，通过对流换热的方式将余热传递给内外壳体间的海水8，并最终释放给潜航器外部的海水9。
7.内外壳体间的海水8、潜航器外部的海水9彼此独立，堆芯区域、温差发电区域、余热排出区域彼此独立，之间通过热管传递热量，而各个工作区域并不直接接触，提高了系统的安全性和稳定性。
8.温差发电装置5的热端温度由第一级热管3的放热区维持，温差发电装置5的冷端温度由第二级热管6的吸热区维持，温差发电装置5在恒定的温度差下运行工作，产生电能12，供给水下潜航器的正常运行使用；保证了系统的非能动性，减小了体积尺寸，符合水下静默式潜航器的设计和运行要求。
9.第二级热管6的吸热区置于温差发电装置5的冷端，吸收热电转换未利用的余热；第二级热管6的放热区置于内外壳体间的海水8，将热量最终释放给海水。
10.第一级热管3置于基体4中，与温差发电装置5、第二级热管6相互交错布置，形成类似于三明治的叠放结构；提高了换热面积，提高了空间利用效率。
11.所述第一级热管3和第二级热管6的个数及布置方式根据需求的换热量及具体的温度条件进行调整，在保证温差发电器5正常运行的前提下，实现余热量的排出。
12.本发明针对新型海洋静默式热管反应堆核动力系统整体技术方案，提出将热管技术运用到热电转换装置余热排出系统的新的设计构想。相较于传统的核反应堆冷却系统换热设备而言，新的余热排出系统将高效热管技术的优质热传输性能和压力损失小、工作可靠性高的优点融入非能动余热排出系统中。同时因为热管数量多，排列整齐且热管之间相对独立，所以在紧急状况即使出现部分热管失效的情况，其他热管仍然可以正常稳定的传输热量，维持温差发电装置冷热端的温度，提高了系统的安全性稳定性。同时，整个系统的的堆芯部分、温差发电部分、海水等部分并不直接接触，核反应区、温差发电区、余热排出区域彼此独立，安全稳定。而是通过热管间接相连传输热量，而不直接接触，因而提高了系统安全运行的稳定性，避免了机组的腐蚀和各设备之间的影响。
13.本发明将高效热管技术运用于核反应堆热电转换装置的余热排出系统中，将堆芯燃料棒释放的热量作为第一级热管蒸发段的热源，将温差发电装置的热端作为第一级热管冷凝段的冷源；将温差发电装置的冷端作为第二级热管的蒸发段对流传热的热源，将双层壳体间的海水作为第二级热管冷凝段的冷源。运用了热管高效的能量传输性能实现热量的非能动高效传递和余热排出，节约了系统的整体空间和常规冷却水系统水量和电量，避免了电机和水箱等设备造成的系统的不稳定性，提高了系统的空间利用率，从而对核反应堆热电转换装置余热排出系统进行了优化，提升了余热排出系统的热量传递性能和系统的稳定性、安全性。
14.与现有技术相比较，本发明具备如下优点：
15.(1)将热管技术创新性的引入到能量转换系统以及余热排出系统之中，安全高效，稳定紧凑，提高了能量传输与冷却的效率，提高了热电器件的转换功率。；
16.(2)热管技术与温差发电技术的耦合，维持了热管反应堆温差发电系统的正常运行，利用温差发电装置将热能转化为电能为无人潜航器提供动力，将大幅提高无人潜航器的续航时间，同时大大提高水下设备的隐蔽性；
17.(3)保证了系统的封闭性和独立性，反应堆、热管和温差发电装置并不直接接触，也不与潜航器外的海水接触，而是通过双层壳体间的海水最终将热量释放给海水。整个系统封闭运行，安全性高，运行稳定。结构简单，高效紧凑，易于维护，可有效减小无人水下设备的尺寸，提高经济性。
18.(4)热管技术提高了系统的容错率，在部分热管失效的情况下，系统仍然能正常运行，大大提高了水下潜航器的使用年限，降低事故发生的概率。
附图说明
19.图1为本发明系统示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
21.如图1所示，本发明一种耦合热管技术的非能动余热排出系统，由基座1、燃料棒2、第一级热管3、基体4、teg温差发电装置5、第二级热管6、肋片7、内外壳体间的海水8、潜航器外部的海水9、内壳体10和外壳体11组成；其中基座1、燃料棒2、第一级热管3、基体4、teg温差发电装置5、第二级热管6的吸热区位于内壳体10内，第二级热管6的放热区和肋片7位于内壳体10和外壳体11之间；
22.所述基座1位于堆芯内，起支撑固定的作用，燃料棒2分布在基座1中，核反应在燃料棒2处产生大量的热量，第一级热管3插入基座1中，与燃料棒2错列布置，第一级热管3的吸热区吸收燃料棒2产生的热量，并传递到第一级热管3的放热区；第一级热管3的放热区插入基体4中，基体4上布置了整齐排布的teg温差发电装置5，温差发电装置5与基体4相接触的一端为温差发电装置5的热端，温差发电装置5的热端吸收从第一级热管3的放热区传递过来的热量，温差发电装置5的冷端与第二级热管6的吸热区相接触，第二级热管6带走温差发电装置5未利用的余热，维持温差发电装置5的冷端温度，温差发电装置5利用冷热端的温度差，产生电能，为水下静默式潜航器提供运行的能量；第二级热管6的放热区穿过内外壳体间的肋片7置于内外壳体间的海水8中，增加了散热面积，提高了散热效率，通过对流换热的方式将余热传递给内外壳体间的海水8，并最终释放给潜航器外部的海水9。
23.内外壳体间的海水8、潜航器外部的海水9彼此独立，堆芯区域、温差发电区域、余热排出区域彼此独立，之间通过热管传递热量，而各个工作区域并不直接接触，提高了系统的安全性和稳定性。
24.温差发电装置5的热端温度由第一级热管3的放热区维持，温差发电装置5的冷端温度由第二级热管6的吸热区维持，温差发电装置5在恒定的温度差下运行工作，产生电能12，供给水下潜航器的正常运行使用；保证了系统的非能动性，减小了体积尺寸，符合水下静默式潜航器的设计和运行要求。
25.第二级热管6的吸热区置于温差发电装置5的冷端，吸收热电转换未利用的余热；第二级热管6的放热区置于内外壳体间的海水8，将热量最终释放给海水。
26.第一级热管3置于基体4中，与温差发电装置5、第二级热管6相互交错布置，形成类似于三明治的叠放结构；提高了换热面积，提高了空间利用效率。
27.第二级热管6的吸热区置于内壳体10中，与温差发电装置5接触；第二级热管6的放热区置于内外壳体之中，内外壳体之间充满了海水，在实现热量高效传递余热排出的同时，保证了系统的非能动性。
28.第二级热管6的放热区置于内外壳体之间的肋片7中，通过对流换热的方式将热量传递给内外壳体间的海水8。肋片7采用的肋片结构，极大地提高了换热面积，提高了热量的传递效率，使余热更好地散出。
29.所述第一级热管3和第二级热管6的个数及布置方式根据需求的换热量及具体的温度条件进行调整，在保证温差发电器5正常运行的前提下，实现余热量的排出。
30.第二级热管6由内壳体延伸至内外壳体间的海水8，吸热区与温差发电装置5直接接触，放热区通过肋片扩大与海水的接触面积实现余热排出，能量传输率高，结构紧凑。
31.本发明的具体实现过程描述如下：
32.核反应发生在堆芯的燃料棒2处，产生大量的热量，位于堆芯内的基座1起支撑固定的作用，燃料棒2分布在其中，核反应在燃料棒2处产生的能量为水下静默式核动力潜航器提供动力，第一级热管3交错分布在在基座1中，错列布置在燃料棒2之中，通过与燃料棒2的热交换，吸收燃料棒2产生的热量，并通过热管将热量从第一级热管3的吸热区传递到第一级热管3的放热区；第一级热管3的放热区插入在基体4中，基体4上布置了整齐排布的teg温差发电装置5，第一级热管3的放热区持续放热，维持温差为发电装置5的热端供热保证其温度维持在温差发电的热端温度。温差发电装置5与基体相接触的一端为温差发电装置5的热端，温差发电装置5的热端吸收从第一级热管3的放热区传递过来的热量，温差发电装置5的冷端与第二级热管6的吸热区相接触，带走温差发电装置5未利用的余热，维持温差发电装置5的冷端温度。温差发电装置5利用冷热端的温度差，产生电能，为水下静默式潜航器提供运行的能量。第二级热管6的放热区插在内外壳体中的肋片7上，增大了换热面积，提高了换热量，第二级热管6的放热区置于双层壳体的海水8中，通过对流放热的方式将温差发电装置未利用的余热最终释放给海水。