CN107062587A - 一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器 - Google Patents

一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器 Download PDF

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Abstract

一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器，其主要包括：内管、电绝缘层、定位环、两个端部密封环、外管、两对电极、保温层；多级加热之间的连接采用与内管半径相同的弯管把上级内管的出口和下级内管的进口连接起来；所述预热器的功率依靠可控硅进行调节；本发明提供的预热器功率可以达到百千瓦以上，可对大流量下的液态金属钠进行大温升预热，温升提升水平可以达到400℃左右，不需要任何密封措施，结构十分简单，方便使用操作。

Description

一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器
技术领域
本发明属于液态金属钠的加热设备技术领域，具体涉及一种用于液态金属钠高温实验回路的大功率预热器。
背景技术
液态金属钠以其具有良好的传热，载热流动特性以及其不使堆芯快中子被慢化的诸多优点，使其成为第四代核能发电系统首选堆型(钠冷快堆)唯一理想的冷却剂。随着钠冷快堆事业的蓬勃发展，需要对液态金属钠的各种性质在理论和实践方面都进行广泛深入的研究，特别是开展液态金属钠实验方面的的深入研究。为了使实验研究的结果对钠冷快堆的建设具有指导意义，实验过程中往往需要将处于实际钠冷快堆堆芯中流速的液态金属钠预热到较高温度，甚至达到饱和温度(常压883℃)。
目前已有的一些液态金属加热专利，例如，中国专利201210122794.X提出了一种应用于液态铅铋合金实验回路的预热器，其主要特征在于一物料管道，具有一物料进口和一物料出口；物料管道外包覆有一电加热层，该电加热层外侧包覆有保温层，在保温层的外侧为金属保护性外壳；预热器安装时与水平面呈一倾斜角度放置，物料进口设置在低位，物料出口设置在高位，该预热装置的温升可以达到200℃，并且不需要任何密封措施。但是，一方面该专利设计的预热器是为铅铋合金实验设计的，其运行温度一般在500℃左右，而液态金属钠高温沸腾实验回路，其运行温度在800度左右，温升400℃，该预热器的使用温度和温升均不能满足要求；另一方面对于大流量液态金属钠实验回路，预热器的功率都在百千瓦以上，而按照该专利提供的预热器设计方案，功率达到百千瓦以上需要设计很大的传热面积，导致预热器占用空间巨大，成本较高。
又如，中国专利201110199224.6提供了一种液态金属钠实验回路电加热预热器，其主要特征在于将多根加热棒插入一个大口径壳管内对液态金属钠进行加热。本发明具能够对液态金属钠进行高温预热，使其达到饱和温度；密封性能良好。但是，对于大流量液态金属钠实验回路，预热器的功率都在百千瓦以上，而按照该专利提供的预热器设计方案，需要大尺寸的壳管和数量巨大的电加热棒，电加热棒数量越多，潜在的漏点可能越多，密封性很难保证，而且壳管内部的大空间可能会出现局部沸腾现象，影响预热器的安全稳定运行。
又如中国专利201410511271.3提供了一种大功率电加热管式预热器，所述预热器包括：3N个预热器加热管道、1台感应调压器、3台大电流变压器，所述感应调压器与所述大电流变压器连接，所述大电流变压器与所述预热器加热管道连接。本发明功率可以达到百千瓦以上，解决了现有技术中的管式预热器存在绝缘效果较差，回路存在潜在漏水点。但是，该发明装置的使用工质是去离子水及不导电介质，对于液态金属钠具有良好的导电性，如果直接采用该装置预热液态金属导致加热功率骤降，其预热器功率无法达到百千瓦以上，经济效益极差。
发明内容
为了解决上述存在的问题，提供了一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器，既能够保证液态金属钠实验回路加热能力，又具有结构简单、密封性良好、布置空间相对减少、效率和安全性得到保障、经济效益良好的特点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器，包括内管2、电绝缘层4、定位环5、两个端部密封环3、外管6和两对电极7；所述一个内管2，构成液态金属钠流道，与水平面倾斜安装，下端部为进口1，上端部为出口8；所述一个外管6，作为电加热管；所述电绝缘层4设置在内管2和外管6之间，该绝缘层4的成份为氧化镁或者碳化硼，用于外管6通过电极7通电加热时对内管2起到绝缘作用；所述在内管2和外管6之间有用于定位内管2和外管6的定位环5，其材质为陶瓷；所述在外管6端部有两对密封环3，其材质为陶瓷；所述外管外设置电极7，用于连接小电压、大电流变压器。
所述外管6外壁包覆有保温层，以减少热损失，提高热效率。
所述外管6的长度小于内管2的长度。
所述内管2的外壁与外管6的内壁之间的间距为1～2mm。
所述外管6外布置热电偶，用于检测外管的壁面温度，并作为闭合/断开加热的反馈依据。
所述内管2与水平面倾斜的角度α为15°～30°。
多级加热之间的连接采用与内管2半径相同的弯管10把上级大功率预热器内管的出口和下级大功率预热器内管的进口连接起来，构成多级大功率预热器。
所述内管2、外管6及弯管10均采用高温合金材料，其运行温度达到950℃。
本发明具有以下优点：
1、预热器功率可以达到百千瓦以上，可对大流量下的液态金属钠进行大温升预热，温升提升水平可以达到400℃左右。
2、整个预热器的流体管道都是焊接，没有任何潜在的泄漏点，不需要任何密封措施。
3、预热器结构十分简单，没有过多的节流件，有效的降低了整个回路的运行阻力。
4、整个预热器的金属材料都采用GH3625、Incolnel800等高温合金材料制造，运行温度可以达到950℃，能够对液态金属钠进行高温预热，使其达到预设的试验段进口温度。
总之，本装置可以有效的对大流量下液态金属钠回路中的钠进行预热，设计合理，结构简单，节省空间，方便使用操作，适合装配于实验用液态金属钠回路。
附图说明
图1是本发明所述的大功率预热器横截面示意图。
图2是本发明所述的多级大功率预热器的示意图。
图3是本发明所述的大功率多级预热器的供电示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：
如图1所示，一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器，其主要包括：一个内管2、电绝缘层4、定位环5、两个端部密封环3、外管6、两对电极7、保温层9。
所述一个内管2，构成液态金属钠流道，与水平面倾斜安装，下端部为进口1，上端部为出口8。
所述一个外管6，作为电加热管，产生的热量通过电绝缘层传递到内管，内管再对液态金属钠进行加热。
所述内管2和外管6之间有一层电绝缘层4，该绝缘层4的成份为氧化镁或者碳化硼，用于外管6通过电极7通电加热时对内管2起到绝缘作用，氧化镁或者碳化硼采用胶状、高压、致密化填充，在高温条件下(900℃)既能保证良好的导热性，又能够保证良好的绝缘性。
所述在内管2和外管6之间有定位环5，其材质为陶瓷，由于陶瓷耐高温(900℃)、硬度大，在高温条件下(900℃)用于固定内管和外管，能够保证内管和外管之间的绝缘层间隙。
所述在外管6端部有两对密封环3，其材质为陶瓷，用于密封间隙内氧化镁或者碳化硼粉末。
所述外管外设置电极7采用两点式加热，用于连接小电压、大电流变压器，有效防止了预热器运行期间出现人触电情况。
所述外管外面设置一定厚度的保温层9，减少热损失，提高热效率，保证预热器的效率能达到85％以上。
所述外管6的长度小于内管的长度，外管的壁厚和长度一定要和小电压、大电流变压器功率匹配。
所述内管2的外壁和外管6的内壁之间的间距为1～2mm之间。
所述外管6外布置热电偶，用于检测外管的壁面温度，并作为闭合/断开加热的反馈依据。
所述内管2与水平面倾斜的角度α为15°～30°，保证在回路不运行期间液态金属钠不残留在预热器内管内。
多级预热器与水平面的安装角度α为15°～30°，保证在回路不运行期间液态金属钠不残留在多级预热器内管内。
电加热的功率依靠可控硅进行调节，保证每级外管的热流密度不超过60W/mm2。
如图2所示，多级加热之间的连接采用与内管2半径相同的弯管10把上级大功率预热器内管的出口和下级大功率预热器内管的进口连接起来，构成多级大功率预热器，每级预热器的的两对电极7分别如a和b、c和d、e和f；
如图3所示，变压器的两个出线端分别连接每级预热器的的两对电极7分别如a和b、c和d、e和f，所述电加热的功率依靠可控硅进行调节，保证每级外管的热流密度不超过60W/cm2。
工作时，200℃左右的液态金属从内管2的进口1进入预热器的内管2中对液态金属钠进行预热。如果出口8处的液态金属钠温度低于预设值，投入一级预热器对液态金属钠进行预热，如果经过一级预热出口温度低于设定的温度，投入二级预热或者增加一级预热器的电加热功率，依次类推；如果出口8处的液态金属钠温度高于预设值，断开预热器的通电，停止对液态金属钠加热。在此过程中，外管6外布置热电偶用于检测外管的壁面温度，如果其中一级预热器的温度达到报警值，断开该级预热器的加热电功率，投入下一级预热器或者提升其它级的加热电功率。试验结果表明，经过该预热装置加热后，从出口8流出的液态液态金属钠的温升可以达到400℃。
以上内容仅用来说明本发明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器，其特征在于：包括内管(2)、电绝缘层(4)、定位环(5)、两个端部密封环(3)、外管(6)和两对电极(7)；
所述一个内管(2)，构成液态金属钠流道，与水平面倾斜安装，下端部为进口(1)，上端部为出口(8)；
所述一个外管(6)，作为电加热管；
所述电绝缘层(4)设置在内管(2)和外管(6)之间，该绝缘层(4)的成份为氧化镁或者碳化硼，用于外管(6)通过电极(7)通电加热时对内管(2)起到绝缘作用；
所述在内管(2)和外管(6)之间有用于定位内管(2)和外管(6)的定位环(5)，其材质为陶瓷；
所述在外管(6)端部有两对密封环(3)，其材质为陶瓷；
所述外管外设置电极(7)，用于连接小电压、大电流变压器。
2.根据权利要求1所述的一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器，其特征在于：所述外管(6)外壁包覆有保温层，以减少热损失，提高热效率。
3.根据权利要求1所述的一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器，其特征在于：所述外管(6)的长度小于内管(2)的长度。
4.根据权利要求1所述的一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器，其特征在于：所述内管(2)的外壁与外管(6)的内壁之间的间距为1～2mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器，其特征在于：所述外管(6)外布置热电偶，用于检测外管的壁面温度，并作为闭合/断开加热的反馈依据。
6.根据权利要求1所述的一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器，其特征在于：所述内管(2)与水平面倾斜的角度α为15°～30°。
7.根据权利要求1所述的一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器，其特征在于：多级加热之间的连接采用与内管半径相同的弯管(10)把上级大功率预热器内管的出口和下级大功率预热器内管的进口连接起来，构成多级大功率预热器。
8.根据权利要求7所述的一种用于液态金属钠实验回路的大功率预热器，其特征在于：所述内管(2)、外管(6)及弯管(10)均采用高温合金材料，其运行温度达到950℃。
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