发明内容

本发明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。

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。本发明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。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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°。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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；200℃~1000℃的中温热管；以及1000℃以上的高温热管。高温热管中的镓工质为单质镓。常温及中温热管，则采用单质镓中添加水或其他工质。三种热管中均可加入纳米颗粒。

所述热管为镓工质常温热管，管内真空度为20 Torr~25Torr，管材使用石墨烯，石墨烯特殊的物理结构为其带来了优良的导热性。适用于普通压水堆（工作温度150℃左右）中特别是同类小型或微堆中，管内镓介质的自然循环与管外水进行热交换。

所述热管为镓工质中温热管，管内真空度为10Torr~15 Torr，管材使用石墨烯，同样向镓工质中加入一定量的金属纳米颗粒。适用于超临界水堆中（工作温度400℃左右）特别是同类小型或微堆中，管内镓介质的自然循环与管外超临界水进行热交换。

所述热管为镓工质高温热管，管内真空度为5 Torr~8 Torr，管材选用Haynes230，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。适用于高温气冷堆中（工作温度1000℃左右）特别是同类小型或微堆中，管内镓介质的自然循环与管高温氦气进行热交换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明热管采用镓工质，镓的宽温度范围使它可以用于小堆能源行业，简单方便和高效。热管的使用极大提高了系统的冷却能力和安全性能。作为替换管壳式换热器的替代产品，可以实现高效和非能动传热的效果，也可减少管道环节，建设一体化堆系统，更好保障反应堆安全。本发明镓热管可以应用于移动式核反应堆、综合能源系统、深海、军民融合等广泛领域。

向镓工质中加入一定量的金属纳米颗粒或低沸点的工质，导致沸点急剧下降，也强化换热。适用于普通压水堆（工作温度150℃左右）中特别是同类小型或微堆中，管内镓介质的自然循环与管外水进行热交换。