CN113155221B - 一种液态金属流量计及铅铋冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种液态金属流量计，包括中空管道，所述中空管道的管道内部提供待测液态金属的流动空间，该中空管道的管道壁由内向外依次包括绝缘层、耐热层、金属隔层、以及具有真空隔热层的双层壳体层；位于中空管道上且相对设置的至少一对传感器孔位；以及设置在该一对传感器孔位中的一对探针传感器。本发明的流量计能够精确测量液态金属的流量，从而为铅冷快堆回路中的流体物理量测量问题提供技术支撑。同时本发明还提出了一种铅铋冷却系统。

Description

一种液态金属流量计及铅铋冷却系统

技术领域

本发明涉及核工业应用领域，尤其是涉及一种液态金属流量计和铅铋冷却系统。

背景技术

近年来，世界各国提出了许多新概念的反应堆设计和核燃料循环方案。其中，铅或铅铋合金的原子质量更高，中子能谱更硬，燃料增殖和焚烧性能比钠冷快堆更佳。铅或铅铋合金的化学性质呈惰性，不与水和空气发生剧烈化学反应，不需要中间冷却回路，也可在常压下运行，可采用自然循环对流冷却，具有非能动安全特性，使得回路系统和安全系统较为简单，具有很好安全性和经济性。因此，研发建设铅铋冷试验快堆是满足我国未来能源发展和需求的重要途径，是解决我国能源稳定、可靠、经济和清洁供应问题的重大战略难题。

铅/铅铋堆的主要仪器设备的参数和特性大多与流速相关。由于缺失高精度的标准流量计，无法对关键仪器进行标定，也影响了对关键设备和关键材料进行验证的可信度。从而间接制约了相关关键技术的突破。而要实现高温铅/铅铋熔液的流体场精确测量，关键仪器是高精度流量计。因而，研发能够测量高温铅/铅铋合金流场的高精度流量计是建设综合实验系统最重要的支撑性条件。

通过对现有技术的调研可以发现，潜在高温金属流体流量测量主要有以下6种方法：

1)卡门涡街法

Manabu Iguchi等人分别测量了80℃的液态伍德合金和1400℃液态生铁的流速。M.Hana等人用卡门涡街探针测量了结晶器内弯月面处钢液的流速。当流体绕流圆柱体时，发生边界层分离，形成卡门涡街，其衰减频率与流体流速相关。并且当雷诺数大于40时，衰减频率与圆柱体的振动频率相等。卡门涡街法就是利用这个关系，通过测量圆柱体振动频率来获得流体流速。但是，该方法受流体雷诺数、透入深度与圆柱体直径比的限制。

2)机械光学法

S.Eckert等人开发了机械光学探针用于测量液态金属的流速。该装置顶端是一个锥形的玻璃管。锥形玻璃管置于流体中，受力发生弹性变形，通过玻璃管后端的敏感光学测量元件测量变形量，从而根据变形量与流速的关系计算获得流体流速。但是该装置可靠性较低。

3)超声波多普勒法

超声波多普勒法是通过测量流体中微小颗粒反射的回波相位的变化，来获得流体的速度。但是由于超声波测速仪发射周期性的脉冲超声波，测量的最大速度和深度都受到限制，而且还受探针传感器与金属液体润滑程度的限制。

4)电磁感应成像法

R.Binns等人采用电磁感应成像法获得了连铸过程中浸入式水口内的流场分布。该方法利用激磁线圈对导电金属流体施加交变磁场，从而在金属流体中感生电流，感生电流反过来也对磁场分布产生影响。利用监测线圈监测磁场的变化来分析流体的流场。但是该方法分辨率较低，并且外加磁场穿透能力有限，无法准确获得流场中心区域的分布。

5)电势探针法

与电磁感应成像法施加交变激励磁场不同，感应电势法对金属流体施加恒定磁场。导电流体流过恒定激磁磁场时，产生感应电动势，其大小与外加磁场和流体流速相关。利用电势探针的两个电极测量两点之间电势差，即可计算出电极间流体的流速。电势探针尺寸小，结构简单，减小了对流场的影响。然而，这类方法测量的信号大小与外加磁场成正比，对于大通道应用场合，由于所加磁场强度不强，电极间的电压信号只有几毫伏，容易受外部电磁噪音干扰。

6)Vives探针法

Ricou和Vives等人采用永磁体提供激磁磁场，并采用4个两组电极测量正交两个方向的电势，从而获得流体的流速矢量。但是该装置采用了永磁体，其对温度敏感，不能用于高温环境。因此，Hayashi H,Becker A等人利用电磁体取代永磁体来改进装置，应用于更高的温度场合。但是，不论永磁体还是电磁体，其工作温度有限，不能满足铅/铅铋熔液的高温需求。

虽然在物理原理上，国内外已经对金属熔液流体测量进行了大量研究，并有仪器制造商推出过相关产品。但由于铅铋堆回路实验装置中铅/铅铋熔液流体是高温大流量，其比重大且对探针传感器有严重侵蚀作用。因此，上述方法均不适用于测量系统。虽然上述铅/铅铋熔液综合测量系统在工程上实现了对潜在技术路线的可行性验证，但是由于流体场不能精确测得，依然无法满足铅冷快堆中关键科学问题研究的需要，也不能支撑我国建立具有自主知识产权的铅铋堆设计与评估理论。为了满足相关科学研究的需要，必须构建铅基熔液综合测量系统，其核心部件是重金属流体的高精度、高分辨率二维流量计。

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发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种液态金属流量计和铅铋冷却系统，为解决铅冷快堆回路中的流体物理量测量问题提供技术支撑；有助于研发适用于铅铋熔液回路的控制、辅助系统；能够探索在重金属熔液不同流体场条件下的流体及热工特性、强磁场下重金属熔液电磁特性、材料在高温金属熔液侵蚀下的表面物理化学性能及与熔液相互作用等相关科学规律。

根据本发明的目的提出的一种液态金属流量计，包括

中空管道，所述中空管道的管道内部提供待测液态金属的流动空间，该中空管道的管道壁由内向外依次包括绝缘层、耐热层、金属隔层、以及具有真空隔热层的双层壳体层；

位于所述中空管道上且相对设置有至少一对传感器孔位，每一个所述传感器孔位贯穿该中空管道的管道壁，所述传感器孔位由内向外依次包括至少三分段，其中第一分段位于所述绝缘层，第二分段位于所述耐热层和金属隔层，第三分段位于所述双层壳体层，所述第一分段到所述第三分段的孔开口大小依次增大；

设置在该传感器孔位中的探针传感器，所述探针传感器包括探头、限位块、和探针主体，

其中，所述探头穿过所述第一分段并露出在所述绝缘层的内壁上，所述限位块的大小介于所述第二分段和所述第一分段的孔开口大小之间，并埋入在该第二分段中，所述探针主体露出于第三分段并向所述中空管道的外侧延伸，

当该探针传感器被置入对应的传感器孔位之后，在所述限位块上设置压盖，所述压盖将所述限位块固定在所述第二分段中，使得限位块形成对该传感器孔位的封闭。

优选的，所述绝缘层为所述待测液态金属的非反应材质，且其熔点至少大于所述待测液态金属的温度。

优选的，所述绝缘层为氧化铝。

优选的，所述耐热层为耐热纤维。

优选的，所述金属隔层为钢。

优选的，所述双层壳体层为非导磁不锈钢。

优选的，所述第二分段的孔底部设有密封垫圈，所述探针传感器的限位块压紧该密封垫圈，且所述探头透过该密封进入所述第一分段的孔内。

优选的，所述第二分段的孔侧面设有云母绝缘层，所述限位块埋入所述第二分段的孔内时，与所述云母绝缘层之间充分接触。

优选的，所述第二分段和第三分段的孔交接台阶处，设有若干个螺孔，所述压盖通过所述若干个落空以螺丝固定的方式固定在该第二分段和第三分段的孔交接台阶上，并且向下抵住所述限位块。

优选的，所述中空管道的两端设有法兰，所述法兰与所述中空管道之间设有密封垫圈。

优选的，所述探针主体的尾部通过导线连接到一电信号处理装置中，所述电信号处理装置用以获取由所述探针传感器产生的电信号并转化为待测液态金属的流速或流量。

根据本发明的目的提出的一种液态金属流量计，包括

绝缘管，该绝缘管的管道内部提供待测液态金属的流动空间；

耐热管，套设在所述绝缘管外侧并紧贴该绝缘管；

金属套管，套设在该耐热管外侧；

真空隔热管，套设在所述金属套管的外侧，该真空隔热管由中间具有真空隔热层的双层壳体构成，其外壁构成所述液体金属流量计的外壳；

至少一对对称设置的传感器孔位，所述传感器孔位分别贯穿所述真空隔热管、金属套管、耐热管和绝缘管，所述传感器孔位由内向外依次包括至少三分段，其中第一分段位于所述绝缘管的管壁上，第二分段位于所述金属套管和耐热管的管壁上，第三分段位于所述真空隔热管的管壁上，所述第一分段到所述第三分段的孔开口大小依次增大；

设置在该传感器孔位中的探针传感器，所述探针传感器包括探头、限位块、和探针主体，

其中，所述探头穿过所述第一分段并露出在所述绝缘管的内壁上；所述限位块的大小介于所述第二分段和所述第一分段的孔开口大小之间，并埋入在该第二分段中；所述探针主体露出于第三分段向所述真空隔热管的外侧延申，

当该探针传感器置入对应的传感器孔位之后，在所述限位块上设置压盖，所述压盖将所述限位块固定在所述第二分段中，使得限位块形成对该传感器孔位的封闭。

优选的，所述绝缘管为所述待测液态金属的非反应材质，且其熔点至少大于所述待测液态金属的温度。

优选的，所述绝缘管的材质为氧化铝。

优选的，所述耐热管为耐热纤维。

优选的，所述金属套管为钢套管。

优选的，所述真空隔热管的双层壳体为非导磁不锈钢。

优选的，所述第二分段的孔底部设有密封垫圈，所述探针传感器的限位块压紧该密封垫圈，且所述探头透过该密封进入所述第一分段的孔内。

优选的，所述第二分段的孔侧面设有云母绝缘层，所述限位块埋入所述第二分段的孔内时，与所述云母绝缘层之间充分接触。

优选的，所述第二分段和第三分段的孔交接台阶处，设有若干个螺孔，所述压盖通过所述若干个落空以螺丝固定的方式固定在该第二分段和第三分段的孔交接台阶上，并且向下抵住所述限位块。

优选的，所述绝缘管、耐热管、金属套管和真空隔热管共享两个端部，该两个端部设有法兰，所述法兰与真空隔热管之间设有密封垫圈。

优选的，所述探针主体的尾部通过导线连接到一电信号处理装置中，所述电信号处理装置用以获取由所述探针传感器产生的电信号并转化为待测液态金属的流速或流量。

根据本发明的又一目的提出的一种铅铋冷却系统，通过液态铅铋混合金属进行冷却，其特征在于：包括冷却管路，以及接入在所述冷却管路中的如上所述的液态金属流量计。

由于铅铋堆回路实验装置中铅/铅铋熔液流体是高温大流量，其比重大且对探针传感器有严重侵蚀作用，因此本发明的流量计与现有技术相比，具有如下的技术优势：

第一、本发明的双探针传感器伸入到管道内壁，可以与待测的液态金属进行接触，确保了流量计测量的准确性。

第二、通过处探针传感器孔的结构设计，可与防止铅/铅铋熔液泄漏，以及保证电极探针与钢筒等导电材料之间绝缘，使得本发明的流量计的可靠性和安全性得到保证。

第三、由于本发明的多层管体设计，能够让流量计的外部空间与内部液态金属之间的温度隔离，确保外部空间中处于超导所需的低温环境中，提高了期间检测的灵敏性，达到高精度和高分辨率的效果。

附图说明

图1为本发明的液态金属流量计的示意图；

图2为本发明的液态金属流量计的剖面图；

图3为传感器孔位的局部放大图；

图4为带有探针传感器的液态金属流量计剖面图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

实施例一

请参见图1，图1是本发明第一实施方式下的液态金属流量计示意图，如图所示，该液态金属流量计包括中空管道10，位于中空管道10上且相对设置的至少一对传感器孔位20，设置在中空管道10两端的法兰30。

请参见图2，中空管道10的管道内部提供待测液态金属的流动空间，该中空管道10的管道壁由内向外依次包括绝缘层11、耐热层12、金属隔层13、以及具有真空隔热层的双层壳体层14。

绝缘层11作为中空管道10的最内侧，其内壁直接与待测液态金属接触，因此需要用待测液态金属的非反应材质来制作该绝缘层11，并且对于一些液态金属而言，其温度可以达到200℃以上，因此绝缘层11的熔点应该至少大于待测液态金属的温度。以铅铋合金而言，由于其具有较强的腐蚀性，所以适用氧化铝作为该绝缘层11的材质，既可以满足绝缘和不被腐蚀的效果，又可以适应液态铅铋合金的温度。

耐热层12包裹在绝缘层11外侧，一方面，由于绝缘层11上的温度较高，需要能够在此高温下具有稳定特性的材料，另一方面，需要为绝缘层11提供一定的缓冲力，防止外侧的金属隔层13对绝缘层11进行刚性接触而导致绝缘层11损坏。在一种实施例中，该耐热层12选用耐热纤维材质制作而成。

金属隔层13为内部的管道(主要是绝缘层11)起到保护作用，防止外界冲击对内部管道造成损坏。该金属隔层13优选为非导磁钢，可以避免对内部管道空间造成磁屏蔽。

双层壳体层14由两层壳体夹一层真空层形成，利用真空的隔热性，可以将管内的热量隔离，这样在最外层壳体上，可以将温度降低到室温的水平，这样一来，流量计内部的待测液态金属温度几乎不对流量计外部空间造成影响，可以在流量计外部空间放置一些需要低温工作的高灵敏度器件，比如超导材料构成的电压或电流表，使得流量计输出的电信号能够被精确的传导和识别，提高器件的测量精度。优选的，该双层壳体层14同样选用非导磁钢材质制作而成，可以避免对内部管道空间造成磁屏蔽。

请参见图3，每一个传感器孔位20贯穿该中空管道10的管道壁。传感器孔位20由内向外依次包括至少三分段，其中第一分段21位于绝缘层11上，第二分段22位于金属隔层13和耐热层12上，第三分段23位于双层壳体层14上，第一分段到所述第三分段的孔开口大小依次增大，从而在每两个分段的交界面上形成台阶。

请参见图4，在每个传感器孔位20中设有探针传感器40，该探针传感器40包括探头41、限位块42和探针主体43。其中，探头41穿过第一分段21并露出在绝缘层11的内壁上，该探头42的粗细与第一分段21的孔开口大小相当，使得该探头42能够较为紧密的嵌入在该第一分段21的孔中。当内部空间中有液态金属流过时，该探头41可与液态金属接触，从而将液态金属在磁场中流动形成的电流传导至外部。

限位块42设置在靠近探头41的位置，其大小介于第二分段22和第一分段21的孔开口大小之间，并埋入在该第二分段22中。限位块42上方设置压盖26，压盖26将限位块42固定在第二分段22中，使得限位块42形成对该传感器孔位的封闭。优选的，在第二分段22的孔底部设有密封垫圈27，探针传感器40的限位块42压紧该密封垫圈27，且探头41透过该密封进入所述第一分段的孔内。密封圈27被限位块42压紧后，既可以形成对下方第一分段21的密封，放置液态金属通过探头41与第一分段21之间的孔间隙渗透至上方第二分段22的空间内，同时又可以形成对限位块42的缓冲垫，防止限位块42刚性接触下方的绝缘层11造成损坏。

优选的，在第二分段22的孔侧面设有云母绝缘层25。一方面，该云母绝缘层25可以让探针传感器40与中空管道10的各层金属层之间实现绝缘，另一方面，该云母绝缘层25可以填补一部分空间，使得限位块42埋入第二分段22的孔内后，其大小正好能与该孔开口大小相当，并与云母绝缘层之间充分接触，从而固定该限位块42，减少其侧向的晃动。

探针主体43露出于第三分段23且向中空管道10的外侧延伸，该探针主体43的尾部通过导线连接到一电信号处理装置中(图中未示出)，该电信号处理装置用以获取由探针传感器产生的电信号并转化为待测液态金属的流速或流量值。较优的，导线和/或电信号处理装置可以放置在超导环境中，从而可以选用导电性能更为优异的超导材料制作导线和/或信号处理装置中的导电材料部分，以提高测量的精度和灵敏度。

请再参见图3，在第二分段22和第三分段23的孔交接台阶处，设有若干个螺孔24，压盖26通过该若干个螺孔24以螺丝固定的方式固定在该第二分段22和第三分段23的孔交接台阶上，并且向下抵住限位块42。

请再参见图2，法兰30设置在中空管道10的两端，该法兰30用以将本发明的流量计与其它管道对接，从而使流量计能够在一具有液态金属的流通通路中实现对液态金属的流量测量。较优的，法兰30通过螺丝32固定在中空管道10上，并且与中空管道10之间设有密封垫圈31，用来防止液态金属从接缝处渗漏。

实施例二

请同样参照图2，在实施例二中，本发明的液态金属流量计，通过将中空管道的各层替换成4个套筒的方式进行设置，包括绝缘管，该绝缘管的管道内部提供待测液态金属的流动空间；耐热管，套设在所述绝缘管外侧并紧贴该绝缘管；金属套管，套设在该耐热管外侧；真空隔热管，套设在所述金属套管的外侧，该真空隔热管由中间具有真空隔热层的双层壳体构成，其外壁构成所述液体金属流量计的外壳；传感器孔位和法兰则对应设置在各个套筒的侧壁和两端，位置和实施例一中的相同。该实施例二中的其它技术特征与实施例一相同，在此不再赘述。

最后，应用上述液态金属流量计，本发明还提出了一种铅铋冷却系统，通过液态铅铋混合金属进行冷却，该冷却系统包括冷却管路，冷却管路用以供液态的铅铋金属流通，以实现对目标物热量的吸收，在冷却管路的某一段中接入本发明的液态金属流量计，实现对液态铅铋金属的流量测量。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (17)

1.一种液态金属流量计，其特征在于：包括

中空管道，所述中空管道的管道内部提供待测液态金属的流动空间，该中空管道的管道壁由内向外依次包括绝缘层、耐热层、金属隔层、以及具有真空隔热层的双层壳体层，所述待测液态金属为铅铋合金，所述绝缘层的材质为氧化铝层；

位于所述中空管道上且相对设置有至少一对传感器孔位，每一个所述传感器孔位贯穿该中空管道的管道壁，所述传感器孔位由内向外依次包括至少三分段，其中第一分段位于所述绝缘层，第二分段位于所述耐热层和金属隔层，第三分段位于所述双层壳体层，所述第一分段到所述第三分段的孔开口大小依次增大；

设置在该传感器孔位中的探针传感器，所述探针传感器包括探头、限位块、和探针主体，

其中，所述探头穿过所述第一分段并露出在所述绝缘层的内壁上，所述限位块的大小介于所述第二分段和所述第一分段的孔开口大小之间，并埋入在该第二分段中，所述探针主体露出于第三分段并向所述中空管道的外侧延伸，所述第二分段的孔侧面设有云母绝缘层，所述限位块埋入所述第二分段的孔内时，与所述云母绝缘层之间充分接触，

当该探针传感器被置入对应的传感器孔位之后，在所述限位块上设置压盖，所述压盖将所述限位块固定在所述第二分段中，使得限位块形成对该传感器孔位的封闭。

2.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述耐热层为耐热纤维。

3.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述金属隔层为钢。

4.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述双层壳体层为非导磁不锈钢。

5.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述第二分段的孔底部设有密封垫圈，所述探针传感器的限位块压紧该密封垫圈，且所述探头透过该密封进入所述第一分段的孔内。

6.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述第二分段和第三分段的孔交接台阶处，设有若干个螺孔，所述压盖通过所述若干个螺孔以螺丝固定的方式固定在该第二分段和第三分段的孔交接台阶上，并且向下抵住所述限位块。

7.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述中空管道的两端设有法兰，所述法兰与所述中空管道之间设有密封垫圈。

8.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述探针主体的尾部通过导线连接到一电信号处理装置中，所述电信号处理装置用以获取由所述探针传感器产生的电信号并转化为待测液态金属的流速或流量。

9.一种液态金属流量计，其特征在于：包括

绝缘管，该绝缘管的管道内部提供待测液态金属的流动空间，所述待测液态金属为铅铋合金，所述绝缘管的材质为氧化铝层；

耐热管，套设在所述绝缘管外侧并紧贴该绝缘管；

金属套管，套设在该耐热管外侧；

真空隔热管，套设在所述金属套管的外侧，该真空隔热管由中间具有真空隔热层的双层壳体构成，其外壁构成所述液态金属流量计的外壳；

至少一对对称设置的传感器孔位，所述传感器孔位分别贯穿所述真空隔热管、金属套管、耐热管和绝缘管，所述传感器孔位由内向外依次包括至少三分段，其中第一分段位于所述绝缘管的管壁上，第二分段位于所述金属套管和耐热管的管壁上，第三分段位于所述真空隔热管的管壁上，所述第一分段到所述第三分段的孔开口大小依次增大；

设置在该传感器孔位中的探针传感器，所述探针传感器包括探头、限位块、和探针主体，

其中，所述探头穿过所述第一分段并露出在所述绝缘管的内壁上；所述限位块的大小介于所述第二分段和所述第一分段的孔开口大小之间，并埋入在该第二分段中；所述探针主体露出于第三分段向所述真空隔热管的外侧延伸，所述第二分段的孔侧面设有云母绝缘层，所述限位块埋入所述第二分段的孔内时，与所述云母绝缘层之间充分接触，

当该探针传感器置入对应的传感器孔位之后，在所述限位块上设置压盖，所述压盖将所述限位块固定在所述第二分段中，使得限位块形成对该传感器孔位的封闭。

10.如权利要求9所述的液态金属流量计，其特征在于：所述耐热管为耐热纤维。

11.如权利要求9所述的液态金属流量计，其特征在于：所述金属套管为钢套管。

12.如权利要求9所述的液态金属流量计，其特征在于：所述真空隔热管的双层壳体为非导磁不锈钢。

13.如权利要求9所述的液态金属流量计，其特征在于：所述第二分段的孔底部设有密封垫圈，所述探针传感器的限位块压紧该密封垫圈，且所述探头透过该密封进入所述第一分段的孔内。

14.如权利要求9所述的液态金属流量计，其特征在于：所述第二分段和第三分段的孔交接台阶处，设有若干个螺孔，所述压盖通过所述若干个螺孔以螺丝固定的方式固定在该第二分段和第三分段的孔交接台阶上，并且向下抵住所述限位块。

15.如权利要求9所述的液态金属流量计，其特征在于：所述绝缘管、耐热管、金属套管和真空隔热管共享两个端部，该两个端部设有法兰，所述法兰与真空隔热管之间设有密封垫圈。

16.如权利要求9所述的液态金属流量计，其特征在于：所述探针主体的尾部通过导线连接到一电信号处理装置中，所述电信号处理装置用以获取由所述探针传感器产生的电信号并转化为待测液态金属的流速或流量。

17.一种铅铋冷却系统，通过液态铅铋混合金属进行冷却，其特征在于：包括冷却管路，以及接入在所述冷却管路中的如权利要求1-16任意一项所述的液态金属流量计。