CN105112878A - 惰性气体等离子体磁流体发电机的纯碱金属种子注入系统 - Google Patents

Abstract

一种惰性气体等离子体磁流体发电机的纯碱金属种子注入系统，其惰性气体载气输送及控制系统、拉瓦尔喷管预混合器(8)和直管形喷嘴(9)从左至右依次布置。碱金属种子恒温储存及计量推送系统布置在拉瓦尔喷管预混合器(8)之前，拉瓦尔喷管预混合器(8)与直管形喷嘴(9)连通，直管形喷嘴(9)伸入混合室(11)内，与通入的惰性气体工质主气流(10)垂直。惰性气体载气输送及控制系统输送的载气与碱金属种子恒温储存及计量推送系统输送的种子在拉瓦尔喷管预混合器(8)混合，形成携带种子的混合气，混合气经直管形喷嘴(9)送入混合室(11)内，与注入的惰性气体工质主气流(10)斜逆向混合。

Description

惰性气体等离子体磁流体发电机的纯碱金属种子注入系统

技术领域

本发明涉及一种磁流体等离子体发电机的纯碱金属种子注入设备。

背景技术

磁流体发电是一种将热能直接转换成电能的新型发电方式，始于20世纪50年后期，其基本工作原理仍是法拉第电磁感应定律。与传统发电不同的是采用导电流体代替导电固体导电，并使导电流体工质以一定速度通过与流动方向相互垂直的磁场，切割磁力线而感生电动势，从而产生电能。

针对使用导电流体工质的不同，磁流体发电可以分成燃烧气体等离子体磁流体发电、惰性气体等离子体发电和液态金属磁流体发电。在利用核能源作为热源时，釆用惰性气体等离子体发电是一种重要的方式。

惰性气体等离子体发电方式中，为了使惰性气体工质获得足够高的电导率，需要向工质中注入少量碱金属电离种子，而且要使种子在注入流体工质时均匀分布和迅速受热，气化和充分电离。因此注入系统需准确控制和计量注入种子的量，还需促使种子均匀地与惰性气体主流混合，迅速受热，充分气化和电离。电离种子可以是碱金属的化合物或纯碱金属，两者相比较，由于化合物电离时需要吸收更多的热量将化合物分解出单质碱金属，再实现电离，因此需要更高的温度和更长的时间。基于此，纯碱金属更适合作为电离的种子，但由于纯碱金属的化学活性极强，易与大多数物质起化学反应，特别是与水反应更加强烈，因此对其注入系统的要求比较苛刻。目前，国外也多处于试验阶段，进展缓慢，我国在这方面基本处于空白。因此，设计一种惰性气体等离子体磁流体发电的纯碱金属种子注入系统对于提高该种磁流体发电机的性能和实际应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于惰性气体等离子体磁流体发电机的纯碱金属种子注入系统。

本发明可以实现纯碱金属种子的恒温储存，准确的计量和推送。

本发明将纯碱金属种子在拉瓦尔喷管预混合器中与惰性气体载气混合、雾化和预热，再通过直管形喷嘴注入混合室中，与主气流逆向均匀混合，同时迅速受热气化和充分电离，形成具有高电导率的惰性气体等离子体工质。

本发明纯碱金属种子注入系统包括惰性气体载气输送及控制系统、拉瓦尔喷管预混合器、直管形喷嘴，以及碱金属种子恒温储存及计量推送系统。惰性气体载气输送及控制系统、拉瓦尔喷管预混合器和直管形喷嘴从左至右依次布置。碱金属种子恒温储存及计量推送系统布置在拉瓦尔喷管预混合器之前。拉瓦尔喷管预混合器与直管形喷嘴连通，直管形喷嘴伸入混合室内，直管形喷嘴的轴线与混合室内通入的惰性气体主气流相垂直。惰性气体载气输送及控制系统输送的载气与碱金属种子恒温储存及计量推送系统输送的种子在拉瓦尔喷管预混合器混合，形成携带种子的混合气，混合气经直管形喷嘴送入混合室内，与惰性气体工质主气流斜逆向混合，混合气与惰性气体工质主气流之间有一夹角。

所述的碱金属种子为铯、钾、铷等。所述的惰性气体载气为氩气或氦气等。

所述的惰性气体载气输送及控制系统包括自动调节流量计、加热器和压力传感器。自动调节流量计安装在加热器之前，加热器之后连接压力传感器。惰性气体载气输送及控制系统输送的惰性气体载气顺序通过自动调节流量计、加热器和压力传感器，进入拉瓦尔喷管预混合器，最后经直管形喷嘴送入混合室。

所述的碱金属种子恒温储存及计量推送系统包括恒温容器、控制阀和碱金属种子储存计量推送器。碱金属种子储存计量推送器在出口处与控制阀连结为一体，置于恒温容器之中。所述的碱金属种子储存计量推送器是一种注射计量器，适用于高精度地传输微小流量的液体。碱金属种子储存计量推送器吸入液态的碱金属密封储存备用。由于所采用的碱金属活性极强，控制阀釆用不锈钢波纹管密封阀门，碱金属种子储存计量推送器釆用不锈钢注射计量器。恒温容器设置的温度比碱金属的熔点高约30度，以保证碱金属种子注入拉瓦尔喷管预混合器过程中保持液态。

所述的拉瓦尔喷管预混合器为惰性气体载气与碱金属种子的混合部件，其结构主体为拉瓦尔喷管。拉瓦尔喷管为缩扩管，沿轴向顺序布置有收缩段、等截面段和扩张段。收缩段与等截面段的截面比和扩张段与等截面段的截面比相等，约为5～7；在拉瓦尔喷管等截面段的垂直方向布有液态碱金属种子注入小管，液态碱金属种子注入小管连接控制阀，控制阀和碱金属种子储存计量推送器结为一体。惰性气体载气输送及控制系统输送的惰性气体载气进入拉瓦尔喷管预混合器，在收缩段加速，在等截面段达到最大流速。

惰性气体载气经拉瓦尔喷管预混合器收缩段加速，在等截面段与碱金属种子恒温储存及计量推送系统经液态碱金属种子注入小管输送的碱金属种子相遇，强大的气动力使得碱金属种子与惰性气体载气均匀混合和雾化。所述惰性气体载气经过拉瓦尔喷管预混合器有效提高了速度，有利于种子储存计量推送器送出的种子更好地雾化、受热和气化。

所述的直管形喷嘴沿轴向开有两排径向喷口，多个喷口对称均布，孔径不等。直管形喷嘴管中段的两个喷口孔径最大，以中段喷口为中心，喷口孔径沿轴向向两端递减，两端喷口的孔径最小。两排喷口径向夹角为60～90度。直管形喷嘴与拉瓦尔喷管预混合器的扩张段连通，伸入混合室内。直管形喷嘴中段喷口的中心线与惰性气体工质主气流的中心轴线相交；两排喷口分别与惰性气体工质主气流方向逆向相交，喷口与惰性气体工质主气流方向的交角为30～45度。

所述的惰性气体载气经自动调节流量计计量后，通过加热器进行加热到一定的温度，与处于恒温容器中保温的种子储存计量推送器送出的液态种子在拉瓦尔喷管预混合器进行预混合，使种子受热和雾化，部分气化，形成携带着种子的混合气，混合气由直管形喷嘴喷出，与惰性气体工质主气流呈斜逆向混合，形成具有高电导率的惰性气体等离子体工质。

本发明的有益效果：

(1)采用拉瓦尔喷管预混合器，使液态种子在强大的气流动力作用下实现良好的雾化、混合、受热和部分气化，可显著缩短种子在主气流中气化和电离所需的时间；

(2)直管形喷嘴布置对称均布有不等口径喷口，可以使携带种子的气流与主气流充分混合，大大提高了主气流中种子分布的均匀性；

(3)惰性气体载气斜逆向喷入惰性气体主气流，可以增加种子与惰性气体主气流相互掺合的强度和作用时间，提高惰性气体主气流中种子分布的均匀性，延长种子电离的时间，能够显著提高主气流的电导率。

附图说明

图1为本发明实施例系统构成示意图；

图2为拉瓦尔喷管预混合器结构示意图；

图3为直管形喷嘴斜逆向喷入示意图；

图4为直管形喷嘴结构示意图；

图中：1惰性气体载气、2自动调节流量计、3加热器、4压力传感器、5控制阀、6恒温容器、7种子储存计量推送器、8拉瓦尔喷管预混合器、9直管形喷嘴、10惰性气体工质主气流、11混合室、12收缩段、13等截面段、14扩张段、15液态碱金属种子注入小管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明惰性气体等离子体磁流体发电的碱金属种子注入系统包括惰性气体载气输送及控制系统、拉瓦尔喷管预混合器8、直管形喷嘴9，及碱金属种子恒温储存及计量推送系统。惰性气体载气输送及控制系统、拉瓦尔喷管预混合器8和直管形喷嘴9从左至右依次布置。碱金属种子恒温储存及计量推送系统布置在拉瓦尔喷管预混合器8之前。拉瓦尔喷管预混合器8与直管形喷嘴9连通，直管形喷嘴9伸入混合室11内，直管形喷嘴9的轴线与混合室内通入的惰性气体工质主气流10相垂直。惰性气体载气输送及控制系统输送的载气与碱金属种子恒温储存及计量推送系统输送的种子在拉瓦尔喷管预混合器8混合，形成携带种子的混合气，混合气经直管形喷嘴9送入混合室11内，与惰性气体工质主气流10斜逆向混合。混合气与惰性气体工质主气流10之间有一夹角。

所述的惰性气体载气输送及控制系统包括自动调节流量计2、加热器3和压力传感器4。自动调节流量计2安装在加热器3之前，加热器3之后连接压力传感器4。惰性气体载气输送及控制系统输送的惰性气体载气1顺序通过自动调节流量计2、加热器3和压力传感器4，进入拉瓦尔喷管预混合器8，最后经直管形喷嘴9送入混合室11。

碱金属种子恒温储存及计量推送系统置于拉瓦尔喷管预混合器8之前。碱金属种子恒温储存及计量推送系统包括恒温容器6、控制阀5和种子储存计量推送器7。种子储存计量推送器7在出口处与控制阀5连结为一体，置于恒温容器6之中。惰性气体载气输送及控制系统输送的载气1与碱金属种子恒温储存及计量推送系统输送的种子在拉瓦尔喷管预混合器8混合，形成携带种子的混合气，混合气经直管形喷嘴9送入混合室11，与惰性气体工质主气流10斜逆向混合。

图2所示，拉瓦尔喷管预混合器8沿轴向顺序布置有收缩段12、等截面段13和扩张段14。液态碱金属种子注入小管15垂直连接于等截面段13。收缩段12与等截面段13的截面比和扩张段14与等截面段13的截面比均为6。

如图3和图4所示，本实施例的直管形喷嘴9对称分布有2排喷口，每排5个。处于直管形喷嘴9中段的喷口孔径d1最大，向两端逐渐减小，直管形喷嘴9两端对称分布的喷口孔径分别为d2和d3，d1>d2>d3。直管形喷嘴9的中心轴线与惰性气体工质主气流10的中心轴线垂直相交，中段喷口的中心线与惰性气体工质主气流10的中心轴线相交，从直管形喷嘴9喷出的流体与惰性气体工质主气流10的夹角为45度。

惰性气体釆用氩气。惰性气体工质主气流10的温度约为2000摄氏度。纯碱金属种子采用铯，由于铯的活性极强，控制阀5釆用波纹管密封的不锈钢阀，种子储存计量推送器7釆用不锈钢针筒式储存计量推送器，铯注入量约为氩气工质主气流10的万分之一。铯的液化温度约为29摄氏度，恒温容器6设置温度约为60摄氏度，以保证铯在送入拉瓦尔喷管预混合器8之前为液态；为了获得较好的预混合效果，惰性气体载气1被加热器3加热至约为300摄氏度。

本发明的工作过程如下：

通入惰性气体工质主气流10，然后启动惰性气体载气1。惰性气体载气1经自动调节流量计2、加热器3、压力传感器4，经由拉瓦尔喷管预混合器8和直管形喷嘴9，吹扫各设备和连接管路，排除各设备和连接管路内的空气和水分。惰性气体载气1的流量通过压力传感器4和自动调节流量计2控制,其温度由加热器3调节。通过调节种子储存计量推送器7，调节种子注入量和注入速度。惰性气体工质主气流10的温度调节到2000摄氏度后，启动加热器3将惰性气体载气1加热到300摄氏度,然后启动种子储存计量推送器和控制阀5，将液态铯种子经液态碱金属种子注入小管15注入到拉瓦尔喷管预混合器8，在拉瓦尔喷管预混合器8与预先调制好的惰性气体载气1进行预混合，使种子受热和雾化，部分气化，形成携带着种子的混合气。带有种子的混合气通过直管形喷嘴9送入混合室11中，与惰性气体工质主气流10斜逆向掺合，完成最后的混合受热气化和电离过程，形成具有高电导率的惰性气体等离子体工质。

Claims (6)

1.一种惰性气体等离子体磁流体发电机的纯碱金属种子注入系统，其特征在于：所述的纯碱金属种子注入系统包括惰性气体载气输送及控制系统、碱金属种子恒温储存及计量推送系统、拉瓦尔喷管预混合器(8)和直管形喷嘴(9)；惰性气体载气输送及控制系统、拉瓦尔喷管预混合器(8)和直管形喷嘴(9)从左至右依次布置；碱金属种子恒温储存及计量推送系统布置在拉瓦尔喷管预混合器(8)之前，拉瓦尔喷管预混合器(8)与直管形喷嘴(9)连通，直管形喷嘴(9)伸入混合室(11)内，直管形喷嘴(9)的轴线与混合室(11)内通入的惰性气体工质主气流(10)相垂直；惰性气体载气输送及控制系统输送的载气与碱金属种子恒温储存及计量推送系统输送的种子在拉瓦尔喷管预混合器(8)混合，形成携带种子的混合气，混合气经直管形喷嘴(9)送入混合室(11)内，与注入惰性气体工质主气流(10)斜逆向混合，混合气与惰性气体工质主气流(10)之间有一夹角。

2.按照权利要求1所述的惰性气体等离子体磁流体发电机的纯碱金属种子注入系统，其特征在于：所述的拉瓦尔喷管预混合器(8)为缩扩管，沿轴向顺序布置有收缩段(12)、等截面段(13)和扩张段(14)；收缩段(12)与等截面段(13)的截面比和扩张段(14)与等截面段(13)的截面比均为5～7；惰性气体载气输送及控制系统输送的惰性气体载气进入拉瓦尔喷管预混合器(8)，在收缩段加速，在等截面段达到最大流速。

3.按照权利要求1所述的惰性气体等离子体磁流体发电机的纯碱金属种子注入系统，其特征在于：所述的碱金属种子恒温储存及计量推送系统包括恒温容器(6)、控制阀(5)和种子储存计量推送器(7)；控制阀(5)和种子储存计量推送器(7)连结为一体，吸入液态碱金属后密封，置于恒温容器(6)中；所述恒温容器(6)的温度比碱金属的熔点高约30度。

4.按照权利要求2或3所述的惰性气体等离子体磁流体发电机的纯碱金属种子注入系统，其特征在于：在所述的拉瓦尔喷管预混合器(8)的等截面段(13)垂直方向设置有液态碱金属种子注入小管(15)，液态碱金属种子注入小管(15)通过所述的控制阀(5)与种子储存计量推送器(7)的输出管连接。

5.按照权利要求1所述的惰性气体等离子体磁流体发电机的纯碱金属种子注入系统，其特征在于：所述的直管形喷嘴(9)沿轴向开有两排径向布置的喷口，多个喷口对称分布；处于直管形喷嘴(9)中段的喷口孔径d1最大，喷口孔径向两端逐渐减小，两端对称分布的喷口孔径分别为d2和d3，d1>d2>d3；直管形喷嘴(9)两排喷口的径向夹角为60～90度。

6.按照权利要求1或5所述的惰性气体等离子体磁流体发电机的纯碱金属种子注入系统，其特征在于：所述的直管形喷嘴(9)中段喷口的中心线与惰性气体工质主气流(10)的中心轴线相交，两排喷口分别与惰性气体工质主气流(10)方向斜逆向相交，交角为30～45度。