CN108335759B - 基于蒸发冷却原理的用于托卡马克装置偏滤器的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于蒸发冷却原理的用于托卡马克装置偏滤器的冷却系统，包括外部二次冷却换热器、入口集液管、偏滤器内部管道和出口集液管，外部二次冷却换热器用于将液态的冷却介质输送至入口集液管；入口集液管用于将液态的冷却介质输送至偏滤器内部管道；偏滤器内部管道用于使得液态的冷却介质进入后吸收热量汽化，形成液气两相流状态的冷却介质；出口集液管用于将液气两相流状态的冷却介质输送至外部二次冷却换换热器；外部二次冷却换热器还用于使得两相流状态的冷却介质释放热量，重新变成液态的冷却介质。

Description

基于蒸发冷却原理的用于托卡马克装置偏滤器的冷却系统
技术领域
本发明属于偏滤器冷却领域，更具体地，涉及一种基于蒸发冷却原理的用于托卡马克装置偏滤器的冷却系统。
背景技术
偏滤器作为磁约束核聚变装置的关键组成部分，它可以避免等离子体与固体材料的直接作用，减少流向等离子体的杂质，同时偏滤器还需要耐受巨大的热负荷(以国际热核实验堆ITER偏滤器为例，其最大热负载荷为20MW/m2)。所以偏滤器的冷却对保证偏滤器乃至于整个磁约束核聚变装置的正常工作都有着至关重要的作用。
目前，偏滤器的冷却方式一般采用水内冷技术。这种冷却方式的主要特点是，利用水的高比热容特点对偏滤器进行冷却，使得偏滤器处于合适的温度。但是水内冷技术也存在一些隐患：所用冷却水为去离子水，其去离子净化系统较为复杂。此外，水路系统管道内壁容易沉积氧化物结垢；偏滤器内部冷却管道复杂、数量较多、长度较长，水头损失较大，所需水压较高(以ITER为例，入口水压约4.0MPa)。因此水内冷技术对管道结构件强度要求较高，同时管道接头和焊接处等薄弱部位，存在冷却水泄露的隐患。
由此可见，现有技术存在对管道结构件强度要求较高，同时管道接头和焊接处等薄弱部位，存在冷却水泄露的隐患的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于蒸发冷却原理的用于托卡马克装置偏滤器的冷却系统，由此解决现有技术存在对管道结构件强度要求较高，同时管道接头和焊接处等薄弱部位，存在冷却水泄露的隐患的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于蒸发冷却原理的用于托卡马克装置偏滤器的冷却系统，包括冷却介质循环管道和外部二次冷却换热器，所述冷却介质循环管道包括入口集液管、偏滤器内部管道和出口集液管，
所述入口集液管与外部二次冷却换热器和偏滤器内部管道连接，所述外部二次冷却换热器的内部管道的出口与入口分别与入口集液管和出口集液管相连；
所述外部二次冷却换热器，用于将液态的冷却介质输送至入口集液管；
所述入口集液管，用于将液态的冷却介质输送至偏滤器内部管道；
所述偏滤器内部管道，用于使得液态的冷却介质进入后吸收热量汽化，形成液气两相流状态的冷却介质；
所述出口集液管，用于将液气两相流状态的冷却介质输送至外部二次冷却换换热器；
所述外部二次冷却换热器，还用于使得两相流状态的冷却介质释放热量，重新变成液态的冷却介质。
进一步地，冷却系统还包括加压器，所述加压器安装在入口集液管上。
进一步地，加压器用于对入口集液管中的液态的冷却介质进行一次加压处理，使液态的冷却介质在管道内不停循环来转移热量。
进一步地，冷却系统还包括监测仪表，
所述监测仪表包括温度计和压力表，所述温度计安装在外部二次冷却换热器上，所述压力表安装在加压器上。
进一步地，温度计用于监测并显示外部二次冷却换热器通过的入口集液管输送至偏滤器的内部管道的液态的冷却介质的温度。
进一步地，压力表用于监测加压器加压后的液态的冷却介质的压力。
进一步地，所述液态的冷却介质在标准大气压下沸点介于40℃-110℃、汽化潜热大、安全无毒且不腐蚀冷却管道，满足要求的液态的冷却介质包括但不限于CFC-113、HCFC-C或者FF31L。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明系统主要基于冷却介质液气相变吸热的原理，利用冷却介质汽化潜热大的特点，带走被冷却部件的大量热量，进而达到冷却相应热负荷部件的目的。本发明系统中被冷却部件温度可维持在较低水平。用于蒸发冷却的冷却介质的沸点一般较低，因此可将被冷却体维持在较低温度水平。
(2)本发明冷却效果好，所需冷却介质少。同等质量冷却介质汽化所吸收的热量通常数倍至数十倍于利用液相比热容所吸收的热量，因此较少的冷却介质即可满足偏滤器的冷却需求。
(3)本发明管道压力小，所选介质在液相和两相流状态下，粘度小，因此在管道中流动时水头损失小，流动阻力小，维持冷却介质循环所需介质压力小，管道接头和焊接处不易发生泄露事故。
(4)本发明安全可靠性高，用于蒸发冷却的冷却介质，其化学性质稳定，绝缘性能好，安全无毒，不助燃，不易发生次生事故。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于蒸发冷却原理的用于托卡马克装置偏滤器的冷却系统的结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明系统包括冷却介质循环管道、外部二次冷却换热器4、加压器5、监测仪表。
所述冷却介质循环管道包括入口集液管1、偏滤器内部管道2、出口集液管3。所述入口集液管1与外部二次冷却换热器4和偏滤器内部管道2连接，将液态的冷却介质从外部二次冷却换热器4输送至偏滤器内部管道2内，液态的冷却介质进入偏滤器内部管道2后吸收大量热量汽化，形成液气两相流，再经由与偏滤器内部管道2和外部二次冷却换热器4相连的出口集液管3输送至外部二次冷却换换热器4内，两相流状态下的冷却介质在外部二次冷却换热器4内释放热量重新变成低温液体状态。
所述外部二次冷却换热器4内部管道的出口与入口分别与入口集液管1和出口集液管3相连，将来自出口集液管3的两相流冷却介质冷却并重新变成低温液体，然后经由入口集液管1输送至各偏滤器的内部管道2。
所述加压器5安装在入口集液管1上，对入口集液管1中的冷却介质进行一次加压处理，使冷却介质可以在管道内不停循环来转移热量。
所述监测仪表包括温度计6和压力表7。所述温度计6安装在外部二次冷却换热器4上，监测并显示外部二次冷却换热器4的入口集液管1输送至偏滤器的内部管道2的冷却介质的温度。所述压力表7安装在加压器5上，监测加压器5加压后的冷却介质的压力。只有当冷却介质压力在一定范围内时冷却介质才能正常在管道内循环。
本发明系统主要基于冷却介质液气相变吸热的原理，利用冷却介质汽化潜热大的特点，带走被冷却部件的大量热量，进而达到冷却相应热负荷部件的目的。本发明提出的托卡马克装置偏滤器的冷却系统主要具有以下优点：冷却介质的沸点低，可以维持被冷却体在较低温度；冷却介质的汽化潜热大，所需的冷却介质较少，管道流量相对较小；管道中的冷却流体为两相流，其粘度较小，沿程水头损失小，所需循环压力较小(一般小于0.1MPa)，对管道的压力小，不易发生管道泄漏等故障；所用冷却介质，化学性质稳定，绝缘性能好，安全无毒，不助燃，不易发生次生事故。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于蒸发冷却原理的用于托卡马克装置偏滤器的冷却系统，其特征在于，包括冷却介质循环管道和外部二次冷却换热器(4)，所述冷却介质循环管道包括入口集液管(1)、偏滤器内部管道(2)和出口集液管(3)；
所述入口集液管(1)与外部二次冷却换热器(4)和偏滤器内部管道(2)连接，所述外部二次冷却换热器(4)的内部管道的出口与入口分别与入口集液管(1)和出口集液管(3)相连；
所述外部二次冷却换热器(4)，用于将液态的冷却介质输送至入口集液管(1)；
所述入口集液管(1)，用于将液态的冷却介质输送至偏滤器内部管道(2)；
所述偏滤器内部管道(2)，用于使得液态的冷却介质进入后吸收热量汽化，形成液气两相流状态的冷却介质；
所述出口集液管(3)，用于将液气两相流状态的冷却介质输送至外部二次冷却换热器(4)；
所述外部二次冷却换热器(4)，还用于使得两相流状态的冷却介质释放热量，重新变成液态的冷却介质；
所述冷却系统还包括加压器(5)，所述加压器(5)安装在入口集液管(1)上；所述加压器(5)用于对入口集液管(1)中的液态的冷却介质进行一次加压处理，使液态的冷却介质在管道内不停循环来转移热量；
所述冷却系统还包括监测仪表，所述监测仪表包括温度计(6)和压力表(7)，所述温度计(6)安装在外部二次冷却换热器(4)上，所述压力表(7)安装在加压器(5)上；
所述温度计(6)用于监测并显示外部二次冷却换热器(4)通过入口集液管(1)输送至偏滤器内部管道(2)的液态的冷却介质的温度；
所述压力表(7)用于监测加压器(5)加压后的液态的冷却介质的压力。
2.如权利要求1所述的一种基于蒸发冷却原理的用于托卡马克装置偏滤器的冷却系统，其特征在于，所述液态的冷却介质在标准大气压下沸点介于40℃-110℃。
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