專利名稱:液態金屬鈉熱工水力實驗回路系統及其使用方法
技術領域：
本發明涉及一種液態金屬鈉熱工水力實驗回路系統，屬于工程熱物理與能源利用學科領域。
背景技術：
核能在當今世界能源領域已經占據了越來越重要的地位，而隨著核能的發展，如何充分的利用有限的鈾資源，有效的處理核廢料，已經日益引起了人們的重視。鈉冷快中子反應堆正是目前解決上述問題的有效出路。作為鈉冷快堆冷卻劑的鈉雖然有著很好的導熱性能以及流動特性，但是由于其活潑的化學性能，使得對于其熱工水力性能的研究具有極大難度。為了快堆的設計建造以及快堆運行的安全分析，液態金屬鈉的熱工水力特性的研究又是必不可少的。因此必須建造能夠完成液態金屬鈉熱工水力特性分析研究的實驗裝置。
例如，中國專利CN201138577提供了一種鈉冷快堆一回路鈉的充排系統，它包括儲鈉罐出口與電磁泵入口連接，電磁泵出口與一回路連通；一回路與儲鈉罐入口連接；儲鈉罐、揚液器分別連接有氬氣系統，儲鈉罐入口與位于系統最低處得揚液器出口連通，揚液器入口與系統最低處的管道連通。此系統安全可靠，結構簡單，能夠將設備和管道中鈉排放干凈。另外，中國專利CN201111964提供了一種鈉冷快堆二回路鈉的在線凈化系統，它的冷阱通過一臺回熱器與二回路相連。此系統結構簡單，體積小，操作安全。以上兩項專利中的鈉回路系統只是為了實現鈉的充排或者凈化功能，結構簡單，并不能作為對液態金屬鈉熱工水力性能進行實驗研究的回路。
又如，中國專利CN101807441A提供了一種高溫鈉熱對流試驗回路包括主回路系統，儲鈉罐，進鈉排鈉系統，覆蓋氣體凈化及真空系統，取樣箱和溫控系統，它既能排放回路中雜質含量較高的鈉，又能灌裝純度較高的新鈉；既保持回路的氣密性又使得氣相試驗空間操作通道全口徑暢通，能同時進行鈉及鈉蒸氣的腐蝕試驗；取樣箱能始終在氬氣保護氣氛下完成試樣的取放操作而不受空氣污染。但是，該回路主要是為了測試鈉在高溫環境下運行時雜質進入后的腐蝕特性，對于流量，壓力等物理量缺少相應的控制和檢測手段，無法完成對于液態金屬鈉的熱工水力特性的分析研究。
發明內容
因此，本發明提供了一種液態金屬鈉熱工水力實驗回路系統，以彌補上述技術的不足，實現對液態金屬鈉熱工水力特性的試驗研究。
本回路系統包括灌鈉系統，回路本體，真空系統，氬氣系統及手套箱五個部分。其中灌鈉系統主要包括熔鈉罐、鈉過濾器；回路本體主要包括儲鈉罐、泵箱、主(輔)電磁泵、預熱器、試驗段、散熱器、校驗筒、冷阱；真空系統主要包括真空泵及電磁閥；氬氣系統主要包括氬氣瓶、氬氣過濾器；手套箱主要包括鈉取樣化驗裝置。回路管道均采用304不銹鋼管材，氣路布置真空隔膜閥14個，其中6個控制氬氣走向，3個為排氣閥，I個控制真空回路，3個為壓力表緩沖閥；液態金屬鈉流道布置13個鈉閥、兩個電磁流量計。
本發明具體提供了一種液態金屬鈉熱工水力實驗回路系統，該回路系統包括灌鈉系統、回路本體、真空系統、氬氣系統及手套箱；其中灌鈉系統包括熔鈉罐、鈉過濾器；回路本體主要包括儲鈉罐、泵箱、主電磁泵、輔電磁泵、預熱器、試驗段、散熱器、校驗筒和冷阱；真空系統包括真空泵及電磁閥；氬氣系統包括氬氣瓶和氬氣過濾器；手套箱主要包括鈉取樣化驗裝置。
所述灌鈉系統熔鈉罐與鈉過濾器連接，過濾器后接儲鈉罐，儲鈉罐與泵箱連接，泵箱與主電磁泵連接，泵箱與輔電磁泵連接，主輔電磁泵與預熱器連接，泵箱與預熱器連接形成泵旁路，預熱器連接試驗段，試驗段與散熱器連接，散熱器與泵箱連接；預熱器前開有支路與冷阱連接，冷阱出口與泵箱連接，冷阱排鈉口與儲鈉罐連接；預熱器前另開支路與校驗筒連接；氬氣瓶與氬氣過濾器連接，氬氣過濾器與熔鈉罐上部連接，熔鈉罐連接氣體回路、手套箱、校驗筒、儲鈉罐和泵箱；儲鈉罐上設置排氣閥，泵箱上設置排氣閥，手套箱上設置排氣閥，校驗筒上方與真空泵連接；手套箱與冷阱出口連接。
所述灌鈉系統熔鈉罐通過第十三鈉閥與鈉過濾器連接，過濾器后接儲鈉罐，儲鈉罐通過第一鈉閥與泵箱連接，泵箱通過第二鈉閥與主電磁泵連接，泵箱通過第四鈉閥與輔電磁泵連接，主輔電磁泵分別通過第三鈉閥，第五鈉閥與預熱器連接，泵箱通過第六鈉閥直接與預熱器連接形成泵旁路，預熱器通過第七鈉閥連接試驗段，試驗段通過第八鈉閥與散熱器連接，散熱器與泵箱連接；預熱器前開有支路通過第十鈉閥與冷阱連接，冷阱出口與泵箱連接，冷阱排鈉口通過第九鈉閥與儲鈉罐連接；預熱器前另開支路通過第十一鈉閥與校驗筒連接；氬氣瓶與氬氣過濾器連接，氬氣過濾器通過第一氣閥與熔鈉罐上部連接，熔鈉罐通過第二氣閥連接氣體回路，第二氣閥后，通過第三氣閥與手套箱連接，通過第四氣閥與校驗筒連接，通過第五氣閥與儲鈉罐連接，通過第六氣閥與泵箱連接；儲鈉罐上接第七氣閥作為排氣閥，泵箱上接第八氣閥作為排氣閥，手套箱上接第十一氣閥作為排氣閥校驗筒上方通過第九氣閥，第十氣閥與真空泵連接；手套箱通過第十二鈉閥與冷阱出口連接。
基于所述液態金屬鈉熱工水力實驗回路系統的使用方法，回路啟動前應先通過灌鈉系統為回路充鈉，購買的鈉經熔化后注入熔鈉罐，打開第十三鈉閥，通過氣路為熔鈉罐加壓將鈉經過鈉過濾器注入儲鈉罐，然后關閉第十三鈉閥，完成充鈉過程；
打開第一氣閥、第二氣閥和第五氣閥，由氬氣瓶，通過氬氣過濾器，熔鈉罐為儲鈉罐加壓，同時打開第八氣閥為泵箱減壓，維持儲鈉罐與泵箱之間壓差，打開第一鈉閥，使儲鈉罐中的液態金屬鈉壓至泵箱內，完成壓鈉后關閉第一鈉閥；
打開第二鈉閥或第四鈉閥，第三鈉閥或第五鈉閥，第十一鈉閥，關閉回路其他鈉閥，啟動主電磁泵或輔電磁泵，將液態金屬鈉輸送至校驗筒，當鈉液位達到要求高度時關閉電磁泵及以上各鈉閥；
打開第四氣閥，通過氬氣加壓維持校驗筒壓力；打開第八氣閥，通過排氣維持泵箱壓力；依次打開電磁泵旁路第六鈉閥，校驗筒入口第十一鈉閥，此時液態金屬鈉在壓差驅動下由校驗筒經電磁流量計和電磁泵旁路進入泵箱；通過校驗筒內液位下降速度及電磁流量計讀數進行比較，即可完成對電磁流量計的標定工作。
基于所述液態金屬鈉熱工水力實驗回路系統的使用方法，回路啟動前應先通過灌鈉系統為回路充鈉，購買的鈉經熔化后注入熔鈉罐，打開第十三鈉閥，通過氣路為熔鈉罐加壓將鈉經過鈉過濾器注入儲鈉罐，然后關閉第十三鈉閥，完成充鈉過程；
打開第一氣閥、第二氣閥和第五氣閥，由氬氣瓶，通過氬氣過濾器，熔鈉罐為儲鈉罐加壓，同時打開第八氣閥為泵箱減壓，維持儲鈉罐與泵箱之間壓差，打開第一鈉閥，使儲鈉罐中的液態金屬鈉壓至泵箱內，完成壓鈉后關閉第一鈉閥；
試驗開始前，打開各氣閥，打開第二鈉閥或第四鈉閥，第三鈉閥或第五鈉閥，第七鈉閥，第八鈉閥，第十鈉閥，控制第六鈉閥的開度，確認第一鈉閥，第九鈉閥，第十一鈉閥關閉，啟動主電磁泵或輔電磁泵。此時，液態金屬鈉在主電磁泵或輔電磁泵驅動下，由泵箱經主電磁泵或輔電磁泵，電磁流量計，預熱器，試驗段，散熱器回到泵箱，完成循環。同時，根據第六鈉閥的開度，有部分鈉經過第六鈉閥所在的電磁泵旁路，可以由此控制回路內鈉流量；還有部分鈉經電磁流量計、第十鈉閥和冷阱然后與主回路鈉匯流至散熱器后，起到對回路內液態金屬鈉的在線凈化作用。
該系統主要功能如下:
1、可以通過灌鈉系統將工業級的鈉注入，經過濾后進入儲鈉罐；
2、試驗時通過氬氣提供壓力差將液態金屬鈉壓至泵箱內，然后電磁泵提供動力驅使鈉在回路中運行，通過加裝不同試驗段和數據采集系統實現對液態金屬鈉換熱流動特性的分析；
3、冷阱支路可以提供液態金屬鈉在線凈化，保持液態金屬鈉純度；
4、校驗筒可以實現對電磁流量計的標定；
5、手套箱可以實現對回路中液態金屬鈉的取樣分析及檢測。
通過回路系統建成后的運行情況證明，回路可以很好的完成以上各項功能，可以實現液態金屬鈉熱工水力特性分析實驗研究。
圖1是本發明總體結構示意圖；
其中:I為IJ氣瓶；2為気氣過濾器；3為熔鈉罐；4為鈉過濾器；5為儲鈉罐；6為泵箱；7為冷阱；8為校驗筒；9為試驗段；10為主電磁泵；11為輔電磁泵；12為預熱器；13為散熱器；14為手套箱；15為真空泵；1_1為第一氣閥；1_2為第二氣閥；1_3為第三氣閥；1_4為第四氣閥；1_5為第五氣閥；1_6為第六氣閥；1_7為第七氣閥；1_8為第八氣閥；1_9為第九氣閥；1_10為第十氣閥；1_11為第i^一氣閥；1_12為第十二氣閥；2-1為第一鈉閥'2-2為第二鈉閥；2_3為第二鈉閥；2_4為第四鈉閥；2_5為第五鈉閥；2_6為第六鈉閥；2_7為第七鈉閥；2-8為第八鈉閥；2-9為第九鈉閥；2-10為第十鈉閥；2-11為第^^一鈉閥；2_12為第十二鈉閥；2_13為第十三鈉閥；3-1為第一電磁流量計；3-2為第二電磁流量計。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作詳細說明。
灌鈉系統熔鈉罐3通過第十三鈉閥2-13與鈉過濾器4連接，過濾器4后接儲鈉罐5，儲鈉罐5通過第一鈉閥2-1與泵箱6連接，泵箱6通過第二鈉閥2-2與主電磁泵10連接，泵箱6通過第四鈉閥2-4與輔電磁泵連接，主輔電磁泵分別通過第三鈉閥2-3，第五鈉閥2-5與預熱器12連接，泵箱6通過第六鈉閥2-6直接與預熱器連接形成泵旁路，預熱器12通過第七鈉閥2-7連接試驗段9，試驗段9通過第八鈉閥2-8與散熱器13連接，散熱器13與泵箱連接。預熱器12前開有支路通過第十鈉閥2-10與冷阱7連接，冷阱7出口與泵箱6連接，冷阱7排鈉口通過第九鈉閥2-9與儲鈉罐5連接。預熱器12前另開支路通過第十一鈉閥2-11與校驗筒8連接。氬氣瓶I與氬氣過濾器2連接，氬氣過濾器2通過第一氣閥1-1與熔鈉罐3上部連接，熔鈉罐3通過第二氣閥1-2連接氣體回路，第二氣閥1-2后，通過第三氣閥1-3與手套箱14連接，通過第四氣閥1-4與校驗筒8連接，通過第五氣閥1-5與儲鈉罐連接，通過第六氣閥1-6與泵箱連接。儲鈉罐5上接第七氣閥1-7作為排氣閥，泵箱6上接第八氣閥1-8作為排氣閥，手套箱14上接第十一氣閥1-11作為排氣閥校驗筒上方通過第九氣閥1-9，第十氣閥1-10與真空泵15連接。手套箱14通過第十二鈉閥2-12與冷阱出口連接。
本部分結合圖1，介紹本發明的三個實施例，分別為電磁流量計的標定，液態金屬鈉熱工水力特性試驗以及液態金屬鈉的取樣分析。
結合圖1，介紹本發明的第一個實施例，電磁流量計的標定。
由圖1所示，回路啟動前應先通過灌鈉系統為回路充鈉，購買的鈉經熔化后注入熔鈉罐3，打開第十三鈉閥2-13，通過氣路為熔鈉罐3加壓將鈉經過鈉過濾器4注入儲鈉罐5，然后關閉第十二鈉閥2-13,完成充鈉過程。
打開第一氣閥1-1，第二氣閥1-2,第五氣閥1-5,由IS氣瓶1，通過IS氣過濾器2,熔鈉罐3為儲鈉罐5加壓，同時打開第八氣閥1-8為泵箱6減壓，維持儲鈉罐5與泵箱6之間壓差，打開第一鈉閥2-1，使儲鈉罐5中的液態金屬鈉壓至泵箱6內，完成壓鈉后關閉第一鈉閥 2_1。
打開第二鈉閥2-2 (或第四鈉閥2-4)，第三鈉閥2_3(或第五鈉閥2_5)，第i^一鈉閥2-11，關閉回路其他鈉閥，啟動主(輔)電磁泵10(11)，將液態金屬鈉輸送至校驗筒8，當鈉液位達到要求高度時關閉電磁泵及以上各鈉閥。
打開第四氣閥1-4，通過氬氣加壓維持校驗筒8壓力；打開第八氣閥1-8，通過排氣維持泵箱6壓力。依次打開電磁泵旁路第六鈉閥2-6，校驗筒入口第十一鈉閥2-11，此時液態金屬鈉在壓差驅動下由校驗筒8經電磁流量計3-2和電磁泵旁路進入泵箱6。通過校驗筒內液位下降速度及電磁流量計讀數進行比較，即可完成對電磁流量計3-2的標定工作。
結合圖1，介紹本發明的第二個實施例，液態金屬鈉熱工水力特性試驗。
該實施例的充鈉和壓鈉過程同實施例一。
試驗開始前，打開各氣閥，打開第二鈉閥2-2 (或第四鈉閥2-4)，第三鈉閥2_3 (或第五鈉閥2_5),第七鈉閥2-7,第八鈉閥2-8,第十鈉閥2-10,控制第六鈉閥2_6的開度，確認第一鈉閥2-1，第九鈉閥2-9，第i^一鈉閥2-11關閉，啟動電磁泵10(11)。此時，液態金屬鈉在主(輔)電磁泵10(11)驅動下，由泵箱6經電磁泵10 (11)，電磁流量計3-2，預熱器12，試驗段9，散熱器13回到泵箱6，完成循環。同時，根據第六鈉閥2-6的開度，有部分鈉經過第六鈉閥2-6所在的電磁泵旁路 ，可以由此控制回路內鈉流量。還有部分鈉經電磁流量計3-1，第十鈉閥2-10，冷阱7然后與主回路鈉匯流至散熱器后，起到對回路內液態金屬鈉的在線凈化作用。
以上即為本系統進行液態金屬鈉熱工水力特性試驗時的流程。通過對回路流量，壓力的控制，可以得到需要的實驗條件，通過為試驗段9加裝數據采集系統，可以得到液態金屬鈉的熱工水力特性參數，為液態金屬鈉熱工水力特性研究提供可靠的實驗數據。
結合圖1，介紹本發明的第三個實施例，液態金屬鈉的取樣分析。
該實施例是在回路進行液態金屬鈉熱工水力特性試驗之前或者實驗過程中進行的，因此該步驟與實施例二類似。區別在于需要在回路運行過程中，需控制第三氣閥1-3，第十一氣閥1-11為手套箱14調節壓力，打開第十二鈉閥2-12利用手套箱與主回路的壓力差從主回路取鈉進手套箱14。手套箱全密封并用氬氣覆蓋保護，可以保證鈉化驗時準確。
經系統回路使用和運行證明，該回路完全可以完成電磁流量計的標定，液態金屬鈉熱工水力特性試驗以及液態金屬鈉的取樣分析等功能，可以為液態金屬鈉熱工水力特性的研究提供科學合理的實驗數據。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式
僅限于此，對于本發明所屬技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發明由所提交的權利要求
書確定專利保護范圍。
權利要求
1.液態金屬鈉熱工水力實驗回路系統，其特征在于:該回路系統包括灌鈉系統、回路本體、真空系統、氬氣系統及手套箱；其中灌鈉系統包括熔鈉罐、鈉過濾器；回路本體主要包括儲鈉罐、泵箱、主電磁泵、輔電磁泵、預熱器、試驗段、散熱器、校驗筒和冷阱；真空系統包括真空泵及電磁閥；氬氣系統包括氬氣瓶和氬氣過濾器；手套箱主要包括鈉取樣化驗裝置；所述灌鈉系統熔鈉罐與鈉過濾器連接，過濾器后接儲鈉罐，儲鈉罐與泵箱連接，泵箱與主電磁泵連接，泵箱與輔電磁泵連接，主輔電磁泵與預熱器連接，泵箱與預熱器連接形成泵旁路，預熱器連接試驗段，試驗段與散熱器連接，散熱器與泵箱連接；預熱器前開有支路與冷阱連接，冷阱出口與泵箱連接，冷阱排鈉口與儲鈉罐連接；預熱器前另開支路與校驗筒連接；氬氣瓶與氬氣過濾器連接，氬氣過濾器與熔鈉罐上部連接，熔鈉罐連接氣體回路、手套箱、校驗筒、儲鈉罐和泵箱；儲鈉罐上設置排氣閥，泵箱上設置排氣閥，手套箱上設置排氣閥，校驗筒上方與真空泵連接；手套箱與冷阱出口連接。
2.如權利要求
1所述液態金屬鈉熱工水力實驗回路系統，其特征在于:所述灌鈉系統熔鈉罐通過第十三鈉閥與鈉過濾器連接，過濾器后接儲鈉罐，儲鈉罐通過第一鈉閥與泵箱連接，泵箱通過第二鈉閥與主電磁泵連接，泵箱通過第四鈉閥與輔電磁泵連接，主輔電磁泵分別通過第三鈉閥，第五鈉閥與預熱器連接，泵箱通過第六鈉閥直接與預熱器連接形成泵旁路，預熱器通過第七鈉閥連接試驗段，試驗段通過第八鈉閥與散熱器連接，散熱器與泵箱連接；預熱器前開有支路通過第十鈉閥與冷阱連接，冷阱出口與泵箱連接，冷阱排鈉口通過第九鈉閥與儲鈉罐連接；預熱器前另開支路通過第十一鈉閥與校驗筒連接；氬氣瓶與氬氣過濾器連接，氬氣過濾器通過第一氣閥與熔鈉罐上部連接，熔鈉罐通過第二氣閥連接氣體回路，第二氣閥后，通過第三氣閥與手套箱連接，通過第四氣閥與校驗筒連接，通過第五氣閥與儲鈉罐連接，通過第六氣閥與泵箱連接；儲鈉罐上接第七氣閥作為排氣閥，泵箱上接第八氣閥作為排氣閥，手套箱上接第十一氣閥作為排氣閥，校驗筒上方通過第九氣閥，第十氣閥與真空泵連接；手套箱通過第十二鈉閥與冷阱出口連接。
3.基于權利要求
2所述液態金屬鈉熱工水力實驗回路系統的使用方法，其特征在于: 回路啟動前應先通過灌鈉系統為回路充鈉，購買的鈉經熔化后注入熔鈉罐，打開第十三鈉閥，通過氣路為熔鈉罐加壓將鈉經過鈉過濾器注入儲鈉罐，然后關閉第十三鈉閥，完成充鈉過程； 打開第一氣閥、第二氣閥和第五氣閥，由氬氣瓶，通過氬氣過濾器，熔鈉罐為儲鈉罐加壓，同時打開第八氣閥為泵箱減壓，維持儲鈉罐與泵箱之間壓差，打開第一鈉閥，使儲鈉罐中的液態金屬鈉壓至泵箱內，完成壓鈉后關閉第一鈉閥； 打開第二鈉閥或第四鈉閥，第三鈉閥或第五鈉閥，第十一鈉閥，關閉回路其他鈉閥，啟動主電磁泵或輔電磁泵，將液態金屬鈉輸送至校驗筒，當鈉液位達到要求高度時關閉電磁泵及以上各鈉閥； 打開第四氣閥，通過氬氣加壓維持校驗筒壓力；打開第八氣閥，通過排氣維持泵箱壓力；依次打開電磁泵旁路第六鈉閥，校驗筒入口第十一鈉閥，此時液態金屬鈉在壓差驅動下由校驗筒經電磁流量計和電磁泵旁路進入泵箱；通過校驗筒內液位下降速度及電磁流量計讀數進行比較，即可完成對電磁流量計的標定工作。
4.基于權利要求
2所述液態金屬鈉熱工水力實驗回路系統的使用方法，其特征在于: 回路啟動前應先通過灌鈉系統為回路充鈉，購買的鈉經熔化后注入熔鈉罐，打開第十三鈉閥，通過氣路為熔鈉罐加壓將鈉經過鈉過濾器注入儲鈉罐，然后關閉第十三鈉閥，完成充鈉過程； 打開第一氣閥、第二氣閥和第五氣閥，由氬氣瓶，通過氬氣過濾器，熔鈉罐為儲鈉罐加壓，同時打開第八氣閥為泵箱減壓，維持儲鈉罐與泵箱之間壓差，打開第一鈉閥，使儲鈉罐中的液態金屬鈉壓至泵箱內，完成壓鈉后關閉第一鈉閥； 試驗開始前，打開各氣閥，打開第二鈉閥或第四鈉閥，第三鈉閥或第五鈉閥，第七鈉閥，第八鈉閥，第十鈉閥，控制第六鈉閥的開度，確認第一鈉閥，第九鈉閥，第十一鈉閥關閉，啟動主電磁泵或輔電磁泵，此時，液態金屬鈉在主電磁泵或輔電磁泵驅動下，由泵箱經主電磁泵或輔電磁泵，電磁流量計，預熱器，試驗段，散熱器回到泵箱，完成循環，同時，根據第六鈉閥的開度，有部分鈉經過第六鈉閥所在的電磁泵旁路，可以由此控制回路內鈉流量；還有部分鈉經電磁流量計、第十鈉閥和冷 阱然后與主回路鈉匯流至散熱器后，起到對回路內液態金屬鈉的在線凈化作用。
專利摘要
本發明公開了一種液態金屬鈉熱工水力實驗回路系統，該回路系統包括灌鈉系統、回路本體、真空系統、氬氣系統及手套箱；其中灌鈉系統包括熔鈉罐、鈉過濾器；回路本體主要包括儲鈉罐、泵箱、主電磁泵、輔電磁泵、預熱器、試驗段、散熱器、校驗筒和冷阱；手套箱主要包括鈉取樣化驗裝置。該系統可以實現灌鈉操作；液態金屬鈉換熱流動特性的分析；液態金屬鈉在線凈化；電磁流量計的標定；液態金屬鈉的取樣分析及檢測等多項功能。
文檔編號G21C19/28GKCN102254577SQ201110175944
公開日2013年5月22日 申請日期2011年6月30日
發明者秋穗正, 張大林, 巫英偉, 仇子鋮, 蘇光輝, 李亞 申請人:西安交通大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (6), 非專利引用 (5),