CN220420261U - 一种铅冷自然循环传热通用实验台架 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铅冷自然循环传热通用实验台架，属于铅冷快堆热工水力实验领域。本实用新型包括熔铅罐、主罐体、铅油换热器和油水换热器，主罐体的进料口、出料口与熔铅罐之间设有铅管道系统；主罐体内设有冷池和热池，热池下端与冷池连通，热池下段设有加热棒，热池上端连接铅油换热器铅侧入口，铅油换热器铅侧出口与冷池连通，铅油换热器油侧入口连接进油管，铅油换热器油侧出口连接出油管，出油管连接油水换热器油侧入口，进油管连接油水换热器油侧出口，进油管上设有导热油泵，油水换热器水侧入口连接进水管，油水换热器水侧出口连接回水管。本实用新型为以液态金属为工质的热工水力实验研究提供新的技术支持，具有重要的工程实用价值。

Description

一种铅冷自然循环传热通用实验台架

技术领域

本实用新型属于铅冷快堆热工水力实验领域，具体涉及一种铅冷自然循环传热通用实验台架。

背景技术

核能作为一种清洁、高效和优质的能源，对调整能源结构、保障能源供给和缓解大气污染等具有重要意义，在世界范围内获得了广泛应用。铅冷快堆因其具备良好的核废料嬗变和核燃料增殖能力，以及较高的安全性和经济性，被GIF预计有望成为首个实现工业示范化的第四代核能系统。所谓铅冷快堆，是指采用液态铅或铅铋合金冷却的快中子反应堆。高温液铅冷却剂能否安全高效的将堆芯释热导出，对反应堆的安全运行起着至关重要的作用。再者，铅冷快堆自然循环的瞬态运行特性与反应堆的热工水力特性密切相关，因此，要想充分了解铅冷快堆自然循环的热工水力学特性，需开展大量的热工水力实验研究。

800kW自然循环正常运行工况下反应堆中冷却液铅的压力大约在0.4MPa，温度在530℃。在铅冷快堆自然循环实验中，一回路冷却剂的流动是通过自然循环建立起来的，而影响堆内自然循环的因素较多，包括堆芯功率、换热器高度、冷却剂流道儿何结构、二次侧冷却剂等，这使铅冷自然循环实验具有较为复杂的热工水力学现象。相关文献表明，铅基冷却剂具有热膨胀性能好、自然循环能力强的特点，能够在设计的运行温度范围内提供足够的自然循环能力来冷却堆芯，是小型自然循环反应堆理想的冷却剂。

现有四代快堆中低压自然循环流动不稳定性机理尚不明确，自然循环系统流动在低压与高压的结果会有较大区别，同时系统压力参数的不同也会造成不稳定的差异；此外低压自然循环数值计算缺乏实验验证，时域分析中多采用基于两流体六方程模型的RELAP5程序，对流动不稳定性进行分析，但目前RELAP5/MOD4.0中尚无铅的物性参数，而且国内暂无以液态铅为工质，开展的相关流动传热的实验数据，缺乏在铅冷低压自然循环下的仿真理论实验参数。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种铅冷自然循环传热通用实验台架。

本实用新型的技术方案是：一种铅冷自然循环传热通用实验台架，包括熔铅罐、主罐体、铅油换热器和油水换热器，主罐体上端设有进料口，主罐体下端设有出料口，进料口处设有进料阀，出料口处设有出料阀，进料口、出料口与熔铅罐之间设有铅管道系统；主罐体内设有冷池和热池，热池位于冷池中央，热池下端与冷池连通，热池下段设有加热棒，铅油换热器设在冷池上部，热池的上端连接铅油换热器铅侧入口，铅油换热器铅侧出口与冷池连通，铅油换热器油侧入口连接进油管，铅油换热器油侧出口连接出油管，出油管连接油水换热器油侧入口，进油管连接油水换热器油侧出口，进油管上设有导热油泵，油水换热器水侧入口连接进水管，油水换热器水侧出口连接回水管。

作为本实用新型的进一步改进，出油管上设有导热油膨胀槽。

作为本实用新型的进一步改进，铅管道系统包括连通管、上料管和放料管，连通管设在进料口和熔铅罐之间，上料管连接于熔铅罐和连通管之间，上料管上设有机械铅泵，放料管连接于出料口和连通管之间。

作为本实用新型的进一步改进，上料管上设有进口调节阀。

作为本实用新型的进一步改进，还包括调节管，调节管两端连接于导热油泵两端的进油管上，调节管上设有导热油调节阀。

作为本实用新型的进一步改进，铅油换热器设有多个且围绕热池均匀布置。

作为本实用新型的进一步改进，机械铅泵前端设有过滤网。

作为本实用新型的进一步改进，在熔铅罐、主罐体、连通管、上料管和放料管外部包裹有保温棉，以减少热量损失。

本实用新型的有益效果是：本实用新型以一个实验台架实现了以液铅为工质进行自然循环实验的实验系统，填补了目前暂无以液态铅为工质、开展相关流动传热的空白，为以液态金属为工质的热工水力实验研究提供新的技术支持，具有重要的工程实用价值。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：1-熔铅罐；2-进口调节阀；3-放料阀；4-第一出油阀；5-进料阀；6-主罐体；61-进料口；62-出料口；7-铅油换热器；8-冷池；9-加热棒；10-热池；11-出料阀；12-过滤网；17-导热油膨胀槽；18-第二出油阀；19-油水换热器；20-进油阀；21-导热油泵；24-调节管；25-导热油调节阀；26-进水管；27-进水阀；28-回水阀；29-回水管；30-连通管；31-上料管；32-放料管；33-机械铅泵；34-进油管；35-出油管。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进行详细说明。

实施例1、

如图1所示，一种铅冷自然循环传热通用实验台架，包括熔铅罐1、主罐体6、铅油换热器7和油水换热器19，主罐体6上端设有进料口61，主罐体6下端设有出料口62，进料口61处设有进料阀5，出料口62处设有出料阀11，进料口61、出料口62与熔铅罐1之间设有铅管道系统；主罐体6内设有冷池8和热池10，热池10位于冷池8中央，热池10下端与冷池8连通，热池10下段设有加热棒9，铅油换热器7设在冷池8上部，热池10的上端连接铅油换热器7铅侧入口，铅油换热器7铅侧出口与冷池8连通，铅油换热器7油侧入口连接进油管34，铅油换热器7油侧出口连接出油管35，出油管35连接油水换热器19油侧入口，进油管34连接油水换热器19油侧出口，进油管34上设有导热油泵21，油水换热器19水侧入口连接进水管26，油水换热器19水侧出口连接回水管29。

出油管35上设有导热油膨胀槽17。导热油膨胀槽17前后的出油管35上分别设有第一出油阀4和第二出油阀18，进油管34上设有进油阀20，进水管26上设有进水阀27，回水管29上设有回水阀28。

铅管道系统包括连通管30、上料管31和放料管32，连通管30设在进料口61和熔铅罐1之间，上料管31连接于熔铅罐1和连通管30之间，上料管31上设有机械铅泵33和进口调节阀2，放料管32连接于出料口62和连通管30之间。连通管30下端设有放料阀3。

上料管31上设有进口调节阀2。

还包括调节管24，调节管24两端连接于导热油泵21两端的进油管34上，调节管24上设有导热油调节阀25。导热油泵21出口管道分成两个支路，通过导热油调节阀25调节进入调节管24的油量，从而调节参与冷却的油量。

铅油换热器7设有多个且围绕热池10均匀布置。本实施例中，铅油换热器7设有4个。

机械铅泵33前端设有过滤网12。

在熔铅罐1、主罐体6、连通管30、上料管31和放料管32外部包裹有玻璃纤维保温棉。玻璃纤维保温棉的厚度不小于100mm，保温棉用扎带扎紧并固定使其完整包裹加热表面，确保液铅在熔铅罐1与主罐体6之间输运时，温度不下降到铅的凝固点以下。

本实用新型实验台架包括主实验回路（一回路）和冷却回路（二回路、三回路）。一回路以液铅为工质，液铅进入冷池8后，由热池10下端入口进入热池10，经过加热棒9加热后密度变小，在热池10内自然向上流动，由热池10上端出口进入铅油换热器7，被冷却后流入冷池8，冷却后的液铅密度变大，在冷池8自然向下流动，并由热池10下端入口再次进入热池10，由此在主罐体6的冷池8和热池10之间自然循环，构成主实验回路。二回路以导热油为工质，由进油管34、出油管35、导热油泵21和铅油换热器7构成冷却回路，对热池10上端流出的液铅进行冷却。三回路以水为工质，由进水管26、回水管29和油水换热器19构成冷却回路，对升温后的导热油进行冷却。

铅油换热器7采用管壳式换热器，一回路中的液铅工质走管程，二回路中的导热油工质走壳程。管程的液铅工质通过与导热油工质的充分换热使液铅工质冷却到设定温度，换热量由导热油泵21的功率决定。

油水换热器19采用管壳式换热器，二回路中的导热油工质走管程，三回路中的冷却水工质走壳程。管程的导热油工质通过与冷却水工质的充分换热使导热油工质冷却到设定温度，换热量由进水阀27的开启程度决定。

实验台架设计压力为4Mpa。在主罐体6顶部设置气体注排系统，气体注排系统通过气体稳压器连接氩气（或氮气）瓶，通过向主罐体6通入氩气，调主罐体6内压力到预期压力附近。通过气体稳压器可以简单方便地调节主实验回路的压力，可以覆盖低压到超临界压力范围。

实验时，在本实用新型实验台架布置多个温度测点（采用热电偶测温）和压力测点（通过引压管连接压力变送器测压），配合数据采集系统可对实验台架各个重要位置进行实时监测和记录，可进行各种单相、两相的热工水力实验，如不同通道的单相或两相换热实验、沿程阻力实验以及临界热流密度实验。

在熔铅罐1不同高度布置第一温度测点T1、第二温度测点T2和第三温度测点T3；在热池10加热段进口（即热池10下端）布置第四温度测点T4，在热池10加热段出口（即加热棒9上端）布置第五温度测点T5，通过热电偶动态采集工质温度变化，监测加热棒9进出口液铅温度；在热池10进出口（即热池10上下端）布置第一压差测点DP1，在冷池8进出口（即冷池8上下端）布置第二压差测点DP2，在热池10加热段进出口（即加热棒9上下端）布置第三压差测点DP3，在铅油换热器7的铅回路进出口（即铅侧入口和铅侧出口之间）布置第四压差测点DP4；在热池10出口（即热池10上端）布置第一压力检测点P1，在堆芯进口（即热池10下端）布置第二压力检测点P2。

在铅油换热器7油侧出口布置第六温度测点T6，监测铅油换热器7壳程导热油出口温度；在导热油膨胀槽7出口布置第七温度测点T7、第三压力检测点P3，分别监测导热油膨胀槽17出口压力和出口油温；在油水换热器19油侧出口布置第八温度测点T8；在进油管34布置第九温度测点T9、流量测点FI，进入铅油换热器7的导热油流量通过流量测点FI监测。

在铅油换热器7铅侧出口处布置氧含量测点，能有效监测实验中氧气含量，进而协助氧控方案调节主罐体中氧气含量。

加热棒9设有37根，最大功率800kW，加热棒9模拟堆芯，对一回路液铅进行加热。

熔铅罐1放置于距地面上方0.5米处。熔铅罐的功率为420kW，熔铅罐1布有多个温度测点，通过熔铅罐1内热电偶动态采集工质铅温度变化，可有效监测工质熔化速率，避免过高的加热速率导致局部温度不均匀，并导致热应力，减轻对某些部件，特别是陶瓷部件损害。

机械铅泵33扬程为8m，该扬程可以满足目前的自然循环实验段不同功率范围的流量需求，机械铅泵的转动频率可调，配合进口调节阀2可以更灵活的调节主实验回路流量以覆盖更大范围工况，这种更灵活的调节流量的方式可以使主实验回路有不同的阻力特性，可开展流动稳定或流动不稳定下的热工水力实验研究。

实验方法包括以下步骤：

S1、将铅块安放于熔铅罐1中；

S2、实验开始前需对整个实验台架进行检漏，确保高压下无泄漏，实验台架采用充氩气的方式进行充压检漏；

S3、确保无漏点后，对实验台架进行抽真空处理，保证实验台架无其他不冷冷凝性气体；

S4、打开熔铅罐1电源、保温伴热电源，将熔铅罐1中铅块熔化，通过熔铅罐内热电偶动态采集工质铅温度变化；

S5、在检测熔铅罐中铅温度达到380℃时，开启机械铅泵33和进料阀5，液铅经上料管31、连通管30、进料口61进入主罐体6，启动二回路导热油泵21、三回路进水管26上的进水阀27；

S6、主罐体6内液铅高度没过加热棒9后，开启加热棒9电源，对热池10中的液铅进行加热，液铅在自然循环驱动力的作用下向上流动，铅油换热器7管程顶部设有液位测量装置，当液位测量装置检测液铅高度达到铅油换热器7管程顶部，形成自然循环；

S7、通过气体注排系统调节一回路的压力至所需值，通过导热油泵21调节二回路导热油流量至所需值，通过进水阀27调节三回路冷却水流量至所需值，调节加热棒9功率至所需值，开始进行实验；

S8、目标工质铅全部进入主罐体6后，关闭机械铅泵33、进口调节阀2和进料阀5，同时通过气体注排系统向主罐体6注入氩气，调整到预期压力附近；

S9、监测冷池8壁温、堆芯（加热棒9）和热池10内流体的温度和压力变化规律，以此来监测自然循环的建立情况；

S10、待自然循环建立后，向加热棒9逐步提升电功率，直至达到实验的预设值800kW，将二回路导热油、三回路冷却水流速调至理论值；

S11、再次确认系统回路压力是否满足实验要求，通过气体稳压器调整系统压力；

S12、待实验段加热功率达到设定值并稳定后进行记录，在各自然循环稳态工况记录前，需保证各个热工参数３min内不随时间变化；

S13：按实验要求调整热工参数（包括流量、功率、压力等），注意两次工况之间必需有足够长的间隔时间以确保所有热工参数达到稳定，重复这一步骤直至完成全部实验内容，实验结束后，关闭加热棒9、导热油泵21和进水阀27，开启出料阀11和放料阀3，使液铅流回熔铅罐1。

本实用新型首先对RELAP5/MOD4.0拓展添加纯铅物性参数、流动换热关系式，然后对自然循环回路进行建模和模拟，讨论该程序在处理低压自然循环问题时的分析能力，结合程序计算结果进一步解释流动不稳定性的机理和各参数的影响机制，搭建闭式自然循环实验回路，基于已有的稳态换热模拟结果，以此为基础，建立完整的兆瓦级铅冷自然循环传热实验。本实用新型实验台架布有大量的温度及压力测点，能够对液铅的单相及铅油流动换热特性进行深入研究。

本实用新型以一个实验台架实现了可以宽范围多架构地进行热工水力实验的实验系统，克服了传统热工水力实验装置工况范围小可进行实验段单一的不足，为复杂条件下热工水力实验研究提供新的技术支持。

本实用新型以一个实验台架实现了以液铅为工质进行自然循环实验的实验系统，填补了国内暂无以液态铅为工质，开展相关流动传热的空白，为以液态金属为工质的热工水力实验研究提供新的技术支持。

Claims (8)

1.一种铅冷自然循环传热通用实验台架，其特征在于：包括熔铅罐（1）、主罐体（6）、铅油换热器（7）和油水换热器（19），所述主罐体（6）上端设有进料口（61），主罐体（6）下端设有出料口（62），进料口（61）处设有进料阀（5），出料口（62）处设有出料阀（11），进料口（61）、出料口（62）与熔铅罐（1）之间设有铅管道系统；

主罐体（6）内设有冷池（8）和热池（10），热池（10）位于冷池（8）中央，热池（10）下端与冷池（8）连通，热池（10）下段设有加热棒（9），所述铅油换热器（7）设在冷池（8）上部，热池（10）的上端连接铅油换热器（7）铅侧入口，铅油换热器（7）铅侧出口与冷池（8）连通，铅油换热器（7）油侧入口连接进油管（34），铅油换热器（7）油侧出口连接出油管（35），出油管（35）连接油水换热器（19）油侧入口，进油管（34）连接油水换热器（19）油侧出口，进油管（34）上设有导热油泵（21），油水换热器（19）水侧入口连接进水管（26），油水换热器（19）水侧出口连接回水管（29）。

2.根据权利要求1所述的一种铅冷自然循环传热通用实验台架，其特征在于：所述出油管（35）上设有导热油膨胀槽（17）。

3.根据权利要求1或2所述的一种铅冷自然循环传热通用实验台架，其特征在于：所述铅管道系统包括连通管（30）、上料管（31）和放料管（32），连通管（30）设在进料口（61）和熔铅罐（1）之间，上料管（31）连接于熔铅罐（1）和连通管（30）之间，上料管（31）上设有机械铅泵（33），放料管（32）连接于出料口（62）和连通管（30）之间。

4.根据权利要求3所述的一种铅冷自然循环传热通用实验台架，其特征在于：所述上料管（31）上设有进口调节阀（2）。

5.根据权利要求4所述的一种铅冷自然循环传热通用实验台架，其特征在于：还包括调节管（24），调节管（24）两端连接于导热油泵（21）两端的进油管（34）上，调节管（24）上设有导热油调节阀（25）。

6.根据权利要求5所述的一种铅冷自然循环传热通用实验台架，其特征在于：所述铅油换热器（7）设有多个且围绕热池（10）均匀布置。

7.根据权利要求6所述的一种铅冷自然循环传热通用实验台架，其特征在于：所述机械铅泵（33）前端设有过滤网（12）。

8.根据权利要求7所述的一种铅冷自然循环传热通用实验台架，其特征在于：在熔铅罐（1）、主罐体（6）、连通管（30）、上料管（31）和放料管（32）外部包裹有保温棉。