CN113808766B - 一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统 - 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冷却回路系统，属于核工程应用领域，该系统包括纳米流体粒度检测仪、纳米流体分散罐、回路管道设备，所述纳米流体粒度检测仪的前端设置取样盒；所述纳米流体分散罐内部设置有高频超声振动分散器组、搅拌器、过滤网各个设备的启动采用控制器进行控制。本发明的有益效果如下：本发明所述的系统可以作为压水堆核电站的多种冷却回路的系统(如一回路冷却系统、关键设备冷却系统等),利用纳米流体的强化传热特性达到更高的冷却效率。
Description
技术领域
本发明属于核工程应用领域，具体涉及一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统。
背景技术
纳米流体是指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质，这是纳米技术应用于热能工程这一传统领域的创新性的研究。纳米流体在能源、化工、汽车、建筑、微电子、信息等领域具有巨大的潜在应用前景，从而成为材料、物理、化学、传热学等众领域的研究热点。
实验研究表明：采用适当的纳米流体可以达到强化传热和强化传热表面临界热流的目的。目前,纳米流体已经在材料、化学、物理、传热、医药等领域得到广泛应用，如专利CN105737402A提出一种三维纳米脉动热超导CPC中高温太阳能集热器，利用纳米流体强化传热。
在核能领域,纳米流体主要设想应用在严重事故工况下,利用的是纳米流体强化表面临界热流的性质,如专利CN104183285B，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CN101720489A提出一种在应急情况下使用纳米颗粒的核电设备及相关方法；美国MIT的Buongiorno等人利用纳米流体,提出一种强化IVR滞留能力的堆腔注水方案等。
然而,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的理想流体，纳米流体的物理性质与纯水十分相近，但导热系数却远远高于纯水。纳米流体作为主冷却剂应用到核电站的一回路或者关键大型设备的冷却的设计却寥寥无几,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(至少1年)维持均匀稳定的分散状态；2)作为主冷却剂,纳米流体的稳定性调节试剂,如有机大分子试剂、pH调节试剂的使用严重受到限制；3)聚集后的纳米颗粒团聚粒子有可能会对泵或管路造成危害。
发明内容
针对现有技术中所存在的问题，本发明的目的是提供一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统。该系统主要以纳米流体替代传统的冷却剂水，利用纳米流体强化传热的性质，达到更高的传热效率。系统设置了纳米流体检测和分散装置，并采用控制器形成闭环控制，从而确保纳米流体的分散性，进而维持系统正常运作。
本发明的技术方案如下：
一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统，包括纳米流体粒度检测仪、纳米流体分散罐、控制器及回路管道设备，所述纳米流体粒度检测仪的前端设置有取样盒，所述纳米流体分散罐内设有搅拌器、高频超声振动分散器组、过滤网，各个设备的开启可由控制器进行控制。该系统主要将以水作为冷却剂的冷却回路改进为换热系数更高的纳米流体，同时设置了纳米流体分散和检测装置，形成闭环控制以维持纳米流体的分散性。
进一步地，所述的纳米流体分散罐内的顶部位置设置有均匀排列的搅拌器，底部位置设置有均匀排列的高频超声振动分散器组，出口位置设置有过滤颗粒大于1600nm的过滤网。
进一步地，所述的纳米流体粒度检测仪的工作压力为1-10bar、工作温度为20-90℃、检测范围为4-1600nm；工作环境温度为0-100℃,工作环境压力为0.5-4bar。
进一步地，所述的取样盒与纳米流体冷却回路冷管段相连，其结构包含热交换器、减压器和储存箱。
进一步地，所述的取样盒的储存箱内贮存有纳米颗粒，可向纳米流体冷却回路添加导热系数大于300W/(m·K)的纳米材料颗粒。
进一步地，所述的纳米流体冷却回路采用体积浓度为0.5-1*10-4％的粒径在8-40nm范围的导热系数大于300W/(m·K)的纳米材料颗粒(如铜、金、石墨烯纳米颗粒等)的纳米流体。
更进一步地，所述的纳米材料颗粒为铜、金、石墨烯纳米颗粒。
进一步地，所述的冷却回路设置有稳压器、冷却器、泵等设备以维持回路系统正常运行。
进一步地，所述的控制器具有接收和发射信号功能,可按照检测数据执行启停动作,从而完成闭环控制纳米流体稳定性的功能。
本发明的有益效果在于，采用发明所述的纳米流体冷却回路系统，具有如下的显著效果：
(1)采用纳米流体作为冷却回路的冷却剂，具有更高的换热效率和更好的经济性能；(2)相对于传统的冷却回路系统,增设了纳米流体分散和检测装置，闭环检测和控制纳米流体的分散状况,可靠性更强。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中的一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统的结构示意图。
图中，1.纳米流体粒度检测仪1a.取样盒2.控制器3.纳米流体分散罐3a.搅拌器3b.高频超声振动分散器组3c.过滤网3d.纳米流体4.冷却对象5.稳压器6.冷却器7.泵8.纳米流体冷却回路系统
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
近年来，有关纳米流体技术的研究日趋成熟。纳米流体的优越性质使其有望应用于核能领域。本发明从纳米流体应用于压水堆核电站冷却回路的角度出发，提出一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统，下面以压水堆核电站一回路正常运行工况为例，介绍该纳米流体冷却回路系统的具体实施方式。
如图1所示，图1为一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统结构示意图,该系统主要包括纳米流体粒度检测仪1、控制器2、纳米流体分散罐3、冷却对象4、稳压器5、冷却器6、泵7。正常运行工况下，该冷却回路处于高温高压的状态，纳米流体从冷却对象4即反应堆入口进入，升温后从出口流入冷却器6即蒸汽发生器，在泵7即主泵的驱动下，进入纳米流体分散罐3。通常情况下，纳米流体分散罐3内的搅拌器3a和高频超声振动分散器组3b处于未启动状态；通过取样盒1a降温降压处理，纳米粒度检测仪1定周期抽样检测纳米流体3d的粒径，并将检测后的纳米流体注回冷却回路,当纳米流体平均粒径超过设定值后，纳米粒度检测仪1向控制器2传递信号，在控制器2的作用下开启纳米流体分散罐3内的搅拌器3a和高频超声振动分散器组3b；当纳米粒度检测仪1再次检测到纳米流体平均粒径小于设定值后纳米流体分散罐3内的搅拌器3a和高频超声振动分散器组3b停止运作。此外，极少数的纳米颗粒团聚粒子在过滤网3c的作用下过滤掉，以降低对回路的影响。
本实施例中，所述搅拌器3a在纳米流体分散罐3内的顶部位置均匀排列，所述高频超声振动分散器组3b在纳米流体分散罐3内的底部位置均匀排列，所述过滤网3c设置在纳米流体分散罐3内的出口位置设置用于过滤粒径大于1600nm的颗粒。工作环境温度为0-100℃,工作环境压力为0.5-4bar。所述的取样盒与纳米流体冷却回路冷管段相连，其结构包含热交换器、减压器和储存箱。所述的取样盒的储存箱内贮存有纳米颗粒，可向纳米流体冷却回路添加导热系数大于300W/(m·K)的纳米材料颗粒(如铜、金、石墨烯纳米颗粒等)。所述的纳米流体冷却回路采用体积浓度为0.5-1*10-4％的粒径在8-40nm范围的导热系数大于300W/(m·K)的纳米材料颗粒(如铜、金、石墨烯纳米颗粒等)的纳米流体。所述的冷却回路设置有稳压器、冷却器、泵等设备以维持回路系统正常运行。所述的控制器具有接收和发射信号功能,可按照检测数据执行启停动作,从而完成闭环控制纳米流体稳定性的功能。
在本实施例上述的整个过程中，纳米流体冷却回路系统在原有的一回路冷却系统的基础上，加入了纳米流体的分散器和检测器，确保纳米流体均匀稳定分散于一回路，进行达到高效换热的目的。
通过上述实施例可以看出，本发明结合纳米流体的制备方法与检测方法，利用现有的仪器设备和技术手段，提出一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统。该纳米流体冷却回路系统相对传统的冷却回路，主要有以下特点：1)增加了纳米流体分散装置和检测装置，在控制器闭环控制的条件下，能够长期维持纳米流体均匀分散的状态；2)无需加入稳定性调节试剂；3)设置过滤网，防止大颗粒团聚粒子对回路造成危害。本发明所述的纳米流体冷却回路系统能够维持冷却回路内纳米流体均匀稳定，从而确保纳米流体能够高效导出热量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统，包括纳米流体粒度检测仪(1)、纳米流体分散罐(3)、控制器(2)及回路管道设备，其特征在于：所述纳米流体粒度检测仪(1)的前端设置有取样盒(1a)，所述纳米流体分散罐(3)内设有搅拌器(3a)、高频超声振动分散器组(3b)、过滤网(3c)，各个设备的开启可由控制器(2)进行控制。
2.如权利要求1所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统，其特征在于：所述搅拌器(3a)在纳米流体分散罐(3)内的顶部位置均匀排列，所述高频超声振动分散器组(3b)在纳米流体分散罐(3)内的底部位置均匀排列，所述过滤网(3c)设置在纳米流体分散罐(3)内的出口位置设置用于过滤粒径大于1600nm的颗粒。
3.如权利要求1所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统，其特征在于：所述纳米流体粒度检测仪(1)的工作压力为1-10bar、工作温度为20-90℃、检测范围为4-1600nm；工作环境温度为0-100℃,工作环境压力为0.5-4bar。
4.如权利要求1所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统，其特征在于：所述取样盒(1a)与纳米流体冷却回路冷管段相连，其结构包含热交换器、减压器和储存箱。
5.如权利要求3所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统，其特征在于：所述取样盒(1a)的储存箱内贮存有纳米颗粒，可向纳米流体冷却回路添加导热系数大于300W/(m·K)的纳米材料颗粒。
6.如权利要求1所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统，其特征在于：所述纳米流体冷却回路采用体积浓度为0.5-1*10-4％的粒径在8-40nm范围的导热系数大于300W/(m·K)的纳米材料颗粒的纳米流体。
7.如权利要求5或6所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统，其特征在于：所述的纳米材料颗粒为铜、金、石墨烯纳米颗粒。
8.如权利要求1所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统，其特征在于：所述的冷却回路设置有稳压器(5)、冷却器(6)、泵(7)。
9.如权利要求1所述的一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统，其特征在于：所述的控制器(2)具有接收和发射信号功能,可按照检测数据执行启停动作,从而完成闭环控制纳米流体稳定性的功能。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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