一種高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備和方法
【專利摘要】一種高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，由兩級冷卻回路組成；其中：一級冷卻回路包括：一液態(tài)金屬換熱器，管程為高溫液態(tài)金屬，殼程為一級冷卻工質(zhì)；一回?zé)崞鳎瑲こ虨橐簯B(tài)金屬換熱器內(nèi)與高溫液態(tài)金屬換熱后的高溫一級冷卻工質(zhì)，管程為一級冷卻工質(zhì)；一儲(chǔ)氣罐，用于存儲(chǔ)第一級冷卻回路中的一級冷卻工質(zhì)，并通過壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)一級冷卻工質(zhì)在液態(tài)金屬換熱器和回?zé)崞鲀?nèi)的循環(huán)運(yùn)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?zé)崞鲹Q熱后流出的一級冷卻工質(zhì)，殼程為二級冷卻工質(zhì)；一制冷機(jī)組，將二級冷卻工質(zhì)的溫度降低至工藝要求溫度。本發(fā)明還公開了高溫液態(tài)金屬兩級冷卻方法。
【專利說明】
一種高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于加速器驅(qū)動(dòng)次臨界設(shè)備及先進(jìn)核反應(yīng)堆熱工水力學(xué)領(lǐng)域，具體地涉及一種用于高溫液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)的兩級冷卻設(shè)備。
[0002]本發(fā)明還涉及利用上述設(shè)備對高溫液態(tài)金屬進(jìn)行兩級冷卻的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]液態(tài)鉛鉍合金具有高效導(dǎo)熱、高沸點(diǎn)、載熱能力強(qiáng)、冷卻效果好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有了良好的中子學(xué)性能、較好的化學(xué)惰性、抗輻照性能，目前在加速器驅(qū)動(dòng)次臨界設(shè)備及新型核能反應(yīng)堆等先進(jìn)核能設(shè)備基礎(chǔ)性和前瞻性研究中大都采用液態(tài)鉛鉍合金作為散裂靶和冷卻劑。
[0004]液態(tài)鉛鉍合金能夠迅速冷卻反應(yīng)堆并將大量的熱量帶出，使得靶設(shè)備和反應(yīng)堆可選擇的運(yùn)行溫度和壓力較低，提高靶設(shè)備的壽命和反應(yīng)堆的安全性；同時(shí)能夠獲得較高的出口溫度，從而提高熱電轉(zhuǎn)化率。
[0005]然而，為保證液態(tài)鉛鉍合金的整個(gè)運(yùn)行回路能夠持續(xù)、安全地運(yùn)行，攜帶大量熱能的高溫液態(tài)鉛鉍合金離開靶設(shè)備或反應(yīng)堆后，需要進(jìn)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(tài)鉛鉍合金的冷卻設(shè)備必須具有高效、快速的換熱性能。同時(shí)，作為冷卻高溫液態(tài)鉛鉍合金的冷卻劑還應(yīng)具有良好的熱工轉(zhuǎn)換性能。因此，常規(guī)冷卻設(shè)備很難適應(yīng)這樣的苛刻的性能要求。
[0006]目前在加速器驅(qū)動(dòng)次臨界設(shè)備及新型核能反應(yīng)堆等先進(jìn)核能設(shè)備基礎(chǔ)性和前瞻性實(shí)驗(yàn)研究中，必須對攜帶大量熱量的高溫液態(tài)金屬進(jìn)行迅速冷卻，降低溫度，以保證整個(gè)回路能夠持續(xù)、安全地運(yùn)行。而現(xiàn)有技術(shù)中，對于如何冷卻高溫液態(tài)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(shí)現(xiàn)臨界及次臨界運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使用液態(tài)鉛鉍合金或鉛自然循環(huán)冷卻堆芯組件。但是對于如何冷卻高溫液態(tài)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(qū)動(dòng)高溫液態(tài)金屬循環(huán)流動(dòng)冷卻堆內(nèi)部件的方法，對于載帶堆芯核反應(yīng)熱量的高溫液態(tài)金屬只是簡單指出通過與二回路工質(zhì)進(jìn)行換熱，而也未給出其具體冷卻方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種用于高溫液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)的兩級冷卻設(shè)備。
[0010]本發(fā)明的又一目的是提供一種利用上述設(shè)備對高溫液態(tài)金屬進(jìn)行兩級冷卻的方法。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，由兩級冷卻回路組成；其中:
[0012]一級冷卻回路包括:
[0013]—液態(tài)金屬換熱器，管程為高溫液態(tài)金屬，殼程為一級冷卻工質(zhì)；
[0014]—回?zé)崞鳎瑲こ虨橐簯B(tài)金屬換熱器內(nèi)與高溫液態(tài)金屬換熱后的高溫一級冷卻工質(zhì)，管程為一級冷卻工質(zhì)；
[0015]—儲(chǔ)氣罐，用于存儲(chǔ)第一級冷卻回路中的一級冷卻工質(zhì)，并通過壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)一級冷卻工質(zhì)在液態(tài)金屬換熱器和回?zé)崞鲀?nèi)的循環(huán)運(yùn)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?zé)崞鲹Q熱后流出的一級冷卻工質(zhì)，殼程為二級冷卻工質(zhì)；
[0018]一制冷機(jī)組，將二級冷卻工質(zhì)的溫度降低至工藝要求溫度。
[0019]所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，儲(chǔ)氣罐與液態(tài)金屬換熱器和回?zé)崞髦g設(shè)有電動(dòng)三通閥，用于調(diào)節(jié)進(jìn)入回?zé)崞骱椭苯舆M(jìn)入液態(tài)金屬換熱器的一級冷卻工質(zhì)的流量。
[0020]所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，儲(chǔ)氣罐與電動(dòng)三通閥之間設(shè)有第一流量計(jì)，用于記錄單位時(shí)間內(nèi)一級冷卻工質(zhì)的流量。
[0021]所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，冷卻器與制冷機(jī)組之間設(shè)有第二流量計(jì)，用于記錄單位時(shí)間內(nèi)二級冷卻工質(zhì)的流量。
[0022]所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，液態(tài)金屬換熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器的管程和殼程的進(jìn)口、出口均安裝有溫度和壓力傳感器。
[0023]所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，液態(tài)金屬換熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器是管殼式換熱器。
[0024]所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，高溫液態(tài)金屬是液態(tài)鉛鉍、液態(tài)鉛或液態(tài)鈉。
[0025]所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，一級冷卻工質(zhì)為氦氣，二級冷卻工質(zhì)為水。
[0026]本發(fā)明提供的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻方法，其流程是:
[0027]在壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，一級冷卻工質(zhì)分為兩部分，其中一部分的一級冷卻工質(zhì)直接進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器中進(jìn)行換熱，將液態(tài)金屬溫度降低至工藝要求溫度，且一級冷卻工質(zhì)溫度升高為高溫一級冷卻式質(zhì)；
[0028]高溫一級冷卻工質(zhì)在回?zé)崞髦信c準(zhǔn)備進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器的另一部分的一級冷卻工質(zhì)進(jìn)行換熱，在進(jìn)一步降低高溫一級冷卻工質(zhì)的溫度的同時(shí)提高回?zé)崞髦械囊患壚鋮s工質(zhì)的溫度以滿足進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器的溫度要求；
[0029]高溫一級冷卻工質(zhì)離開回?zé)崞骱笤诶鋮s器中與二級冷卻工質(zhì)進(jìn)一步換熱，將高溫一級冷卻工質(zhì)的溫度降低至工藝要求，再通過壓縮機(jī)進(jìn)行循環(huán)，完成一級冷卻回路循環(huán)；
[0030]換熱后的二級冷卻工質(zhì)由制冷機(jī)組進(jìn)行降溫后再次進(jìn)入冷卻器，完成二級冷卻回路循環(huán)。
[0031]所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻方法，其中，直接進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器的一級冷卻工質(zhì)和進(jìn)入回?zé)崞髦羞M(jìn)行換熱的一級冷卻工質(zhì)的流量由電動(dòng)三通閥控制。
[0032]本發(fā)明的有益效果:
[0033]本發(fā)明能對高溫液態(tài)金屬進(jìn)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(zhì)的冷卻效果。通過本發(fā)明的實(shí)施能夠確保高溫液態(tài)金屬回路持續(xù)安全運(yùn)行。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]附圖中的標(biāo)識(shí)符號說明
[0036]I液態(tài)金屬換熱器，2回?zé)崞鳎?第一流量計(jì)，4電動(dòng)三通閥，5儲(chǔ)氣罐5，6壓縮機(jī)，7冷卻器，8制冷機(jī)組，9第二流量計(jì)。
【具體實(shí)施方式】
[0037]本發(fā)明的高溫液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)的兩級冷卻設(shè)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(tài)金屬換熱器1、回?zé)崞?、第一流量計(jì)3、電動(dòng)三通閥4、儲(chǔ)氣罐5和壓縮機(jī)6 ;二級冷卻回路主要包括冷卻器7、制冷機(jī)組8和第二流量計(jì)9。
[0038]—級冷卻回路主要作用是利用一級冷卻工質(zhì)將高溫液態(tài)金屬冷卻至工藝要求溫度，同時(shí)對一級冷卻工質(zhì)的冷卻效率進(jìn)行評估。二級冷卻回路的主要作用是將一級冷卻工質(zhì)進(jìn)行冷卻，確?；芈纺軌蜓h(huán)運(yùn)行。
[0039]液態(tài)金屬換熱器I為逆流管殼式換熱器，管程為高溫液態(tài)金屬，殼程為一級冷卻工質(zhì)。高溫液態(tài)金屬與一級冷卻工質(zhì)在液態(tài)金屬換熱器I中進(jìn)行換熱，液態(tài)金屬溫度降低至工藝要求溫度，一級冷卻工質(zhì)溫度升高形成高溫一級冷卻工質(zhì)。液態(tài)金屬換熱器I的管程進(jìn)口低于出口，保持一定的垂直高度差，以保證液態(tài)金屬能夠充滿管道且實(shí)驗(yàn)結(jié)束后能自行流出液態(tài)金屬換熱器1，以免溫度降低后發(fā)生堵塞。液態(tài)金屬換熱器I的管程和殼程的進(jìn)、出口均安裝有溫度和壓力傳感器，以獲取液態(tài)金屬換熱器I的運(yùn)行參數(shù)。
[0040]回?zé)崞?為U型管式換熱器，管程為一級冷卻工質(zhì)，殼程為在液態(tài)金屬換熱器I中與液態(tài)金屬換熱后的高溫一級冷卻工質(zhì)。一級冷卻工質(zhì)在進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器I之前，先在回?zé)崞?中與高溫一級冷卻工質(zhì)進(jìn)行換熱，提高溫度以滿足進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器I的溫度要求。同時(shí)，也可以初步冷卻液態(tài)金屬換熱器I出口的高溫一級冷卻工質(zhì)，降低高溫一級冷卻工質(zhì)的溫度?；?zé)崞?的管程和殼程的進(jìn)、出口均安裝有溫度和壓力傳感器，以獲取回?zé)崞鞯倪\(yùn)行參數(shù)。
[0041]第一流量計(jì)3和第二流量計(jì)9用于記錄單位時(shí)間冷卻工質(zhì)的流量。
[0042]電動(dòng)三通閥4用于調(diào)節(jié)進(jìn)入回?zé)崞?和直接進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器I的一級冷卻工質(zhì)的流量。根據(jù)液態(tài)金屬換熱器I不同入口溫度的要求，調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥以滿足需要。
[0043]儲(chǔ)氣罐5用于存儲(chǔ)一級冷卻回路中的冷卻工質(zhì)，同時(shí)還可以防止冷卻工質(zhì)通過壓縮機(jī)后在管路中產(chǎn)生壓力波動(dòng)，起到穩(wěn)壓的作用。
[0044]壓縮機(jī)6用于驅(qū)動(dòng)一級冷卻回路的冷卻工質(zhì)在回路中循環(huán)運(yùn)行。
[0045]冷卻器7為U型管式換熱器，管程為一級冷卻工質(zhì)，殼程為二級冷卻工質(zhì)。通過冷卻器后，一級冷卻工質(zhì)溫度降低至工藝要求溫度，二級冷卻工質(zhì)溫度升高。管程進(jìn)出口、殼程進(jìn)出口均安裝有溫度和壓力傳感器，以獲取換熱器的運(yùn)行參數(shù)。
[0046]制冷機(jī)組8用于將二級冷卻工質(zhì)溫度降低至工藝要求溫度。
[0047]本發(fā)明的用于高溫液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)的兩級冷卻設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中，其流程是:
[0048]在壓縮機(jī)6的驅(qū)動(dòng)下，一級冷卻工質(zhì)在一級冷卻回路中循環(huán)流動(dòng)。一部分一級冷卻工質(zhì)在液態(tài)金屬換熱器I中與高溫液態(tài)金屬(約500°C )進(jìn)行換熱，將液態(tài)金屬溫度降低至工藝要求溫度(約350°C)，同時(shí)一級冷卻工質(zhì)溫度升高形成高溫一級冷卻工質(zhì)。離開液態(tài)金屬換熱器I出口的高溫一級冷卻工質(zhì)在回?zé)崞?中與準(zhǔn)備進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器I入口的另一部分一級冷卻工質(zhì)進(jìn)行換熱，在降低高溫一級冷卻工質(zhì)的溫度的同時(shí)提高一級冷卻工質(zhì)的溫度。然后與另一部分混合，提高溫度以滿足進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器I的溫度要求。
[0049]高溫一級冷卻工質(zhì)離開回?zé)崞?出口后在冷卻器7中與二級冷卻工質(zhì)進(jìn)一步換熱，溫度降低至工藝要求(約50°C )，然后經(jīng)過壓縮機(jī)6、儲(chǔ)氣罐5和流量計(jì)3再進(jìn)行循環(huán)，完成一級冷卻回路循環(huán)。
[0050]在二級冷卻回路中，在制冷機(jī)組8的栗驅(qū)動(dòng)下，二級冷卻工質(zhì)在二級冷卻回路中循環(huán)流動(dòng)。二級冷卻工質(zhì)和高溫一級冷卻工質(zhì)在冷卻器8中換熱，二級冷卻工質(zhì)溫度升高，高溫一級冷卻工質(zhì)溫度降低至工藝要求。二級冷卻工質(zhì)經(jīng)制冷機(jī)組9的冷卻作用，溫度降至工藝要求。然后，經(jīng)過第二流量計(jì)9再次進(jìn)入冷卻器8，完成二級冷卻循環(huán)。
[0051]上述的液態(tài)金屬可以是液態(tài)鉛鉍，或是液態(tài)鉛、鈉等金屬。
[0052]—級冷卻工質(zhì)可以是氦氣或是其他可以滿足換熱要求的介質(zhì)，二級冷卻工質(zhì)可以是水或是其他可以滿足換熱要求的介質(zhì)。
[0053]液態(tài)金屬換熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器可以是管殼式換熱器，也可以是滿足要求的其他結(jié)構(gòu)的換熱器。
[0054]本發(fā)明提出的用于高溫液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)的兩級冷卻設(shè)備，能夠?qū)Ω邷匾簯B(tài)金屬進(jìn)行迅速冷卻，實(shí)驗(yàn)過程中，液態(tài)金屬最大流量可達(dá)4kg/s，換熱量可達(dá)30kW。而且，通過比較不同的冷卻工質(zhì)的流量、溫差等數(shù)據(jù)，能夠測試不同冷卻工質(zhì)的冷卻效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，由兩級冷卻回路組成；其中: 一級冷卻回路包括: 一液態(tài)金屬換熱器，管程為高溫液態(tài)金屬，殼程為一級冷卻工質(zhì)； 一回?zé)崞鳎瑲こ虨橐簯B(tài)金屬換熱器內(nèi)與高溫液態(tài)金屬換熱后的高溫一級冷卻工質(zhì)，管程為一級冷卻工質(zhì)； 一儲(chǔ)氣罐，用于存儲(chǔ)第一級冷卻回路中的一級冷卻工質(zhì)，并通過壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)一級冷卻工質(zhì)在液態(tài)金屬換熱器和回?zé)崞鲀?nèi)的循環(huán)運(yùn)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?zé)崞鲹Q熱后流出的一級冷卻工質(zhì)，殼程為二級冷卻工質(zhì)； 一制冷機(jī)組，將二級冷卻工質(zhì)的溫度降低至工藝要求溫度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，儲(chǔ)氣罐與液態(tài)金屬換熱器和回?zé)崞髦g設(shè)有電動(dòng)三通閥，用于調(diào)節(jié)進(jìn)入回?zé)崞骱椭苯舆M(jìn)入液態(tài)金屬換熱器的一級冷卻工質(zhì)的流量。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，儲(chǔ)氣罐與電動(dòng)三通閥之間設(shè)有第一流量計(jì)，用于記錄單位時(shí)間內(nèi)一級冷卻工質(zhì)的流量。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，冷卻器與制冷機(jī)組之間設(shè)有第二流量計(jì)，用于記錄單位時(shí)間內(nèi)二級冷卻工質(zhì)的流量。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，液態(tài)金屬換熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器的管程和殼程的進(jìn)口、出口均安裝有溫度和壓力傳感器。6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，液態(tài)金屬換熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器是管殼式換熱器。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，高溫液態(tài)金屬是液態(tài)鉛鉍、液態(tài)鉛或液態(tài)鈉。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻設(shè)備，其中，一級冷卻工質(zhì)為氦氣，二級冷卻工質(zhì)為水。9.一種高溫液態(tài)金屬兩級冷卻方法，其流程是: 在壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，一級冷卻工質(zhì)分為兩部分，其中一部分的一級冷卻工質(zhì)直接進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器中進(jìn)行換熱，將液態(tài)金屬溫度降低至工藝要求溫度，且一級冷卻工質(zhì)溫度升高為高溫一級冷卻式質(zhì)； 高溫一級冷卻工質(zhì)在回?zé)崞髦信c準(zhǔn)備進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器的另一部分的一級冷卻工質(zhì)進(jìn)行換熱，在進(jìn)一步降低高溫一級冷卻工質(zhì)的溫度的同時(shí)提高回?zé)崞髦械囊患壚鋮s工質(zhì)的溫度以滿足進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器的溫度要求； 高溫一級冷卻工質(zhì)離開回?zé)崞骱笤诶鋮s器中與二級冷卻工質(zhì)進(jìn)一步換熱，將高溫一級冷卻工質(zhì)的溫度降低至工藝要求，再通過壓縮機(jī)進(jìn)行循環(huán)，完成一級冷卻回路循環(huán)； 換熱后的二級冷卻工質(zhì)由制冷機(jī)組進(jìn)行降溫后再次進(jìn)入冷卻器，完成二級冷卻回路循環(huán)。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高溫液態(tài)金屬兩級冷卻方法，其中，直接進(jìn)入液態(tài)金屬換熱器的一級冷卻工質(zhì)和進(jìn)入回?zé)崞髦羞M(jìn)行換熱的一級冷卻工質(zhì)的流量由電動(dòng)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(fā)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(xué)院工程熱物理研究所