CN105825900A - 一种高温液态金属两级冷却设备和方法 - Google Patents

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王永伟
李勋锋
蔡军
淮秀兰
成克用
郭江峰
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Abstract

一种高温液态金属两级冷却设备，由两级冷却回路组成；其中：一级冷却回路包括：一液态金属换热器，管程为高温液态金属，壳程为一级冷却工质；一回热器，壳程为液态金属换热器内与高温液态金属换热后的高温一级冷却工质，管程为一级冷却工质；一储气罐，用于存储第一级冷却回路中的一级冷却工质，并通过压缩机驱动一级冷却工质在液态金属换热器和回热器内的循环运行；二级冷却回路包括：一冷却器，管程为第一级冷却回路中回热器换热后流出的一级冷却工质，壳程为二级冷却工质；一制冷机组，将二级冷却工质的温度降低至工艺要求温度。本发明还公开了高温液态金属两级冷却方法。

Description

一种高温液态金属两级冷却设备和方法
技术领域
本发明属于加速器驱动次临界设备及先进核反应堆热工水力学领域，具体地涉及一种用于高温液态金属实验的两级冷却设备。
本发明还涉及利用上述设备对高温液态金属进行两级冷却的方法。
背景技术
液态铅铋合金具有高效导热、高沸点、载热能力强、冷却效果好等优点，同时具有了良好的中子学性能、较好的化学惰性、抗辐照性能，目前在加速器驱动次临界设备及新型核能反应堆等先进核能设备基础性和前瞻性研究中大都采用液态铅铋合金作为散裂靶和冷却剂。
液态铅铋合金能够迅速冷却反应堆并将大量的热量带出，使得靶设备和反应堆可选择的运行温度和压力较低，提高靶设备的寿命和反应堆的安全性；同时能够获得较高的出口温度，从而提高热电转化率。
然而，为保证液态铅铋合金的整个运行回路能够持续、安全地运行，携带大量热能的高温液态铅铋合金离开靶设备或反应堆后，需要进行迅速冷却，降低温度。为满足如此巨大的冷却换热量和较高的冷却温差，针对高温液态铅铋合金的冷却设备必须具有高效、快速的换热性能。同时，作为冷却高温液态铅鉍合金的冷却剂还应具有良好的热工转换性能。因此，常规冷却设备很难适应这样的苛刻的性能要求。
目前在加速器驱动次临界设备及新型核能反应堆等先进核能设备基础性和前瞻性实验研究中，必须对携带大量热量的高温液态金属进行迅速冷却，降低温度，以保证整个回路能够持续、安全地运行。而现有技术中，对于如何冷却高温液态金属并没有给出具体的方案。
中国专利CN201410453769提出了一种可实现临界及次临界运行实验的液态金属冷却反应堆实验设备，使用液态铅铋合金或铅自然循环冷却堆芯组件。但是对于如何冷却高温液态金属并没有给出具体的方案。
同样，中国专利CN201410086286提出了一种驱动高温液态金属循环流动冷却堆内部件的方法，对于载带堆芯核反应热量的高温液态金属只是简单指出通过与二回路工质进行换热，而也未给出其具体冷却方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高温液态金属实验的两级冷却设备。
本发明的又一目的是提供一种利用上述设备对高温液态金属进行两级冷却的方法。
为实现上述目的，本发明提供的高温液态金属两级冷却设备，由两级冷却回路组成；其中：
一级冷却回路包括：
一液态金属换热器，管程为高温液态金属，壳程为一级冷却工质；
一回热器，壳程为液态金属换热器内与高温液态金属换热后的高温一级冷却工质，管程为一级冷却工质；
一储气罐，用于存储第一级冷却回路中的一级冷却工质，并通过压缩机驱动一级冷却工质在液态金属换热器和回热器内的循环运行；
二级冷却回路包括：
一冷却器，管程为第一级冷却回路中回热器换热后流出的一级冷却工质，壳程为二级冷却工质；
一制冷机组，将二级冷却工质的温度降低至工艺要求温度。
所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，储气罐与液态金属换热器和回热器之间设有电动三通阀，用于调节进入回热器和直接进入液态金属换热器的一级冷却工质的流量。
所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，储气罐与电动三通阀之间设有第一流量计，用于记录单位时间内一级冷却工质的流量。
所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，冷却器与制冷机组之间设有第二流量计，用于记录单位时间内二级冷却工质的流量。
所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，液态金属换热器、回热器和冷却器的管程和壳程的进口、出口均安装有温度和压力传感器。
所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，液态金属换热器、回热器和冷却器是管壳式换热器。
所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，高温液态金属是液态铅铋、液态铅或液态钠。
所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，一级冷却工质为氦气，二级冷却工质为水。
本发明提供的高温液态金属两级冷却方法，其流程是：
在压缩机的驱动下，一级冷却工质分为两部分，其中一部分的一级冷却工质直接进入液态金属换热器中进行换热，将液态金属温度降低至工艺要求温度，且一级冷却工质温度升高为高温一级冷却式质；
高温一级冷却工质在回热器中与准备进入液态金属换热器的另一部分的一级冷却工质进行换热，在进一步降低高温一级冷却工质的温度的同时提高回热器中的一级冷却工质的温度以满足进入液态金属换热器的温度要求；
高温一级冷却工质离开回热器后在冷却器中与二级冷却工质进一步换热，将高温一级冷却工质的温度降低至工艺要求，再通过压缩机进行循环，完成一级冷却回路循环；
换热后的二级冷却工质由制冷机组进行降温后再次进入冷却器，完成二级冷却回路循环。
所述的高温液态金属两级冷却方法，其中，直接进入液态金属换热器的一级冷却工质和进入回热器中进行换热的一级冷却工质的流量由电动三通阀控制。
本发明的有益效果：
本发明能对高温液态金属进行迅速冷却，满足巨大的冷却换热量和较高的冷却温差的性能要求，而且能够测试不同冷却工质的冷却效果。通过本发明的实施能够确保高温液态金属回路持续安全运行。
附图说明
图1是本发明的高温液态金属两级冷却设备结构示意图。
附图中的标识符号说明
1液态金属换热器，2回热器，3第一流量计，4电动三通阀，5储气罐5，6压缩机，7冷却器，8制冷机组，9第二流量计。
具体实施方式
本发明的高温液态金属实验的两级冷却设备如图1所示，包括两级冷却回路，其中：一级冷却回路主要包括高温液态金属换热器1、回热器2、第一流量计3、电动三通阀4、储气罐5和压缩机6；二级冷却回路主要包括冷却器7、制冷机组8和第二流量计9。
一级冷却回路主要作用是利用一级冷却工质将高温液态金属冷却至工艺要求温度，同时对一级冷却工质的冷却效率进行评估。二级冷却回路的主要作用是将一级冷却工质进行冷却，确保回路能够循环运行。
液态金属换热器1为逆流管壳式换热器，管程为高温液态金属，壳程为一级冷却工质。高温液态金属与一级冷却工质在液态金属换热器1中进行换热，液态金属温度降低至工艺要求温度，一级冷却工质温度升高形成高温一级冷却工质。液态金属换热器1的管程进口低于出口，保持一定的垂直高度差，以保证液态金属能够充满管道且实验结束后能自行流出液态金属换热器1，以免温度降低后发生堵塞。液态金属换热器1的管程和壳程的进、出口均安装有温度和压力传感器，以获取液态金属换热器1的运行参数。
回热器2为U型管式换热器，管程为一级冷却工质，壳程为在液态金属换热器1中与液态金属换热后的高温一级冷却工质。一级冷却工质在进入液态金属换热器1之前，先在回热器2中与高温一级冷却工质进行换热，提高温度以满足进入液态金属换热器1的温度要求。同时，也可以初步冷却液态金属换热器1出口的高温一级冷却工质，降低高温一级冷却工质的温度。回热器2的管程和壳程的进、出口均安装有温度和压力传感器，以获取回热器的运行参数。
第一流量计3和第二流量计9用于记录单位时间冷却工质的流量。
电动三通阀4用于调节进入回热器2和直接进入液态金属换热器1的一级冷却工质的流量。根据液态金属换热器1不同入口温度的要求，调节电动三通阀以满足需要。
储气罐5用于存储一级冷却回路中的冷却工质，同时还可以防止冷却工质通过压缩机后在管路中产生压力波动，起到稳压的作用。
压缩机6用于驱动一级冷却回路的冷却工质在回路中循环运行。
冷却器7为U型管式换热器，管程为一级冷却工质，壳程为二级冷却工质。通过冷却器后，一级冷却工质温度降低至工艺要求温度，二级冷却工质温度升高。管程进出口、壳程进出口均安装有温度和压力传感器，以获取换热器的运行参数。
制冷机组8用于将二级冷却工质温度降低至工艺要求温度。
本发明的用于高温液态金属实验的两级冷却设备在实际运行过程中，其流程是：
在压缩机6的驱动下，一级冷却工质在一级冷却回路中循环流动。一部分一级冷却工质在液态金属换热器1中与高温液态金属(约500℃)进行换热，将液态金属温度降低至工艺要求温度(约350℃)，同时一级冷却工质温度升高形成高温一级冷却工质。离开液态金属换热器1出口的高温一级冷却工质在回热器2中与准备进入液态金属换热器1入口的另一部分一级冷却工质进行换热，在降低高温一级冷却工质的温度的同时提高一级冷却工质的温度。然后与另一部分混合，提高温度以满足进入液态金属换热器1的温度要求。
高温一级冷却工质离开回热器2出口后在冷却器7中与二级冷却工质进一步换热，温度降低至工艺要求(约50℃)，然后经过压缩机6、储气罐5和流量计3再进行循环，完成一级冷却回路循环。
在二级冷却回路中，在制冷机组8的泵驱动下，二级冷却工质在二级冷却回路中循环流动。二级冷却工质和高温一级冷却工质在冷却器8中换热，二级冷却工质温度升高，高温一级冷却工质温度降低至工艺要求。二级冷却工质经制冷机组9的冷却作用，温度降至工艺要求。然后，经过第二流量计9再次进入冷却器8，完成二级冷却循环。
上述的液态金属可以是液态铅铋，或是液态铅、钠等金属。
一级冷却工质可以是氦气或是其他可以满足换热要求的介质，二级冷却工质可以是水或是其他可以满足换热要求的介质。
液态金属换热器、回热器和冷却器可以是管壳式换热器，也可以是满足要求的其他结构的换热器。
本发明提出的用于高温液态金属实验的两级冷却设备，能够对高温液态金属进行迅速冷却，实验过程中，液态金属最大流量可达4kg/s，换热量可达30kW。而且，通过比较不同的冷却工质的流量、温差等数据，能够测试不同冷却工质的冷却效果。

Claims (10)

1.一种高温液态金属两级冷却设备，由两级冷却回路组成；其中：
一级冷却回路包括：
一液态金属换热器，管程为高温液态金属，壳程为一级冷却工质；
一回热器，壳程为液态金属换热器内与高温液态金属换热后的高温一级冷却工质，管程为一级冷却工质；
一储气罐，用于存储第一级冷却回路中的一级冷却工质，并通过压缩机驱动一级冷却工质在液态金属换热器和回热器内的循环运行；
二级冷却回路包括：
一冷却器，管程为第一级冷却回路中回热器换热后流出的一级冷却工质，壳程为二级冷却工质；
一制冷机组，将二级冷却工质的温度降低至工艺要求温度。
2.根据权利要求1所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，储气罐与液态金属换热器和回热器之间设有电动三通阀，用于调节进入回热器和直接进入液态金属换热器的一级冷却工质的流量。
3.根据权利要求1所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，储气罐与电动三通阀之间设有第一流量计，用于记录单位时间内一级冷却工质的流量。
4.根据权利要求1所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，冷却器与制冷机组之间设有第二流量计，用于记录单位时间内二级冷却工质的流量。
5.根据权利要求1所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，液态金属换热器、回热器和冷却器的管程和壳程的进口、出口均安装有温度和压力传感器。
6.根据权利要求1或5所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，液态金属换热器、回热器和冷却器是管壳式换热器。
7.根据权利要求1所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，高温液态金属是液态铅铋、液态铅或液态钠。
8.根据权利要求1所述的高温液态金属两级冷却设备，其中，一级冷却工质为氦气，二级冷却工质为水。
9.一种高温液态金属两级冷却方法，其流程是：
在压缩机的驱动下，一级冷却工质分为两部分，其中一部分的一级冷却工质直接进入液态金属换热器中进行换热，将液态金属温度降低至工艺要求温度，且一级冷却工质温度升高为高温一级冷却式质；
高温一级冷却工质在回热器中与准备进入液态金属换热器的另一部分的一级冷却工质进行换热，在进一步降低高温一级冷却工质的温度的同时提高回热器中的一级冷却工质的温度以满足进入液态金属换热器的温度要求；
高温一级冷却工质离开回热器后在冷却器中与二级冷却工质进一步换热，将高温一级冷却工质的温度降低至工艺要求，再通过压缩机进行循环，完成一级冷却回路循环；
换热后的二级冷却工质由制冷机组进行降温后再次进入冷却器，完成二级冷却回路循环。
10.根据权利要求9所述的高温液态金属两级冷却方法，其中，直接进入液态金属换热器的一级冷却工质和进入回热器中进行换热的一级冷却工质的流量由电动三通阀控制。
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