CN108954010B - 一种水冷式异种气体稳压的超临界二氧化碳稳压装置 - Google Patents

一种水冷式异种气体稳压的超临界二氧化碳稳压装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水冷式异种气体稳压的超临界二氧化碳稳压装置，包括稳压器，所述稳压器内容纳有超临界二氧化碳和惰性气体，稳压器外部全包覆有冷却壳罩，所述冷却壳罩上设有冷却介质输入管和冷却介质输出管；所述冷却介质输入管和冷却介质输出管上均设有温度测量仪表，稳压器上还设有用于测量超临界二氧化碳的温度测量仪表和压力变送器。本发明提供的稳压装置利于保障超临界二氧化碳热工实验回路全天候有效稳压、以及稳压器液位的准确测量。

Description

一种水冷式异种气体稳压的超临界二氧化碳稳压装置
技术领域
本发明涉及核工业稳压器技术领域，具体涉及一种水冷式异种气体稳压的超临界二氧化碳稳压装置。
背景技术
超临界二氧化碳具有良好的物理和化学性能，在动力工程、化工、医学等领域具有较好的应用前景。超临界二氧化碳传热特性、流动特性、扩散特性和溶解特性等成为研究的热点。在开展相关实验研究时需要确保变工况时实验回路压力相对稳定，因此需要在实验回路设置稳压器。对于水工质实验回路，惰性气体稳压器通常采用稳压方案。惰性气体稳压是向稳压器上部注入惰性气体(如氮气、氦气)，利用惰性气体的易压缩的特性实现稳压，利用惰性气体基本不溶解于水的特性，在稳压器内惰性气体和水工质间形成一个明显且稳定的分界面，实现稳压器液位准确测量，因此惰性气体稳压具有结构简单，稳压器液位易于测量、惰性气体进入实验回路风险小的优点。
目前文献中超临界二氧化碳稳压装置直接采用惰性气体稳压(多为氦气和氮气)。但惰性气体稳压方式直接用于超临界二氧化碳稳压装置存在稳压效果差、易受环境温度变化影响且液位难以测量等不足。临界温度附近超临界流体的密度变化对温度变化十分敏感，当温度超过拟临界温度后超临界流体的密度将迅速降低是超临界流体的一大特性。超临界二氧化碳临界温度为30.98℃，该温度接近室温，当室温发生较小变化时稳压器内超临界二氧化碳密度可能发生明显变化，夏季时室温较高，稳压器内二氧化碳密度将下降至较低值，稳压器内惰性气体和二氧化碳将密度差减小，稳压器内惰性气体和超临界二氧化碳间难以形成明显且稳定的分界面，使得稳压器稳压效果明显减弱，稳压器液位也难以准确测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：将现有的惰性气体稳压方式直接用于超临界二氧化碳稳压装置，易受环境温度变化的影响，惰性气体和超临界二氧化碳之间分界面不稳定，本发明提供了解决上述问题的一种水冷式异种气体稳压的超临界二氧化碳稳压装置，利于确保超临界二氧化碳热工实验回路全天候有效稳压。
本发明通过下述技术方案实现：
一种水冷式异种气体稳压的超临界二氧化碳稳压装置，包括稳压器，所述稳压器内容纳有超临界二氧化碳和惰性气体，稳压器外部全包覆有冷却壳罩，所述冷却壳罩上设有冷却介质输入管和冷却介质输出管；所述冷却介质输入管和冷却介质输出管上均设有温度测量仪表，稳压器上还设有用于测量超临界二氧化碳的温度测量仪表和压力变送器。
优选地，所述稳压器的侧壁上靠近顶部和靠近底部处均设有引压管，两个引压管的输出端均与差压变送器连接。
优选地，所述冷却介质输入管套设在靠近稳压器顶部的引压管外，冷却介质输入管远离冷却壳罩的一端设有入口孔作为冷却介质进入端；所述冷却介质输出管套设在靠近稳压器底部的引压管外，冷却剂介质输出管远离冷却壳罩的一端设有出口孔作为冷却介质排出端。
优选地，所述稳压装置还包括冷却机，所述冷却机用于将其中的冷却介质进行制冷控温，冷却机的输出端与冷却介质输入管连通，冷却机的输入端与冷却介质输出端连通。
优选地，所述冷却介质输入管上的温度测量仪表显示温度值与冷却介质输出管上的温度测量仪表显示温度值控制在0～1℃范围内。
优选地，通过调节冷却介质流量，以实现控制冷却介质输入管上的温度测量仪表显示温度值与冷却介质输出管上的温度测量仪表显示温度值控制在0～1℃范围内。
本发明具有如下的优点和有益效果：
首先，临界温度附近超临界流体的密度变化对温度变化十分敏感，超临界二氧化碳临界温度为30.98℃，该温度接近室温，当室温发生较小变化时稳压器内超临界二氧化碳密度可能发生明显变化，夏季时室温较高，稳压器内二氧化碳密度将下降至较低值，稳压器内惰性气体和二氧化碳将密度差减小，稳压器内惰性气体和超临界二氧化碳间难以形成明显且稳定的分界面，使得稳压器稳压效果明显减弱，稳压器液位也难以准确测量。
本发明工作原理为：由温度可控的冷却介质从冷却机流出后经冷却介质输入管进入稳压器外部的冷却壳罩内流动，冷却介质与稳压器外壁及引压管进行换热，最后经冷却介质输出端的出口孔排出，实现对稳压器和引压管内超临界二氧化碳的温度控制，保证稳压器和引压管内超临界二氧化碳密度稳定且可控，实现超临界二氧化碳稳压器全天候有效稳压；利用稳压器内超临界二氧化碳和惰性气体(如氦气)间明显的密度差，在稳压器内形成一个明显且稳定的分界面，方便稳压器液位测量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的整体结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：1-冷却机，2-冷却水进水口温度测量仪表，3-冷却壳罩，4-稳压器，5-压力变送器，6-稳压器温度测量仪表，7-冷却水出口温度测量仪表，8-差压变送器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种水冷式异种气体稳压的超临界二氧化碳稳压装置，如图1所示，包括稳压器4，稳压器4为钢制稳压器罐体，稳压器4内容纳有超临界二氧化碳和惰性气体，稳压器4外部全包覆有冷却壳罩3，冷却壳罩3与稳压器4外壁紧密接触，冷却壳罩3上设有冷却介质输入管和冷却介质输出管；冷却介质输入管和冷却介质输出管上均设有温度测量仪表，稳压器4上还设有用于测量超临界二氧化碳的温度测量仪表和压力变送器。冷却介质采用冷却水。
实施例2
在实施例1的基础上进一步改进，稳压器4的侧壁上靠近顶部和靠近底部处均设有引压管，两个引压管的输出端均与差压变送器8连接。冷却介质输入管套设在靠近稳压器4顶部的引压管外，冷却介质输入管远离冷却壳罩3的一端设有入口孔作为冷却介质进入端；冷却介质输出管套设在靠近稳压器4底部的引压管外，冷却剂介质输出管远离冷却壳罩3的一端设有出口孔作为冷却介质排出端。
实施例3
在实施例2的基础上进一步改进，稳压装置还包括冷却机1，冷却机1用于将其中的冷却介质进行制冷控温，冷却机1的输出端与冷却介质输入管连通，冷却机1的输入端与冷却介质输出端连通。冷却介质输入管上的温度测量仪表显示温度值与冷却介质输出管上的温度测量仪表显示温度值控制在0～1℃范围内。通过调节冷却介质流量，以实现控制冷却介质输入管上的温度测量仪表显示温度值与冷却介质输出管上的温度测量仪表显示温度值控制在0～1℃范围内。
首先，启动冷却机，通过冷却水进口温度测量仪表2和冷却水出口温度测量仪表7监测冷却壳罩进/出口处冷却水温度(即冷却介质输入管的入口孔处和冷却介质输出管的出口孔处的冷却水温度)，要求进出口冷却水温差不超过1℃，否则增加冷却机输出冷却水流量；其次，通过稳压器温度测量仪表6监测稳压器内超临界二氧化碳温度，确保稳压器内超临界二氧化碳温度较低(约为10℃)且稳定，从而实现稳压器内超临界二氧化碳状态稳定且可控，实现超临界二氧化碳稳压器全天候有效稳压；最后，利用压力变送器5和稳压器温度测量仪表6测量得到的稳压器内超临界二氧化碳的压力和温度值，差压变送器8测量得到的稳压器内差压值，结合稳压器上下引压管与稳压器连接处高度差获得稳压器4内超临界二氧化碳的液位。
如采用超临界二氧化碳作为布雷顿循环的工质，可以利用超临界二氧化碳在临界区物性的突变性质，将压缩机工况运行点设置在拟临界区温度附近的密度较大区间，将反应堆运行设置在拟临界区温度之后的密度较小区间，利用密度在临界点附近发生突变的性质，保障气体冷却，同时大幅度降低压缩机功耗，使得气冷堆在堆芯出口温度达到较高的循环效率。
由于超临界二氧化碳的密度在临界温度区域对温度变化非常敏感，且进出口温差仅为1℃左右，因此本发明采用水为冷却介质，用这种闭式冷却水循环系统进行为稳压器提供稳定的工作环境，水介质本身的比热容较大，冷却壳罩全包覆在稳压器外层，冷却介质主要通过导热方式进行换热，维持适当较低的换热效率，防止超临界二氧化碳温度摆动幅度过大；通过冷却壳罩的包覆一方面用于带走超临界二氧化碳多余的热量，另一方面利用其大的比热容提供稳定的温度环境，且结构简单，易于清洗。
上引压管口距离稳压器直筒段顶部50～80mm，下引压管口距离稳压器直筒段底部50～80mm。在引压管外罩设冷却壳罩目的是控制稳压器内二氧化碳和惰性气体的温度，使得稳压器内二氧化碳处于稳定的高密度状态，提高液位测量精度；冷却壳罩采用不锈钢制作，壁厚不低于3mm，腔体间隙不低于3mm。
稳压器内超临界二氧化碳液位计算原理公式如下所示：
Figure BDA0001801966680000041
其中，h为二氧化碳液位(m)，DP为上下引压管口间压差(Pa),ρ1为稳压器上部惰性气体密度(kg/m3),ρ2为稳压器下部二氧化碳密度(kg/m3)，g为重力加速度(9.8kg/m3)，H为上下引压管口间高度差(m)，ρ1和ρ2采用压力变送器5和温度测量仪表6测得的压力和温度计算。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水冷式异种气体稳压的超临界二氧化碳稳压装置，包括稳压器(4)，其特征在于，所述稳压器(4)内容纳有超临界二氧化碳和惰性气体，稳压器(4)外部全包覆有冷却壳罩(3)，所述冷却壳罩(3)上设有冷却介质输入管和冷却介质输出管；所述冷却介质输入管和冷却介质输出管上均设有温度测量仪表，稳压器(4)上还设有用于测量超临界二氧化碳的温度测量仪表和压力变送器；
所述稳压器(4)的侧壁上靠近顶部和靠近底部处均设有引压管，两个引压管的输出端均与差压变送器(8)连接；
所述冷却介质输入管套设在靠近稳压器(4)顶部的引压管外，冷却介质输入管远离冷却壳罩(3)的一端设有入口孔作为冷却介质进入端；所述冷却介质输出管套设在靠近稳压器(4)底部的引压管外，冷却剂介质输出管远离冷却壳罩(3)的一端设有出口孔作为冷却介质排出端；
所述稳压装置还包括冷却机(1)，所述冷却机(1)用于将其中的冷却介质进行制冷控温，冷却机(1)的输出端与冷却介质输入管连通，冷却机(1)的输入端与冷却介质输出端连通。
2.根据权利要求1所述的一种水冷式异种气体稳压的超临界二氧化碳稳压装置，其特征在于，所述冷却介质输入管上的温度测量仪表显示温度值与冷却介质输出管上的温度测量仪表显示温度值控制在0～1℃范围内。
3.根据权利要求2所述的一种水冷式异种气体稳压的超临界二氧化碳稳压装置，其特征在于，通过调节冷却介质流量，以实现控制冷却介质输入管上的温度测量仪表显示温度值与冷却介质输出管上的温度测量仪表显示温度值控制在0～1℃范围内。
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