CN113432465B - 一种高温热管工质净化充装装置及方法 - Google Patents

一种高温热管工质净化充装装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温热管工质净化充装装置及方法，该装置包括惰性气体储存罐、液态金属净化系统、液态金属充装系统、热管管壳、加热器、冷凝器、真空站等。惰性气体储存罐提供惰性气体以净化回路和预防工质氧化；液态金属净化系统针对含杂质液态金属进行蒸馏净化；液态金属充装系统实现液态金属的真空蒸馏产生高纯度金属蒸气；热管管壳储存高纯度金属蒸气；加热器和冷凝器对金属工质进行加热和冷却；真空站保证装置维持一定的真空度。本发明利用工质的相变进行液态金属的净化和充装，结构简单，应用前景广阔。

Description

一种高温热管工质净化充装装置及方法
技术领域
本发明涉及相变换热设备技术领域，具体涉及一种高温热管工质净化充装装置及方法。
背景技术
热管是一种利用工质相变(蒸发和冷凝)的非能动传热设备，其通过重力、毛细力、向心力等作用维持工质循环。相比于传统传热设备，热管具有结构简单、传热效率高、等温性好、非能动等特性。热管可根据不同的工作温度范围选用不同工质。因而，热管具有广阔的应用前景。然而，高温热管一般采用液态金属作为工质，由于液态金属性质活泼，工质的净化和充装限制了热管的工作性能和服役周期。本设计针对液态金属高温热管，提出了一种高温热管工质净化充装装置及方法，为高温热管的制造提供参考。
发明内容
为保证高温热管的可靠制造，本发明通过一种高温热管工质净化充装装置及方法，本装置结构简化，利用工质的相变进行液态金属的净化和充装，结构简单，应用前景广阔。
为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种高温热管工质净化充装装置，包括惰性气体储存罐1、第一连接阀门2、液态金属净化系统3、第二连接阀门4、第三连接阀门5、液态金属充装系统6、第四连接阀门7、皮拉尼真空计8、第五连接阀门9、加热器10、热管管壳冷凝器11、热管管壳12、第六连接阀门13、第二冷凝器14和真空站15；所述液态金属净化系统3包括透光盖板31、液态金属储存室32、净化系统加热器33、液态金属34和超声波振子35，透光盖板31通过法兰连接液态金属储存室32顶部，液态金属储存室32侧壁面安装有净化系统加热器33，液态金属储存室32底部安装有超声波振子35，液态金属34储存于液态金属储存室32内部；所述液态金属充装系统6包括红外辐射器61、聚光盖板62、高纯度液态金属储存室63、高纯度液态金属64、冷凝板65和充装系统加热器66，高纯度液态金属储存室63上方通过法兰依次连接聚光盖板62和红外辐射器61，高纯度液态金属储存室63内储存有高纯度液态金属64，高纯度液态金属储存室63底部安装有冷凝板65，高纯度液态金属储存室63侧壁面安装有充装系统加热器66；所述惰性气体储存罐1通过第一连接阀门2连接到液态金属净化系统3内的液态金属34，金属蒸气管道穿过透光盖板31经第二连接阀门4连接至液态金属充装系统6的高纯度液态金属64，高纯度金属蒸气管道穿过聚光盖板62和红外辐射器61经第四连接阀门7和第五连接阀门9连接至热管管壳12，热管管壳外部设置有热管管壳加热器10和热管管壳冷凝器11；第四连接阀门7和第五连接阀门9之间设置有皮拉尼真空计8，第四连接阀门7和第五连接阀门9之间经第六连接阀门13和冷凝器14连接至真空站15，惰性气体管道穿过侧壁经第三连接阀门5和冷凝器14连接至真空站15。
所述净化系统加热器33加热液态金属34熔化，超声波振子35振荡液态金属34，惰性气体由惰性气体储存罐1通过第一连接阀门2进入液态金属34，惰性气体携带液态金属34中的杂质经第三连接阀门5和冷凝器14到达真空站15。
所述液态金属34经净化系统加热器33加热产生金属蒸气经第二连接阀门4到达高纯度液态金属储存室63内部，金属蒸气经过冷凝板65冷凝转变为高纯度液态金属64。
所述高纯度液态金属64通过充装系统加热器66加热达到沸点下1～5℃，红外辐射器61产生红外辐射经聚光盖板62达到高纯度液态金属64，高纯度液态金属64转变为高纯度金属蒸气，高纯度金属蒸气经第四连接阀门7和第五连接阀门9到达热管管壳12内部，金属蒸气经过热管管壳冷凝器11冷凝转变为液态金属。
所述高纯度液态金属储存室63内的不凝气体经第四连接阀门7、第六连接阀门13和冷凝器14到达真空站15，热管管壳12内的不凝气体经第五连接阀门9、第六连接阀门13和冷凝器14到达真空站15，真空度由皮拉尼真空计8读出。
所述液态金属储存室32中储存的液态金属为钾、钠、锂、铅、汞、银或铯；所述惰性气体储存罐1中储存的惰性气体为氮气、氦气、氩气或氖气。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明中净化系统加热器33加热液态金属34熔化可去除液态金属34中挥发性杂质；超声波振子35振荡液态金属34，惰性气体通过液态金属34可部分去除液态金属34中不易挥发的杂质；液态金属34产生金属蒸气经冷凝板65冷凝转变为高纯度液态金属64可去除液态金属34中不易挥发的杂质；高纯度液态金属64转变为高纯度金属蒸气经过冷凝器12冷凝转变为高纯度液态金属可避免液体和固体充装堵塞充液管的问题，可以随时进行充装，实现充液量的控制。
本发明针对液态金属高温热管工质净化和充装的问题，提出一种一种高温热管工质净化充装装置及方法，可实现高温热管的高质量充装，提升高温热管的制造水平。
附图说明
图1为高温热管蒸馏净化充装装置的示意图
具体实施方式
现结合实例、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工质净化充装装置，包括惰性气体储存罐1、第一连接阀门2、液态金属净化系统3、第二连接阀门4、第三连接阀门5、液态金属充装系统6、第四连接阀门7、皮拉尼真空计8、第五连接阀门9、加热器10、热管管壳冷凝器11、热管管壳12、第六连接阀门13、第二冷凝器14和真空站15；所述液态金属净化系统3包括透光盖板31、液态金属储存室32、净化系统加热器33、液态金属34和超声波振子35，透光盖板31通过法兰连接液态金属储存室32顶部，液态金属储存室32侧壁面安装有净化系统加热器33，液态金属储存室32底部安装有超声波振子35，液态金属34储存于液态金属储存室32内部；所述液态金属充装系统6包括红外辐射器61、聚光盖板62、高纯度液态金属储存室63、高纯度液态金属64、冷凝板65和充装系统加热器66，高纯度液态金属储存室63上方通过法兰依次连接聚光盖板62和红外辐射器61，高纯度液态金属储存室63内储存有高纯度液态金属64，高纯度液态金属储存室63底部安装有冷凝板65，高纯度液态金属储存室63侧壁面安装有充装系统加热器66；所述惰性气体储存罐1通过第一连接阀门2连接到液态金属净化系统3内的液态金属34，金属蒸气管道穿过透光盖板31经第二连接阀门4连接至液态金属充装系统6的高纯度液态金属64，高纯度金属蒸气管道穿过聚光盖板62和红外辐射器61经第四连接阀门7和第五连接阀门9连接至热管管壳12，热管管壳外部设置有热管管壳加热器10和热管管壳冷凝器11；第四连接阀门7和第五连接阀门9之间设置有皮拉尼真空计8，第四连接阀门7和第五连接阀门9之间经第六连接阀门13和冷凝器14连接至真空站15，惰性气体管道穿过侧壁经第三连接阀门5和冷凝器14连接至真空站15。
所述净化系统加热器33加热液态金属34熔化，超声波振子35振荡液态金属34，惰性气体由惰性气体储存罐1通过第一连接阀门2进入液态金属34，惰性气体携带液态金属34中的杂质经第三连接阀门5和冷凝器14到达真空站15。
所述液态金属34经净化系统加热器33加热产生金属蒸气经第二连接阀门4到达高纯度液态金属储存室63内部，金属蒸气经过冷凝板65冷凝转变为高纯度液态金属64。
所述高纯度液态金属64通过充装系统加热器66加热达到沸点下1～5℃，红外辐射器61产生红外辐射经聚光盖板62达到高纯度液态金属64，高纯度液态金属64转变为高纯度金属蒸气，高纯度金属蒸气经第四连接阀门7和第五连接阀门9到达热管管壳12内部，金属蒸气经过热管管壳冷凝器11冷凝转变为液态金属。
所述高纯度液态金属储存室63内的不凝气体经第四连接阀门7、第六连接阀门13和冷凝器14到达真空站15，热管管壳12内的不凝气体经第五连接阀门9、第六连接阀门13和冷凝器14到达真空站15，真空度由皮拉尼真空计8读出。
作为本发明的优选实施方式，所述液态金属储存室32中储存的液态金属为钾、钠、锂、铅、汞、银或铯；所述惰性气体储存罐1中储存的惰性气体为氮气、氦气、氩气或氖气。
本发明的工作原理为：将常温下为固态的金属工质装入液态金属储存室32，整个装置密封，开启真空站15和冷凝器14，打开所有连接阀门，待皮拉尼真空计8达到真空站15的真空度时，关闭所有连接阀门；打开净化系统加热器33熔化固态的金属工质为液态金属34；打开第一连接阀门2和第三连接阀门5，打开超声波振子35，待真空站15内检测不到杂质时关闭第一连接阀门2和第三连接阀门5；提升净化系统加热器33的功率使得液态金属34沸腾产生金属蒸气；打开第二连接阀门4和冷凝板65，金属蒸气冷凝为高纯度液态金属64，待冷凝足够的高纯度液态金属64后关闭第二连接阀门4、净化系统加热器33和超声波振子35；关闭冷凝板65，打开充装系统加热器66，将高纯度液态金属64加热至沸点以下1～5℃；打开红外辐射器61，红外辐射通过聚光盖板62加热高纯度液态金属64产生高纯度金属蒸气；打开第四连接阀门7和第五连接阀门9，打开热管管壳加热器10和热管管壳冷凝器11，金属蒸气在热管管壳12内部冷凝为液态金属；待充入所需的液态金属后，关闭红外辐射器61和热管管壳加热器10，关闭第四连接阀门7；打开第六连接阀门13，真空站15对热管管壳12再次进行抽真空，通过皮拉尼真空计8确定真空度，待真空度达到后，封焊热管管壳15，关闭装置。

Claims (7)

1.一种高温热管工质净化充装装置，其特征在于：包括惰性气体储存罐(1)、第一连接阀门(2)、液态金属净化系统(3)、第二连接阀门(4)、第三连接阀门(5)、液态金属充装系统(6)、第四连接阀门(7)、皮拉尼真空计(8)、第五连接阀门(9)、热管管壳加热器(10)、热管管壳冷凝器(11)、热管管壳(12)、第六连接阀门(13)、冷凝器(14)和真空站(15)；所述液态金属净化系统(3)包括透光盖板(31)、液态金属储存室(32)、净化系统加热器(33)、液态金属(34)和超声波振子(35)，透光盖板(31)通过法兰连接液态金属储存室(32)顶部，液态金属储存室(32)侧壁面安装有净化系统加热器(33)，液态金属储存室(32)底部安装有超声波振子(35)，液态金属(34)储存于液态金属储存室(32)内部；所述液态金属充装系统(6)包括红外辐射器(61)、聚光盖板(62)、高纯度液态金属储存室(63)、高纯度液态金属(64)、冷凝板(65)和充装系统加热器(66)，高纯度液态金属储存室(63)上方通过法兰依次连接聚光盖板(62)和红外辐射器(61)，高纯度液态金属储存室(63)内储存有高纯度液态金属(64)，高纯度液态金属储存室(63)底部安装有冷凝板(65)，高纯度液态金属储存室(63)侧壁面安装有充装系统加热器(66)；所述惰性气体储存罐(1)通过第一连接阀门(2)连接到液态金属净化系统(3)内的液态金属(34)，金属蒸气管道穿过透光盖板(31)经第二连接阀门(4)连接至液态金属充装系统(6)的高纯度液态金属(64)，高纯度金属蒸气管道穿过聚光盖板(62)和红外辐射器(61)经第四连接阀门(7)和第五连接阀门(9)连接至热管管壳(12)，热管管壳外部设置有热管管壳加热器(10)和热管管壳冷凝器(11)；第四连接阀门(7)和第五连接阀门(9)之间设置有皮拉尼真空计(8)，第四连接阀门(7)和第五连接阀门(9)之间经第六连接阀门(13)和冷凝器(14)连接至真空站(15)，惰性气体管道穿过液态金属储存室(32)侧壁经第三连接阀门(5)和冷凝器(14)连接至真空站(15)。
2.根据权利要求1所述一种高温热管工质净化充装装置，其特征在于：所述净化系统加热器(33)加热液态金属(34)熔化，超声波振子(35)振荡液态金属(34)，惰性气体由惰性气体储存罐(1)通过第一连接阀门(2)进入液态金属(34)，惰性气体携带液态金属(34)中的杂质经第三连接阀门(5)和冷凝器(14)到达真空站(15)。
3.根据权利要求1所述一种高温热管工质净化充装装置，其特征在于：所述液态金属(34)经净化系统加热器(33)加热产生金属蒸气经第二连接阀门(4)到达高纯度液态金属储存室(63)内部，金属蒸气经过冷凝板(65)冷凝转变为高纯度液态金属(64)。
4.根据权利要求1所述一种高温热管工质净化充装装置，其特征在于：所述高纯度液态金属(64)通过充装系统加热器(66)加热达到沸点下1～5℃，红外辐射器(61)产生红外辐射经聚光盖板(62)达到高纯度液态金属(64)，高纯度液态金属(64)转变为高纯度金属蒸气，高纯度金属蒸气经第四连接阀门(7)和第五连接阀门(9)到达热管管壳(12)内部，金属蒸气经过热管管壳冷凝器(11)冷凝转变为液态金属。
5.根据权利要求1所述一种高温热管工质净化充装装置，其特征在于：所述高纯度液态金属储存室(63)内的不凝气体经第四连接阀门(7)、第六连接阀门(13)和冷凝器(14)到达真空站(15)，热管管壳(12)内的不凝气体经第五连接阀门(9)、第六连接阀门(13)和冷凝器(14)到达真空站(15)，真空度由皮拉尼真空计(8)读出。
6.根据权利要求1所述一种高温热管工质净化充装装置，其特征在于：所述液态金属储存室(32)中储存的液态金属为钾、钠、锂、铅、汞、银或铯；所述惰性气体储存罐(1)中储存的惰性气体为氮气、氦气、氩气或氖气。
7.权利要求1至6任一项所述的高温热管工质净化充装装置的工作方法，其特征在于：将常温下为固态的金属工质装入液态金属储存室(32)，整个装置密封，开启真空站(15)和冷凝器(14)，打开所有连接阀门，待皮拉尼真空计(8)达到真空站(15)的真空度时，关闭所有连接阀门；打开净化系统加热器(33)熔化固态的金属工质为液态金属(34)；打开第一连接阀门(2)和第三连接阀门(5)，打开超声波振子(35)，待真空站(15)内检测不到杂质时关闭第一连接阀门(2)和第三连接阀门(5)；提升净化系统加热器(33)的功率使得液态金属(34)沸腾产生金属蒸气；打开第二连接阀门(4)和冷凝板(65)，金属蒸气冷凝为高纯度液态金属(64)，待冷凝足够的高纯度液态金属(64)后关闭第二连接阀门(4)、净化系统加热器(33)和超声波振子(35)；关闭冷凝板(65)，打开充装系统加热器(66)，将高纯度液态金属(64)加热至沸点以下1～5℃；打开红外辐射器(61)，红外辐射通过聚光盖板(62)加热高纯度液态金属(64)产生高纯度金属蒸气；打开第四连接阀门(7)和第五连接阀门(9)，打开热管管壳加热器(10)和热管管壳冷凝器(11)，金属蒸气在热管管壳(12)内部冷凝为液态金属；待充入所需的液态金属后，关闭红外辐射器(61)和热管管壳加热器(10)，关闭第四连接阀门(7)；打开第六连接阀门(13)，真空站(15)对热管管壳(12)再次进行抽真空，通过皮拉尼真空计(8)确定真空度，待真空度达到后，封焊热管管壳(12)，关闭装置。
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