CN113686918A - 液态铅铋合金与sco2回路耦合换热特性研究实验系统 - Google Patents

液态铅铋合金与sco2回路耦合换热特性研究实验系统 Download PDF

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CN113686918A CN202111045978.6A CN202111045978A CN113686918A CN 113686918 A CN113686918 A CN 113686918A CN 202111045978 A CN202111045978 A CN 202111045978A CN 113686918 A CN113686918 A CN 113686918A
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张智刚
刘宏
杜海粟
张鼎
马瑶龙
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Abstract

本发明提供了一种液态铅铋合金与SCO2回路耦合换热特性研究实验系统，包括液态铅铋合金实验回路、超临界二氧化碳实验回路、印刷电路板换热器及4PLC控制柜；所述液态铅铋合金实验回路和超临界二氧化碳实验回路通过印刷电路板换热器耦合在一起，所述4PLC控制柜控制两个回路系统的流量、加热器功率，获得大量的实验数据；本发明可以进行液态铅铋合金换热机理试验研究，也可完成高效、紧凑换热器研发实验研究，可实现在印刷电路板换热器中研究液态铅铋合金和超临界二氧化碳两种工质耦合换热特性，掌握适用于该两种工质的印刷电路板换热器换热计算方法；同时该试验装置也可完成液态铅铋合金单管或单通道内流动换热特性研究。

Description

液态铅铋合金与SCO2回路耦合换热特性研究实验系统
技术领域
本发明涉及一种耦合换热特性研究实验系统，具体涉及一种液态铅铋合金与SCO2回路耦合换热特性研究实验系统。
背景技术
在第四代核反应堆中，铅合金冷却快中子堆(LFR)采用液态铅合金(主要是液态LBE)作为反应堆的冷却剂，其具有良好的非能动安全特性和经济性，且有利于实现小型化，是国际核能领域研究的热点。目前，国内外对液态铅铋换热特性的研究还不够充分，现有的文献中所体现的试验数据都比较久远，并且数量有限，因此有必要充分的研究液态铅铋换热特性。
布雷顿循环多以理想气体为介质，超临界二氧化碳(S-CO2)是一种介于气体和液体之间的特殊状态的流体，它兼有气体和液体的双重性质和优点。以超临界二氧化碳为工作流体的布雷顿循环具有独特的换热及流动特性与釆用蒸汽动力循环的系统相比，系统热效率更高，而且占地面积小，投资小等优点。
以液态铅铋合金为冷却工质的小型高效核动力反应堆是国际上核能发展的前沿领域，液态铅铋合金和超临界二氧化碳耦合换热形式的小型反应堆更适合建设在边远山区，孤远岛礁等地，并且也在航空航天、深海探测等军民融合领域具有重大应用前景。由于超临界二氧化碳的流动和传热与一般的强迫对流换热规律不同，液态液态铅铋合金与超临界二氧化碳的流动传热特性以及二者间的耦合换热特性尚在探索中。为了实现紧凑便捷、移动普适、高效可靠等小堆发展目标，开展一回路液态金属与二回路超临界二氧化碳耦合换热特性实验研究，掌握液态液态铅铋合金与超临界二氧化碳为工质的紧凑、高效型换热器设计计算方法具有重要的理论意义与实践价值。
发明内容
本发明的目的是为了研究液态铅铋合金与超临界(近临界区)二氧化碳两种工质在印刷电路板换热器中的耦合换热换热特性，研究液态铅铋合金流动及换热机理，掌握应用两种工质的印刷电路板换热器的换热计算方法，弥补液态铅铋合金流动和换热试验数据的不足。实验获得成果可用于指导铅铋合金快堆二回路液态铅铋和超临界二氧化碳高效、紧凑型换热器的设计。
本发明的技术方案是：
一种液态铅铋合金与SCO2回路耦合换热特性研究实验系统，包括液态铅铋合金实验回路、超临界二氧化碳实验回路、印刷电路板换热器及4PLC控制柜；所述液态铅铋合金实验回路和超临界二氧化碳实验回路通过印刷电路板换热器耦合在一起，所述4PLC控制柜控制两个回路系统的流量、加热器功率，获得大量的实验数据；
液态铅铋合金回路主要包括：铅铋合金罐与高压氮气瓶相连接，并与铋合金罐连接，高压氮气瓶用于实验系统吹扫，同时用于将铅铋罐内液态铅铋合金压入铋合金罐，铋合金罐出口依次连接液态铅铋合金流量计、液态铅铋合金泵、单通道铅铋合金换热实验段、液态铅铋合金加热器、印刷电路板换热器，单通道铅铋合金换热实验段联接至铅铋合金罐；
超临界二氧化碳回路主要包括：高压二氧化碳气瓶与超临界二氧化碳稳压罐连接，通过气瓶向超临界二氧化碳实验回路充入二氧化碳气体，超临界二氧化碳稳压罐出口依次连接二氧化碳气体流量计、超临界二氧化碳气体加热器、印刷电路板换热器、超临界二氧化碳气体冷却器、及二氧化碳压气机。
超临界二氧化碳回路内的高压气体在二氧化碳压气机作用下在管路内循环流动，为维持试验安全稳定运行，利用超临界二氧化碳气体加热器控制进入印刷电路板换热器内的气体温度，换热后的高压气体采用超临界二氧化碳气体冷却器进行冷却，冷却至满足二氧化碳压气机进口温度要求。
超临界二氧化碳气体冷却器内为工质水和超临界二氧化碳换热。
本发明相比现有技术具有以下有益效果：
(1)该实验系统可以进行液态铅铋合金换热机理试验研究，也可完成高效、紧凑换热器研发实验研究。该实验装置可实现在印刷电路板换热器中研究液态铅铋合金和超临界二氧化碳两种工质耦合换热特性，掌握适用于该两种工质的印刷电路板换热器换热计算方法；同时该试验装置也可完成液态铅铋合金单管或单通道内流动换热特性研究，弥补现有文献中铅铋合金在不同壁温或常热流条件下的实验数据，有助于研究液态铅铋合金的换热机理及流动特性；
(2)该实验装置可以进行不同通道结构形式、通道直径条件下印刷电路板换热器内工质换热和流动特性研究工作；
(3)单通道铅铋合金换热实验段设置旁路，并设置了调节阀门，可以灵活的调整流过单通道的流量，单通道试验段在试验系统中采用高强度法兰连接，便于更换，可以进行不同壁面温度及热流密度条件下的换热特性研究；
(4)管路系统采用电热带维持管路温度，并多处设置温度监测点，监控管路壁温，防止管路局部出现温度过冷，低于液态铅铋合金凝固点，发生实验管路堵塞；
(5)印刷电路板换热器入口设置管路加热器，加热器采用可调功率形式，可以灵活调整进入印刷电路板换热器液态铅铋合金温度，便于实现多工况条件下两种工质(液态铅铋合金和超临界二氧化碳流体)在印刷电路板换热器内的换热特性研究；
(6)该实验系统中铅铋合金罐1布置在实验系统最低点，实验结束后液态铅铋合金管路内的液态铅铋合金依靠重力可全部流回到铅铋合金罐1，确保管路内不残留液态铅铋合金，防止再次启动实验时出现管路堵塞的现象；
(7)在超临界二氧化碳稳压罐出口至印刷电路板换热器进口管路设置管路加热器，确保二氧化碳气体进入印刷电路板换热器前温度高于液态铅铋合金凝固点温度，防止实验过程中液态铅铋合金在印刷电路板换热器的微通道内凝固；
(8)液态铅铋合金单通道换热特性研究、液态铅铋合金与超临界二氧化碳耦合换热特性研究共用了一套铅铋回路系统，实现换热机理试验研究与液态铅铋合金与超临界二氧化碳耦合换热特性研究同时进行，节省了液态铅铋合金实验研究工作的时间，同时节省液态铅铋合金换热机理研究试验台架搭建费用。
(9)实验系统采用PLC控制或小型DCS控制系统，可准确和及时的监测实验系统的温度和压力，准确的进行阀门调整，实验系统更容易实现在规划的实验工况稳定运行，所获得的测量结果与实际流动和换热特性更为接近。
附图说明
图1为液态铅铋合金与SO2回路耦合换热研究实验方案图；
图2为印刷电路板换热器壳体；
图3为印刷电路板换热器芯体；
1-1铅铋合金罐1、1-2铋合金罐2、1-3液态铅铋合金流量计1、1-4液态铅铋合金泵、1-5液态铅铋合金加热器、1-6单通道铅铋合金换热实验段、1-7液态铅铋合金流量计2、1-8高压氮气瓶；2-1二氧化碳压气机、2-2超临界二氧化碳稳压罐、2-3二氧化碳气体流量计、2-4；高压二氧化碳气瓶、2-5超临界二氧化碳气体冷却器、2-6超临界二氧化碳气体加热器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明申请作进一步的说明：
发明涉及一种液态铅铋合金(LBE)及超临界二氧化碳(S-CO2)两种流体耦合换热实验研究、液态铅铋合金在不同热流密度和壁温条件下的换热特性、及液态铅铋合金与超临界二氧化碳两种工质耦合换热的印刷电路板换热器换热性能的研究等。属于液态铅铋合金流动及换热、及换热器换热特性研究实验系统。
本发明所提出的液态液态铅铋合金与超临界二氧化碳耦合换热的实验系统，可以满足液态铅铋合金流动和换热特性机理研究，也可以实现液态液态铅铋合金与超临界二氧化碳回路耦合换热印刷电路板换热器换热性能研究，该发明的所获得的成果可以弥补液态铅铋合金换热特性实验数据的短缺，并且可以指导液态铅铋合金和超临界二氧化碳回路耦合换热的印刷电路板换热器设计，为第四代反应堆能与超临界二氧化碳耦合发电，同时也可为深海、航空航天核动力设备冷却装置设计提供技术支持，因此该实验系统的提出意义重大。
该实验系统包括四个部分，液态铅铋合金实验回路、超临界二氧化碳实验回路、印刷电路板换热器及4PLC控制柜；所述液态铅铋合金实验回路和超临界二氧化碳实验回路通过印刷电路板换热器耦合在一起，进而实现液态铅铋合金和超临界二氧化碳两种工质在印刷电路板换热器内换热特性研究，通过4PLC控制柜控制两个回路系统的流量、加热器功率等参数，获得大量的实验数据。总结出针对液态铅铋合金和超临界二氧化碳两种工质的印刷电路板换热器设计计算方法。系统方案详见附图：液态铅铋合金与SO2回路耦合换热研究实验方案图。
液态铅铋合金回路主要包括：1-1铅铋合金罐、1-2铋合金罐、1-3液态铅铋合金流量计、1-4液态铅铋合金泵、1-5液态铅铋合金加热器、1-6单通道铅铋合金换热实验段、1-7液态铅铋合金流量计、1-8高压氮气瓶，此外还包括管道加热带、高压氮气管路、压力及温度测点；
1-1铅铋合金罐与1-8高压氮气瓶相连接，并与1-2铋合金罐连接，1-8高压氮气瓶用于实验系统吹扫，防止实验过程中铅铋合金实验回路内存在空气，影响试验效果。同时用于将1-1铅铋罐内液态铅铋合金压入1-2铋合金罐，1-2铋合金罐出口依次连接1-3液态铅铋合金流量计、1-4液态铅铋合金泵、1-6单通道铅铋合金换热实验段、1-5液态铅铋合金加热器、3印刷电路板换热器。
1-6单通道铅铋合金换热实验段主要用于单管内液态铅铋合金流动和换热机理研究，该实验可与液态铅铋合金和超临界二氧化碳耦合换热试验同时进行，更有利于提出换热器换热方法。1-6单通道铅铋合金换热实验段设置管路，联接至1-1铅铋罐1，便于试验结束后，管路系统内的液态铅铋合金流回至1-1铅铋罐1。
超临界二氧化碳回路主要包括：2-1二氧化碳压气机、2-2超临界二氧化碳稳压罐、2-3二氧化碳气体流量计、2-4高压二氧化碳气瓶、2-5超临界二氧化碳气体冷却器、2-6超临界二氧化碳气体加热器，此外还包括冷却水管路、压力及温度测点。
2-4高压二氧化碳气瓶与2-2超临界二氧化碳稳压罐连接，通过气瓶向超临界二氧化碳实验回路充入二氧化碳气体，2-2超临界二氧化碳稳压罐出口依次连接2-3二氧化碳气体流量计、2-6超临界二氧化碳气体加热器、3印刷电路板换热器、2-5超临界二氧化碳气体冷却器、及2-1二氧化碳压气机。2超临界二氧化碳回路内的高压气体在2-1二氧化碳压气机作用下可在管路内循环流动，为维持试验安全稳定运行，利用2-6超临界二氧化碳气体加热器控制进入3印刷电路板换热器内的气体温度，换热后的高压气体采用2-5超临界二氧化碳气体冷却器进行冷却，冷却至满足2-1二氧化碳压气机进口温度要求。2-5超临界二氧化碳气体冷却器内为工质水和超临界二氧化碳换热，可以实现二氧化碳和水换热特性的研究，换热器结构形式可以为印刷电路板形式或其他结构形式。
印刷电路板换热器主要包括：直通通、S通道、Z型通道等多种形式的印刷电路板换热器。3印刷电路板换热器将液态铅铋合金实验回路和超临界二氧化碳实验回路耦合在一起，研究两种工质在该种形式换热器的换热特性，总结出该种形式换热器换热计算方法。
PLC控制柜主要作用：液态铅铋合金回路与超快临界二氧化碳实验回路各温度、压力测点的监控、需要操作阀门的自动调整功能等控制系统。实验系统采用PLC控制系统，可以保证印刷电路板换热器进出口温度、流量在相对稳定的工况下运行，采集的实验数据准确度更高。
实验内容主要为了获得直通道、S型通道、Z型通道及翼型通道印刷电路板换热器换热计算方法、单通道内液态铅铋合金流动和换热特性、近临界区超临界二氧化碳的换热特性等。实验所获得的的成果可以应用于第四代铅铋合金发电的反应堆系统中。
(1)直通道印刷电路板换热器换热特性研究
当高温的液态铅铋合金通过刷电路板换热器将热量传递到超临界二氧化碳回路的二氧化碳工质时，可通过调整液态铅铋合金和超临界二氧化碳的流量、温度等手段，获得在直通道的印刷电路板中两种工质的换热特性，并总结出基于液态合金和超临界二氧化碳两种工质直通道印刷电路板换热器换热及阻力计算方法；
(2)其他通道形式印刷电路板换热器换热特性研究
采用(1)所述技术方案针对不同通道形式的印刷电路板换热器，包括但不限于S型通道、Z型通道及翼型通道进行换热和阻力特性研究，总结基于液态合金和超临界二氧化碳两种工质每一种换热器形式的换热和阻力计算方法；
(3)单通道内液态铅铋合金流动和换热特性研究
液态铅铋合金实验回路中设置了旁路单通道试验段，可研究在不同流量、壁温、热流密度、通道直径、及通道形式条件下液态铅铋合金的换热机理，弥补现有文献试验数据的不足，同时利用现有的技术手段，可更准确的掌握液态铅铋合金的换热特性。
(4)近临界区超临界二氧化碳的换热特性研究
通过调整二氧化碳的压力及流量，研究在近临界区内，基于液态合金和超临界二氧化碳两种工质直通道印刷电路板换热器换热特性，总结基于液态合金和超临界二氧化碳两种工质每一种换热器形式在超临界二氧化碳近临界区换热和阻力计算方法；
本发明提供了一种应用也液态铅铋合金与超临界二氧化碳耦合换热的实验系统；利用该实验系统总结出针对液态铅铋合金与超临界二氧化碳两种工质印刷电路板换热器设计计算方法；液态铅铋合金实验回路设置了旁路系统，具备单管内液态铅铋合金流动和换热特性的研究，弥补现有液态铅铋合金流动和换热机理研究实验数据的不足；液态铅铋合金实验回路管路均有5～10°的倾角，实验结束后，便于液态铅铋合金回收，不出现铅铋合金管路堵塞的现象；铅铋合金实验回路设置氮气吹扫管路，实验前进行系统管路吹扫，防止实验过程中，系统管路存在空气引起管路及换热器腐蚀；在二氧化碳实验回路中设置气体加热器，对进入印刷电路板换热器气体进行加热，维持气体温度在150℃以上，有效防止换热器内液态铅铋合金出现过冷凝固的现象；实验系统可以进行多种结构形式(直通道、S型通道、Z型通道及翼型通道)及不同通道直径的印刷电路板换热器的实验研究工作，提出最佳换热器强化换热的结构；液态铅铋合金实验回路中设置了电加热器，可维持进入印刷电路板换热器温度的恒定，利用获得稳定换热状态下实验数据；液态铅铋合金实验回路设置了电伴热及管路壁温监控系统，利于实现稳定换热，同时避免液态铅铋合金在管路内出现凝结现象；该实验系统采用PLC自动控制系统，通过PLC控制印刷电路板换热器进口液态铅铋合金流量和温度，及超临界二氧化碳气体流量和温度，容易获得不同工况稳定运行数据；该实验系统进行液态铅铋合金和超临界二氧化碳耦合换热实验研究的同时，可以进行液态铅铋合金单管内换热机理研究，及超临界二氧化碳和水的换热特性研究工作；液态铅铋合金实验回路和超临界二氧化碳实验回路均为密闭实验管路系统，液态铅铋合金及超临界二氧化碳不会泄漏到空气中，实验系统安全性高；
该发明专利提出的液态铅铋合金与超临界二氧化碳回路耦合换热特性研究实验系统，重金属也适用于液态铅、液态钠等其他金属形式，高压气体侧也适用于氦气等其它气体；该发明专利提出基于液态铅铋合金与超临界二氧化碳耦合换热的印刷电路板换热器，也可采用其他形式的微通道换热器；该发明专利提出液态铅铋合金流动和换热机理研究试验段，包括了流量、壁温、热流密度、管径等对流动和换热特性的影响；该发明专利提出超临界二氧化碳实验回路，也可考虑增加超临界二氧化碳流动和换热特性研究试验段，同样包括流量、壁温、热流密度、管径等对流体流动和换热特性的影响；该发明专利提出超临界二氧化碳实验回路，可以实现超临界二氧化碳和水或其他冷却工质换热特性的研究工作；该发明专利提出液态铅铋合金流动和换热机理研究试验段，可以采用多个不同管径或不同边界条件下并联的管路系统同时进行多个单管道内液态铅铋合金流动和换热特性的研究工作。实验研究所获得的成果应用不限于核反应堆、鱼雷、航空航天等特殊设备及场所，其可广泛应用于涉及到液态铅铋和超临界二氧化碳换热的所有换热设备中。
本发明实验方案
(1)铅铋合金罐1内装入实验要求用量的固态铅铋合金，启动罐外壁加热带及融化罐内加热棒，使固态铅铋合金快速熔化；
(2)启动铅铋合金罐2外壁加热带及液态铅铋合金管路系统加热带，加热液态铅铋合金罐2及管路，使加热管和管路系统壁温高于200℃；
(3)铅铋合金罐1内的固态铅铋合金熔化后，将氮气瓶与铅铋合金罐1上方氮气接口对接，打开阀门充氮，利用高压氮气将液态铅铋合金全部压入铅铋合金罐2，打开液态铅铋合金罐2上方氮气放散阀，释放罐体压力；
(4)利用高压二氧化碳气瓶向二氧化碳稳压罐及回路内充二氧化碳气体，使其压力达到10MPa，关闭系统充气阀门；
(5)启动超临界二氧化碳试验回路电加热器，启动二氧化碳气体压缩机，二氧化碳气体在回路内循环流动，利用加热器加热二氧化碳气体，维持进入印刷电路板换热器超临界二氧化碳流体温度高于200℃，同时启动汽水冷却器冷却水系统，使进入二氧化碳压缩机气体的温度维持在100℃以下，监测印刷电路板换热器外壁温度，当换热器外壁温度高于150℃时，可以启动液态铅铋合金泵，进入实验；
(6)启动1-4液态铅铋合金泵，按照规划好的实验工况，调节铅铋合金泵的转速，使管道内流量达到实验要求数值，启动1-5液态铅铋合金加热器，调整加热功率，经过多次循环后使液态铅铋合金达到实验工况温度；
(7)实验调整过程中，借助4PLC自动控制系统，连锁超临界二氧化碳加热器和超临界二氧化碳循环回路2-5超临界二氧化碳气体冷却器，不断调整加热器功率及给水系统流量，维持各监测点温度在试验所允许的范围内波动；
(8)每一个工况点在达到稳定运行状态后5～10分钟，可进行3印刷电路板换热器的下一个工况的调整，所有试验测点数据均为4PLC自动控制系统自动采集；
(9)液态铅铋合金单管道试验段设置旁路流量计1-7液态铅铋合金流量计和调节阀门，可以单独调整实验工况，完成不同壁温或热流密度工况条件下的实验研究工作，壁温及热流密度均采用电加热设备准确控制。
(10)通过调整液态铅铋合金和超临界二氧化碳的流量、温度等参数进行多工况条件下的实验研究工作，获得充足的实验数据；
(11)试验完成后，打开各连接1-1铅铋合金罐1的阀门，同时停止1-4液态铅铋合金泵，液态铅铋合金依靠重力作用流回到1-1液态铅铋合金罐1；
(12)实验停止过程中，借助4PLC自动控制系统，连锁2-6超临界二氧化碳加热器和2-5超临界二氧化碳气体冷却器，不断调整加热器功率及给水系统流量，维持进入3印刷电路板换热器的超临界二氧化碳温度在200℃以上，防止液态铅铋合金在印刷电路板换热器的为通道内凝结，同时维持进入2-1二氧化碳压缩机工质温度低于100℃，保护2-1二氧化碳压缩机；
(13)当铅铋合金罐1内液态铅铋合金回收量达到实验启动前液位时，关停2-1超临界二氧化碳压缩机及2-5超临界二氧化碳气体冷却器，同时关停液态铅铋合金回路和超临界二氧化碳回路的所有加热带及加热器。
(14)待再次进行换热实验时按照第一次的实验要求和实验步骤进行。
(15)单通道试验段、及印刷电路板换热器设计均考虑可更换性，可以研究多种形式管道及换热器的换热特性。更换液态铅铋合金回路不同形式的单管道试验段，更换不同通道形式的印刷电路板换热器进行(1)至(14)步实验研究工作；
(16)将超临界二氧化碳压力调整到近临界区8MPa左右，进行不同通道形式的印刷电路板换热器进行(1)至(14)步实验研究工作；
最终完成基于液态铅铋合金和超临界二氧化碳两种工质在不同形式的印刷电路板换热器的换热特性研究，完成单通道条件下液态铅铋合金流动和换热特性研究，完成基于液态铅铋合金和近临界区内二氧化碳两种工质在不同形式的印刷电路板换热器的换热特性研究。形成液态铅铋合金和超临界(近临界区)二氧化印刷电路板换热器换热计算方法。

Claims (3)

1.一种液态铅铋合金与SCO2回路耦合换热特性研究实验系统，其特征在于，包括液态铅铋合金实验回路、超临界二氧化碳实验回路、印刷电路板换热器及4PLC控制柜；所述液态铅铋合金实验回路和超临界二氧化碳实验回路通过印刷电路板换热器耦合在一起，所述4PLC控制柜控制两个回路系统的流量、加热器功率，获得大量的实验数据；
液态铅铋合金回路主要包括：铅铋合金罐与高压氮气瓶相连接，并与铋合金罐连接，高压氮气瓶用于实验系统吹扫，同时用于将铅铋罐内液态铅铋合金压入铋合金罐，铋合金罐出口依次连接液态铅铋合金流量计、液态铅铋合金泵、单通道铅铋合金换热实验段、液态铅铋合金加热器、印刷电路板换热器，单通道铅铋合金换热实验段联接至铅铋合金罐；
超临界二氧化碳回路主要包括：高压二氧化碳气瓶与超临界二氧化碳稳压罐连接，通过气瓶向超临界二氧化碳实验回路充入二氧化碳气体，超临界二氧化碳稳压罐出口依次连接二氧化碳气体流量计、超临界二氧化碳气体加热器、印刷电路板换热器、超临界二氧化碳气体冷却器、及二氧化碳压气机。
2.根据权利要求1所述的一种液态铅铋合金与SCO2回路耦合换热特性研究实验系统，其特征在于，超临界二氧化碳回路内的高压气体在二氧化碳压气机作用下在管路内循环流动，为维持试验安全稳定运行，利用超临界二氧化碳气体加热器控制进入印刷电路板换热器内的气体温度，换热后的高压气体采用超临界二氧化碳气体冷却器进行冷却，冷却至满足二氧化碳压气机进口温度要求。
3.根据权利要求1所述的一种液态铅铋合金与SCO2回路耦合换热特性研究实验系统，其特征在于，超临界二氧化碳气体冷却器内为工质水和超临界二氧化碳换热。
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