CN115825216A - 一种钠热管工质中氧含量提取测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钠热管工质中氧含量提取测量装置及方法，该装置包括电源、热管管壳、热管充液管、氧含量平均管、充钠管、钒丝、电磁感应线圈、电磁屏蔽罩、角度调节器、压焊机、氧元素分析仪等。本发明通过在热管内部设置钒丝，利用钒与氧元素相容性好的原理，能够从完全组装填充并初次运行的钠热管中提取氧的含量，结构紧凑、原理简单、安全可靠，可实现钠热管充液后进行加热测试后的工质氧含量的提取，为热管中杂质影响研究提供微观的可行方案。

Description

一种钠热管工质中氧含量提取测量装置及方法

技术领域

本发明涉及相变换热设备技术领域，具体涉及一种钠热管工质中氧含量提取测量装置及方法。

背景技术

高温钠热管采用钠作为工作介质，利用金属钠的两相相变进行传热，由于具有传热效率高、结构简单和非能动的优点。传热过程中仅存在内部工质的运动，具有静默式传热的优势，因此可以应用于许多特种领域中，如核反应堆二回路的余热排出系统、空间堆、小型核电源、工业锅炉、机翼热防护、水下静默潜航器等。钠热管中氧元素的影响对于传热性能有显著影响，氧元素的测量成为杂质影响研究的重要部分。

发明内容

为实现高温钠热管封焊运行后氧元素的提取，本发明的目的在于提供一种钠热管工质中氧含量提取测量装置及方法，利用钒与氧元素相容性好的原理，提取完全组装填充并初次运行的钠热管中的氧含量，结构紧凑、原理简单、安全可靠，可实现钠热管充液后进行加热测试后的工质氧含量的提取，为热管中杂质影响研究提供微观的可行方案。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种钠热管工质中氧含量提取测量装置，包括电源1、热管管壳2、热管充液管3、氧含量平均管4、充钠管5、钒丝6、电磁感应线圈7、电磁屏蔽罩8、角度调节器9、压焊机10和氧元素分析仪11；所述热管管壳2、热管充液管3、氧含量平均管4、充钠管5依次相连，并安装在电磁感应线圈7内部，电磁感应线圈7用于加热与保温工作，电磁感应线圈7由电源1进行供电，外部设置电磁屏蔽罩8与角度调节器9，保证电磁感应的安全与实验角度的调节，还包括压焊机10与氧元素分析仪11，用于加热后的实验操作；钒丝6依次穿过充钠管5、热管充液管3、氧含量平均管4，并伸入热管管壳2内部。

所述热管管壳2、热管充液管3、氧含量平均管4和充钠管5采用与液态钠相容性的金属材料。

所述与液态钠相容性的金属材料为不锈钢、铌锆合金、Haynes233合金、因科镍、钼或钨。

所述钒丝6采用电子束焊接在氧含量平均管4一侧，直径为0.1英寸以防止对于热管传热的影响，钒丝6长度随热管管壳2的长度而改变，钒丝6长度为热管管壳2蒸发段长度与热管充液管3、氧含量平均管4、充钠管5长度之和。

所述压焊机10采用锻焊、接触焊、摩擦焊或气压焊，保证充液管3压焊后的密封性。

所述氧元素分析仪11用于测量钒丝中的氧含量，选用顺磁式氧分析仪或氧化锆分析仪或激光氧分析仪。

所述一种钠热管工质中氧含量提取测量装置的测量方法，步骤如下：

步骤1：利用电子束焊接将钒丝6焊接至氧含量平均管4内壁面，之后将热管管壳2、热管充液管3、氧含量平均管4、充钠管5依次焊接，钒丝6经热管充液管3、氧含量平均管4、充钠管5伸入热管管壳2内形成整体，对整体进行氦检保证密封性；之后将定量后的液态钠由充钠管5充入热管管壳2内；完成充液后使用压焊机10将充钠管5上部压紧加热封焊；

步骤2：热管管壳2置于电磁感应加热内部，外侧布置热电偶测量测试过程中的温度；使用电磁感应加热将热管加热至800℃-1000℃工作4-24小时，保证热管完全润湿；之后将装置倒置，充液管5处于最下端，保证钒丝6浸入液态钠中，加热热管管壳2至750℃-900℃保温4至12小时，在此过程中钠中的氧元素将逐渐转移至钒丝内，达到钠与钒丝之间的氧含量平均；

步骤3：将热管管壳2再次翻转，加热热管至100℃-150℃保温4-8小时，使得液态钠固化为固态钠，使固态钠熔化并流回热管蒸发段，保证氧含量平均管4中不存在固态钠；

步骤4：使用压焊机10在惰性气体保护环境下将热管充液管3使用30-50吨的压力压紧，之后加热并封焊，热管管壳2部分为正常高温钠热管，其中存留的钒丝6由于直径小，对于热管的传热能力无影响；

步骤5：将氧含量平均管4在惰性气体保护环境下切开并将钒丝6取出；

步骤6：将钒丝6放入室温下的乙醇中清洗30-40分钟，之后用蒸馏水冲洗10-15分钟以去除附着在钒丝上的钠；之后在惰性气体环境下将表面抛光0.01mm，以去除在处理期间和除去钠时发生的表面污染，之后再使用蒸馏水进行冲洗10-15分钟并干燥，之后切成1cm长度的样品，放入干净的小瓶中；

步骤7：将样品放入氧元素分析仪11内，使用不同部位样品重复进行测量，以得到氧含量的平均值。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

本发明中采用的氧含量提取装置利用钠热管中大部分杂质对氧元素的活性低于钒丝的原理，精巧设计实验步骤使得运行后液态钠中的氧元素与钒丝内的氧元素相平衡，后使用现有技术进行氧元素的提取；利用氧含量平均管4进行氧含量的平衡与提取，之后使用压焊机10将热管充液管3压焊，得到的热管结构完成，仍可进行传热工作。

本发明为实现高温钠热管封焊运行后氧元素的提取，提出了一种钠热管工质中氧含量提取测量装置及方法，可以保证热管在运行后工质钠中氧元素的精确提取，为热管中杂质影响研究提供微观的可行方案。

附图说明

图1为钠热管工质中氧含量提取装置的示意图。

图2为钠热管工质中氧含量提取方法的示意图。

具体实施方式

为更好地说明本发明，现结合实例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明一种钠热管工质中氧含量提取测量装置，包括电源1、热管管壳2、热管充液管3、氧含量平均管4、充钠管5、钒丝6、电磁感应线圈7、电磁屏蔽罩8、角度调节器9、压焊机10、氧元素分析仪11；热管管壳2、热管充液管3、氧含量平均管4、充钠管5依次相连，并安装在电磁感应线圈7设置内部，电磁感应线圈7用于加热与保温工作，电磁感应线圈7由电源1进行供电，外部设置电磁屏蔽罩8与角度调节器9，保证电磁感应的安全与实验角度的调节，系统旁设置压焊机10与氧元素分析仪11，用于加热后的实验操作。钒丝6穿过热管充液管3、氧含量平均管4、充钠管5并伸入热管管壳2内部。

作为本发明的优选实施方式，所述热管管壳2、热管充液管3、氧含量平均管4、充钠管5采用采用与液态钠相容性的金属材料，如310S不锈钢、316不锈钢、铌锆合金、Haynes233合金等。

作为本发明的优选实施方式，所述钒丝6采用电子束焊接在氧含量平均管4一侧，直径为0.1英寸以防止对于热管传热的影响，钒丝6的长度随热管管壳2的长度而改变，整根长度为热管管壳2蒸发段长度与热管充液管3、氧含量平均管4、充钠管5长度之和，这样，可以保证热管密封性不会受到提取氧元素操作的影响，也保证了钒丝可以充分与液态钠接触。

作为本发明的优选实施方式，所述压焊机10的焊接方式可采用锻焊、接触焊、摩擦焊、气压焊等保证充液管3压焊后的密封性。

作为本发明的优选实施方式，所述氧元素分析仪11用于测量钒丝中的氧含量，选用顺磁式氧分析仪或氧化锆分析仪或激光氧分析仪，可以保证氧元素测量的精确性与可靠性，同时对于钒丝不会产生影响。

如图2所示，本发明的工作原理为：利用电子束焊接将钒丝6焊接至氧含量平均管4内壁面，之后将热管管壳2、热管充液管3、氧含量平均管4、充钠管5依次焊接，钒丝6经热管充液管3、氧含量平均管4、充钠管5伸入热管管壳2内形成整体，对整体进行氦检保证密封性；之后将定量后的液态钠由充钠管5充入热管管壳2内。完成充液后使用压焊机10将充钠管5上部压紧加热封焊。

热管管壳2置于电磁感应加热内部，外侧布置热电偶测量测试过程中的温度。使用电磁感应加热将热管加热至800℃工作24小时，保证热管完全润湿。之后将装置倒置，充液管5处于最下端，保证钒丝6浸入液态钠中，加热热管管壳2至750℃保温12小时，在此过程中钠中的氧元素将逐渐转移至钒丝内，以达到钠与钒丝之间的氧含量平均。

将热管管壳2再次翻转，加热热管至100℃保温4小时，使得液态钠固化为固态钠，使固态钠熔化并流回热管蒸发段，保证氧含量平均管4中不存在固态钠。

使用压焊机10在惰性气体保护环境下将热管充液管3压紧使用50吨的压力加热，之后加热并封焊，热管管壳2部分为正常高温钠热管，其中存留的钒丝6由于直径较小，对于热管的传热能力无影响。

将氧含量平均管4在惰性气体保护环境下切开并将钒丝6取出。

将钒丝6放入室温下的乙醇中清洗30分钟，之后用蒸馏水冲洗10分钟以去除附着在钒丝上的任何钠。之后在惰性气体环境下将表面抛光0.01mm的层，以去除在处理期间和除去钠时发生的任何表面污染，之后再使用蒸馏水进行冲洗10分钟并进行干燥，之后切成1cm长度的样品，放入干净的小瓶中。

将样品放入氧元素分析仪11内，使用不同部位样品重复进行测量，以得到氧含量的平均值。

顺磁式氧分析仪利用氧分子具有顺磁性，被测气体引至内置磁场，氧分子在磁场内顺应磁场运动，在悬挂的哑铃球上产生推力，通过测量哑铃球的偏移而得出被测气体中的氧含量；氧化锆分析仪原理为在一块氧化锆两侧分别附以多孔的铂电极并使其处于高温下，若两侧气体中含氧量不同，那么在两电极间就会出现电动势，继而通过电动势得到浓度差；激光氧分析仪过分析激光被气体的选择性吸收来获得气体的浓度，半导体激光穿过被测气体的光强衰减越大，气体浓度越大。

Claims (7)

1.一种钠热管工质中氧含量提取测量装置，其特征在于：包括电源(1)、热管管壳(2)、热管充液管(3)、氧含量平均管(4)、充钠管(5)、钒丝(6)、电磁感应线圈(7)、电磁屏蔽罩(8)、角度调节器(9)、压焊机(10)和氧元素分析仪(11)；所述热管管壳(2)、热管充液管(3)、氧含量平均管(4)、充钠管(5)依次相连，并安装在电磁感应线圈(7)内部，电磁感应线圈(7)用于加热与保温工作，电磁感应线圈(7)由电源(1)进行供电，外部设置电磁屏蔽罩(8)与角度调节器(9)，保证电磁感应的安全与实验角度的调节，还包括压焊机(10)与氧元素分析仪(11)，用于加热后的实验操作；钒丝(6)依次穿过充钠管(5)、热管充液管(3)、氧含量平均管(4)，并伸入热管管壳(2)内部。

2.根据权利要求1所述一种钠热管工质中氧含量提取测量装置，其特征在于：所述热管管壳(2)、热管充液管(3)、氧含量平均管(4)和充钠管(5)采用与液态钠相容性的金属材料。

3.根据权利要求2所述一种钠热管工质中氧含量提取测量装置，其特征在于：所述与液态钠相容性的金属材料为不锈钢、铌锆合金、Haynes233合金、因科镍、钼或钨。

4.根据权利要求1所述一种钠热管工质中氧含量提取测量装置，其特征在于：所述钒丝(6)采用电子束焊接在氧含量平均管(4)一侧，直径为0.1英寸以防止对于热管传热的影响，钒丝(6)长度随热管管壳(2)的长度而改变，钒丝(6)长度为热管管壳(2)蒸发段长度与热管充液管(3)、氧含量平均管(4)、充钠管(5)长度之和。

5.根据权利要求1所述一种钠热管工质中氧含量提取测量装置，其特征在于：所述压焊机(10)采用锻焊、接触焊、摩擦焊或气压焊，保证充液管(3)压焊后的密封性。

6.根据权利要求1所述一种钠热管工质中氧含量提取测量装置，其特征在于：所述氧元素分析仪(11)用于测量钒丝中的氧含量，选用顺磁式氧分析仪或氧化锆分析仪或激光氧分析仪。

7.权利要求1至6任一项所述一种钠热管工质中氧含量提取测量装置的测量方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1：利用电子束焊接将钒丝(6)焊接至氧含量平均管(4)内壁面，之后将热管管壳(2)、热管充液管(3)、氧含量平均管(4)、充钠管(5)依次焊接，钒丝(6)经热管充液管(3)、氧含量平均管(4)、充钠管(5)伸入热管管壳(2)内形成整体，对整体进行氦检保证密封性；之后将定量后的液态钠由充钠管(5)充入热管管壳(2)内；完成充液后使用压焊机(10)将充钠管(5)上部压紧加热封焊；

步骤2：热管管壳(2)置于电磁感应加热内部，外侧布置热电偶测量测试过程中的温度；使用电磁感应加热将热管加热至800℃-1000℃工作4-24小时，保证热管完全润湿；之后将装置倒置，充液管(5)处于最下端，保证钒丝(6)浸入液态钠中，加热热管管壳(2)至750℃-900℃保温4至12小时，在此过程中钠中的氧元素将逐渐转移至钒丝内，达到钠与钒丝之间的氧含量平均；

步骤3：将热管管壳(2)再次翻转，加热热管至100℃-150℃保温4-8小时，使得液态钠固化为固态钠，使固态钠熔化并流回热管蒸发段，保证氧含量平均管(4)中不存在固态钠；

步骤4：使用压焊机(10)在惰性气体保护环境下将热管充液管(3)使用30-50吨的压力压紧，之后加热并封焊，热管管壳(2)部分为正常高温钠热管，其中存留的钒丝(6)由于直径小，对于热管的传热能力无影响；

步骤5：将氧含量平均管(4)在惰性气体保护环境下切开并将钒丝(6)取出；

步骤6：将钒丝(6)放入室温下的乙醇中清洗，之后用蒸馏水冲洗以去除附着在钒丝上的钠；之后在惰性气体环境下将表面抛光0.01mm，以去除在处理期间和除去钠时发生的表面污染，之后再使用蒸馏水进行冲洗干燥，并切成1cm长度的样品，放入干净的小瓶中；

步骤7：将样品放入氧元素分析仪(11)内，使用不同部位样品重复进行测量，以得到氧含量的平均值。

Images