CN203490955U - 自然循环多功能气体抬升器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了自然循环多功能气体抬升器装置，包括气体抬升系统、自然循环回路系统和自动控制系统；气体抬升系统包括：压力容器，阀门，气体混合器，逆止阀和喷嘴；自然循环回路系统包括：自然循环上升管、自然循环下降管、上连通管、下连通管；自动控制系统包括：探头，液体含气率探测器，报警器，信号转换器。根据本实用新型提供的自然循环多功能气体抬升器装置，既可单一气体注入，又可多气体混合注入，灵活地调整了气体注入种类和气体注入量，增加了整个系统的实用性和经济性；在自然循环上升管气体体积分数小于设定值下限或大于设定值上限的时候，该装置能够快速反应问题，并反馈信号给阀门进行自动调节，同时报警，增加了系统的安全性。

Description

自然循环多功能气体抬升器装置

技术领域

本实用新型涉及自然循环系统，特别涉及用于加快自然循环系统的自然循环多功能气体抬升器装置。

背景技术

进入90年代以后，越来越多的国家相继开始ADS的研究，并且提出了20年至50年的长远ADS研究与发展计划，如日本的OMEGA计划，欧洲的XADS计划和MEGPIE计划等。俄罗斯一些东欧国家及韩国也开展了ADS方面的研究，如韩国的HYPER研究计划。为了验证ADS，欧洲于2002年启动了TRADE计划，该计划的目的是建。立一个低功率的反应堆质子加速器和靶件的耦合试验系统，以验证ADS的工作原理。

国内从1996年开始ADS的概念研究，由中国原子能科学研究院牵头的ADS次临界核能系统——启明星1号已经取得一些成果。2000年9月，国家“973计划”的加速器驱动洁净核能系统的物理及技术基础研究正式启动。主要承担单位是中国原子能研究院和中科院高能物理所，项目依托单位为国防科工委和中国科学院。2011年，中科院科技创新先导项目的子项目加速器驱动次临界系统（ADS）项目也正式启动，由中科院高能所和近代物理研究所共同承担。2012年，与中科院合作的华北电力大学核热工安全与标准化研究所进行了铅铋物性研究，铅铋热工水力特性研究，冷却剂选择，二回路总体设计，中间换热器设计及二回路可行性设计方案等一系列工作。

换热装置是ADS中重要的环节，现有专利中记载的换热装置，如中国专利申请CN201210191966.9中所公开的一种O型铅铋换热装置，其在顶端设置冷却剂入口，在底端设置冷却剂出口，其通过重力完成冷却剂的流动，在该装置中并未通过向液体中充入气体这种方式完成液体的循环，该装置中铅铋合金流动通道中的铅铋液体循环流动是通过重力完成了，在该装置中的换热通道中冷却剂的流动是借助于重力和外力进行的，因此，此种换热方式已经很难跟上核工业的发展的脚步。

随着核工业的发展，人类在换热过程中应用了省时省力的自然循环，自然循环是指在闭合系统中仅仅依靠冷热流体间的密度差形成的浮升力驱动流体循环流动的一种能量传输方式，不借助任何外力，靠上升管和下降管的密度差产生的压力差推动自然流动循环。其中，上升管段受热，从而密度减小。其中，上升管与下降管中的液体，可以是水，铅铋合金或者其他流体。ADS铅铋二环路换热就是应用了自然循环的原理。目前，自然循环技术已被广泛的应用于火电、核电等各个领域。

然而、对于铅铋合金而言，受热产生的密度差过小，不利于自然循环，容易使得自然循环停滞，进而影响换热效果。

现今存在的通过气液混合的方式增大上升管和下降管密度差的装置，如中国专利申请CN200410009675.9中所公开气泡循环流动型中空纤维膜分离装置，液体在该装置的管道中循环流动的过程中，该装置向液体中注入了空气进而形成气液混合体，通过此种方式可以增加循环管路中的密度差，然而在该装置中借助原水泵的外力，通过原水泵向上升管中注入液体，因此该装置中的液体并不是通过自然循环完成的，而是通过外力将液体注入上升管，因此这种装置并不是增大自然循环回路中的密度差。

迄今，尚未有关于增强自然循环的多功能气体抬升器的报道，此种装置在国内研究机构还没有研究，虽然在国外有关于这方面的研究，但国外只提出了单一气体注入的设想。

由于上述问题的存在，本发明人对现今的自然循环系统进行分析和研究，以便能研制出可以用于促进自然循环系统循环的自然循环多功能气体抬升器装置。

实用新型内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：设置2个以上压力容器，压力容器经由其上设有阀门的子管路汇集到管路的一端，管路的另一端与气体混合器的入口相连；气体混合器的出口经由设有逆止阀的连接管路与喷嘴相连，将喷嘴设置于自然循环上升管的底部；将顶端设置开口的自然循环上升管的上部通过上连通管与顶端设置开口的自然循环下降管的上部相连，将自然循环上升管的下部与自然循环下降管的底部相连；将探头设置于自然循环上升管侧壁附近，探头处于下连通管端部和上连通管端部之间，并且靠近于下连通管端部；设置液体含气率探测器接收探头传递的数据，并根据所接收数据控制报警器，根据接收数据信息通过信号转换器转换信号后控制逆止阀和阀门的开启或关闭，从而完成了本实用新型。

本实用新型的目的在于提供以下方面：

（1）自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：该装置包括气体抬升系统、自然循环回路系统和自动控制系统；

气体抬升系统包括：

两个以上压力容器1，每个压力容器都与其上设有阀门2的子管路的一端相连，子管路的另一端汇集形成管路3a，管路3a另一端与气体混合器3入口相连，压力容器中的气体经子管路通过管路注入到气体混合器中，和

气体混合器，其出口通过其上设有逆止阀4的连接管路3b与喷嘴5相连，气体混合器中的气体通过连接管路经逆止阀流到喷嘴处，

所述自然循环回路系统包括：

自然循环上升管，其上部通过上连通管11a与自然循环下降管13的上部相连，其下部通过下连通管11b与自然循环下降管的底部相连，

所述自动控制系统包括：

探头8，其设置于自然循环上升管中处于下连通管端部上方和上连通管端部下方的侧壁附近，探头用于测量自然循环上升管中经过探头探摄区域内单位体积的气液混合物的混合密度，和

液体含气率探测器，其用于接收来自探头的数据，并根据所接收的数据计算出自然循环上升管内气体的体积分数；当自然循环上升管中气体的体积分数低于设置值时，液体含气率探测器通过信号转换器6开启逆止阀和阀门并且液体含气率探测器开启警报器报警，

其中，喷嘴设置于自然循环上升管12的底部，气体经喷嘴从自然循环上升管12的底部向上喷射。

（2）如上述（1）所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：压力容器和阀门均为四个。

（3）如上述（1）所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：压力容器中装有不活泼气体。

（4）如上述（1）所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：气体混合器中的气体经由逆止阀流到喷嘴处，喷嘴处气体不能经由逆止阀倒流入气体混合器中。

（5）如上述（1）所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：

自然循环上升管、自然循环下降管二者的顶部均设开口。

（6）如上述（1）所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：

自然循环上升管的内壁管径大于自然循环下降管的内壁管径，

自然循环上升管的外壁管径大于自然循环下降管的外壁管径。

（7）如上述（1）所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：所述设定值下限为20%，即当自然循环上升管中气体体积分数低于20%时，液体含气率探测器7通过信号转换器6控制逆止阀和阀门开启，并且液体含气率探测器7控制报警器9报警。

（8）如上述（1）所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：设定值具有上限，设定值上限为35%，当自然循环上升管中气体体积分数大于35%时，液体含气率探测器7通过信号转换器6控制逆止阀、阀门按时间顺序依次关闭。

根据本实用新型提供的自然循环多功能气体抬升器装置，既可单一气体注入，又可多气体混合注入，灵活地调整了气体注入种类和气体注入量，增加了整个系统的实用性和经济性；在自然循环上升管中气体的体积分数低于设定值下限和高于设定值上限的时候，该抬升器装置能够快速反应问题，并反馈信号给阀门进行自动调节，同时报警，增加了系统的安全性。

附图说明

图1示出根据本实用新型一种优选实施方式的自然循环多功能气体抬升器装置的结构示意图；

图2示出根据本实用新型一种优选实施方式的自然循环多功能气体抬升器装置中气体抬升系统和自动控制系统结构图。

附图标号说明：

1-压力容器

2-阀门

3-气体混合器

3a-管路

3b-连接管路

4-逆止阀

5-喷嘴

6-信号转换器

7-液体含气率探测器

8-探头

9-报警器

11a-上连通管

11b-下连通管

12-自然循环上升管

13-自然循环下降管

具体实施方式

下面通过对本实用新型进行详细说明，本实用新型的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明人经过研究发现，自然循环是利用自然循环上升管和自然循环下降管的密度差产生的压力差推动的。在自然循环上升管的底部，注入不与流体产生反应的不活泼气体，如通常应用于工业领域的不活泼气体，诸如氦气、氮气、氩气、压缩空气等，可以增加上升管液体的质量含气率，减小了自然循环上升管内液体的平均密度，增大了自然循环上升管与自然循环下降管之间的密度差，从而增大了自然循环上升管与自然循环下降管之间的压力差，促进了自然循环。

本实用新型公开的是自然循环多功能气体抬升器装置，使用该装置可以提高自然循环系统上升管与下降管的密度差，促进自然循环系统的循环。

在根据本实用新型的一个优选实施方式中，如图1-2中所示，提供一种自然循环多功能气体抬升器装置，该装置包括气体抬升系统、自然循环回路系统和自动控制系统；

气体抬升系统包括：

两个以上压力容器1，每个压力容器都与其上设有阀门2的子管路的一端相连，所有子管路的另一端均汇集到管路3a上，管路3a另一端与气体混合器3的入口相连，压力容器中的气体通过管路注入到气体混合器中，

阀门，其设置于子管路上，其控制压力容器的开启或关闭，

气体混合器，其入口通过管路将压力容器中气体注入其内部；其出口通过其上设有逆止阀4的连接管路3b与喷嘴5相连，气体混合器中气体通过连接管路经由逆止阀流到喷嘴处，

逆止阀，其设置于连接管路上，其控制气体混合器的开关，和

喷嘴，其设置于自然循环上升管12的底部，

所述自然循环回路系统包括：

自然循环上升管，其上部通过上连通管11a与自然循环下降管13的上部相连，其下部通过下连通管11b与自然循环下降管的底部相连，其设置于喷嘴的顶部，

所述自动控制系统包括：

探头8，其设置于自然循环上升管中处于下连通管端部上方和上连通管端部下方的侧壁附近，其用于测量自然循环上升管中经过探头探摄区域内单位体积的气液混合物的混合密度，和

液体含气率探测器，其用于接收来自探头的数据；根据接收的数据计算出自然循环上升管中气体的体积分数，当自然循环上升管中气体体积分数低于设定值下限的时候，液体含气率探测器通过信号转换器6控制逆止阀和阀门开启，并且液体含气率探测器控制报警器9进行报警。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，该装置中设置气体抬升系统，所述气体抬升系统包括：两个以上压力容器、阀门、气体混合器、逆止阀、喷嘴。气体抬升系统用于存储气体，并将气体注入到自然循环回路中，增加自然循环回路中自然循环上升管和自然循环下降管二个管中的密度差，从而促进自然循环。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，所述压力容器用于存储气体，压力容器与设有阀门的子管路相连，每个压力容器对应唯一的设有阀门的子管路，每个设有阀门的子管路对应唯一的压力容器，

所述压力容器与阀门均为四个，对于该装置，四个阀门分别用于控制四个压力容器的开启或闭合，通过此种设置克服了现今设置只能向自然循环回路中注入单一气体的缺点，此种设置使得向自然循环回路中注入气体的种类更灵活，

其中，本实用新型中可以开启四个阀门中的任意一个阀门，对自然循环回路中注入一种气体；本实用新型中也可以开启四个阀门中任意两个或更多个阀门，向自然循环回路中注入两种或更多种气体的混合气体；所述液体含气率探测器通过信号转换器6对已经开启的阀门进行控制，具体而言，液体含气率探测器根据探头测得的自然循环上升管中的气液混合物的混合密度获得的气体体积分数，当气体体积分数小于设定值下限时，控制阀门处于开启状态，当气体体积分数大于设定值上限时，控制阀门处于关闭状态。

其中，压力容器和阀门在这里无特殊限制，为常规的压力容器和阀门。

在进一步优选的实施方式中，在压力容器中加入不活泼气体，在该装置中，所述不活泼气体是指不与自然循环回路系统中液体反应的气体。

在这里，不活泼气体优选氦气、氩气、氮气、加工过的空气。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，对于设有阀门的子管路，其一端与压力容器相连，其另一端汇集到管路上，管路的另一端与气体混合器的入口相连，管路用于将所有子管路汇集到一起后汇集到气体混合器的入口，

在这里，所述气体混合器，其用于对其内部的气体进行混合，

其中，压力容器内部的气体依次通过阀门、子管路、管路汇集到气体混合器中进行混合，所述气体混合器在这里无特殊限制，为常规的气体混合器。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，气体混合器的出口通过设有逆止阀4的连接管路与喷嘴相连，

其中，压力容器内部的气体依次通过阀门、子管路、管路汇集到气体混合器中进行混合，在气体混合器中混合后的气体通过连接管路经由逆止阀流向喷嘴，最后通过喷嘴注入到自然循环上升管的底部。

其中，逆止阀中气体的流向为：从气体混合器流向喷嘴。气体为单向流动，即喷嘴处的气体不能通过逆止阀流向气体混合器。

逆止阀增加了该装置的安全性，在压力容器内的压力小于注入点的压力的时候，逆止阀可以防止自然循环液体倒流，从而增加自然循环的安全性。

在这里所述逆止阀并不特殊限制，为常规的逆止阀。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，所述喷嘴其设置于自然循环上升管的底部，其通过设有逆止阀的连接管路与气体混合器的出口相连。气体混合器中的气体通过连接管路经由逆止阀、喷嘴后注入到自然循环上升管的底部与自然循环上升管中的液体混合成为气液混合体。由于所述气体为密度较小且不溶于水的不活泼气体，其与液体混合后降低了液体的密度，可以促进自然循环上升管中的液体上升，起到抬升自然循环上升管中液体的作用。

在这里，所述的喷嘴无特殊限制，为常规的喷嘴。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，该装置设置自然循环回路系统，所述自然循环回路系统包括自然循环上升管和自然循环下降管。自然循环上升管的上部通过上连通管11a与自然循环下降管13的上部相连，自然循环上升管下部通过下连通管11b与自然循环下降管的底部相连，自然循环上升管其设置于喷嘴的顶部，

自然循环上升管用于吸收ADS中的热量，吸热后自然循环上升管中液体密度降低，自然循环下降管用于散热，散热后自然循环下降管内液体的密度大于自然循环上升管内液体的密度，形成密度差，在本实用新型中，由于自然循环上升管设置于自然循环下降管的左侧，因此当形成密度差后自然循环回路系统中液体进行顺时针流动。

在进一步优选的实施方式中，如图1中所示，自然循环上升管12、自然循环下降管13二者的顶部均开口。自然循环回路系统中的气体可以通过开口溢出。在不断的向自然循环回路中注入气体的情况下，自然循环回路中的气压会不断的增大，设置两个开口，可以降低自然循环回路系统中的气压，防止爆炸。

在进一步优选的实施方式中，如图1中所示，自然循环上升管12外壁的管径大于自然循环下降管13外壁管径。自然循环上升管12内壁的管径大于自然循环下降管13内壁管径。自然循环上升管为吸热管，增大其外壁管径有利于增加自然循环上升管与热源之间的接触面积，可以更好的冷却热源。

在一个优选的实施方式中，如图2中所示，该装置中设置自动控制系统，所述自动控制系统包括：探头8、液体含气率探测器、信号转换器、报警器，通过自动控制系统增加了该装置的安全性，提高了安全系数。当自然循环上升管、自然循环下降管的液体密度差不在额定范围内而影响自然循环时，自动控制系统能够对该装置进行调节，同时通过警报器发出警报，从而增强了自然循环回路的安全性，减少了操作人员的工作量。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，探头8设置于自然循环上升管12的侧壁附近，探头的水平高度位于下降管端部上方和上升管端部下方之间，探头根据自然循环上升管内流过探头探摄区域的液体，探测单位体积气液混合物的混合密度，转化为数字信号输入到液体含气率探测器7。

所述探头无特殊限制，为常规探头。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，液体含气率探测器7，其用于接收探头8传递的数据，并对所接收到的数据进行处理以基于处理结果来控制报警器9、逆止阀4和阀门2三者的开启或关闭，其中，液体含气率探测器对逆止阀4和阀门控制前需要通过信号转换器6转换信号后才能对逆止阀和阀门的开启或关闭进行控制。

具体而言，在应用该装置前，通过对自然循环回路中的液体成分进行分析，然后确定液体完成自然循环过程所需的含气率，设定该装置的含气率范围（即设定值下限和设定值上限），本实用新型中所述含气率即为气液混合物中气体体积分数；在应用该装置过程中，该装置会通过探头检测自然循环上升管中的气液混合物的混合密度，液体含气率探测器会根据探头探测的数值计算出自然循环上升管中的气体体积分数，并根据测得的气体体积分数与设定值相比较，当自然循环上升管中的液体含气率小于设定值下限时，液体含气率探测器会控制报警器发出报警，并且液体含气率探测器同时控制逆止阀和阀门的开启，压力容器中的气体会注入到自然循环上升管中，当自然循环上升管中气体体积分数大于设定值上限时，液体含气率探测器7通过信号转换器6控制逆止阀、阀门按时间顺序依次关闭，在这里，逆止阀、阀门按时间顺序依次关闭提高了该装置的安全系数。

其中，气液混合物中气体体积分数通过下列公式求得：

混合物的密度＝（1-气含率）×液体的密度+气含率×气体的密度

气体体积分数=含气率；

混合物的密度由探头探测得出数据；

液体的密度和气体的密度为常数；

液体含气率探测器7增加了该装置的安全性和可靠性。

所述液体含气率探测器为常规的探测器。

以下结合优选的实施方式对根据本实用新型优选实施方式的自然循环多功能气体抬升器装置向自然循环系统中注入气体的工作过程进行说明：

（1）探头探测自然循环上升管中的气液混合物的密度，并将测得数据传递到液体含气率探测器，液体含气率探测器根据接收数据计算出自然循环上升管内气体体积分数，如果自然循环上升管内气体体积分数低于设定值下限，液体含气率探测器同时开启报警器报警，液体含气率探测器经信号转换器作用于阀门和逆止阀。

（2）通过阀门的调节，压力容器中的气体进入气体混合器进行均匀混合。

（3）气体混合器中的混合气体通过逆止阀、喷嘴5注入自然循环上升管底部，直到自然循环上升管内气体体积分数大于35%为止。

（4）混合气体注入自然循环上升管以后，上升管中的液体含气率增加，自然循环上升管与下降管之间的密度差进一步增大，从而产生更大的动力压强，促使液体向上流动，通过连接管流入下降管，并驱使下降管中密度较大、温度较低的液体流入上升管，完成液体在回路中的循环。从而促进了自然循环。

（5）探头检测自然循环上升管中的液体含气率。

根据本实用新型提供的自然循环多功能气体抬升器装置，既可单一气体注入，又可多气体混合注入，灵活的调整了气体注入种类和气体注入量，增加了整个系统的实用性和经济性；在自然循环上升管液体质量含气率异常的时候，该抬升器装置能够快速反应问题，并反馈信号给阀门进行自动调节，同时报警，增加了系统的安全性。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本实用新型进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本实用新型的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本实用新型精神和范围的情况下，可以对本实用新型技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本实用新型的范围内。本实用新型的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：该装置包括气体抬升系统、自然循环回路系统和自动控制系统；

其中，气体抬升系统包括：

2个以上压力容器（1），每个压力容器都与其上设有阀门（2）的子管路的一端相连，子管路的另一端汇集形成管路（3a），管路（3a）另一端与气体混合器（3）入口相连，压力容器中的气体经子管路通过管路注入到气体混合器中，和

气体混合器（3），其出口通过其上设有逆止阀（4）的连接管路（3b）与喷嘴（5）相连，气体混合器中的气体通过连接管路经逆止阀流到喷嘴处，

所述自然循环回路系统包括：

自然循环上升管，其上部通过上连通管（11a）与自然循环下降管（13）的上部相连，其下部通过下连通管（11b）与自然循环下降管的底部相连，

所述自动控制系统包括：

探头（8），其设置于自然循环上升管中处于下连通管端部上方和上连通管端部下方的侧壁附近，探头用于测量自然循环上升管中经过探头探摄区域内单位体积的气液混合物的混合密度，和

液体含气率探测器（7），其接收来自探头的数据，并根据接收的数据计算出自然循环上升管中气体体积分数；当自然循环上升管中气体体积分数低于设定值下限时，液体含气率探测器（7）通过信号转换器（6）控制逆止阀和阀门开启并且液体含气率探测器（7）开启报警器（9）报警，

其中，喷嘴设置于自然循环上升管（12）的底部，气体经喷嘴从自然循环上升管（12）的底部向上喷射。

2.如权利要求1所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：压力容器和阀门均为四个。

3.如权利要求1所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：压力容器中分别装有不活泼气体。

4.如权利要求1所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：气体混合器中的气体经由逆止阀流到喷嘴处，喷嘴处气体不能经由逆止阀倒流入气体混合器中。

5.如权利要求1所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：

自然循环上升管、自然循环下降管二者的顶部均设开口。

6.如权利要求1所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：

自然循环上升管的内壁管径大于自然循环下降管的内壁管径，

自然循环上升管的外壁管径大于自然循环下降管的外壁管径。

7.如权利要求1所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：所述设定值下限为20%，即当自然循环上升管中气体体积分数低于20%时，液体含气率探测器（7）通过信号转换器（6）控制逆止阀和阀门开启，并且液体含气率探测器（7）控制报警器（9）报警。

8.如权利要求1所述的自然循环多功能气体抬升器装置，其特征在于：设定值具有上限，设定值上限为35%，即当自然循环上升管中气体体积分数大于35%时，液体含气率探测器（7）通过信号转换器（6）控制逆止阀、阀门按时间顺序依次关闭。

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