CN104599727A - 一种液态金属与高压气体流动换热装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种液态金属与高压气体流动换热装置，包括液态金属回路和高压气体回路两部分。本发明还公开了利用上述换热装置进行换热的方法。本发明可以对高温液态铅铋合金流动传热特性及其与高压氦气流动换热特性进行研究，也用于其他高温液态金属流动传热特性及其与高压气体流动换热特性进行研究，为采用液态重金属冷却的加速器驱动的次临界系统及相关核反应堆提供详细可靠数据。

Description

一种液态金属与高压气体流动换热装置及方法

技术领域

本发明涉及一种液态金属与高压气体流动换热装置。

本发明还涉及利用上述装置进行换热的方法。

背景技术

核能作为一种清洁、安全、经济、可持续发展的能源，现已被国际社会广泛接受，成为许多国家和地区能源开发的重要选择。利用核能发电的最大难题之一是动力生产过程中产生的核乏料废物的处理。核乏料的远期风险主要来自次锕系核素和长寿命裂变产物，需经过衰变几万甚至几十万年，其放射性水平才能降到天然铀矿的水平。其中核乏料填埋是目前大多数核电站常用的一种处理模式，核乏料在经冷却和封装后被深埋于地层深处，这种模式费用相对较低，但核废料需要在地质层中长期存放，其环境风险无法预期和有效控制，同时还不可避免的浪费核燃料和其他同位素等宝贵资源。

上世纪发展起来的加速器驱动次的临界系统能够将长寿命高放射性核废料嬗变成短寿命核废料，同时减小体积，被认为是最有效的核废料处置技术方案，而且从临界安全的观点来看，加速器驱动的次临界核能系统具有固有的安全性。液态铅铋合金以其优良的中子学性能、抗辐照性能、导热性能和固有的安全特性，成为加速器驱动的次临界系统首选的一回路冷却介质，液态铅铋合金将堆芯热量带出后与其他介质进行热量交换并进一步利用。

氦气具有良好的导热性能和化学反应惰性，而且氦气透平发电技术较为成熟，通过氦气与液态铅铋合金进行热量交换，获得堆芯热量进行发电是加速器驱动的次临界系统非常有应用前景的一个方向，但液态铅铋流动传热特性及其与氦气流动换热特性非常复杂，国内外尚相关的研究工作较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种液态金属与高压气体流动换热装置。

本发明的又一目的是提供一种利用上述装置进行换热的方法。

为实现上述目的，本发明提供的液态金属与高压气体流动换热装置，包括液态金属回路和高压气体回路；其中：

液态金属回路包括：

储液罐的液体压出管路分别连接工作罐的底部和电磁泵，电磁泵出口分为两路，一路连接储液罐，另一路连接试验段，试验段的外壁设有加热装置；

试验段的出口通过换热器的液态金属侧出口连接工作罐，形成一个循环回路；

换热器的高压气体侧连接高压气体回路；

储液罐顶部与工作罐顶部连接，储液罐顶部连接高压气瓶和补液罐，工作罐顶部连接真空泵；

工作罐底部与工作罐上部之间装有压差传感器和压力传感器；

高压气体回路包括：

压气机出口分为两路，其中一路连接缓冲罐，另一路由过滤器进入压气机入口；

缓冲罐上部与高压气瓶组连接，缓冲罐出口的高压气体分为两路，其中一路进入回热器低温侧，另一路直接连接回热器低温侧出口，与进入回热器低温侧被加热的气体混合后进入换热器的气体侧入口；

换热器高压气体侧出口连接回热器高温侧入口，回热器高温侧出口连接冷却器的高温侧入口，冷却器高温侧出口由过滤器进入压气机的入口；

冷却器低温侧连接制冷机组；

储液罐、工作罐与缓冲罐上部装有安全阀；

储液罐在液态金属回路中处于最低位置。

所述的液态金属与高压气体流动换热装置，其中，液态金属回路的所有管道及容器上均装有测温传感器，并缠绕一层电加热绳，电加热绳外部包覆一层隔热材料用于减少回路热量损失，测温传感器连接到数据采集与控制显示系统，对管道各段温度与容器罐进行测量，并控制电加热绳对各段管道与容器罐分别进行加热。

所述的液态金属与高压气体流动换热装置，其中，液态金属回路的管道、试验段及换热器安装角度均大于5度，且换热器的液态金属侧出口位置为液态金属回路的最高点，在液态金属与高压气体流动换热装置停止工作后，液态金属依靠重力作用自动回流到储液罐。

所述的液态金属与高压气体流动换热装置，其中，储液罐的液体压出管路一端伸到储液罐底部，一端通过高温截止阀连接工作罐底部和电磁泵，储液罐的液体压出管路与电磁泵之间设有电磁流量计。

所述的液态金属与高压气体流动换热装置，其中，液态金属与高压气体流动换热装置的所有管道及容器均各设有流量、温度、压力和压差传感器。

本发明提供的利用上述换热装置进行换热方法是：

液态金属在储液罐中熔化完成后，采用与液态金属不发生反应的惰性气体将液态金属压入工作罐与液态金属回路，将储液罐内的高压气体排放到较低压力，将工作罐顶部与储液罐联通，用于工作回路气体缓冲，并使整个液态金属回路相互联通；

储液罐上部连接的补液罐外部安装加热装置与保温材料，将固态金属填入补液罐内，通过加热使固态金属熔化为液态金属，液态金属靠重力作用流入储液罐；工作罐底部与工作罐上部气体间的压差传感器和压力传感器测量工作罐内上部气体与底部的压差，以及工作罐底部压力；液态金属通过在试验段加热后进入换热器，与高压气体回路进行热量交换，然后流入工作罐完成一个循环；

高压气体回路中缓冲罐内的部分高压气体进入回热器低温侧被高温侧气体加热后进入换热器与液态金属回路进行热量交换，换热后的高温气体进入回热器的高温侧，再由冷却器经制冷机组冷却进入压气机。

所述的液态金属与高压气体流动换热方法，其中，高压气体回路的高压气体分为两路，其中一路进入回热器低温侧，另一路与经回热器低温侧加热的气体混合后进入换热器，通过调节进入回热器的被加热气体的流量，进而调节换热器的气体侧入口温度。

本发明具有以下优点：

1)本发明可用于高温液态金属流动传热特性研究；

2)本发明可以用于高压气体流动传热特性研究；

3)本发明可以用于高温液态金属与高压气体流动换热特性研究；

4)本发明可以实现液态金属流量计在线标定；

5)本发明可以根据需要对液态重金属进行补充；

6)本发明可以对高压气体流量与温度进行调节；

7)本发明可以对高温液态金属流量与温度进行调节；

8)本发明可以在高温高压下安全运行。

附图说明

图1是本发明的液态金属与高压气体流动换热装置原理图，其中A是液态金属回路原理图，B是高压气体回路原理图。

具体实施方式

本发明的换热装置可以对高温液态铅铋合金流动传热特性及其与高压氦气流动换热特性进行研究，也用于其他高温液态金属流动传热特性及其与高压气体流动换热特性进行研究，为采用液态重金属冷却的加速器驱动的次临界系统及相关核反应堆提供详细可靠数据。

本发明的液态金属与高压气体流动换热装置，包括液态金属回路和高压气体回路两部分；其中：

液态金属回路如图1A所示，主要由储液罐1，高温截止阀2、6、7，工作罐3，电磁流量计4，电磁泵5，试验段8，试验段温控装置9，换热器10，高压气体循环回路11，安全阀12、13，阀门14、15、19、20、21，高压气瓶16，减压阀17，补液罐18，真空泵22，数据采集与控制显示系统23，温度、压力、压差传感器等组成。

储液罐1液体压出管路通过高温截止阀2连接工作罐3底部，工作罐3底部连接电磁流量计4与电磁泵5，电磁泵5出口分为两路，一路通过阀门7连接储液罐1，一路通过阀门6连接试验段8，试验段8外壁装有大功率加热装置，由温控装置9调节加热功率，试验段8出口连接换热器10，换热器10的液态金属侧出口连接工作罐3，形成一个循环回路，换热器10的高压气体侧连接高压气体循环回路11。

高压气瓶16通过减压阀17与阀门15连接储液罐1顶部，安全阀13和排气用阀门14安装在储液罐1顶部。储液罐1顶部通过阀门20与工作罐3顶部连接，补液罐18通过阀门19连接储液罐1顶部，用于系统液态金属补充。真空泵22通过阀门21连接工作罐3顶部，用于系统抽真空。工作罐3的顶部装有安全阀12，用于保证系统工作压力安全。系统在关键位置处装有流量、温度、压力、压差传感器，用于测量流量、温度、压力，通过数据采集与控制显示系统23对各测量值进行采集记录。

液态金属回路所有管道及容器罐上均装有测温传感器，并缠绕一层电加热绳，电加热绳外部包覆一层隔热材料用于减少回路热量损失，测温传感器连接到数据采集与控制显示系统23，对管道各段温度进行测量，并控制电加热绳对各段管道与容器罐分别进行加热。系统中所有管道及试验段8与换热器10安装角度均大于5度，在系统停止工作后，液态金属可以依靠重力作用自动回流到储液罐1，储液罐1在系统中处于最低位置，为了保证实验过程中液态金属充满试验段8与换热器10，换热器10的液态金属侧出口位置为液态金属循环回路中最高点。实验回路系统在建成后要进行多次吹扫清洗，然后采用真空泵22对系统抽真空，真空度满足要求后关闭阀门21，采用高压气瓶16通过减压阀17与阀门15充入与液态金属不发生反应的氮气或其他惰性气体，充入压力要在常温下保证稍高于环境大气压力，充入气体后关闭阀门15。

在系统工作前，液态金属凝固在储液罐1中，根据预先设定的温度，将各段管道及容器加热到设定值，该设定值要高于液态金属凝固点，以防止液态金属流动过程中凝固，同时对储液罐1中的金属进行加热熔化，当管道温度加热到设定值，且储液罐内金属熔化完成后，采用氮气或其他与液态金属不发生反应的惰性气体将液态金属压入工作罐3与循环回路，为了将储液罐内的液态金属尽量多的压出，压出管道连接到储液罐内最低处。液态金属压入工作罐3与循环管路后，关闭阀门2。

在将熔化的液态金属压入工作罐3时，阀门20关闭，当液态金属全压入工作罐与循环管路后，关闭阀门2，打开放气阀14将储液罐内的高压气体排放到较低压力，打开阀门20，将工作罐顶部与储液罐联通，用于工作回路气体缓冲，在系统抽真空时也需要将阀门20打开，使得整个系统相互联通。储液罐上部通过阀门19连接补液罐18，补液罐外部安装加热装置与保温材料，补液罐上部装有方便开启的带保温上盖，将固态金属填入补液罐内，通过加热使固态金属熔化，靠重力作用流入储液罐。补液罐18在需要补充液态金属时安装到储液罐上，在补充完液态金属后取下，关闭阀门19。工作罐3底部管道与工作罐上部气体间装有压差传感器，用于测量工作罐内上部气体与底部的压差，同时底部装有压力传感器测量其底部压力。

在系统初始调试时，需要对电磁流量计4进行标定，标定时需要将阀门6关闭，打开阀门7，通过重力或电磁泵驱动将工作罐3内的液态金属经电磁流量计4后流入储液罐，同时对工作罐的底部与上部间的压差与电磁流量计输出信号进行记录，根据压差变化结合工作罐内径与液态金属密度获得单位时间液态金属体积变化，对液态金属流量计进行校核。

实际测试时关闭阀门7，打开阀门6，液态金属在电磁泵的驱动下进入试验段8，该试验段可以有不同结构，通过在试验段8外壁安装大功率加热器及温控系统，控制试验段外壁加热量，结合试验段壁面及进出口温度测量与进出口压力测量，研究不同结构下的液态金属流动传热特性，电磁泵工作电压可以通过数据采集与控制显示系统23进行调节，改变液态金属流量。经过试验段加热后的液态金属进入换热器10，与高压气体循环回路11进行热量交换，然后流入工作罐3完成一个循环。换热器10的液态金属侧进出口装有温度与压力传感器，高压气体侧，进口装有温度与压力传感器，出口装有温度传感器，进出口装有压差传感器。通过温度与压力传感器对换热器10的换热性能进行测量，并改变换热器结构，对液态金属与高压气体间的换热特性进行研究。

本发明的高压气体回路如图1B所示，主要由压气机24，阀门25、28、30、33、38，缓冲罐26，安全阀27，高压气瓶组29，质量流量计31，电动三通调节阀32，换热器10、回热器35、冷却器36、过滤器37、制冷机组39组成。

压气机24出口分为两路，其中一路通过阀门25连接缓冲罐26，另一路通过阀门38经过滤器37后进入压气机入口。缓冲罐上部装有安全阀27，以保证系统压力安全，缓冲罐上部装有压力传感器测量罐内压力，缓冲罐上部通过阀门28与高压气瓶组29连接，通过高压气瓶组29对缓冲罐内气体进行补充，调节系统压力。缓冲罐通过阀门30连接质量流量计31，用于测量高压气体流量，然后高压气体经电动三通调节阀32分为两路，其中一路进入回热器35低温侧被高温侧气体加热后流出，另一路直接连接回热器35低温侧出口，与被加热气体混合后进入换热器10的气体侧入口，通过电动三通调节阀可以调节进入回热器的被加热气体的流量，进而调节换热器10的气体侧入口温度。换热器10的高压气体侧出口连接回热器35的高温侧入口，回热器35高温侧出口连接冷却器36的高温侧入口，冷却器高温侧出口经过滤器37进入压气机24的入口。冷却器36低温侧连接制冷机组39，对高温侧气体进行冷却。

高温气体回路安装完成后，需要对系统进行多次清洗吹扫，然后通过阀门33处连接真空泵对系统抽真空，真空度满足要求后，关系阀门33，打开阀门28，通过气瓶组29往系统内充注高压气体，压力满足要求后，关闭阀门29。高压气体所有管路、换热器及罐体均包有保温材料。系统在关键位置处装有温度传感器(T)、压力传感器(P)、压差传感器(DP)、流量传感器，通过数据采集与控制显示系统23对测量数据进行采集记录，对压气机转速进行控制，并根据换热器10的气体入口温度对电动三通调节阀32进行控制。通过调节阀门38的开度配合压气机转速控制，可以调节高压气体进入主换热器10的气体流量。高压气体回路通过换热器10与液态金属回路34进行热量交换，通过温度与压力调节，可以对液态金属与高压气体的换热特性进行研究。

Claims (7)

1.一种液态金属与高压气体流动换热装置，包括液态金属回路和高压气体回路；其中：

液态金属回路包括：

储液罐的液体压出管路分别连接工作罐的底部和电磁泵，电磁泵出口分为两路，一路连接储液罐，另一路连接试验段，试验段的外壁设有加热装置；

试验段的出口通过换热器的液态金属侧出口连接工作罐，形成一个循环回路；

换热器的高压气体侧连接高压气体回路；

储液罐顶部与工作罐顶部连接，储液罐顶部连接高压气瓶和补液罐，工作罐顶部连接真空泵；

工作罐底部与工作罐上部之间装有压差传感器和压力传感器；

高压气体回路包括：

压气机出口分为两路，其中一路连接缓冲罐，另一路由过滤器进入压气机入口；

缓冲罐上部与高压气瓶组连接，缓冲罐出口的高压气体分为两路，其中一路进入回热器低温侧，另一路直接连接回热器低温侧出口，与进入回热器低温侧被加热的气体混合后进入换热器的气体侧入口；

换热器高压气体侧出口连接回热器高温侧入口，回热器高温侧出口连接冷却器的高温侧入口，冷却器高温侧出口由过滤器进入压气机的入口；

冷却器低温侧连接制冷机组；

储液罐、工作罐与缓冲罐上部装有安全阀；

储液罐在液态金属回路中处于最低位置。

2.根据权利要求1所述的液态金属与高压气体流动换热装置，其中，液态金属回路的所有管道及容器上均装有测温传感器，并缠绕一层电加热绳，电加热绳外部包覆一层隔热材料用于减少回路热量损失，测温传感器连接到数据采集与控制显示系统，对管道各段及容器罐温度进行测量，并控制电加热绳对各段管道与容器罐分别进行加热。

3.根据权利要求1或2所述的液态金属与高压气体流动换热装置，其中，液态金属回路的管道、试验段及换热器安装角度均大于5度，且换热器的液态金属侧出口位置为液态金属回路的最高点，在液态金属与高压气体流动换热装置停止工作后，液态金属依靠重力作用自动回流到储液罐。

4.根据权利要求1所述的液态金属与高压气体流动换热装置，其中，储液罐的液体压出管路一端伸到储液罐底部，一端通过高温截止阀连接工作罐底部和电磁泵，储液罐的液体压出管路与电磁泵之间设有电磁流量计。

5.根据权利要求1所述的液态金属与高压气体流动换热装置，其中，液态金属与高压气体流动换热装置的所有管道及容器均各设有流量、温度、压力和压差传感器。

6.一种液态金属与高压气体流动换热方法：

液态金属在储液罐中熔化完成后，采用与液态金属不发生反应的惰性气体将液态金属压入工作罐与液态金属回路，将储液罐内的高压气体排放到较低压力，将工作罐顶部与储液罐联通，用于工作回路气体缓冲，并使整个液态金属回路相互联通；

储液罐上部连接的补液罐外部安装加热装置与保温材料，将固态金属填入补液罐内，通过加热使固态金属熔化为液态金属，液态金属靠重力作用流入储液罐；工作罐底部与工作罐上部气体间的压差传感器和压力传感器测量工作罐内上部气体与底部的压差，以及工作罐底部压力；液态金属通过在试验段加热后进入换热器，与高压气体回路进行热量交换，然后流入工作罐完成一个循环；

高压气体回路中缓冲罐内的部分高压气体进入回热器低温侧被高温侧气体加热后进入换热器与液态金属回路进行热量交换，换热后的高温气体进入回热器的高温侧，再由冷却器经制冷机组冷却进入压气机。

7.根据权利要求6所述的液态金属与高压气体流动换热方法，其中，高压气体回路的高压气体分为两路，其中一路进入回热器低温侧，另一路与经回热器低温侧加热的气体混合后进入换热器，通过调节进入回热器的被加热气体的流量，进而调节换热器的气体侧入口温度。