CN112285152A - 一种高温热管碱金属工质蒸发冷凝测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温热管碱金属工质蒸发冷凝测量系统及方法，该系统包括密封高温液态碱金属反应容器、电磁感应加热系统、真空分子泵、氩气瓶、气体阀门、高温液态金属阀门等部件；可以实现对高温碱金属蒸发冷凝过程中相变速率以及传热热阻的测量，并可对不同吸液芯结构对高温碱金属的相变行为影响进行对比；本发明提供了一种适用于高温钠、钾、钠钾及锂金属在金属丝网、金属纤维及泡沫金属型吸液芯内的相变过程测量的通用方法。

Description

一种高温热管碱金属工质蒸发冷凝测量系统及方法
技术领域
本发明涉及热管技术领域，特别涉及一种高温热管碱金属工质蒸发冷凝测量系统及方法。
背景技术
高温碱金属热管是一种基于液体碱金属相变换热的先进非能动换热器件，具有等温性高、传热效率高、可靠性高等特点。高温碱金属热管因其优异的传热特性、良好的安全性、可靠性以及其非能动传热特性，使其在特种反应堆中具有广阔的应用前景。目前，对高温碱金属热管的研究热潮逐步兴起，但其中一系列关键技术仍未得到解决。其中，对高纯度高温碱金属(>99％)在真空环境(<10-4)下的蒸发与冷凝过程的研究尚未展开，同时不同形式的吸液芯对高温热管的相变传热过程的影响也尚不明确。因此，如何定量测量高温碱金属在不同吸液芯中的蒸发、冷凝速率，同时确定不同吸液芯的传热热阻在高温热管的研制中变得非常重要。
发明内容
本发明旨在克服上述缺陷，提供一种高温热管碱金属工质蒸发冷凝测量系统及方法，能够测量高温碱金属在不同真空度及不同吸液芯中的相变速率与传热热阻。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高温热管碱金属工质蒸发冷凝测量系统，包括氩气保护的密封高温液态碱金属反应容器1，密封高温液态碱金属反应容器1中设置液态碱金属坩埚2、测量坩埚内外温度的热电偶3、下部重量传感器4、冷凝液态碱金属收集罩5、测量冷凝收集罩内外温度的热电偶6与上部重量传感器7，下部重量传感器4设置在液态碱金属坩埚2下部，冷凝液态碱金属收集罩5设置在液态碱金属坩埚2上部，上部重量传感器7设置在冷凝液态碱金属收集罩5上部，测量坩埚内外温度的热电偶3和测量冷凝收集罩内外温度的热电偶6以及下部重量传感器4和上部重量传感器7连接至数据采集系统8；液态碱金属坩埚2与冷凝液态碱金属收集罩5中分别铺有吸液芯9；密封高温液态碱金属反应容器1与真空分子泵11和氩气瓶12连接；电磁感应加热装置10与液态碱金属坩埚2连接，用以加热其中的高温碱金属；氩气瓶12通过缠绕加热丝的第一气体阀门13将保护气体充入密封高温液态碱金属反应容器1中；真空分子泵11通过第二气体阀门14和防止碱金属碎屑进入真空分子泵(11)的过滤器(15)与密封高温液态碱金属反应容器1连接；密封高温液态碱金属反应容器1上部设有真空度显示的真空计18，密封高温液态碱金属反应容器1上部还通过液态碱金属蒸汽阀门16连接有碱金属蒸汽净化装置17，下部设有排出多余液态碱金属的高温液态碱金属阀门19。
采用非接触式电磁感应加热装置10对液态碱金属坩埚2进行加热，避免接触式加热对下部重量传感器4的测量产生影响。
采用铺有不同形式的吸液芯9的冷凝液态碱金属收集罩5及上部重点传感器7实现对液态金属冷凝速率的测量。
使用氩气瓶12通过第一气体阀门13向高温液态碱金属反应容器1中充入氩气前进行预热，保证蒸发冷凝过程的环境温度可控。
测量结束后氩气瓶12继续向高温反应容器1中充入高温氩气，将多余碱金属液体通过液态碱金属蒸汽阀门16送入碱金属蒸汽净化装置17中。
所述一种高温碱金属蒸发冷凝测量系统的实验方法，测量开始前，向液态碱金属坩埚2及冷凝液态碱金属收集罩5中分别铺设吸液芯9；打开第一气体阀门13，使用氩气瓶12充氩气对密封高温液态碱金属反应容器1进行惰性气体保护；将固态碱金属工质放入液态碱金属坩埚2中，对密封高温液态碱金属反应容器1进行密封，关闭第一气体阀门13、液态碱金属蒸汽阀门16和高温液态碱金属阀门19；利用真空泵11对密封高温液态碱金属反应容器1进行抽真空，将密封高温液态碱金属反应容器1中氩气抽出后，打开第一气体阀门13，再次向密封高温液态碱金属反应容器1中充入氩气保护；关闭第一气体阀门13，打开第二气体阀门14，通过真空泵11及真空计18控制高温反应容器1中的真空度；关闭第二气体阀门14，打开第一气体阀门13，通过氩气瓶12向密封高温液态碱金属反应容器1中充入一定量的氩气；关闭第一气体阀门13，打开电磁感应加热装置10对液态碱金属坩埚2进行加热，蒸发出的液态碱金属蒸汽通过冷凝液态碱金属收集罩5收集；记录下部重量传感器4与上部重量传感器7的读数变化，进而获得在不同真空度与不同不凝气体含量下高温碱金属的相变速率以及传热热阻；记录测量坩埚内外温度的热电偶3和测量冷凝收集罩内外温度的热电偶6测量的温度变化，其中液态碱金属坩埚2内部的温度为液态碱金属的蒸发温度，冷凝液态碱金属收集罩5内部的温度为液态碱金属的冷凝温度；分别拟合下部重量传感器4读数在某蒸发温度变化趋势、上部重量传感器7读数在某冷凝温度变化趋势，即能够获得液态碱金属在特定温度下的蒸发、冷凝速率即相变速率；通过液态碱金属坩埚2与冷凝液态碱金属收集罩5内外温度的变化，基于傅立叶导热定律即能够获得此时吸液芯9的蒸发热阻与冷凝换热热阻；测量结束后，打开第一气体阀门13向密封高温液态碱金属反应容器1中充入氩气，打开液态碱金属蒸汽阀门16和高温液态碱金属阀门19，将密封高温液态碱金属反应容器1中多余的碱金属蒸汽与液态碱金属排出并收集；向液态碱金属坩埚2及冷凝液态碱金属收集罩5中分别铺设不同的吸液芯9再次进行实验。
能够进行高温钠、钾、钠钾及锂金属在金属丝网、金属纤维及泡沫金属型吸液芯内的蒸发与冷凝过程的测量。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1)本发明目的是测量高温碱金属蒸发冷凝特性，提出一种高温碱金属蒸发冷凝测量系统及方法，相比于传统以水为工质的仅能够测量吸液芯热阻测量装置，本实验装置通过对坩埚与冷凝收集罩内外温度的测量，以及上、下重量传感器对测量液态碱金属蒸发过程与冷凝过程中重量变化测量，在测定吸液芯热阻的基础上，同时实现了对高温碱金属相变速率的测量。
2)实验过程中采用真空分子泵控制密封高温液态金属反应容器中的真空度，实现了对高温热管真空运行环境的模拟。
3)实验过程中密封高温液态金属反应容器中充入不同含量的氩气，实现了对高温热管运行一段时间后可能产生的不凝气体环境的模拟。
4)本实验装置全部采用316不锈钢制造，运行温度更高，且与高温液态碱金属相容性好，实现了对高温碱金属工质蒸发与冷凝过程的直接测量。
附图说明
图1为本发明一种高温碱金属蒸发冷凝测量系统示意图。
具体实施方式
下面结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明一种高温热管碱金属工质蒸发冷凝测量系统，包括氩气保护的密封高温液态碱金属反应容器1，密封高温液态碱金属反应容器1中设置液态碱金属坩埚2、测量坩埚内外温度的热电偶3、下部重量传感器4、冷凝液态碱金属收集罩5、测量冷凝收集罩内外温度的热电偶6与上部重量传感器7，下部重量传感器4设置在液态碱金属坩埚2下部，冷凝液态碱金属收集罩5设置在液态碱金属坩埚2上部，上部重量传感器7设置在冷凝液态碱金属收集罩5上部，测量坩埚内外温度的热电偶3和测量冷凝收集罩内外温度的热电偶6以及下部重量传感器4和上部重量传感器7连接至数据采集系统8；液态碱金属坩埚2与冷凝液态碱金属收集罩5中分别铺有吸液芯9；密封高温液态碱金属反应容器1与真空分子泵11和氩气瓶12连接；电磁感应加热装置10与液态碱金属坩埚2连接，用以加热其中的高温碱金属；氩气瓶12通过缠绕加热丝的第一气体阀门13将保护气体充入密封高温液态碱金属反应容器1中；真空分子泵11通过第二气体阀门14和防止碱金属碎屑进入真空分子泵(11)的过滤器(15)与密封高温液态碱金属反应容器1连接；密封高温液态碱金属反应容器1上部设有真空度显示的真空计18，密封高温液态碱金属反应容器1上部还通过液态碱金属蒸汽阀门16连接有碱金属蒸汽净化装置17，下部设有排出多余液态碱金属的高温液态碱金属阀门19。
作为本发明的优选实施方案，采用非接触式电磁感应加热装置10对液态碱金属坩埚2进行加热，避免接触式加热对下部重量传感器4的测量产生影响。
作为本发明的优选实施方案，采用铺有不同形式的吸液芯9的冷凝液态碱金属收集罩5及上部重点传感器7实现对液态金属冷凝速率的测量。
作为本发明的优选实施方案，使用氩气瓶12通过第一气体阀门13向高温液态碱金属反应容器1中充入氩气前进行预热，保证蒸发冷凝过程的环境温度可控。
作为本发明的优选实施方案，测量结束后氩气瓶12继续向高温反应容器1中充入高温氩气，将多余碱金属液体通过液态碱金属蒸汽阀门16送入碱金属蒸汽净化装置17中。
本发明所述一种高温碱金属蒸发冷凝测量系统的实验方法，测量开始前，向液态碱金属坩埚2及冷凝液态碱金属收集罩5中分别铺设吸液芯9；打开第一气体阀门13，使用氩气瓶12充氩气对密封高温液态碱金属反应容器1进行惰性气体保护；将固态碱金属工质放入液态碱金属坩埚2中，对密封高温液态碱金属反应容器1进行密封，关闭第一气体阀门13、液态碱金属蒸汽阀门16和高温液态碱金属阀门19；利用真空泵11对密封高温液态碱金属反应容器1进行抽真空，将密封高温液态碱金属反应容器1中氩气抽出后，打开第一气体阀门13，再次向密封高温液态碱金属反应容器1中充入氩气保护；关闭第一气体阀门13，打开第二气体阀门14，通过真空泵11及真空计18控制高温反应容器1中的真空度；关闭第二气体阀门14，打开第一气体阀门13，通过氩气瓶12向密封高温液态碱金属反应容器1中充入一定量的氩气；关闭第一气体阀门13，打开电磁感应加热装置10对液态碱金属坩埚2进行加热，蒸发出的液态碱金属蒸汽通过冷凝液态碱金属收集罩5收集；记录下部重量传感器4与上部重量传感器7的读数变化，进而获得在不同真空度与不同不凝气体含量下高温碱金属的相变速率以及传热热阻；记录测量坩埚内外温度的热电偶3和测量冷凝收集罩内外温度的热电偶6测量的温度变化，其中液态碱金属坩埚2内部的温度为液态碱金属的蒸发温度，冷凝液态碱金属收集罩5内部的温度为液态碱金属的冷凝温度；分别拟合下部重量传感器4读数在某蒸发温度变化趋势、上部重量传感器7读数在某冷凝温度变化趋势，即能够获得液态碱金属在特定温度下的蒸发、冷凝速率即相变速率；通过液态碱金属坩埚2与冷凝液态碱金属收集罩5内外温度的变化，基于傅立叶导热定律即能够获得此时吸液芯9的蒸发热阻与冷凝换热热阻；测量结束后，打开第一气体阀门13向密封高温液态碱金属反应容器1中充入氩气，打开液态碱金属蒸汽阀门16和高温液态碱金属阀门19，将密封高温液态碱金属反应容器1中多余的碱金属蒸汽与液态碱金属排出并收集；向液态碱金属坩埚2及冷凝液态碱金属收集罩5中分别铺设不同的吸液芯9再次进行实验。
本发明能够进行高温钠、钾、钠钾及锂金属在金属丝网、金属纤维及泡沫金属型吸液芯内的蒸发与冷凝过程的测量。

Claims (7)

1.一种高温热管碱金属工质蒸发冷凝测量系统，其特征在于：包括氩气保护的密封高温液态碱金属反应容器(1)，密封高温液态碱金属反应容器(1)中设置液态碱金属坩埚(2)、测量坩埚内外温度的热电偶(3)、下部重量传感器(4)、冷凝液态碱金属收集罩(5)、测量冷凝收集罩内外温度的热电偶(6)与上部重量传感器(7)，下部重量传感器(4)设置在液态碱金属坩埚(2)下部，冷凝液态碱金属收集罩(5)设置在液态碱金属坩埚(2)上部，上部重量传感器(7)设置在冷凝液态碱金属收集罩(5)上部，测量坩埚内外温度的热电偶(3)和测量冷凝收集罩内外温度的热电偶(6)以及下部重量传感器(4)和上部重量传感器(7)连接至数据采集系统(8)；液态碱金属坩埚(2)与冷凝液态碱金属收集罩(5)中分别铺有吸液芯(9)；密封高温液态碱金属反应容器(1)与真空分子泵(11)和氩气瓶(12)连接；电磁感应加热装置(10)与液态碱金属坩埚(2)连接，用以加热其中的高温碱金属；氩气瓶(12)通过缠绕加热丝的第一气体阀门(13)将保护气体充入密封高温液态碱金属反应容器(1)中；真空分子泵(11)通过第二气体阀门(14)和防止碱金属碎屑进入真空分子泵(11)的过滤器(15)与密封高温液态碱金属反应容器(1)连接；密封高温液态碱金属反应容器(1)上部设有真空度显示的真空计(18)，密封高温液态碱金属反应容器(1)上部还通过液态碱金属蒸汽阀门(16)连接有碱金属蒸汽净化装置(17)，下部设有排出多余液态碱金属的高温液态碱金属阀门(19)。
2.根据权利要求1所述一种高温热管碱金属工质蒸发冷凝测量系统，其特征在于：采用非接触式电磁感应加热装置(10)对液态碱金属坩埚(2)进行加热，避免接触式加热对下部重量传感器(4)的测量产生影响。
3.根据权利要求1所述一种高温碱金属蒸发冷凝测量系统，其特征在于：采用铺有不同形式的吸液芯(9)的冷凝液态碱金属收集罩(5)及上部重点传感器(7)实现对液态金属冷凝速率的测量。
4.根据权利要求1所述一种高温碱金属蒸发冷凝测量系统，其特征在于：使用氩气瓶(12)通过第一气体阀门(13)向高温液态碱金属反应容器(1)中充入氩气前进行预热，保证蒸发冷凝过程的环境温度可控。
5.根据权利要求1所述一种高温碱金属蒸发冷凝测量系统，其特征在于：测量结束后氩气瓶(12)继续向高温反应容器(1)中充入高温氩气，将多余碱金属液体通过液态碱金属蒸汽阀门(16)送入碱金属蒸汽净化装置(17)中。
6.根据权利要求1至5任一项所述一种高温碱金属蒸发冷凝测量系统的实验方法，其特征在于：测量开始前，向液态碱金属坩埚(2)及冷凝液态碱金属收集罩(5)中分别铺设吸液芯(9)；打开第一气体阀门(13)，使用氩气瓶(12)充氩气对密封高温液态碱金属反应容器(1)进行惰性气体保护；将固态碱金属工质放入液态碱金属坩埚(2)中，对密封高温液态碱金属反应容器(1)进行密封，关闭第一气体阀门(13)、液态碱金属蒸汽阀门(16)和高温液态碱金属阀门(19)；利用真空泵(11)对密封高温液态碱金属反应容器(1)进行抽真空，将密封高温液态碱金属反应容器(1)中氩气抽出后，打开第一气体阀门(13)，再次向密封高温液态碱金属反应容器(1)中充入氩气保护；关闭第一气体阀门(13)，打开第二气体阀门(14)，通过真空泵(11)及真空计(18)控制高温反应容器(1)中的真空度；关闭第二气体阀门(14)，打开第一气体阀门(13)，通过氩气瓶(12)向密封高温液态碱金属反应容器(1)中充入一定量的氩气；关闭第一气体阀门(13)，打开电磁感应加热装置(10)对液态碱金属坩埚(2)进行加热，蒸发出的液态碱金属蒸汽通过冷凝液态碱金属收集罩(5)收集；记录下部重量传感器(4)与上部重量传感器(7)的读数变化，进而获得在不同真空度与不同不凝气体含量下高温碱金属的相变速率以及传热热阻；记录测量坩埚内外温度的热电偶(3)和测量冷凝收集罩内外温度的热电偶(6)测量的温度变化，其中液态碱金属坩埚(2)内部的温度为液态碱金属的蒸发温度，冷凝液态碱金属收集罩(5)内部的温度为液态碱金属的冷凝温度；分别拟合下部重量传感器(4)读数在某蒸发温度变化趋势、上部重量传感器(7)读数在某冷凝温度变化趋势，即能够获得液态碱金属在特定温度下的蒸发、冷凝速率即相变速率；通过液态碱金属坩埚(2)与冷凝液态碱金属收集罩(5)内外温度的变化，基于傅立叶导热定律即能够获得此时吸液芯(9)的蒸发热阻与冷凝换热热阻；测量结束后，打开第一气体阀门(13)向密封高温液态碱金属反应容器(1)中充入氩气，打开液态碱金属蒸汽阀门(16)和高温液态碱金属阀门(19)，将密封高温液态碱金属反应容器(1)中多余的碱金属蒸汽与液态碱金属排出并收集；向液态碱金属坩埚(2)及冷凝液态碱金属收集罩(5)中分别铺设不同的吸液芯(9)再次进行实验。
7.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于：能够进行高温钠、钾、钠钾及锂金属在金属丝网、金属纤维及泡沫金属型吸液芯内的蒸发与冷凝过程的测量。
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