本发明专利技术公开了一种反应堆用镓热管及换热装置，镓热管包括管体；所述管体的一端为冷凝段，管体的另一端为蒸发段，在冷凝段与蒸发段之间的绝热段；其特征在于：在所述管体内设置有吸液芯以及填充在管体内、并在管体内循环流动的镓及其相关工质。本发明专利技术镓热管以液态金属镓为基础工作介质，镓在29.76℃时为液态，液态镓具有宽温度范围、良好的热稳定性。本发明专利技术既可以适用于中低温系统，可以用于高温系统。本发明专利技术实施范围广泛，简单方便和高效。镓热管特别适合移动式小型反应堆，可以应用于综合能源系统、空间核反应堆，冷却、深海、军民融合等广泛领域。泛领域。泛领域。
【技术实现步骤摘要】
一种反应堆用镓热管及换热装置
[0001]本专利技术属于包括核能在内的能源领域以及机械设备领域，具体涉及到一种高效传热的镓热管。
技术介绍
[0002]自从 Gaugler提出热管的工作原理，热管经过了几十年的发展，衍生出了各种类型，但是从最基本的角度看，热管仍然是一种将沸腾和冷凝有机结合的高效传热元件在热管快速发展的这几十年里，各种工况要求促进了对热管原理的深入研究和新结构的设计开发，衍生出了热虹吸管、往复热管、脉动热管、回路热管、旋转热管、微型热管可变导热管、高温热管等不同类型的热管。
[0003]热管根据温度分类为低温热管 (
‑
270℃~0℃)、常温热管(0℃~200℃)、中温热管 (200℃~1000℃) 和高温热管 (1000℃以上)。自 1963年Grower等成功研制出高温热管以来，大批科研工作者开始从事高温热管研究。最近的几十年，众多科研工作者对高温热管进行了大量的实验和理论研究，使其体系逐渐完善，被广泛应用在航天、能源、电子和化工等领域。高温热管工质主要为锂、钠、钾等碱性金属，因此高温热管也被称为碱金属热管。但是并未应用镓作为工质。
[0004]镓，在29.76℃时变为银白色液体。液态镓很容易过冷即冷却至0℃而不固化，纯液态镓有显著的过冷的趋势。沸点很高，在大约1500℃时有很低的蒸汽压。纯镓及低熔合金可作核反应的热交换介质。尽管镓独特的性能可能会应用于很多方面，但是目前它的工业应用还很少。
[0005]在计算机领域如CPU散热有所应用，但无论台式还是笔记本，一般来说，正常工作温度范围不高于85℃，属于常温换热的范畴，且这些镓介质大多用于计算机领域，是非热管换热形式；有些汞、锌、镓等液态金属多介质热管用于1800℃
‑
2300℃范围，温度过高，不适合反应堆内中子物理及化学环境的特性，不适用于小型反应堆在内的核能领域。
[0006]核反应堆中传热复杂，常规热管工作过程中仅包含液－气相变及其逆向相变，且所受的热负荷往往是恒定的，而在热管应用场合所面临的工作温度区域范围非常宽，尤其是在复杂交变高热流密度热负荷场下，其工作过程除了包含上述普通热管的所有相变过程，往往还包括固－液相变及其逆向相变，比普通热管的工作过程要复杂得多。镓热管小堆在空间核反应堆冷却、边远地区、深海等方面具有广阔的应用前景。
技术实现思路
[0007]本专利技术所要解决的技术问题是提出了一种采用镓为基础工质的增加热管换热能力的镓热管及换热装置。
[0008]镓30℃的时候为液体，液体范围比较宽，可以用于做常温的，缺点就是沸点比较高，不太容易实现常温下的蒸发。本专利技术一方面通过控制真空度，另一方面加入纳米颗粒和另一种工质。纳米颗粒由于尺寸的急剧降低，导致沸点急剧下降，另外也可起到强化换热的
作用；另一工质可采用低沸点的工质或易气化的工质，加入低沸点的工质，使得平均沸点下降。容易气化的工质，作为热管中换热的混合工质，比如氟利昂或水或者其他的工质。综合和更好地利用镓作为一个高效导热且流动的介质来传递热量。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种反应堆用镓热管，包括管体；所述管体的一端为冷凝段，管体的另一端为蒸发段，在冷凝段与蒸发段之间的绝热段；其特征在于：在所述管体内设置有吸液芯以及填充在管体内的并在管体内循环流动的镓工质。
[0010]所述镓工质为单质镓，或向单质镓中加入纳米颗粒。如金属颗粒和碳颗粒等，以增强换热能力。
[0011]所述常温热管和中温热管中，加入相关工质按照一定比例进行混合，以达到相关温度需求。如常温中加入比例为20%
‑
70%的R600a、R600、R
‑
123、水等；中温中加入比例为20%
‑
60%钠、钾、锌、汞等。具体比例根据实际所需进行调整。
[0012]所述常温热管冷凝段管道内径为20mm~30mm，绝热管管道内径为22mm~32mm，长度为200mm~400mm。其中蒸发端和冷凝端长度分别为 300mm~600mm、200~400mm。壁厚为4mm~8mm。绝热套管厚度为5mm~9mm；管体的管壁厚度为4mm~8mm。
[0013]中温热管冷凝段管道内径为25mm~35mm，绝热管管道内径为27mm~37mm，长度为250mm~450mm。其中蒸发端和冷凝端长度分别为 350mm~650mm、250~450mm。壁厚为5mm~10mm。绝热套管厚度为6mm~12mm；管体的管壁厚度为4mm~8mm。
[0014]高温热管冷凝段管道内径为30mm~40mm，绝热管管道内径为32mm~42mm，长度为300mm~500mm。其中蒸发端和冷凝端长度分别为 400mm~700mm、300~500mm。壁厚为6mm~12mm。绝热套管厚度为7mm~15mm；管体的管壁厚度为4mm~8mm。
[0015]所述绝热段和冷凝段为直管，所述管体的横截面为圆形或者方形或者正三角形、环形等；绝热段管道内径大于蒸发段和冷凝端内径。绝热段管道内径大于蒸发段和冷凝端内径，可使相变后的气态工质在从蒸发段流向冷凝段时具有变化的流速，提高热量的转移。所述管体的绝热段设置有一包裹所述管体的绝热套管，两管之间抽真空。绝热套管使得工质在绝热段散热减少。
[0016]所述蒸发段为渐缩渐扩的变截面结构，且变截面结构的所述蒸发段截面最小处的切线与截面最大处的距离H为2mm~6mm。所述疏水表面的接触角θ>150
°
。
[0017]所述管体的蒸发段外表面利用纳米涂层材料，以及蒸发段渐缩渐扩表面共同作用形成莲花效应设置成疏水表面。纳米涂层材料为Si、Zr、Al、Ti、TiO2等。可使得热管蒸发段管外高温气体遇冷快速凝结，由于表面张力的作用形成水珠，产生换热效果更好的珠状凝结。
[0018]所述管体内表面管道采用尖角或圆角凸起。凸起高度为2mm~4mm。材料为铜、石墨烯、Haynes230、GH2747等。
[0019]所述管体采用Haynes230、06Cr17Ni12Mo2为管壳材料，石墨烯特殊的物理结构为其带来了优良的导热性。Haynes230合金是一种镍铬钨钼合金，兼具优良的高温强度，抗氧化性能，超长时间的热稳定性和良好的可加工性能。
[0020]所述吸液芯为金属纤维复合吸液芯液芯、微槽吸液芯、轴向槽道式管芯等。
[0021]所述装置镓工质在高温热管内流动；镓和沸点满足相关温度范围的工质，例如水
或氟利昂等在常温热管和中温热管中流动，和管外循环介质，如水，空气，超临界水、液态金属等的流动，两者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。可以强迫循环也可以自然循环。
[0022]所述镓热管可以垂直方式以对称平行或梅花状布置，以更好和更均匀导出堆芯热量。
[0023]所述介质为镓工质，选择不同的管体材质及布置方式，其工作温度范围为：30℃~200℃的常温热管；2本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种反应堆用镓热管，包括管体；所述管体的一端为冷凝段，管体的另一端为蒸发段，在冷凝段与蒸发段之间的绝热段；其特征在于：在所述管体内设置有吸液芯以及填充在管体内、并在管体内循环流动的以镓为基础的工质。2.根据权利要求1所述的反应堆用镓热管，其特征在于：所述以镓为基础的工质为单质镓，或向单质镓中加入纳米颗粒及其他工质，形成工作温度在30℃~200℃的常温热管；工作温度在200℃~1000℃的中温热管；以及工作温度在1000℃以上的高温热管，其中常温热管管内的真空度为20 Torr~25Torr；中温热管管内的真空度为10Torr~15 Torr；高温热管管内的真空度为5 Torr~8 Torr。3.根据权利要求2所述的反应堆用镓热管，其特征在于：在30℃~200℃的常温热管，镓工质为在单质镓中添加20%
‑
70%的低沸点工质，其中低沸点工质包括R600a、R600、R
‑
123或水中的一种或以上任意组合形成的混合物；在200℃~1000℃的中温热管，镓工质为在单质镓中添加20%
‑
60%的沸点低于单质镓的其他金属单体或金属单体混合物，其中其他金属单体包括钠、钾、锌或汞。4.根据权利要求2所述的反应堆用镓热管，其特征在于：所述加入的纳米...
【专利技术属性】
技术研发人员：周涛，刘文斌，毛赏，张一童，魏东，张思雨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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