CN103413579A

CN103413579A - 一种铅铋合金自然循环回路系统

Info

Publication number: CN103413579A
Application number: CN2013102850491A
Authority: CN
Inventors: 周涛; 苏子威; 邹文重; 李云博; 杨旭
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: CN103413579B

Abstract

本发明公开了一种铅铋合金自然循环回路系统，该系统包括：存储罐、第一子管道、可视管道、上升管道、冷凝器、水泵、顶部管道、下降管道、第二子管道和电加热段。根据本发明提供的一种铅铋合金自然循环回路系统，具有结构简单、操作简便的特点；该系统通过冷凝器和电加热段的二级换热进而使得该系统的换热效果好；该系统的所有管道上均设有压力表和温度仪，同时再辅以阀门控制管道，使得该系统安全系数高；该系统通过自然循环回路为核工业冷却的同时，有效的利用了核工业产生热能，避免能源浪费；该系统即可以应用于核工业中，又可以应用于科研中，该系统可同时作为实践和科研的工具。

Description

一种铅铋合金自然循环回路系统

技术领域

本发明属于核能发电和机械设备领域，本发明涉及自然循环系统，特别涉及用于核电工业、利用铅铋合金流体为核工业冷却的一种铅铋合金自然循环回路系统。

背景技术

ADS（accelerate driven system，加速器驱动系统）是最有前景的嬗变技术之一。它由中能强流质子加速器、外源中子产生靶和次临界反应堆构成，是一种高效的核废物嬗变炉。ADS的基本原理如下：由加速器产生的质子束轰击在次临界堆中的重金属靶件，引起散裂反应，再通过核内级联和核外级联产生中子，散裂中子靶为次临界堆提供外源中子。

进入90年代以后，越来越多的国家相继开始ADS的研究，并且提出了20年至50年的长远ADS研究与发展计划，如日本的OMEGA计划，欧洲的XADS计划和MEGPIE计划等。俄罗斯一些东欧国家及韩国也开展了ADS方面的研究，如韩国的HYPER研究计划。为了验证ADS，欧洲于2002年启动了TRADE计划，该计划的目的是建。立一个低功率的反应堆质子加速器和靶件的耦合试验系统，以验证ADS的工作原理。

1998年法国、意大利、西班牙决定成立一个欧洲实验加速器驱动系统（XADS）的研发平台。为了满足技术研发的需要，参与者已经扩大到欧盟多数国家。意大利投入了很大力量，设计一台80MW的XADS。瑞典皇家理工学院（KTH）也承担了欧盟XADS计划的一部分，建造了试验设备，来测试铅铋冷却反应堆的稳态和瞬态热工水力特性。所有实验中采取的换热主要是最简单套管式换热，意大利对U型管式换热进行了简单研究。现阶段国内ADS正处于起步阶段，研究大都集中于ADS反应堆堆芯中子物理研究，涉及热工水力安全的铅铋自然循环装置刚刚起步，如2012年申请人团队华北电力大学热工安全与标准化研究所与合肥中科院合作进行了铅铋物性研究以及对ADS二回路的设计建造。

在ADS中利用液态铅铋合金(LBE)作为散裂靶兼冷却剂，除了具有很好的中子学性能之外，还具有优良的抗辐照性能、传热性能和安全特性，可以提高靶系统的寿命和次临界反应堆的安全性。

换热装置是ADS中重要的环节，现有专利中记载的换热装置，如中国专利申请CN201210191966.9中所公开的一种O型铅铋换热装置，其在顶端设置冷却剂入口，在底端设置冷却剂出口，其通过重力完成冷却剂的流动，在该装置中并未通过向液体中充入气体这种方式完成液体的循环，该装置中铅铋合金流动通道中的铅铋液体循环流动是通过重力完成了，在该装置中的换热通道中冷却剂的流动是借助于重力和外力进行的，因此，此种换热方式已经很难跟上核工业的发展的脚步。现有的基于核电中的换热系统大多数都基于强迫循环换热，需要动力支持，这样虽然能够实现换热冷却的效果，却在此过程中损失和浪费了其他能源如电能等，使得核电工业冷却技术的造价升高、成本增加。

由于能源的稀缺与珍贵，人类开始开发出利用自然循环完成换热，在中国专利申请CN201120502918.8所公开的非能动自然循环铅铋换热装置，这类装置利用自然循环的原理，然而这类装置结构复杂，管路复杂，自然循环回路多，并且该类设备需要不活泼气体支撑自然循环，因此为整个装置带来了不便。

由于上述问题的存在，本发明人对现有的自然循环系统进行研究和分析，对现今的核电工业的换热设备进行观察和试验，以便能制作出结构简单、换热效果好、安全系数高、操作简单，并且有利于试验数据观察的一种铅铋合金自然循环回路系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：设置其上设有截止阀的存储罐，存储罐的顶部与第一子管道想连通；设置冷凝器，其一端通过上升管道与可视管道的顶端相连，其另一端依次与顶部管道、膨胀箱、其上设有阀门的下降管道、浮子流量计顶端相连；设置水泵，水泵出水管道与进水管道汇集到一个总水管的一端，总水管的另一端与冷凝器的壳体相连，其中出水管道上设有水管截止阀，总水管上设有转子流量计；设置电加热段，其一端通过第一子管道与可视管道的底端相连通，电加热段的另一端通过第二子管道与浮子流量计的底端相连通，其中，工质由存储罐被进料至系统，在电加热段中被加热，被加热的工质依次通过第一子管道、可视管道和上升管道流入到冷凝器中，经过冷凝器降温后经由顶部管道流入到膨胀箱，再依次经由下降管道、浮子流量计和第二子管道流回到电加热段。从而完成本发明。

本发明的目的在于提供以下方面：

（1）一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：该系统包括：

存储罐1，其顶部通过截止阀与第一子管道7a相连通，

冷凝器3，其一端通过上升管道7c与可视管道6的顶端相连通，其另一端通过顶部管道7d与膨胀箱4相连通，

水泵5，其出水管道与进水管道汇集到总水管13的一端，总水管的另一端与冷凝器的壳体相连，其中出水管道上设有水管截止阀11a，总水管上设有转子流量计12a，

膨胀箱4，其通过其上设有阀门11b的下降管道7e与浮子流量计的顶端相连通，和

电加热段2，其一端通过第一子管道7a与可视管道6的底端相连通，电加热段的另一端通过第二子管道7b与浮子流量计12b的底端相连通，

其中，工质由存储罐被进料至系统，在电加热段2中被加热，被加热的工质依次通过第一子管道、可视管道和上升管道流入到冷凝器3中，经过冷凝器降温后经由顶部管道流入到膨胀箱，再依次经由下降管道、浮子流量计和第二子管道流回到电加热段，

（2）如上述（1）所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：存储罐顶部开设填料孔1a、测温孔1b、引流孔1c，引流孔1c内设有引流管，其中，引流管的一端插入存储罐底部，引流管的另一端通过截止阀与第一子管道7a相连通；

其中，填料孔1a、测温孔1b和引流孔1c上均设有密封盖。

（3）如上述（1）所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：电加热段包括：

保温管2c，其管壁上由里向外依次套设电加热带2b和保温层2a，

其中，保温管2c的一端与第一子管道7a相连，保温管2c的另一端与第二子管道7b相连。

（4）如上述（1）所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：可视管道6由石英玻璃制成。

（5）如上述（4）所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：可视管道6的长度为0.5米。

（6）如上述（1）所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：冷凝器3为管壳式铅铋-水换热器，其管内介质为工质，壳内介质为冷却水，

其中，工质为液体铅铋合金或水。

（7）如上述（1）所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：所述膨胀箱为立方体，其顶部开设五个通孔分别为取光孔4a、测试孔4b、第一仪表孔4c、第二仪表孔4d、第三仪表孔4e；

其中，测试孔4b、第一仪表孔4c、第二仪表孔4d和第三仪表孔4e上均设有密封门。

（8）如上述（1）所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：第一子管道、上升管道、顶部管道、下降管道和第二子管道上均设有压力表9和温度仪8。

（9）如上述（1）所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：该系统中的所有管道外壁均套设保温材料。

（10）如上述（1）所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：第一子管道与存储罐的连接点的竖直高度低于第一子管道与电加热段的连接点的竖直高度，即第一子管道由存储罐至电加热段向上倾斜。

根据本发明提供的一种铅铋合金自然循环回路系统，具有结构简单、操作简便的特点；该系统通过冷凝器和电加热段的二级换热进而使得该系统的换热效果好；该系统的所有管道上均设有压力表和温度仪，同时再辅以阀门控制管道，使得该系统安全系数高；该系统通过自然循环回路为核工业冷却的同时，有效的利用了核工业产生热能，避免能源浪费；该系统即可以应用于核工业中，又可以应用于科研中，该系统可同时作为实践和科研的工具。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的一种铅铋合金自然循环回路系统的结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的一种铅铋合金自然循环回路系统中电加热段的结构示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的一种铅铋合金自然循环回路系统中存储罐的俯视图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的一种铅铋合金自然循环回路系统中膨胀箱的俯视图。

附图标号说明：

1-存储罐

1a-填料孔

1b-测温孔

1c-引流孔

2-电加热段

2a-保温层

2b-电加热带

2c-保温管

3-冷凝器

4-膨胀箱

4a-取光孔

4b-测试孔

4c-第一仪表孔

4d-第二仪表孔

4e-第三仪表孔

5-水泵

6-可视管道

7a-第一子管道

7b-第二子管道

7c-上升管道

7d-顶部管道管道

7e-下降管道

8-温度仪

9-压力表

11a-水管截止阀

11b-阀门

12a-转子流量计

12b-浮子流量计

13-总水管

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在根据本发明的一个优选的实施方式中，如图1中所示，提供一种铅铋合金自然循环回路系统，该系统包括：

存储罐1，其顶部通过截止阀与第一子管道7a相连通，

水泵5，其出水管道与进水管道汇集到总水管13的一端，总水管13的另一端与冷凝器的壳体相连，其中出水管道上设有水管截止阀11a，总水管13上设有转子流量计12a，转子流量计12a用于实时检测总水管13内部冷却水的流量，

膨胀箱4，其通过其上设有阀门11b的下降管道7e与浮子流量计的顶端相连通，其中，浮子流量计用于实时检测该系统中液体铅铋合金的流量，和

其中，该系统内部的工质为液体铅铋合金，液体铅铋合金由质量分数55％的铅和45％的铋组成，该系统在常压下进行工作。液体铅铋合金存储于存储罐中，当启动该系统时，将存储罐内的液体铅铋合金充满该系统的所有管路，通过电加热段将液体铅铋合金加热，使得液体铅铋合金的温度达到300度，进而使得液体铅铋合金产生密度差，使得电加热段内的液体铅铋合金经由第一子管道、可视管道、上升管道流入冷凝器，在冷凝器中高温的液体铅铋合金与冷却水换热后，液体铅铋合金的温度降至180度并经由顶部管道流入到膨胀箱，膨胀箱内的液体铅铋合金最后经由下降管道、第二子管道流回到电加热段完成整个自然循环。

在一个优选的实施方式中，如图1和3中所示，存储罐用于存储铅铋合金固体，通过加热将铅铋合金的固体转换成液体，存储罐通过截止阀与第一子管道相连，当运行该系统时，将截止阀开启，将存储罐内的铅铋合金液体压入到整个系统的管道中，

其中，第一子管道与存储罐的连接点的竖直高度高于第一子管道与电加热段的连接点的竖直高度，即第一子管道由存储罐至电加热段向下倾斜。在本发明中，第一子管道的倾斜角度优选为15度。

在进一步优选的实施方式中，如图3中所示，存储罐顶部开设填料孔1a、测温孔1b、引流孔1c；其中，填料孔1a用于填料，测温孔1b用于对存储罐内部进行测温，引流孔1c用于引流，对液体铅铋合金进行引流；其中，填料孔1a、测温孔1b和引流孔1c上均设有密封盖，其中密封盖可以开启和关闭。

在这里，所述引流孔中设置引流管，引流管的一端设置于存储罐的底部，引流管的另一端通过截止阀与第一管道相连。

在一个优选的实施方式中，如图1-2中所示，电加热段用于为该系统中的液体铅铋合金进行加热，电加热段包括：

其中，电加热段中的电加热带2b用于传导热量，通过电加热带将核电工业中产生的余热传递到保温管2c上，进而通过核电工业中产生的余热将保温管2c内的液体铅铋合金加热。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，可视化管道6为试验观察和日常应用中的观察提供了便利，所述可视管道6的材质为石英玻璃。在实践中，可是管道内部工质的行程优选为0.5米，即所述可视管道6长度优选为0.5米。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，冷凝器用于换热，其将高温的液体铅铋合金所带的热量传递到冷却水中，通过冷凝器完成了能量的转换，将液体铅铋合金中所带的热能转换成冷却水中的热能。其中，在冷凝器中，管内介质为液体铅铋合金，壳内介质为冷却水。

在这里，所述冷凝器3并无特殊限制，为常规的管壳式铅铋-水换热器。

在一个优选的实施方式中，膨胀箱可以将该系统中不溶于工质的气体排出到系统外部进而降低了上升管道内部工质上升阻力，促进自然循环；并对系统回路起到稳压作用；

其中，膨胀箱的形状并无特殊限制，本发明中膨胀箱优选为立方体。

在进一步优选的实施方式中，如图4中所示，所述膨胀箱其顶部开设五个通孔分别为取光孔4a、测试孔4b、第一仪表孔4c、第二仪表孔4d、第三仪表孔4e。

其中，取光孔4a用于取光，测试孔4b用于插入测试材料，第一仪表孔4c、第二仪表孔4d、第三仪表孔4e分别用于插入仪表，进行相关数据的测量。

其中，膨胀箱通过取光孔与大气连通，取光孔可以将该系统中不溶于工质的气体排出到系统外部，并且取光孔对该系统具有稳压作用。测试孔4b、第一仪表孔4c、第二仪表孔4d和第三仪表孔4e上均设有密封门，其中密封门可以开启或关闭。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，第一子管道、上升管道、顶部管道、下降管道和第二子管道上均设有压力表和温度计。通过压力表和温度计可以时刻对该系统的每条管道进行观察，提高了该系统的安全性。

在一个优选的实施方式中，该系统中的所有管道外壁均套设保温材料。通过此种设置可以防止管道内部液体铅铋合金向空气中散热，防止因为液体铅铋合金向空气中散热而影响该系统的自然循环。

以下结合优选的实施方式对根据本发明优选实施方式的一种铅铋合金自然循环回路系统的换热流程进行说明：

第一、该系统的开启，通过气压将存储罐中的液体铅铋合金压满该系统的所有管道内。

第二、开启水泵，开启水管截止阀11a，向冷凝器的壳体内注入冷却水，并使冷凝器壳体与外界形成冷却水循环。

第三、通过电加热段中的电加热带将核电工业中产生的余热传递到电加热段的保温管上，进而传递到液体铅铋合金中，使得液体铅铋合金的温度升高。

第四、温度升高的液体铅铋合金密度降低，进而液体铅铋合金沿着第一子管道、可视管道、上升管道进入到冷凝器中，在冷凝器中将液体铅铋合金与冷却水二者进行换热。

第五、冷凝器中的液体铅铋合金经换热后流入到膨胀箱，经换热后液体铅铋合金温度降低，进而在膨胀箱中的液体铅铋合金经由下降管道、第二子管道流回到电加热段，进而完成一个自然循环。

第六，该系统的关闭，停止向电加热段传递热量，关闭阀门11b，打开存储罐上的截止阀，使得液体铅铋合金回流到存储罐，通过水泵将冷凝器中的冷却水排出并关闭水管截止阀11a。

其中，经测量，在该系统中进行自然循环时，液体铅铋合金的速度达到0.4m/s。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims

1.一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：该系统包括：

存储罐（1），其顶部通过截止阀与第一子管道（7a）相连通，

冷凝器（3），其一端通过上升管道（7c）与可视管道（6）的顶端相连通，其另一端通过顶部管道（7d）与膨胀箱（4）相连通，

水泵（5），其出水管道与进水管道汇集到总水管（13）的一端，总水管（13）的另一端与冷凝器的壳体相连，其中出水管道上设有水管截止阀（11a），总水管（13）上设有转子流量计（12a），

膨胀箱（4），其通过其上设有阀门（11b）的下降管道（7e）与浮子流量计的顶端相连通，和

电加热段（2），其一端通过第一子管道（7a）与可视管道（6）的底端相连通，电加热段的另一端通过第二子管道（7b）与浮子流量计（12b）的底端相连通，

其中，工质由存储罐被进料至系统，在电加热段（2）中被加热，被加热的工质依次通过第一子管道、可视管道和上升管道流入到冷凝器（3）中，经过冷凝器降温后经由顶部管道流入到膨胀箱，再依次经由下降管道、浮子流量计和第二子管道流回到电加热段。

2.如权利要求1所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：存储罐顶部开设填料孔（1a）、测温孔（1b）和引流孔（1c），引流孔（1c）内设有引流管，其中，引流管的一端插入存储罐底部，引流管的另一端通过截止阀与第一子管道（7a）相连通；

其中，填料孔（1a）、测温孔（1b）和引流孔（1c）上均设有密封盖。

3.如权利要求1所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：电加热段包括保温管（2c），其管壁上由里向外依次套设电加热带（2b）和保温层（2a），

其中，保温管（2c）的一端与第一子管道（7a）相连，保温管（2c）的另一端与第二子管道（7b）相连。

4.如权利要求1所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：可视管道（6）由石英玻璃制成。

5.如权利要求4所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：可视管道（6）的长度为0.5米。

6.如权利要求1所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：冷凝器（3）为管壳式换热器，其管内介质为工质，壳内介质为冷却水，其中，工质为液体铅铋合金或水。

7.如权利要求1所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：所述膨胀箱为立方体结构，其顶部开设有五个通孔，分别为取光孔（4a）、测试孔（4b）、第一仪表孔（4c）、第二仪表孔（4d）和第三仪表孔（4e）；

其中，测试孔（4b）、第一仪表孔（4c）、第二仪表孔（4d）和第三仪表孔（4e）上均设有密封门。

8.如权利要求1所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：第一子管道、上升管道、顶部管道、下降管道和第二子管道上均设有压力表（9）和温度仪（8）。

9.如权利要求1所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：该系统中的所有管道或子管道的外壁均套设保温材料。

10.如权利要求1所述的一种铅铋合金自然循环回路系统，其特征在于：第一子管道与存储罐的连接点的竖直高度低于第一子管道与电加热段的连接点的竖直高度，即第一子管道由存储罐至电加热段向上倾斜。