[发明专利]一种强化沸腾换热的多尺度结构涂层及其制备方法

说明书

本发明提供了一种强化沸腾换热的多尺度结构涂层及其制备方法，与传统表面改性工艺不同，其基于冷喷涂技术的便捷性，利用网状掩膜直接喷涂多尺度结构涂层、无需腐蚀便可制成。耦合毫米尺度和微/纳尺度结构的设计，大幅增加了汽化核心和换热面积，构建了顺畅的汽泡脱离路径和冷却水润湿路径。因此与传统均匀多孔涂层表面相比，多尺度结构涂层中的多种尺度结构相互协调共同增强了沸腾传热，能够显著提高临界热流密度，从而提高了压力容器外部冷却的安全裕量。

技术领域

本发明涉及沸腾换热技术领域，具体涉及一种强化沸腾换热的多 尺度结构涂层及其制备方法。

背景技术

压力容器外部冷却技术是指压水堆发生堆芯熔毁事故后，可向压 力容器外部腔室注水使压力容器下封头外表面进行池式沸腾换热持 续冷却堆内熔融物，以防止压力容器被熔穿，最大程度地限制放射性 物质扩散，这是提高压水堆核电站安全性的一项重要措施，其迫切需 求在于如何在有限面积的压力容器下封头表面通过沸腾换热方式迅 速带走热量，关键在于提高沸腾换热过程的临界热流密度(Critical Heat Flux,CHF)。具体地，以AP1000为例，在发生堆芯融毁事故 的过程中，美国爱达荷国家工程和环境实验室(INEEL)提出了三层 熔融池的构型作为最终状态，这时因顶部金属层变薄而引起的集热效 应会使该层产生高热流密度，理论计算得出的峰值热流密度为1720 kW/m²，而下封头光表面此处的临界热流密度为1890kW/m²，二者之 比为0.91，表面在这种假设的保守情况下只有0.09的安全裕度。然 而，随着核电商用压水堆功率的升高(如CAP1400、CAP1700等)， 熔融物带来的峰值热流密度会进一步增加，导致安全裕度越来越小， 因此必须提高压力容器下封头外表面沸腾换热的临界热流密度。

针对上述需求，中国专利CN 103903658 A公开了一种具有强化 沸腾换热网状沟槽连通阵列孔表面的封头，提出可以在封头外表面设 置多孔涂层等强化结构来提高CHF，从而提高的安全裕量，但专利 中并未给出具体的工程实施方法；中国专利CN 105258458 A公开了 一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，证明微纳米尺度的 多孔介质涂层具有较好的强化沸腾换热效果，可在一定程度上提高 CHF，但该表面制备方法采用烧结后脱模成型的方法，需要在700℃ 高温下烧结数小时，对于体积较大的压力容器下封头而言，加工过程 较为复杂，需要对整个压力容器进行加热且达到均匀的高温，该方法 在压力容器表面应用存在较大困难，且烧结生成的多孔涂层在反复运 行过程中的可靠性难于保证，无法在损坏后快速修复。另外，即使设 计出超大尺寸的模具，在烧结后脱模成型时也可能对压力容器基体材 料造成不可修复的损伤，对压力容器整体的结构安全性造成破坏。

针对上述局限性，中国专利CN 1103966549 A公开了一种多孔 材料与涂层制备方法，可采用冷喷涂技术，操作简单、环保、安全， 在室温下即可操作，多孔涂层的孔隙大小、孔隙率可控，但需要靠电 化学腐蚀法去除造孔剂材料后才能形成多孔涂层内部的孔隙，腐蚀过 程中可能对基体材料表面的氧化层保护膜造成破坏，从而造成内部材 料腐蚀或氧化隐患。另外，压力容器下封头外表面为大面积区域，对 其实施腐蚀较为困难。

单一尺度的、一定厚度范围内的多孔介质涂层，虽具有一定的强 化沸腾换热能力，但CHF的增强幅度较为有限，这是因为单一尺度 表面结构不能协调汽泡溢出与液体吸入对孔径的不同需求，中国专利CN 109974513 A公开了一种强化沸腾换热的微尺度协同表面结构， 其通过不同几何尺度微结构的协同作用共同促进沸腾换热过程中汽、 液两相分离，即汽泡从换热表面脱离的路径与冷却水润湿换热表面的 路径互不阻碍，具体体现为：在小槽内产生汽化核心效果，并借助大 小槽协同作用，在大槽中实现汽泡生长和脱离的目的，在连接槽作用 下，小槽内产生的毛细压力也能使大槽迅速充满液体，从而较大提升 沸腾传热能力。但该结构采用的机械切削、电镀或激光烧灼等工艺在 压力容器下封头表面上实施难度和工程量较大，且存在应力集中的风 险。