CN112098261B - 一种用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置及操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置，其包括外筒体、热电偶、外部温度控制装置、法兰、钠储存杯、抽真空及气体置换接管以及冷却盘接管；本方案中的用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置，其冷却结构上采用盘管的结构形式，盘管的引出管通过焊接的形式连接在蒸发装置的上封头上，盘管结构可承受较大的压力负荷，可满足高达10MPa压力条件下的蒸发需求，同时通过冷却介质在盘管内部流动，直接冷却盘管，热阻较小，提高了冷却介质的利用效率。本发明中蒸发装置的壁厚适中，既满足高温高压下的蒸发需求，其重量又能适合操作人员在手套箱中的操作；此外，本发明装置采用了石墨包覆垫圈，可以满足无冷却时蒸发装置在高温下的密封。

Description

一种用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置及操作方法
技术领域
本发明涉及金属钠蒸发研究技术领域，具体涉及一种用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置及操作方法。
背景技术
在液态金属钠相关的系统或设备中，处于高温状态(最高可达550℃)的液态金属钠会蒸发形成大量的钠蒸汽。根据文献(钠钾工程手册(内部资料)[M].《快堆研究》编辑部组，译.1986)报道可知，钠蒸汽可通过等温情况下的扩散、温度差引起的对流、搅拌引起的机械对流、自由表面的湍流等过程转移到覆盖气中。覆盖气载带的钠蒸汽在转移过程中可能会由于温度的降低而冷凝，造成管道堵塞或相关设备内部构件的粘连，影响钠系统或设备的安全运行。
在一些特殊工况下，如基于超临界二氧化碳布雷顿循环的钠冷快堆中，二氧化碳侧的温度可以达到550℃，压力可以达到20MPa，当二氧化碳侧泄漏到钠侧后，高温高压环境下钠的蒸发是影响钠-超临界二氧化碳反应的重要因素。因此迫切需要研究高温高压(550℃，10MPa)下钠的蒸发行为。
目前世界上研究钠的蒸发行为装置较少，主要是关于真空条件下钠的蒸馏，高温高压条件下的钠蒸发没有相关文献(文希孟,苏淑娟.真空蒸馏-原子吸收法测定金属钠中微量钙[J].光谱学与光谱分析.1981:05,1-12)报道。
真空条件下钠的蒸馏装置主要适用在低压力下(绝对压力10-3Pa)、温度在450℃以下，且需要大量冷却水对法兰等处进行冷却，不适用于高温高压下钠的蒸发研究。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置及操作方法，该装置可以测定钠在不同的高温及高压条件下单位面积的蒸发量，进而获知在不同工况下钠的蒸发行为。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置，所述装置包括：
外筒体；
热电偶，所述热电偶设置在所述外筒体内腔底端中；
外部温度控制装置，所述外部温度控制装置与所述热电偶相连，用于控制所述热电偶的工作温度；
法兰，所述法兰密封紧固安装在所述外筒体的上端；
钠储存杯，所述钠储存杯设置在所述外筒体内腔底端中；
抽真空及气体置换接管，所述抽真空及气体置换接管密封安装在所述外筒体上并与其内腔相连通；
以及冷却盘接管，所述冷却盘接管密封安装在所述外筒体上并与其内腔相连通。
在一些实施例中，所述外筒体和法兰之间通过设置有的石墨包覆垫圈密封紧固相连。
在一些实施例中，所述冷却盘接管采用盘管的结构形式，其中所述冷却盘接管的引出管通过焊接固定安装在所述外筒体顶端上。
在一些实施例中，所述外筒体和法兰之间通过螺栓紧固相连。
在一些实施例中，外部的氩气通过所述抽真空及气体置换接管进入到所述外筒体内腔中。
同时，本发明还提供一种根据上述一种用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置的操作方法，所述操作方法包括以下步骤：
1)、将蒸发装置通过手套箱过渡仓转移至手套箱中；
2)、在手套箱中向钠储存杯中加入定量的钠，并称量钠储存杯和钠的总质量；
3)、将钠储存杯放置入蒸发装置底部，在上下法兰间放置耐高温的石墨包覆垫圈，通过螺栓紧固上下法兰；
4)、关闭蒸发装置中的抽真空及气体置换管道上的阀门，密封蒸发装置；
5)、通过手套箱过渡仓将蒸发装置转移出来，并将蒸发装置放置于相应的加热炉上；
6)、将蒸发装置的气体管道及冷却盘管管道与配套设施连接；
7)、启动配套的真空泵，通过气体管道对蒸发装置进行抽真空；
8)、待真空度达到要求后，停止真空泵，打开惰性气体供应管道阀门，通过气体管道向蒸发装置充入惰性气体，使其压力达到系统要求；
9)、启动配套的循环冷却油泵，设置工作温度，使得冷却油在冷却盘内流动，向钠蒸汽提供冷凝面；
10)、启动加热电炉的电加热，设置工作加热温度；
11)、当加热温度到达加热温度开始计时，当蒸发时间到达一定时间后停止加热电炉的电加热；
12)、待蒸发装置冷却至室温，关闭冷却介质循环泵，拆除蒸发装置与配套设置的连接；
13)、将蒸发装置通过手套箱过渡仓转移至惰性气体手套箱，在惰性气体手套箱内完成对蒸发结果的查看，并称量钠储存杯和钠的剩余质量，以此分析钠在高温高压下的蒸发行为。
本方案中的用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置，其冷却结构上采用盘管的结构形式，盘管的引出管通过焊接的形式连接在蒸发装置的上封头上，盘管结构可承受较大的压力负荷，可满足高达10MPa压力条件下的蒸发需求，同时通过冷却介质在盘管内部流动，直接冷却盘管，热阻较小，提高了冷却介质的利用效率。本发明中蒸发装置的壁厚适中，既满足高温高压下的蒸发需求，其重量又能适合操作人员在手套箱中的操作；此外，本发明装置采用了石墨包覆垫圈，可以满足无冷却时蒸发装置在高温下的密封。
附图说明
图1为本发明中的用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置结构原理示意图。
图中：
1-冷却盘接管，2-抽真空及气体置换接管，3-冷却盘接管，4-螺栓，5-法兰，6-石墨包覆垫圈，7-外筒体，8-钠储存杯。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
参照附图1所示，本实施例提供一种用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置，其包括外筒体7、热电偶、外部温度控制装置、法兰5、钠储存杯8、抽真空及气体置换接管2以及冷却盘接管1、3。外筒体7其用于保护钠在转移和蒸发过程中不受空气的污染，外筒体7底部焊接有热电偶阱，用于安装热电偶，热电偶与外部温度控制装置相配合，使得外筒体7内部温度达到试验所需要的温度并保持恒定，用于测定不同温度下钠的蒸发速率。法兰5密封紧固安装在外筒体7的上端，用于外筒体7顶端的密封。钠储存杯8设置在外筒体7内腔底端中，其用于储存钠以及通过称量试验前后钠储存杯8的重量变化来计算钠的蒸发量。抽真空及气体置换接管2密封安装在外筒体7上并与其内腔相连通，其为用于将外筒体7内腔中的空气进行置换并抽入对应的工作气体，使得外筒体7内腔中处于试验所需要的压力工作环境，以便用于测定不同压力下钠的蒸发速率。在一实施例中，抽入到外筒体7内腔中的工作气体为氩气。冷却盘接管1、3密封安装在外筒体7上并与其内腔相连，冷却介质在冷却盘管内流动，使冷却盘管作为钠蒸汽冷凝、沉积的附着面。
在一些实施例中，冷却盘接管1、3采用盘管的结构形式，其中冷却盘接管1、3的引出管通过焊接固定安装在外筒体7顶端上，盘管结构可承受较大的压力负荷，可满足高达10MPa压力条件下的蒸发需求，同时通过冷却介质在盘管内部流动，直接冷却盘管，热阻较小，提高了冷却介质的利用效率。
在一些实施例中，外筒体7和法兰5之间通过设置有的石墨包覆垫圈6密封紧固相连；外筒体7和法兰5之间通过螺栓4紧固相连。
与此同时，本实施例还提供一种上述用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置的操作方法，该操作方法包括以下步骤：
1)、将蒸发装置通过手套箱过渡仓转移至手套箱中；
2)、在手套箱中向钠储存杯中加入定量的钠，并称量钠储存杯和钠的总质量；
3)、将钠储存杯放置入蒸发装置底部，在上下法兰间放置耐高温的石墨包覆垫圈，通过螺栓紧固上下法兰；
4)、关闭蒸发装置中的抽真空及气体置换管道上的阀门，密封蒸发装置；
5)、通过手套箱过渡仓将蒸发装置转移出来，并将蒸发装置放置于相应的加热炉上；
6)、将蒸发装置的气体管道及冷却盘管管道与配套设施连接；
7)、启动配套的真空泵，通过气体管道对蒸发装置进行抽真空；
8)、待真空度达到要求后，停止真空泵，打开惰性气体供应管道阀门，通过气体管道向蒸发装置充入惰性气体，使其压力达到系统要求；
9)、启动配套的循环冷却油泵，设置工作温度，使得冷却油在冷却盘内流动，向钠蒸汽提供冷凝面；
10)、启动加热电炉的电加热，设置工作加热温度；
11)、当加热温度到达加热温度开始计时，当蒸发时间到达一定时间后停止加热电炉的电加热；
12)、待蒸发装置冷却至室温，关闭冷却介质循环泵，拆除蒸发装置与配套设置的连接；
13)、将蒸发装置通过手套箱过渡仓转移至惰性气体手套箱，在惰性气体手套箱内完成对蒸发结果的查看，并称量钠储存杯和钠的剩余质量，以此分析钠在高温高压下的蒸发行为。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置，其特征在于，所述装置包括：
外筒体；
热电偶，所述热电偶设置在所述外筒体内腔底端中，与外部温度控制装置相配合，使得外筒体内部温度达到试验所需要的温度并保持恒定，用于测定不同温度下钠的蒸发速率；
外部温度控制装置，所述外部温度控制装置与所述热电偶相连，用于控制所述热电偶的工作温度；
法兰，所述法兰密封紧固安装在所述外筒体的上端；
钠储存杯，所述钠储存杯设置在所述外筒体内腔底端中，用于储存钠以及通过称量试验前后钠储存杯的重量变化来计算钠的蒸发量；
抽真空及气体置换接管，所述抽真空及气体置换接管密封安装在所述外筒体上并与其内腔相连通，用于将外筒体内腔中的空气进行置换并抽入对应的工作气体，使得外筒体内腔中处于试验所需要的压力工作环境，以便用于测定不同压力下钠的蒸发速率；
以及冷却盘接管，所述冷却盘接管密封安装在所述外筒体上并与其内腔相连通，冷却介质在冷却盘管内流动，使冷却盘管作为钠蒸汽冷凝、沉积的附着面；所述外筒体和法兰之间通过设置有的石墨包覆垫圈密封紧固相连；所述冷却盘接管采用盘管的结构形式，其中所述冷却盘接管的引出管通过焊接固定安装在所述外筒体顶端上；抽入到外筒体内腔中的工作气体为氩气。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置，其特征在于，所述外筒体和法兰之间通过螺栓紧固相连。
3.一种根据权利要求1所述的一种用于高温高压下液体金属钠蒸发的装置的操作方法，其特征在于：所述操作方法包括以下步骤：
1)、将蒸发装置通过手套箱过渡仓转移至手套箱中；
2）、在手套箱中向钠储存杯中加入定量的钠，并称量钠储存杯和钠的总质量；
3）、将钠储存杯放置入蒸发装置底部，在上下法兰间放置耐高温的石墨包覆垫圈，通过螺栓紧固上下法兰；
4）、关闭蒸发装置中的抽真空及气体置换管道上的阀门，密封蒸发装置；
5）、通过手套箱过渡仓将蒸发装置转移出来，并将蒸发装置放置于相应的加热炉上；
6）、将蒸发装置的气体管道及冷却盘管管道与配套设施连接；
7）、启动配套的真空泵，通过气体管道对蒸发装置进行抽真空；
8）、待真空度达到要求后，停止真空泵，打开惰性气体供应管道阀门，通过气体管道向蒸发装置充入惰性气体，使其压力达到系统要求；
9）、启动配套的循环冷却油泵，设置工作温度，使得冷却油在冷却盘内流动，向钠蒸汽提供冷凝面；
10）、启动加热电炉的电加热，设置工作加热温度；
11）、当加热温度到达加热温度开始计时，当蒸发时间到达一定时间后停止加热电炉的电加热；
12）、待蒸发装置冷却至室温，关闭冷却介质循环泵，拆除蒸发装置与配套设置的连接；
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