一種高溫液態金屬兩級冷卻設備和方法
【專利摘要】一種高溫液態金屬兩級冷卻設備，由兩級冷卻回路組成；其中：一級冷卻回路包括：一液態金屬換熱器，管程為高溫液態金屬，殼程為一級冷卻工質；一回熱器，殼程為液態金屬換熱器內與高溫液態金屬換熱后的高溫一級冷卻工質，管程為一級冷卻工質；一儲氣罐，用于存儲第一級冷卻回路中的一級冷卻工質，并通過壓縮機驅動一級冷卻工質在液態金屬換熱器和回熱器內的循環運行；二級冷卻回路包括：一冷卻器，管程為第一級冷卻回路中回熱器換熱后流出的一級冷卻工質，殼程為二級冷卻工質；一制冷機組，將二級冷卻工質的溫度降低至工藝要求溫度。本發明還公開了高溫液態金屬兩級冷卻方法。
【專利說明】
一種高溫液態金屬兩級冷卻設備和方法
技術領域
[0001]本發明屬于加速器驅動次臨界設備及先進核反應堆熱工水力學領域，具體地涉及一種用于高溫液態金屬實驗的兩級冷卻設備。
[0002]本發明還涉及利用上述設備對高溫液態金屬進行兩級冷卻的方法。
【背景技術】
[0003]液態鉛鉍合金具有高效導熱、高沸點、載熱能力強、冷卻效果好等優點，同時具有了良好的中子學性能、較好的化學惰性、抗輻照性能，目前在加速器驅動次臨界設備及新型核能反應堆等先進核能設備基礎性和前瞻性研究中大都采用液態鉛鉍合金作為散裂靶和冷卻劑。
[0004]液態鉛鉍合金能夠迅速冷卻反應堆并將大量的熱量帶出，使得靶設備和反應堆可選擇的運行溫度和壓力較低，提高靶設備的壽命和反應堆的安全性；同時能夠獲得較高的出口溫度，從而提高熱電轉化率。
[0005]然而，為保證液態鉛鉍合金的整個運行回路能夠持續、安全地運行，攜帶大量熱能的高溫液態鉛鉍合金離開靶設備或反應堆后，需要進行迅速冷卻，降低溫度。為滿足如此巨大的冷卻換熱量和較高的冷卻溫差，針對高溫液態鉛鉍合金的冷卻設備必須具有高效、快速的換熱性能。同時，作為冷卻高溫液態鉛鉍合金的冷卻劑還應具有良好的熱工轉換性能。因此，常規冷卻設備很難適應這樣的苛刻的性能要求。
[0006]目前在加速器驅動次臨界設備及新型核能反應堆等先進核能設備基礎性和前瞻性實驗研究中，必須對攜帶大量熱量的高溫液態金屬進行迅速冷卻，降低溫度，以保證整個回路能夠持續、安全地運行。而現有技術中，對于如何冷卻高溫液態金屬并沒有給出具體的方案。
[0007]中國專利CN201410453769提出了一種可實現臨界及次臨界運行實驗的液態金屬冷卻反應堆實驗設備，使用液態鉛鉍合金或鉛自然循環冷卻堆芯組件。但是對于如何冷卻高溫液態金屬并沒有給出具體的方案。
[0008]同樣，中國專利CN201410086286提出了一種驅動高溫液態金屬循環流動冷卻堆內部件的方法，對于載帶堆芯核反應熱量的高溫液態金屬只是簡單指出通過與二回路工質進行換熱，而也未給出其具體冷卻方案。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是提供一種用于高溫液態金屬實驗的兩級冷卻設備。
[0010]本發明的又一目的是提供一種利用上述設備對高溫液態金屬進行兩級冷卻的方法。
[0011]為實現上述目的，本發明提供的高溫液態金屬兩級冷卻設備，由兩級冷卻回路組成；其中:
[0012]一級冷卻回路包括:
[0013]—液態金屬換熱器，管程為高溫液態金屬，殼程為一級冷卻工質；
[0014]—回熱器，殼程為液態金屬換熱器內與高溫液態金屬換熱后的高溫一級冷卻工質，管程為一級冷卻工質；
[0015]—儲氣罐，用于存儲第一級冷卻回路中的一級冷卻工質，并通過壓縮機驅動一級冷卻工質在液態金屬換熱器和回熱器內的循環運行；
[0016]二級冷卻回路包括:
[0017]一冷卻器，管程為第一級冷卻回路中回熱器換熱后流出的一級冷卻工質，殼程為二級冷卻工質；
[0018]一制冷機組，將二級冷卻工質的溫度降低至工藝要求溫度。
[0019]所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，儲氣罐與液態金屬換熱器和回熱器之間設有電動三通閥，用于調節進入回熱器和直接進入液態金屬換熱器的一級冷卻工質的流量。
[0020]所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，儲氣罐與電動三通閥之間設有第一流量計，用于記錄單位時間內一級冷卻工質的流量。
[0021]所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，冷卻器與制冷機組之間設有第二流量計，用于記錄單位時間內二級冷卻工質的流量。
[0022]所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，液態金屬換熱器、回熱器和冷卻器的管程和殼程的進口、出口均安裝有溫度和壓力傳感器。
[0023]所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，液態金屬換熱器、回熱器和冷卻器是管殼式換熱器。
[0024]所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，高溫液態金屬是液態鉛鉍、液態鉛或液態鈉。
[0025]所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，一級冷卻工質為氦氣，二級冷卻工質為水。
[0026]本發明提供的高溫液態金屬兩級冷卻方法，其流程是:
[0027]在壓縮機的驅動下，一級冷卻工質分為兩部分，其中一部分的一級冷卻工質直接進入液態金屬換熱器中進行換熱，將液態金屬溫度降低至工藝要求溫度，且一級冷卻工質溫度升高為高溫一級冷卻式質；
[0028]高溫一級冷卻工質在回熱器中與準備進入液態金屬換熱器的另一部分的一級冷卻工質進行換熱，在進一步降低高溫一級冷卻工質的溫度的同時提高回熱器中的一級冷卻工質的溫度以滿足進入液態金屬換熱器的溫度要求；
[0029]高溫一級冷卻工質離開回熱器后在冷卻器中與二級冷卻工質進一步換熱，將高溫一級冷卻工質的溫度降低至工藝要求，再通過壓縮機進行循環，完成一級冷卻回路循環；
[0030]換熱后的二級冷卻工質由制冷機組進行降溫后再次進入冷卻器，完成二級冷卻回路循環。
[0031]所述的高溫液態金屬兩級冷卻方法，其中，直接進入液態金屬換熱器的一級冷卻工質和進入回熱器中進行換熱的一級冷卻工質的流量由電動三通閥控制。
[0032]本發明的有益效果:
[0033]本發明能對高溫液態金屬進行迅速冷卻，滿足巨大的冷卻換熱量和較高的冷卻溫差的性能要求，而且能夠測試不同冷卻工質的冷卻效果。通過本發明的實施能夠確保高溫液態金屬回路持續安全運行。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發明的高溫液態金屬兩級冷卻設備結構示意圖。
[0035]附圖中的標識符號說明
[0036]I液態金屬換熱器，2回熱器，3第一流量計，4電動三通閥，5儲氣罐5，6壓縮機，7冷卻器，8制冷機組，9第二流量計。
【具體實施方式】
[0037]本發明的高溫液態金屬實驗的兩級冷卻設備如圖1所示，包括兩級冷卻回路，其中:一級冷卻回路主要包括高溫液態金屬換熱器1、回熱器2、第一流量計3、電動三通閥4、儲氣罐5和壓縮機6 ;二級冷卻回路主要包括冷卻器7、制冷機組8和第二流量計9。
[0038]—級冷卻回路主要作用是利用一級冷卻工質將高溫液態金屬冷卻至工藝要求溫度，同時對一級冷卻工質的冷卻效率進行評估。二級冷卻回路的主要作用是將一級冷卻工質進行冷卻，確保回路能夠循環運行。
[0039]液態金屬換熱器I為逆流管殼式換熱器，管程為高溫液態金屬，殼程為一級冷卻工質。高溫液態金屬與一級冷卻工質在液態金屬換熱器I中進行換熱，液態金屬溫度降低至工藝要求溫度，一級冷卻工質溫度升高形成高溫一級冷卻工質。液態金屬換熱器I的管程進口低于出口，保持一定的垂直高度差，以保證液態金屬能夠充滿管道且實驗結束后能自行流出液態金屬換熱器1，以免溫度降低后發生堵塞。液態金屬換熱器I的管程和殼程的進、出口均安裝有溫度和壓力傳感器，以獲取液態金屬換熱器I的運行參數。
[0040]回熱器2為U型管式換熱器，管程為一級冷卻工質，殼程為在液態金屬換熱器I中與液態金屬換熱后的高溫一級冷卻工質。一級冷卻工質在進入液態金屬換熱器I之前，先在回熱器2中與高溫一級冷卻工質進行換熱，提高溫度以滿足進入液態金屬換熱器I的溫度要求。同時，也可以初步冷卻液態金屬換熱器I出口的高溫一級冷卻工質，降低高溫一級冷卻工質的溫度。回熱器2的管程和殼程的進、出口均安裝有溫度和壓力傳感器，以獲取回熱器的運行參數。
[0041]第一流量計3和第二流量計9用于記錄單位時間冷卻工質的流量。
[0042]電動三通閥4用于調節進入回熱器2和直接進入液態金屬換熱器I的一級冷卻工質的流量。根據液態金屬換熱器I不同入口溫度的要求，調節電動三通閥以滿足需要。
[0043]儲氣罐5用于存儲一級冷卻回路中的冷卻工質，同時還可以防止冷卻工質通過壓縮機后在管路中產生壓力波動，起到穩壓的作用。
[0044]壓縮機6用于驅動一級冷卻回路的冷卻工質在回路中循環運行。
[0045]冷卻器7為U型管式換熱器，管程為一級冷卻工質，殼程為二級冷卻工質。通過冷卻器后，一級冷卻工質溫度降低至工藝要求溫度，二級冷卻工質溫度升高。管程進出口、殼程進出口均安裝有溫度和壓力傳感器，以獲取換熱器的運行參數。
[0046]制冷機組8用于將二級冷卻工質溫度降低至工藝要求溫度。
[0047]本發明的用于高溫液態金屬實驗的兩級冷卻設備在實際運行過程中，其流程是:
[0048]在壓縮機6的驅動下，一級冷卻工質在一級冷卻回路中循環流動。一部分一級冷卻工質在液態金屬換熱器I中與高溫液態金屬(約500°C )進行換熱，將液態金屬溫度降低至工藝要求溫度(約350°C)，同時一級冷卻工質溫度升高形成高溫一級冷卻工質。離開液態金屬換熱器I出口的高溫一級冷卻工質在回熱器2中與準備進入液態金屬換熱器I入口的另一部分一級冷卻工質進行換熱，在降低高溫一級冷卻工質的溫度的同時提高一級冷卻工質的溫度。然后與另一部分混合，提高溫度以滿足進入液態金屬換熱器I的溫度要求。
[0049]高溫一級冷卻工質離開回熱器2出口后在冷卻器7中與二級冷卻工質進一步換熱，溫度降低至工藝要求(約50°C )，然后經過壓縮機6、儲氣罐5和流量計3再進行循環，完成一級冷卻回路循環。
[0050]在二級冷卻回路中，在制冷機組8的栗驅動下，二級冷卻工質在二級冷卻回路中循環流動。二級冷卻工質和高溫一級冷卻工質在冷卻器8中換熱，二級冷卻工質溫度升高，高溫一級冷卻工質溫度降低至工藝要求。二級冷卻工質經制冷機組9的冷卻作用，溫度降至工藝要求。然后，經過第二流量計9再次進入冷卻器8，完成二級冷卻循環。
[0051]上述的液態金屬可以是液態鉛鉍，或是液態鉛、鈉等金屬。
[0052]—級冷卻工質可以是氦氣或是其他可以滿足換熱要求的介質，二級冷卻工質可以是水或是其他可以滿足換熱要求的介質。
[0053]液態金屬換熱器、回熱器和冷卻器可以是管殼式換熱器，也可以是滿足要求的其他結構的換熱器。
[0054]本發明提出的用于高溫液態金屬實驗的兩級冷卻設備，能夠對高溫液態金屬進行迅速冷卻，實驗過程中，液態金屬最大流量可達4kg/s，換熱量可達30kW。而且，通過比較不同的冷卻工質的流量、溫差等數據，能夠測試不同冷卻工質的冷卻效果。
【主權項】
1.一種高溫液態金屬兩級冷卻設備，由兩級冷卻回路組成；其中: 一級冷卻回路包括: 一液態金屬換熱器，管程為高溫液態金屬，殼程為一級冷卻工質； 一回熱器，殼程為液態金屬換熱器內與高溫液態金屬換熱后的高溫一級冷卻工質，管程為一級冷卻工質； 一儲氣罐，用于存儲第一級冷卻回路中的一級冷卻工質，并通過壓縮機驅動一級冷卻工質在液態金屬換熱器和回熱器內的循環運行； 二級冷卻回路包括: 一冷卻器，管程為第一級冷卻回路中回熱器換熱后流出的一級冷卻工質，殼程為二級冷卻工質； 一制冷機組，將二級冷卻工質的溫度降低至工藝要求溫度。2.根據權利要求1所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，儲氣罐與液態金屬換熱器和回熱器之間設有電動三通閥，用于調節進入回熱器和直接進入液態金屬換熱器的一級冷卻工質的流量。3.根據權利要求1所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，儲氣罐與電動三通閥之間設有第一流量計，用于記錄單位時間內一級冷卻工質的流量。4.根據權利要求1所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，冷卻器與制冷機組之間設有第二流量計，用于記錄單位時間內二級冷卻工質的流量。5.根據權利要求1所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，液態金屬換熱器、回熱器和冷卻器的管程和殼程的進口、出口均安裝有溫度和壓力傳感器。6.根據權利要求1或5所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，液態金屬換熱器、回熱器和冷卻器是管殼式換熱器。7.根據權利要求1所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，高溫液態金屬是液態鉛鉍、液態鉛或液態鈉。8.根據權利要求1所述的高溫液態金屬兩級冷卻設備，其中，一級冷卻工質為氦氣，二級冷卻工質為水。9.一種高溫液態金屬兩級冷卻方法，其流程是: 在壓縮機的驅動下，一級冷卻工質分為兩部分，其中一部分的一級冷卻工質直接進入液態金屬換熱器中進行換熱，將液態金屬溫度降低至工藝要求溫度，且一級冷卻工質溫度升高為高溫一級冷卻式質； 高溫一級冷卻工質在回熱器中與準備進入液態金屬換熱器的另一部分的一級冷卻工質進行換熱，在進一步降低高溫一級冷卻工質的溫度的同時提高回熱器中的一級冷卻工質的溫度以滿足進入液態金屬換熱器的溫度要求； 高溫一級冷卻工質離開回熱器后在冷卻器中與二級冷卻工質進一步換熱，將高溫一級冷卻工質的溫度降低至工藝要求，再通過壓縮機進行循環，完成一級冷卻回路循環； 換熱后的二級冷卻工質由制冷機組進行降溫后再次進入冷卻器，完成二級冷卻回路循環。10.根據權利要求9所述的高溫液態金屬兩級冷卻方法，其中，直接進入液態金屬換熱器的一級冷卻工質和進入回熱器中進行換熱的一級冷卻工質的流量由電動三通閥控制。
【文檔編號】G21C15/247GK105825900SQ201510005151
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年1月6日
【發明人】王永偉, 李勛鋒, 蔡軍, 淮秀蘭, 成克用, 郭江峰
【申請人】中國科學院工程熱物理研究所