铅基合金循环回路系统的制作方法

1.本发明属于液态金属应用领域，更具体地说，本发明涉及一种铅基合金循环回路系统，其适用于核电工业等采用液态铅基合金传热的场景。


背景技术：

2.液态铅基合金(lbe)具有低熔点(约125℃)、高沸点、化学性质稳定、高热膨胀性、良好的中子学性能、优良的抗辐照性能、传热性能和安全特性，因此作为铅冷快堆的候选冷却剂具有非常广阔的应用前景，可以提高靶系统的寿命和次临界反应堆的安全性。
3.相关技术中已经公开了各种铅铋自然循环回路系统，例如，申请日为2013年7月8日的中国发明申请cn201310285049.1就揭示了一种铅铋自然循环回路系统，其通过自然循环回路为核工业冷却，有效利用了核工业产生热能，避免能源浪费。但是，上述铅铋自然循环回路系统仅仅通过重力完成冷却剂的流动，系统的流量较小，仅适用于理论研究和机理实验，对实际工程应用的指导作用有限。
4.有鉴于此，确有必要提供一种可改善铅基合金循环的铅基合金循环回路系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：克服现有技术的缺陷，提供一种可改善铅基合金循环的铅基合金循环回路系统。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供了一种铅基合金循环回路系统，其包括：储料罐，用于存储铅基合金介质；
7.循环回路，包括通过管道依次连接的加热段、膨胀箱和空冷换热器，储料罐通过管道和阀门连接至加热段和空冷换热器之间的管道上；
8.真空泵，通过管道和阀门连接膨胀箱；以及
9.惰性气体源，通过管道和阀门连接储料罐；
10.其中，惰性气体源还通过气举系统连接至加热段和膨胀箱之间的管道上，气举系统包括管道、阀门、气体流量计、气体泵、气压表和设置于管道上的伴热系统。
11.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述储料罐安装在系统的低位，储料罐的顶端安装储料罐气压表，所述膨胀箱安装在系统的高位，膨胀箱安装有膨胀箱气压表。
12.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述空冷换热器通过外置风机对流经空冷换热器的液态铅基合金进行降温，使上升段和下降段形成温差。
13.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述加热段通过内置的加热棒将液态铅基合金回路的介质升温至目标温度。
14.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述储料罐和膨胀箱分别设有多点液位计。
15.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述膨胀箱的顶部安装滤网，用
于使液态铅基合金和惰性气体分流。
16.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述膨胀箱处设有回流管路，当气举流量过高导致膨胀箱中液态金属液位过高时，可通过回流管路回流至储料罐中。
17.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述阀门包括铅基合金阀门和气体阀门，铅基合金阀门安装在液态铅基合金管道上用于控制储料罐中液态铅基合金的灌注和回流，气体阀门安装在惰性气体管道上用于控制气体流通。
18.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述储料罐、膨胀箱和管道多个位置均设有温度测点。
19.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述惰性气体源为氩气源。
20.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述气举系统连接至循环回路的接入点的两侧设有振动传感器。
21.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述惰性气体源还通过管道、阀门和气体泵连接至膨胀箱和真空泵之间的管道上。
22.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述气体泵通过在排气管路上设置分支，并与注气管道相连，可用于惰性气体的循环使用，降低惰性气体的损耗量。
23.作为本发明铅基合金循环回路系统的一种改进，所述储料罐、循环回路、连接储料罐和循环回路的管道、连接气体流量计和循环回路的管道、膨胀箱上设有伴热系统，伴热系统包括电加热环、电加热丝和功率控制器。
24.相对于现有技术，本发明铅基合金循环回路系统无需机械泵等能动部件驱动即可改善铅基合金的循环，可简化循环传热系统设计，为铅基合金在循环传热系统中的实际工程应用提供参考。
附图说明
25.下面结合附图和具体实施方式，对本发明铅基合金循环回路系统及其技术效果进行详细说明，其中：
26.图1为本发明铅基合金循环回路系统的结构示意图。
27.其中，1-储料罐；2-加热段；3-膨胀箱；4-空冷换热器；5-惰性气体源；6-真空泵；7-膨胀箱液位计；8-储料罐液位计；9-储料罐气压表；10-膨胀箱气压表；11-气体流量计；12-气液分离器；13-振动传感器；14-气体泵。
具体实施方式
28.为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
29.请参照图1所示，本发明铅基合金循环回路系统包括：
30.储料罐1，用于存储铅基合金介质；
31.循环回路，包括通过管道依次连接的加热段2、膨胀箱3和空冷换热器4，储料罐1通过管道和阀门lbe-1连接至加热棒和空冷换热器4之间的管道上；
32.真空泵6，通过管道和阀门gsa-5连接膨胀箱3；以及
33.惰性气体源5，一端通过管道和阀门gas-1连接储料罐1；
34.其中，惰性气体源5还通过气举系统连接至加热段2和膨胀箱3之间的管道上，气举系统包括管道、阀门gas-4、气体流量计11、气体泵14、气压表和设置于管道上的伴热系统，气举系统连接至循环回路的接入点的两侧可根据需要设置振动传感器13。
35.储料罐1是具有一定容积的承压容器，安装在系统的低位，用于存储系统内所有的铅基合金介质并应保有裕量。储料罐1的顶端安装储料罐气压表9，监控储料罐1内部压力变化。储料罐1兼有熔料功能，可满足实验启动前将储料罐1内介质加热至液态铅基合金熔点以上温度。
36.加热段2作为自然循环的热源，通过内置的加热棒可将通过液态铅基合金回路的介质升温至试验目标温度。
37.膨胀箱3是具有一定容积的承压容器，安装在系统的高位，用于吸收试验过程液态铅基合金介质因温度变化和工况调整导致的介质体积差异。
38.空冷换热器4作为自然循环的冷源，通过外置风机对流经空冷换热器4的液态铅基合金进行降温，其中，外置风机采用变频器控制且外置风机与空冷换热器4之间设有风道，从而有效调节风量及强化换热效果，使上升段和下降段形成温差，最终两部分产生密度差，促进循环。
39.循环回路中设有用于监测储料罐1和膨胀箱3液位的储料罐液位计8和膨胀箱液位计7，液位计为电接点液位计。根据实际需要，可在储料罐1和膨胀箱3配置多点液位计，可实时监控液位。
40.根据本发明的一个实施方式，惰性气体源5为氩气瓶，试验前利用氩气瓶反复低压注气为铅基合金介质提供惰性气体环境。在将系统升温至预期温度后，需利用氩气瓶将液态铅基合金从储料罐1压至整个循环回路中。
41.真空泵6用于将系统抽真空，保持真空度，避免因外界氧化性气体进入系统污染液态铅基合金介质。试验开始升温前，需要利用真空泵6将系统多次重复抽真空、灌氩气过程，以降低试验过程中系统中氧化气体(氧气)的含量。
42.在图示实施方式中，气举系统是由氩气管道引出的一根分支，主要包括气体阀门gas-4、热式气体流量计11、气压表和伴热系统。气举系统主要作用是通过在循环上升段注入氩气，气泡的提升距离越长，回路内循环流量越大。
43.伴热系统包括电加热环、电加热丝和功率控制器，在试验开始前，为在试验期间有铅基合金介质流通/到达的部件如管道、设备等加热，将试验系统整体加热至铅基合金熔点以上温度；在试验过程中，伴热系统为系统伴热，补充系统热损，保证系统在试验期间有比较稳定的温度边界条件。整个系统所使用的电加热丝和电加热环采用分回路，分段控制，能够分别通过pid进行功率调节。
44.为了防止注入的惰性气体和铅基合金温差过大，引起气泡体积急剧变化从而导致管路振动，在气举回路注气口(位于加热段2和膨胀箱3之间)装有伴热系统，保证注气时气举回路注气温度与液态铅基合金温度相当。在气举上升管路处加装振动传感器13，用于对注气时液态铅基合金管路的振动速度进行监测；为了防止注气时液态铅基合金回流至气体管路，气举回路中的阀门为止回阀gas-4，防止液态铅基合金倒灌。
45.膨胀箱3顶部的安装有滤网，用作气液分离器12，用于使液态铅基合金和惰性气体
有效分流，防止液态铅基合金进入外界环境对现场造成污染。
46.根据本发明的一个优选实施方式，惰性气体源5还通过管道、阀门gas-6和气体泵14连接至膨胀箱3和真空泵6之间的管道上。气体泵14用于惰性气体的循环使用，通过在排气管道上设置分支并与注气管道相连，从而降低惰性气体的损耗量。
47.需要说明的是，在图1所示的实施方式中，阀门包括铅基合金阀门(lbe)和气体阀门(gas)，铅基合金阀门安装在液态铅基合金管道上，用于控制储料罐1中液态铅基合金的灌注和回流；气体阀门安装在惰性气体管道上，用于控制气体流通。此外，储料罐1、膨胀箱3和管路多个位置均设有温度测点，可根据实验需要调整实际布置位置。
48.可以理解的是，在图1所示实施方式中，储料罐1、循环回路、连接储料罐1和循环回路的管道、连接气体流量计11和循环回路的管道、膨胀箱3上均设有伴热系统和温控系统，伴热系统包括电加热环、电加热丝和功率控制器。伴热系统和温控系统具有系统整体升温快，温度控制精准等优点，因此能够保证与铅基合金接触的压力边界均能被有效加热，避免局部铅基合金凝固引发的问题。
49.以下结合图1所示详细描述本发明铅基合金循环回路系统的实施方法。实施方法分为实验前准备实施方法、实验过程控制方法，以及实验后系统停机检查方法，其中，实验前准备实施方法和实验后系统停机检查方法是通用的。
50.实验前准备实施方法：在确定实验系统具备开始实验的条件后(电气检查、密封检查等已完成)，进行实验前准备。首先，确认关闭编号gas-1/gas-2/gas-3/gas-4/gas-6的气阀，打开编号gas-5/lbe-1的阀门，然后，利用真空泵6将系统抽真空至膨胀箱气压表10显示绝对压力小于20pa，关闭阀门gas-5，维持15分钟以上，打开编号gas-2/gas-4/gas-6的气阀，利用氩气气瓶5持续向系统灌气，直至气体压力表压力稳定至0.3mpa，并维持稳定30分钟以上；打开编号为gas-5的气阀放气至系统压力略高于常压，重复上述抽真空-注气-放气操作，实验前需重复上述步骤3次以上，以降低系统氧化气体(氧气)的浓度，保证系统升温运行期间处于氩气气体环境中，最后一次系统气压控制为略高于环境压力(＞0.1mpa)。
51.惰性气体清洗实验系统后，利用加热装置将实验系统整体升温。对本实验系统，首次升温点应略高于铅基合金熔点，升温目标温度后，维持一段时间，以保证实验系统整体被加热至目标温度，避免温度不均，确保系统内的铅基合金已全部熔化。系统灌注液态金属是指将利用气压将液态铅基合金从储料罐1压至系统管道，直至膨胀箱3上部，操作方法为：关闭gas-2/gas-3/gas-4/gas-6号气阀，开启gas-1号阀门，调节气源压力，将液态铅基合金从储料罐1缓慢压至实验系统内，直至铅基合金液位至膨胀箱3下部(通过液位计7观察判断)，然后停止加压，保持现有压力一段时间，保证铅基合金介质充满系统，然后关闭阀门lbe-1和气阀gas-1/gas-5。
52.实验过程控制方法是探究采用气举系统前后铅基合金的自然循环特性，具体包括：确定实验前准备工作完成后，确认关闭气体阀门gas-1/gas-3/gas-6，关闭铅基合金阀门lbe-1/lbe-2/lbe-3；确定阀门状态后，在控制电加热棒功率和空冷换热器4风机功率的前提下，打开气体阀门gas-2/gas-4，通过气举管道向液态金属回路内注入氩气。排气管道内充满氩气时关闭气体阀门gas-5/gas-2，打开气体阀门gas-6，通过气体泵14和气体流量计11控制和监测管道内气体流量。当注气速率过快导致膨胀箱3液位过高时，需打开铅基合金阀门lbe-2/lbe-3进行液态金属的回流。通过控制电加热棒功率、空冷换热器4的风机功
率和气举系统注气量建立稳定的气举增强循环，之后关闭气瓶阀门gas-4/gas-6/气体泵，停止注气，从而获得采用气举系统前后铅基合金的自然循环特性实验数据。实验方法实施期间，实验系统加热装置处于常开状态。
53.实验后系统停机检查方法：完成实验后，关闭气举系统的气阀gas-1/gas-2/gas-4/gas-6，用软管连接储料罐1的排气管道和膨胀箱3的排气管道，使整个系统压力平衡，开启铅基合金阀门lbe-1，系统管道及设备内液态金属由于重力压差作用，返回至储料罐1。根据实验前后电接点液位计8读数，判断液态铅基合金全部回流至储料罐1内后，关闭系统加热装置，直至系统降至常温，最后关闭气阀gas-3/gas-5，完成实验后系统停机检查。
54.结合以上对本发明实施方式的详细描述可以看出，相对于现有技术，本发明铅基合金循环回路系统无需机械泵等能动部件驱动即可改善铅基合金的循环，可简化循环传热系统设计，为铅基合金在循环传热系统中的实际工程应用提供参考。可获得铅基合金全自然循环特性实验数据，为全自然循环传热系统的设计提供参考和依据，可获得采用气举系统铅基合金的自然循环特性实验数据，为循环传热系统中气举系统的设计提供参考和依据。
55.根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。