CN104198521B - 一种超高温液态介质热对流实验回路 - Google Patents

一种超高温液态介质热对流实验回路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高温液态介质热对流实验回路，包括直线轨道式箱体加热炉和回路管道。直线轨道式箱体加热炉包括炉体、加热器、直线导向轨和底座框架。回路管道由熔化罐、抽气口、回路主体、在线取样系统、风冷双层套管和排空管组成。直线轨道式箱体加热炉的优化设计保证了实验回路热对流所需的特定温度区分布；同时回路管道的选材及结构，可满足反应堆候选材料在超高温热对流介质中开展长期腐蚀实验的需求。本装置具有回路管道更换简便、在线取样及安装、控温精度高等特点，可开展材料在流动介质中的相容性实验研究，尤其适用于筛选和发展反应堆抗高温腐蚀材料。

Description

一种超高温液态介质热对流实验回路
技术领域
本发明属于材料腐蚀领域，具体涉及一种超高温液态介质热对流实验回路。
背景技术
铅基反应堆中核结构材料在高温条件下会受到铅铋合金的腐蚀作用，导致材料减薄，可能会发生材料结构失效，进而影响整个反应堆的正常运行，带来较大的反应堆安全隐患。铅基反应堆在发生事故工况(失冷、堵流)时，反应堆内局部温度有可能达到超高温(800℃左右)，对堆内构件的材料性能带来严重的考验，针对此事故工况下的腐蚀研究亟需开展；同时铅基反应堆的用途广泛，其中之一可设计为高温制氢反应堆，具有较大的优越性和经济性，但高温制氢对反应堆一回路温度要求较高，堆内温度高达800℃，对高温制氢反应堆堆内材料选择带来较高要求，所选择的反应堆内材料必须与高温铅铋合金相容。本实验回路以此为设计背景，目标为研究超高温条件下结构材料与铅基合金的相容性，筛选和发展铅基反应堆抗高温腐蚀材料，综合评估它们在液态介质中的服役性能。
目前的热对流实验回路大多采用合金钢作为回路主体结构材料，电阻丝缠绕加热，外置保温棉保温。回路管道结构材料和加热方式的限制，致使实验温度只能在650℃以下。美国阿贡国家实验室设计的石英管热对流实验回路，采用对开式炉体结构，结构较简单，最高运行温度为800℃。由于实验样品预先封装在石英管内，故石英管回路只能使用一次，成本昂贵，同时试样的安装和拆卸过程也较为繁琐。
发明内容
本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种超高温液态介质热对流实验回路，从炉体结构设计和回路管道选材及结构两方面进行了创新，可开展材料在超高温热对流介质中的相容性实验研究，尤其适用于筛选和发展反应堆抗高温腐蚀材料。
本发明的技术方案如下：一种超高温液态介质热对流实验回路，包括：直线轨道式箱体加热炉和回路管道；所述的直线轨道式箱体加热炉包括炉体、加热器3、直线导向轨道5和底座框架4；所述的回路管道由熔化罐13、抽气口14、回路主体、在线取样系统9、风冷双层套管8和排空管12组成。
所述炉体位于底座框架4上，由固定炉体1和炉门2组成；固定炉体1用于支撑紧固回路管道，炉门2下面安装有滑轮6，可沿着直线导向轨道5移动，开启后可以放置或更换回路管道；炉门2外侧设有红外检测窗口、用于插热电偶的孔洞和两个门把手7；加热器3为U型结构或半圆形，对称分布在固定炉体1和炉门2内侧，对实验回路分区加热控温；回路管道由位于固定炉体1内部的卡箍紧固。
所述回路主体由斜度为70-80°的两个平行斜管和两个竖直管组成；下面的平行斜管11连接排空管12，排空管12下端设有阀门20，可以排空液态介质；上面的平行斜管8为风冷双层套管8的内管通流动的液态介质，外管通冷风冷却液态介质；套管外壁连接一个进风口15和一个出风口16，通过改变风流量来达到调节内管液态介质温度的目的。在线取样系统9由可以通气的密封塞17和回路主体的一个竖直管组成；密封塞17内部设有的鱼嘴导管，该鱼嘴导管可以实现通氩气和卡紧样品组件顶部的功能；该竖直管下端设有一个凹槽18，用于卡紧样品组件底部；在线取样系统9的应用可以实现样品组件分阶段安装与拆卸，不需要破坏实验回路的结构；熔化罐13和回路主体的一个竖直管10之间设有抽气口14，与真空泵相连，用于实验前回路抽真空。熔化罐13底部设有一个筛板19，用于过滤液态介质。
直线轨道式箱体加热炉的优化设计保证了实验回路热对流所需的特定温度区分布；同时回路管道结构材料采用高纯石英、碳化硅、金属陶瓷和耐高温合金的一种或组合，可满足反应堆候选材料在超高温热对流介质中开展长期腐蚀实验的需求。本装置可开展材料在流动介质中的相容性实验研究，尤其适用于筛选和发展反应堆抗高温腐蚀材料。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的装置采用直线轨道式箱体加热炉，利用直线导向轨，一侧炉膛固定，用于支撑固定回路管道，另一侧炉膛可对开移动，便于回路管道安装及更换；加热器为U型结构或半圆形的模块化设计，采用碳化硅成型的高密度内穿丝结构，可实现实验回路1000℃的热对流。
(2)加热炉体采用热电偶贴壁式控温、红外测温仪测温校核和加热器分区加热的巧妙组合，保证了实验回路的特定温区分布。双层风冷套管可以实现冷风和热风的切换，且流量可以控制，保证了该段冷却和预热的需要。
(3)在线取样系统的应用可以实现样品组件分阶段安装与拆卸，不需要破坏回路管道的结构。回路排空管设有阀门，可以排空液态介质，实现回路管道的多次重复利用。
(4)回路管道的结构材料采用高纯石英、碳化硅、金属陶瓷和耐高温合金的一种或组合，可满足反应堆候选材料在超高温热对流介质中开展长期腐蚀实验的需求。
附图说明
图1为超高温液态介质热对流实验回路装置结构示意图；
1固定炉体、2炉门、3加热器、4底座框架、5直线导向轨道、6滑轮、7门把手、8风冷双层套管、9在线取样系统、10竖直管、11平行斜管、12排空管、13熔化罐、14抽气口。
图2为本发明的回路管道结构示意图。
15进风口、16出风口、17密封塞、18凹槽、19筛板、20阀门。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合具体实施例进一步说明，本发明的保护范围不受本实施例的限制。
如图1、2所示，一种超高温液态介质热对流实验回路，包括直线轨道式箱体加热炉和回路管道；直线轨道式箱体加热炉包括炉体、加热器3、直线导向轨道5和底座框架4；所述的回路管道由熔化罐13、抽气口14、回路主体、在线取样系统9、风冷双层套管8和排空管12组成。
所述炉体位于底座框架4上，由固定炉体1和炉门2组成；固定炉体1用于支撑紧固回路管道，炉门2下面安装有滑轮6，可沿着直线导向轨道5移动，开启后可以放置或更换回路管道；炉门2外侧设有红外检测窗口、用于插热电偶的孔洞和两个门把手7；加热器3为U型结构或半圆形，对称分布在固定炉体1和炉门2内侧，对实验回路分区加热控温；回路管道由位于固定炉体1内部的卡箍紧固。
所述回路主体由斜度为75°的两个平行斜管和两个竖直管组成；下面的平行斜管11连接排空管12，排空管12下端设有石英阀门20，可以排空液态介质；上面的平行斜管8为风冷双层套管8的内管通流动的液态介质，外管通冷风冷却液态介质；套管8外壁连接一个进风口15和一个出风口16，通过改变风流量来达到调节内管液态介质温度的目的。在线取样系统9由可以通气的密封塞17和回路主体的一个竖直管10组成；密封塞17内部设有可以通气的鱼嘴导管，该鱼嘴导管可以实现通氩气和卡紧样品组件顶部的功能；该竖直管下端设有一个凹槽18，用于卡紧样品组件底部；在线取样系统9的应用可以实现样品组件分阶段安装与拆卸，不需要破坏实验回路的结构。熔化罐13和回路主体的一个竖直管10之间设有抽气口14，与真空泵相连，用于实验前回路抽真空。熔化罐13底部设有一个石英筛板19，孔径3mm，用于过滤液态介质。
上述的加热器3，采用特制碳化硅成型的内穿丝结构，可对整个回路分区加热控温，以实现液态介质热对流流动的特定温区要求。回路管道选用高纯石英材料，可耐1100℃，所选用的液态介质为铅铋共晶合金。综上所述，直线轨道式箱体加热炉的优化设计保证了实验回路热对流所需的特定温度区分布；同时回路管道结构材料采用高纯石英，可满足反应堆候选材料在超高温热对流介质中开展长期腐蚀实验的需求。本装置从炉体结构设计和回路管道设计两方面进行了创新，可实现高达1000℃的热对流，可用于铅基反应堆候选结构材料在超高温热对流铅基合金中的相容性实验研究，筛选和发展反应堆抗高温腐蚀材料。
以上实施例的说明只是用于帮助本技术领域的技术人员理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围。
本文中未详细阐述的部分属于本领域公知技术。对本实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其它实施例实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公示的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种超高温液态介质热对流实验回路，所述超高温为800℃，其特征在于，包括：直线轨道式箱体加热炉和回路管道；所述的直线轨道式箱体加热炉包括炉体、加热器(3)、直线导向轨道(5)和底座框架(4)；所述的回路管道由熔化罐(13)、抽气口(14)、回路主体、在线取样系统(9)、风冷双层套管(8)和排空管(12)组成；
所述直线轨道式箱体加热炉的炉体位于底座框架(4)上，由固定炉体(1)和炉门(2)组成；固定炉体(1)用于支撑紧固回路管道，炉门(2)下面安装有滑轮(6)；底座框架(4)上设有直线导向轨道(5)；炉门(2)外侧设有红外检测窗口、用于插热电偶的孔洞和两个门把手(7)；加热器(3)为U型结构或半圆形，对称分布在固定炉体(1)和炉门(2)内侧，对实验回路分区加热控温；回路管道由位于固定炉体(1)内部的卡箍紧固；
所述回路主体由两个平行斜管和两个竖直管组成；下面的平行斜管(11)连接排空管(12)，排空管(12)下端设有石英阀门(20)，可以排空液态介质；上面的平行斜管为风冷双层套管(8)，套管(8)的内管通流动的液态介质，外管通冷风冷却液态介质；套管(8)外壁连接一个进风口(15)和一个出风口(16)，通过改变风流量来达到调节内管液态介质温度的目的；所述回路管道的在线取样系统(9)由密封塞(17)和回路主体的一个竖直管(10)组成；密封塞(17)内部设有鱼嘴导管，具有通氩气和卡紧样品组件顶部的功能；该竖直管下端设有一个凹槽(18)，用于卡紧样品组件底部；熔化罐(13)和回路主体的另一个竖直管(10)之间设有抽气口(14)，与真空泵相连，用于实验前回路抽真空；熔化罐(13)底部设有一个筛板(19)，用于过滤液态介质。
2.根据权利要求1所述的一种超高温液态介质热对流实验回路，其特征在于，所述回路管道的材料为高纯石英、碳化硅、金属陶瓷和耐高温合金的一种或组合。
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