CN113053549A - 一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，包括干湿分离纳米流体储存罐，设置在干湿分离纳米流体储存罐内的电动隔板，与干湿分离纳米流体储存罐底部连通的纳米流体导出管，电动隔板将干湿分离纳米流体储存罐的内腔分隔为纳米流体基液储存腔以及纳米颗粒储存腔，纳米流体基液储存腔内储存纳米流体基液，纳米颗粒储存腔内储存纳米颗粒；纳米流体基液储存腔的顶部连接氮气动力组件，纳米颗粒储存腔内安装高频超声震荡器组。该系统适用性强，短时间可以快速导通并混合纳米流体基液、纳米颗粒，得到高浓度的纳米流体，借助纳米流体的优越特性达到强化换热或提高临界热流密度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及核工程应用领域，具体涉及一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统。
背景技术
目前，纳米流体的制备技术日趋成熟,各种纳米流体的制备手段不断完善,如气相沉积法、一步湿化学法、两步法等多种典型制备纳米流体的方法；各种纳米流体的实验不断开展，多数实验结果表明合理利用纳米流体可以达到强化导热、增强对流传热、强化临界热流的目的；上述纳米流体的特性机理研究已经取得了初步进展，如润湿角、气化核心、麦克斯韦混合理论等多种理论依据。纳米流体的特性与效果使其在材料、化学、物理、传热、医药等领域具有非常巨大的应用前景和经济价值并已得到广泛应用。
对于核能领域，纳米流体的应用主要在冷却换热和应对事故工况等方面。纳米流体的优越特性对核能领域的经济型和提高核电站的固有安全性方面具有重大意义，对于大型换热功率的核电站，纳米流体无疑是一种极具经济效益和提高安全性的理想流体。研究学者也曾提出多种纳米流体应用的方案，如专利公布号为CN104183285B的专利利用纳米流体技术结合能动与非能动设计理念，提出一种反应堆压力容器外部冷却系统；专利公布号为CN105741887B的专利提出一种核电站非能动堆腔注水系统及方法，虽未提及纳米流体，但却是一种具有代表性的措施。
然而,在核能领域纳米流体尚未应用到工程实际中,主要有以下几个方面的问题:1.目前的技术手段无法让纳米流体长时间(最长60年)维持均匀稳定的分散状态；2.工程需要的纳米流体量较大,事故条件下,无法提供能源支持纳米流体系统的运行；3.纳米流体系统的寿命有限,工程实际中不便更换和拆卸；4.纳米流体系统的设置可能会对其它系统产生不利影响。
近年来，为解决上述问题，国内外学者展开的大量的研究和设计。如MIT的Buongiorno等提出了三种采用纳米流体技术的IVR系统设计方案，将一定浓度的纳米流体储存在水箱里，采用了N2罐作为非能动注射的动力；如美国的Kang等参考了APR1400设计概念，提出了纳米流体注射水箱独立系统的设计。
鉴于此，基于广义非能动的理念，结合纳米流体注射系统的需求与研究进展，亟待出现一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统来解决现有的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，包括干湿分离纳米流体储存罐，设置在干湿分离纳米流体储存罐内的电动隔板，与干湿分离纳米流体储存罐底部连通的纳米流体导出管，纳米流体导出管连接系统管道，电动隔板将干湿分离纳米流体储存罐的内腔分隔为上部的纳米流体基液储存腔以及下部的纳米颗粒储存腔，纳米流体基液储存腔内储存纳米流体基液，纳米颗粒储存腔内储存纳米颗粒；
所述纳米流体基液储存腔的顶部连接氮气动力组件，氮气动力组件为纳米流体基液储存腔内的纳米流体基液提供注入动力，所述纳米颗粒储存腔内安装高频超声震荡器组。
进一步，所述氮气动力组件包括高压氮气罐以及氮气供给管，氮气供给管与所述纳米流体基液储存腔上部连通，氮气供给管上设有第一电动阀门。
进一步，所述电动隔板包括电动隔板支架以及电动隔板板面。
进一步，所述高频超声震荡器组由8-16根频率为28-40KHz的超声波震动棒组成。
进一步，所述纳米流体导出管上安装逆止阀、手动球阀以及第二电动阀门。
进一步，所述电动隔板、高频超声震荡器组、第一电动阀门以及第二电动阀门连接控制器，控制器带有蓄电池。
进一步，所述纳米流体基液储存腔内储存的纳米流体基液的体积为4-6m3，纳米流体基液为质量分数10-20％的NaCl溶液，纳米流体基液储存腔的上部分空间内的气体为常压氮气。
进一步，所述纳米颗粒储存腔处于绝对压力小于500Pa的真空状态。
进一步，所述纳米颗粒储存腔内储存的纳米颗粒为20-40kg的直径不超过20nm的纳米颗粒；
纳米颗粒包括金属纳米颗粒：铜、金；非金属单质纳米颗粒：硅，石墨烯；金属氧化物纳米颗粒：氧化铝、二氧化钛；非金属化合物纳米颗粒：碳化硅、氮化硼。
进一步，所述蓄电池配置有逆变器和整流器，蓄电池提供220伏直流电且储能大于20kW·h。
本发明的有益效果为：该系统具有独立性,独立于其它系统，不会对其它系统产生不利影响；采用高压氮气提供注射动力，该系统仅需要蓄电池提供少量能源无需电厂供电,具有广义非能动的特性；该系统使用寿命长，纳米流体基液与纳米颗粒采用干湿分离设计便于储存；该系统适用性强，短时间可以快速导通并混合纳米流体基液、纳米颗粒，得到高浓度的纳米流体，借助纳米流体的优越特性达到强化换热或提高临界热流密度的目的。
综上，本系统的优势如下：
1.该纳米流体注射系统可在短时间内制备高浓度纳米流体并通过高压氮气罐注射到接入的系统或管道，借助纳米流体的优越特性达到强化换热或提高临界热流密度的目的；
2.该纳米流体注射系统采用干湿分离设计，将纳米颗粒与纳米流体基液隔离储存，可有效提高纳米流体注射系统的使用寿命；
3.维持该纳米流体注射系统的正常运行仅需要蓄电池即可满足需求，无需核电站为其提供电源且具有独立性，不会对其它系统产生不利影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明高频超声震荡器组的布置示意图；
图3为本发明电动隔板的电动隔板支架的结构示意图；
图4为本发明电动隔板的电动隔板板面的结构示意图。
具体实施方式
如图1，图2所示，一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，包括干湿分离纳米流体储存罐1，设置在干湿分离纳米流体储存罐1内的电动隔板2，与干湿分离纳米流体储存罐1底部连通的纳米流体导出管3，纳米流体导出管3连接系统管道4，电动隔板2将干湿分离纳米流体储存罐1的内腔分隔为上部的纳米流体基液储存腔5以及下部的纳米颗粒储存腔6，纳米流体基液储存腔5内储存纳米流体基液7，纳米颗粒储存腔6内储存纳米颗粒8；
纳米流体基液储存腔5的顶部连接氮气动力组件，氮气动力组件为纳米流体基液储存腔5内的纳米流体基液提供注入动力，纳米颗粒储存腔6内安装高频超声震荡器组9。
其中，氮气动力组件包括高压氮气罐10以及氮气供给管11，氮气供给管11与纳米流体基液储存腔5上部连通，氮气供给管11上设有第一电动阀门12。
如图3，图4所示，电动隔板2包括电动隔板支架21以及电动隔板板面22。高频超声震荡器组9由8-16根频率为28-40KHz的超声波震动棒组成。
进一步，纳米流体导出管3上安装逆止阀13、手动球阀14以及第二电动阀门15。电动隔板2、高频超声震荡器组9、第一电动阀门12以及第二电动阀门15连接控制器16，控制器16带有蓄电池17，蓄电池17配置有逆变器和整流器，蓄电池提供220伏直流电且储能大于20kW·h。
本实施例中，纳米流体基液储存腔5内储存的纳米流体基液7的体积为4-6m3，纳米流体基液7为质量分数10-20％的NaCl溶液，纳米流体基液储存腔5的上部分空间内的气体为常压氮气。纳米颗粒储存腔6处于绝对压力小于500Pa的真空状态。
纳米颗粒储存腔6内储存的纳米颗粒8为20-40kg的直径不超过20nm的纳米颗粒；
纳米颗粒包括金属纳米颗粒：铜、金；非金属单质纳米颗粒：硅，石墨烯；金属氧化物纳米颗粒：氧化铝、二氧化钛；非金属化合物纳米颗粒：碳化硅、氮化硼。
事故工况前，纳米流体基液7和纳米颗粒8分别位于干湿分离纳米流体储存罐1的上部分空间1和下部分空间11，手动球阀14处于常开状态，其它电动阀门处于关闭状态。当事故发生时，控制器16收到启动信号后，电动隔板2启动，此时上部的纳米流体基液储存腔5与下部的纳米颗粒储存腔6处于连通状态，纳米流体基液7和纳米颗粒8混合，其中电动隔板板面收缩，电动隔板支架部分则对混合流体起到搅拌的作用；30s后，控制器16开启高频超声震荡器组9，超声震荡600s；而后，分别开启第一电动阀门12和第二电动阀门15；在高压氮气罐10的作用下，干湿分离纳米流体储存罐1内的高浓度纳米流体通过纳米流体导出管3被注入到堆腔中，该过程所需要的能源仅由蓄电池17提供；随着堆腔注水的增加和堆腔内原有注入的水，高浓度的纳米流体被稀释，而反应堆压力容器外表面逐渐形成纳米涂层，进而强化反应堆压力容器下表面的CHF。
该系统具有独立性,独立于其它系统，不会对其它系统产生不利影响；采用高压氮气提供注射动力，该系统仅需要蓄电池提供少量能源无需电厂供电,具有广义非能动的特性；该系统使用寿命长，纳米流体基液与纳米颗粒采用干湿分离设计便于储存；该系统适用性强，短时间可以快速导通并混合纳米流体基液、纳米颗粒，得到高浓度的纳米流体，借助纳米流体的优越特性达到强化换热或提高临界热流密度的目的。
综上，该纳米流体注射系统可在短时间内制备高浓度纳米流体并通过高压氮气罐注射到接入的系统或管道，借助纳米流体的优越特性达到强化换热或提高临界热流密度的目的；该纳米流体注射系统采用干湿分离设计，将纳米颗粒与纳米流体基液隔离储存，可有效提高纳米流体注射系统的使用寿命；维持该纳米流体注射系统的正常运行仅需要蓄电池即可满足需求，无需核电站为其提供电源且具有独立性，不会对其它系统产生不利影响。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，包括干湿分离纳米流体储存罐，设置在干湿分离纳米流体储存罐内的电动隔板，与干湿分离纳米流体储存罐底部连通的纳米流体导出管，纳米流体导出管连接系统管道，其特征在于，电动隔板将干湿分离纳米流体储存罐的内腔分隔为上部的纳米流体基液储存腔以及下部的纳米颗粒储存腔，纳米流体基液储存腔内储存纳米流体基液，纳米颗粒储存腔内储存纳米颗粒；
所述纳米流体基液储存腔的顶部连接氮气动力组件，氮气动力组件为纳米流体基液储存腔内的纳米流体基液提供注入动力，所述纳米颗粒储存腔内安装高频超声震荡器组。
2.根据权利要求1所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，其特征在于，所述氮气动力组件包括高压氮气罐以及氮气供给管，氮气供给管与所述纳米流体基液储存腔上部连通，氮气供给管上设有第一电动阀门。
3.根据权利要求2所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，其特征在于，所述电动隔板包括电动隔板支架以及电动隔板板面。
4.根据权利要求3所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，其特征在于，所述高频超声震荡器组由8-16根频率为28-40KHz的超声波震动棒组成。
5.根据权利要求4所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，其特征在于，所述纳米流体导出管上安装逆止阀、手动球阀以及第二电动阀门。
6.根据权利要求5所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，其特征在于，所述电动隔板、高频超声震荡器组、第一电动阀门以及第二电动阀门连接控制器，控制器带有蓄电池。
7.根据权利要求5所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，其特征在于，所述纳米流体基液储存腔内储存的纳米流体基液的体积为4-6m3，纳米流体基液为质量分数10-20％的NaCl溶液，纳米流体基液储存腔的上部分空间内的气体为常压氮气。
8.根据权利要求5所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，其特征在于，所述纳米颗粒储存腔处于绝对压力小于500Pa的真空状态。
9.根据权利要求5所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，其特征在于，所述纳米颗粒储存腔内储存的纳米颗粒为20-40kg的直径不超过20nm的纳米颗粒；
纳米颗粒包括金属纳米颗粒：铜、金；非金属单质纳米颗粒：硅，石墨烯；金属氧化物纳米颗粒：氧化铝、二氧化钛；非金属化合物纳米颗粒：碳化硅、氮化硼。
10.根据权利要求6所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体注射系统，其特征在于，所述蓄电池配置有逆变器和整流器，蓄电池提供220伏直流电且储能大于20kW·h。
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