CN111578745B - 一种用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热核聚变领域,特别涉及氢同位素气体的分离,具体涉及一种用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,包括外壳、内芯体和支撑块;所述外壳位于所述螺旋状分离柱外侧,用于容置螺旋状分离柱;所述内芯体位于螺旋状分离柱的内侧;所述支撑块连接所述外壳和内芯体,用于固定外壳和内芯体的相对位置;所述外壳上设有进油口和出油口;所述外壳上设有分离柱出口。通过设置内芯体,有效减少了螺旋状分离柱内部的体积,减少了油浴池内的油用量,利于提升充满油浴池的速度,也利于更快的排空油浴池内的油,从而提升了冷热切换效率。
Description
技术领域
本发明涉及热核聚变领域,特别涉及氢同位素气体的分离,具体涉及一种用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池。
背景技术
热循环吸附法(Thermal Cycling Absorption Process,TCAP)是由萨凡纳河实验室的M.W.Lee首先从理论概念上提出的,并于1994年正式建成并投入运行。TCAP的系统主要由两部分组成,一是填充了载钯材料的色谱分离柱,另一是空柱(回流柱),两柱的上端用阀门连通;分离时载钯的分离柱处于半周高温、半周低温的冷热循环中。TCAP除了能够容易地分离氢氘和氢氚外,还能够分离氘氚,而且分离速度快、效率高;因此,TCAP工艺在很多国家的氚实验室里都受到了重视,并且一直在研究发展之中。
分离柱的长度影响了分离的效率。为了节约空间且便于安装,分离柱常制造成螺旋状。在对分离柱加热时,将螺旋状的分离柱置于油浴中,通过在油浴中循环冷热介质,实现冷热介质对分离柱的加热和冷却,从而实现分离柱的冷热循环。
直接将分离柱置于油浴池中,进行冷热交换,油浴池内用油量大,冷热切换效率低,无法快速高效的进行TCAP的批量处理。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应该当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于:针对现有技术中用油浴对分离柱进行冷热循环时,冷热切换效率低的问题,提供一种用于热循环分离吸附的油浴池。该油浴池将油浴空间设置为与分离柱匹配的圆环柱状结构,提高了介质与分离柱的冷热切换效率。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,包括外壳、内芯体和支撑块;
所述外壳位于所述螺旋状分离柱外侧,用于容置螺旋状分离柱;
所述内芯体位于螺旋状分离柱的内侧;
所述支撑块连接所述外壳和内芯体,用于固定外壳和内芯体的相对位置;
所述外壳上设有进油口和出油口;
所述外壳上设有分离柱出口。
通过在外壳内设置内芯体,用支撑块将外壳和内芯体连接,在外壳和内芯体之间形成夹层空间,螺旋状的分离柱容置在夹层空间中。内芯体位于螺旋状分离柱的中间,充分消除了油浴池中位于分离柱中间部分的体积,减少了油浴池内油的用量,在向油浴池中注入热油或者冷油时,有利于提升充满油浴池的速度。在冷热切换时,也利于更快的将油浴池内的油排出,从而更快的实现冷热油的切换,提升升降温的切换速度。
作为本发明的优选方案,所述外壳包括外筒体和封头,所述外筒体为两端开口的筒状体,所述筒状体两端通过所述封头密封。
通过将外壳设置为外筒体和封头的组合,所述外筒体的内径大于所述螺旋状分离柱的外径。便于安装分离柱。螺旋状分离柱的三个连接口穿过外筒体上的分离柱出口连接至油浴池外部。
作为本发明的优选方案,所述封头设有进油口或出油口。
将进油口和出油口设置在封头上,油通过一端的进油口进入到筒状体内,沿筒状体轴向流至另一端的出油口。油在外筒体的流向为沿分离柱轴向,使得螺旋状分离柱受热均匀。
作为本发明的优选方案,所述外筒体由两块半圆柱环拼接而成。
将外筒体设置为两块半圆柱环拼接而成。即将一个完整的筒状体,沿轴向将筒状体切割为两块,易于将分离柱装入到外筒体内,在分离柱安装完成后,再将两块半圆柱环拼接成一个完整的圆柱环,得到一个完整的筒状体。
作为本发明的优选方案,所述内芯体为圆柱形,所述圆柱形的外径小于螺旋状分离柱的内径。
将内芯体设置为圆柱形,能够尽可能多的占用螺旋状分离柱内的空间。
作为本发明的优选方案,所述内芯体两端为球面。
通过将内芯体两端设为外凸起的球面,油从进油口进入后,沿内芯体的球面向四周扩散,与螺旋状分离柱的端面均匀接触,利于分离柱受热均匀。
作为本发明的优选方案,所述支撑块为支撑环,所述支撑环内侧连接所述内芯体,所述支撑环外侧连接所述外壳;所述支撑环设有若干导流孔。
通过设置支撑环,一方面使得内芯体和外壳的连接更为稳固,另外通过设置若干导流孔,油通过导流孔后更为均匀,起到预混和加强对流的作用,增强分离柱升降温的均匀性。
作为本发明的优选方案,所述支撑环上设有固定孔,所述固定孔用于固定螺旋状分离柱。
通过将螺旋状分离柱与支撑环固定连接,在油流动时,分离柱不会因冲刷而改变位置,避免分离柱与内芯体或者外壳接触,利于分离柱温度均匀。
作为本发明的优选方案,所述外壳外侧设有隔热层。
通过设置隔热层,减少与空气的换热,有利于油浴池内温度的稳定性,也减少了对外部的加热器或制冷机的功率需求。
作为本发明的优选方案,安装螺旋状分离柱后,各部件通过焊接的方式连接为一体式结构。
通过焊接的方式将各部件焊接为一体,利于结构的稳定,也有效减少氢同位素的渗出。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1、本发明的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,通过设置内芯体,有效减少了螺旋状分离柱内部的体积,减少了油浴池内的油用量,利于提升充满油浴池的速度,也利于更快的排空油浴池内的油,从而提升了冷热切换效率。
2、本发明的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,通过设置外筒体和封头以及将外筒体设置为两块半圆柱环拼接的方式,便于安装分离柱。
3、本发明的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,通过设置支撑环并在支撑环上设置若干导流孔,以及通过在内芯体两端设置外凸的球面,使得油在油浴池内的流动更为均匀,增强了分离柱升降温的均匀性。
4、本发明的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,通过在支撑环上设置固定孔,将螺旋状分离柱与支撑环固定连接,在油流动时,分离柱不会因冲刷而改变位置,避免分离柱与内芯体或者外壳接触,利于分离柱温度均匀。
附图说明
图1是本发明的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池的结构爆炸示意图。
图2是本发明的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池支撑环的结构示意图。
图3是本发明的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池实施例2的剖面示意图。
图4是采用本发明的油浴池实施例1的升降温曲线图。
图5是对比例1的升降温方法第一天的连续升降温曲线图。
图标:100-螺旋状分离柱;1-外筒体;2-内芯体;3-支撑环;31-导流孔;32-固定孔;4-封头;41-进油口;42-出油口。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明作详细的说明。
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用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
一种用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,如图1所示,包括外壳、内芯体2和支撑块;所述外壳为两端密封的筒体,用于容置螺旋状分离柱100;所述内芯体2位于螺旋状分离柱100的内侧;所述支撑块连接所述外壳和内芯体,用于固定外壳和内芯体的相对位置;所述外壳上设有进油口和出油口;所述外壳上设有分离柱出口。如图1所示,所述支撑块为支撑环3,所述支撑环3内侧连接所述内芯体2,所述支撑环3外侧连接所述外壳;所述支撑环3设有若干导流孔31。所述外壳包括外筒体1和封头4,所述外筒体1为两端开口的筒状体,所述筒状体两端通过封头4密封。所述两个封头4分别设有进油口41和出油口42。
所述内芯体2两端为球面。通过将内芯体2两端设为外凸起的球面,油从进油口进入后,沿内芯体2的球面向四周扩散,与螺旋状分离柱100的端面均匀接触,利于分离柱受热均匀。
所述外筒体1由两块半圆柱环拼接而成。将外筒体1设置为两块半圆柱环拼接而成。即将一个完整的筒状体,沿轴向将筒状体切割为两块,易于将分离柱100装入到外筒体1内,在分离柱3安装完成后,再将两块半圆柱环拼接成一个完整的圆柱环,得到一个完整的筒状体。其中一块半圆柱环上设有与分离柱3的三个出口对应的预留开孔,将分离柱100装配后,采用焊接的方式将分离柱3的三个出口管与预留开孔焊接。
所述支撑环3上设有固定孔32,在分离柱100对应位置设有固定头,所述固定孔32与分离柱100上的固定头匹配,将固定头插入到固定孔32中,实现支撑环3和螺旋状分离柱100的固定连接。
在使用该油浴池时,,油浴池安装在固定支架上进行固定。通过油泵或其他增压方式,将外部的液态冷介质或者液态热介质输送到油浴池中。在升温时,将液态热介质从油浴池的底部流入,从油浴池的上部流出。液态热介质通过外筒体1下端的封头4上的进油口41进入油浴池。液态热介质首先通过支撑板3上的导流孔31,可以有助于介质在流速较快时更均匀的分布在分离柱100的各个位置,同时可以增加对流,有利于热介质自身的热传导。当介质将外筒体1和内芯体2的间隙填满时,分离柱100浸泡在液态热介质中进行升温。分离柱100与外筒体1和内芯体2均有一定的间隙,使得液态热介质能很均匀的与分离柱100接触。外筒体1和内芯体2的间隙,液态热介质通过封头重新回到外部储液桶中参与循环。
在升温完成后进行降温时,首先将油浴池中的液态热介质进行排空。排空时,利用介质的重力便可很轻松的从下部进行排空。也可以通过泵或其他方式将油浴池中的液态热介质重新转移到储液桶中。
然后按照与升温阶段类似的方式,将液态冷介质注入到油浴池中,实现分离柱100的降温。
重复升温和降温操作,实现分离柱100的冷热循环。
其中分离柱的热容计算如下:
分离柱填料:重量:10kg;比热容:按0.8; 温差:160-(-20)=180℃;总计热量:10×0.8×180=1440kJ。
分离柱:重量:39kg;比热容:0.5;温差:160-(-20)=180℃。;总计热量:39×0.5×180=3510kJ。
按照上述使用方法对螺旋状分离柱进行加热和降温。图4是采用本油浴池进行升降温实验,并对升降温进行测量和记录,使用该油浴池升降温过程稳定。
实施例2
如图3所示,本实施例在实施例1的基础上在所述外壳外侧设有隔热层5。
通过设置隔热层5,减少与空气的换热,有利于油浴池内温度的稳定性,也减少了对外部的加热器或制冷机的功率需求。
安装螺旋状分离柱100后,各部件通过焊接的方式连接为一体式结构。通过焊接的方式将各部件焊接为一体,利于结构的稳定,也有效减少氢同位素的渗出。
对比例1
分离柱为蛇形柱,长度为16mm,壁厚为2mm。
分离柱填料:重量:2.5kg;比热容:按0.8; 温差:160-(-20)=180℃;总计热量:2.5×0.8×180=360kJ。
分离柱:重量:10kg;比热容:0.5;温差:160-(-20)=180℃。;总计热量:10×0.5×180=900kJ。
采用加热板加热进行升温,采用液氮冷却进行降温。实现分离柱的升降温变化。测试结果如图5。
将对比例1和实施例1的结果相比较如下:
分离效率方面,实施例1的热容规模约为对比例1的4倍。实施例1的填料更多,能够充分提升分离效率。
升降温周期方面,实施例1的升降温周期约为50分钟;对比例1的升降温周期约为50分钟。在升降温周期接近的情况下,采用实施例1的方式,能够实现更高的热容的分离柱的升降温。
升降温均匀度方面,实施例1采用均匀的液体介质,每个升降温周期的时间较为接近,也反应了分离柱升降温均匀。
对比例1的数据中,首先,每个升降温周期的时间存在一定的差距,即说明分离柱的升降温不够均匀,导致每个升降温周期的时间有一定的变化;其次,在升降问过程中存在阶梯型的下降,这主要因为液氮的热容降低,对分离柱进行了冷却时与分离柱接触的液氮的温度存在波动;再次,分离柱不同位置的温度曲线虽然呈现的趋势一致,但是每个测温点的温度仍然存在差异,即分离柱不同位置的温度存在差异。
在对实施例1的进行过程中,综合考虑了以下几个方面的因素,一是螺旋状分离柱相对于蛇形分离柱所占用的空间较少,且液体介质与整个分离柱充分接触,整体温度的均匀性较高;二是采用流动的液体介质,使得与分离柱接触的液体介质的温度一致,并通过外部的加热或冷却装置持续保持液体介质的温度,液体介质不会因为与分离柱产生热交换而出现温度波动,避免了阶梯型曲线的出现。三是,通过使用硅油做为导热油,其热容更高,热交换的效果更佳。
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 (7)
1.一种用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,其特征在于,包括外壳、内芯体(2)和支撑块;
所述外壳位于所述螺旋状分离柱(100)外侧,用于容置螺旋状分离柱(100);
所述内芯体(2)位于螺旋状分离柱(100)的内侧;
所述支撑块连接所述外壳和内芯体(2),用于固定外壳和内芯体(2)的相对位置;
所述外壳上设有进油口(41)和出油口(42);
所述外壳上设有与螺旋状分离柱(100)的出口管对应的开孔;
所述外壳包括外筒体(1)和封头(4),所述外筒体(1)为两端开口的筒状体,所述筒状体两端通过所述封头(4)密封;
所述封头(4)设有进油口(41)或出油口(42);
所述内芯体(2)的两端为球面;
所述进油口(41)设置在所述封头(4)的正中间;油从进油口(41)进入后,沿内芯体(2)的球面向四周扩散,与螺旋状分离柱(100)的端面均匀接触。
2.根据权利要求1所述的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,其特征在于,所述外筒体(1)由两块半圆柱环拼接而成。
3.根据权利要求1所述的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,其特征在于,所述内芯体(2)为圆柱形,所述内芯体(2)的外径小于螺旋状分离柱(100)的内径。
4.根据权利要求1所述的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,其特征在于,所述支撑块为支撑环(3),所述支撑环(3)内侧连接所述内芯体(2),所述支撑环(3)外侧连接所述外筒体(1);所述支撑环(2)设有若干导流孔(31)。
5.根据权利要求4所述的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,其特征在于,所述支撑环(3)上设有固定孔(32),所述固定孔(32)用于固定螺旋状分离柱(100)。
6.根据权利要求1-5任一所述的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,其特征在于,所述外壳外侧设有隔热层。
7.根据权利要求1-5任一所述的用于热循环吸附中螺旋状分离柱的油浴池,其特征在于,安装螺旋状分离柱(100)后,各部件通过焊接的方式连接为一体式结构。
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