[發明專利]一種結合微通道的超汽化強化換熱通道結構

在審

• 申請號: 202210588997.1
• 申請日: 2022-05-26
• 公開（公告）號: CN115046417A
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 陳雪梅;程凱;李強
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: F28D21/00
• 分類號: F28D21/00;F28F9/22;F28F1/08
• 代理公司: 北京盛凡佳華專利代理事務所(普通合伙) 11947
• 代理人: 華小明

本發明涉及高熱負荷下的兩相流換熱技術領域，尤其為一種結合微通道的超汽化強化換熱通道結構，所述殼體的另一側開設有用于冷卻流體流過的豎向通道和橫向通道，所述殼體的內側設置有橫向設置的肋片，所述橫向通道設置在兩個相鄰的兩個肋片之間，所述豎向通道設置在所述肋片的兩側，所述豎向通道上還設置豎向微通道，所述豎向微通道與冷質流向相同，所述肋片可以為間斷形、折翅形、波紋形等類型，所述肋片下側同樣設置有豎向微通道，所述相鄰肋片間還設置有與冷質流向垂直的橫向微通道，所述豎向微通道和橫向微通道的形狀可以為矩形、S形、間斷式、葉脈式、漸擴式、階梯式等類型，所述相鄰肋片間可增設不同坡度的斜面結構。

技術領域

本發明涉及高熱負荷下的兩相流換熱技術領域，具體為一種結合微通道的超汽化強化換熱通道結構。

背景技術

在新能源如火如荼發展的今天，核聚變技術由于其可以提供穩定持續的能源，又不存在傳統核能和化石燃料溫室氣體排放的風險，一直都是人們加以青睞的科學技術。托卡馬克裝置內的螺旋磁場可以有效的約束高溫等離子體，實現核聚變技術的可控，但在托卡馬克的邊界位置仍會發生高溫等離子體與第一壁之間強烈的相互作用，造成第一壁材料的腐蝕與損壞，并且會產生大量雜質，這會降低靶板的耐濺射能力，對等離子體造成污染。為此需要在托卡馬克裝置的邊界處添加與等離子體直接接觸，排出等離子體粒子流和熱流的偏濾器，對于將來的核聚變反應堆，如果不加以控制，偏濾器靶板穩態熱負荷可能達到數十兆瓦每平方米，這極大的考驗了偏濾器部件的熱承載和排出能力。為了能夠使偏濾器在如此高的熱負荷下正常工作，常規的散熱技術已經很難實現，因此，研究換熱系數更高的超汽化強化換熱技術是我們必須要做的事情。

超汽化結構的主要特征是在流道內橫向添加翅片或者凹槽，這樣在兩個相鄰肋片間的流體經加熱面加熱從而汽化。當汽泡離開壁面進入到冷卻流體中，汽泡會在過冷的液體中快速凝結，同時使兩肋間的槽內重新充滿過冷流體。只要加熱面的溫度不超過Leidenfrost temperature，這種兩相鄰翅片間持續的沸騰和冷凝過程可以極大地增強傳熱效率和臨界熱流密度。目前超汽化強化換熱結構主要被用于聚變反應堆第一壁的高熱負荷區域以及偏濾器的穹頂區域，相比于其他結構，超汽化強化換熱結構具有更大的換熱面積、更高的換熱效率，同時也具有加工簡單，容易維修等優點。超汽化強化換熱的換熱系數通常比單相換熱高得多，是強化換熱的重要途徑之一；另一方面，由于超汽化強化換熱中會出現大量氣泡，一旦熱流密度超過臨界熱流密度，會導致換熱系數迅速下降，壁面溫度急劇上升，造成設備燒毀的安全事故，這在聚變堆設計中是不允許出現的，再加上，由于橫肋的存在，增大了流體的沿程阻力，對冷卻通道的泵送功率的要求也相應提高，因此，面對未來越來越高的熱負荷要求，對超汽化強化換熱通道的結構進行完善與優化。

如圖1所示，傳統的超汽化強化換熱通道的主要特征是垂直于流體流向的肋片2，肋片2形狀并不唯一，其中豎向通道1、橫向通道3的表面均為光滑表面，在這種肋片2的通道中，使得汽化核心分布不均，氣泡形成位置的隨機性較大，導致溫度分布不均勻。

在兩相流換熱的結構研究中，采用微通道相變冷卻技術能獲得更高的比表面積，顯示出更高的傳熱系數，同時保持相對均勻的溫度分布，可以有效彌補超汽化通道受熱面溫度分布不均勻的缺陷。本發明將微通道相變冷卻技術其獨特的微尺度效應與超汽化換熱通道相結合，形成換熱效率更高，泵功更低的結構。

發明內容

本發明的目的在于提供一種結合微通道的超汽化強化換熱通道結構，以解決上述背景技術中提出的傳統超汽化換熱通道溫度分布不均，以及進出口壓降過高等問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種結合微通道的超汽化強化換熱通道結構，包括殼體，所述殼體的一側為熱負荷面，所述殼體的另一側開設有用于冷卻流體流過的豎向通道和橫向通道，所述殼體的內側設置有橫向設置的肋片，所述橫向通道設置在兩個相鄰的兩個肋片之間，所述豎向通道設置在所述肋片的兩側，所述豎向通道上還設置豎向微通道，所述豎向微通道與冷質流向相同。