一种铅铋合金气泡泵循环能力实验系统及其实验方法 |
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| 申请号 | CN201710041306.5 | 申请日 | 2017-01-17 | 公开(公告)号 | CN106837769A | 公开(公告)日 | 2017-06-13 |
| 申请人 | 西安交通大学; | 发明人 | 苏光辉; 石磊太; 谭冰; 田文喜; 张大林; 巫英伟; 秋穗正; | ||||
| 摘要 | 一种铅铋 合金 气泡 泵 循环能 力 实验系统及实验方法，该系统包括由铅铋合金储存罐、液位探针、 阀 门 和连接在铅铋实验回路上的管道组成的铅铋合金储存 熔化 模 块 ，由氩气瓶、流量计、压力表、阀门和连接在铅铋合金储存罐及实验段上的管道组成的气 体模 块，由电磁流量计、校验筒、液位探针、阀门组成的电磁流量计标定模块，由注气管、实验段、测量仪表组成的实验模块；铅铋合金在储存罐内熔化之后，由氩气将铅铋合金压入实验回路中，回路中的铅铋合金依次通过校验筒、下降段、电磁流量计、 水 平段、实验段、气液分离段，形成一个闭式循环；本 发明 还提供了该系统的实验方法；本发明系统能够承受较高 温度 工况并确保铅铋合金在大流量状态下稳态循环运行，同时又能做到简便快捷的调节系统参数。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种铅铋合金气泡泵循环能力实验系统，其特征在于：包括第一高压氩气罐(8)、第二高压氩气罐(9)，第一高压氩气罐(8)和第二高压氩气罐(9)下游管道上的热式气体质量流量计(201)，热式气体质量流量计(201)下游管道上的压力传感器(601)，压力传感器(601)下游处的第一阀门(401)、第二阀门(402)、第三阀门(403)和第四阀门(404)，第一阀门(401)、第二阀门(402)、第三阀门(403)和第四阀门(404)并联连接，分别为实验回路提供氩气、测量氩气流量、监测气体管路中的压力，调节氩气的流入位置与调节氩气的流量，以上组成了系统的气体模块，该模块主要作用是给回路中提供氩气； |
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| 说明书全文 | 一种铅铋合金气泡泵循环能力实验系统及其实验方法技术领域背景技术[0002] 加速器驱动次临界系统(ADS)用加速器加速的高能质子与重靶核(如钨、铅铋合金)发生散裂反应，一个质子引起的散裂反应可产生几十个中子，用散裂产生的中子作为中子源来驱动次临界系统，使次临界系统维持链式反应以便得到能量和利用多余的中子增殖核材料和嬗变核废物。加速器驱动的次临界系统中，目前研究的散裂靶材料主要是固体钨颗粒和铅铋合金，其中，铅铋合金作为散裂靶的反应堆中，铅铋合金也是反应堆的冷却剂。铅铋合金具有良好的热膨胀性，因此以铅铋合金为冷却剂的反应堆具有显著的自然循环能力，这可以提高反应堆在事故工况下的安全性。同时，在ADS设计阶段，气泡泵被用于替代机械泵驱动铅铋合金的循环流动。但是重金属与气体的气液两相相关研究十分匮乏，因此，对铅铋合金热工水力特性的研究非常重要。 [0003] 铅铋合金气泡泵循环实验系统，主要是研究ADS系统中铅铋合金在气泡泵的提升作用下的循环能力，获得铅铋合金质量流量与气体体积流量的关系，并且获得实验段中空泡份额的分布。本实验中要求气体直接注入到实验段中，实验系统运行温度较高，需要实验系统具有完备的加热、注气的系统配置和稳定的调节能力。 [0004] 国内外现有的铅铋合金回路都集中在自然循环能力、氧控及腐蚀方面的研究，而研究气泡泵循环能力的实验回路还没有。中国专利申请CN201310285049.1公开了一种铅铋合金自然循环回路系统，该系统主要研究了温差导致的铅铋合金自然循环能力。 发明内容[0005] 本发明的目的是针对上述实验装置和系统不适用或不满足铅铋合金气泡泵循环能力的研究，提供了一种铅铋合金气泡泵循环能力实验系统及实验方法，本发明系统能够在较高温度工况下并保证气泡的安全注入及排出状态下稳定运行，同时又能做到简单快速的调节系统参数，能够精准的获取大量的铅铋流量、气体流量、温度和空泡份额等实验参数，可以对气体-重金属的两相流特性进行深入研究。 [0006] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案： [0007] 一种铅铋合金气泡泵循环能力实验系统，包括第一高压氩气罐8、第二高压氩气罐9，第一高压氩气罐8和第二高压氩气罐9下游管道上的热式气体质量流量计201，热式气体质量流量计201下游管道上的压力传感器601，压力传感器601下游处的第一阀门(401)、第二阀门402、第三阀门403和第四阀门404，第一阀门(401)、第二阀门402、第三阀门403和第四阀门404并联连接，分别为实验回路提供氩气、测量氩气流量、监测气体管路中的压力，调节氩气的流入位置与调节氩气的流量，以上组成了系统的气体模块，该模块主要作用是给回路中提供氩气； [0008] 铅铋实验回路由铅铋合金储存、熔化模块，电磁流量计标定模块，气体排出模块和实验段模块及管道组成，各模块的组成如下： [0009] 铅铋合金储存罐3、安装在铅铋合金储存罐3上的第一液位探针701和第二液位探针702，安装在铅铋合金储存罐3底部管道上的第五阀门405、第五阀门405通过管道与铅铋实验回路连通，组成系统的铅铋合金储存、熔化模块；铅铋合金储存罐3上缠绕有加热丝，通过加热丝产生的热量熔化铅铋合金； [0010] 电磁流量计202，电磁流量计202上游的校验筒10，校验筒10中的第三液位探针703、第四液位探针704、第五液位探针705、第六液位探针706、第七液位探针707、第五阀门 405，它们的作用分别是测量铅铋合金体积流量、测量铅铋合金的体积、监测铅铋合金的液位、控制铅铋合金流入储存罐的速度，以上共同组成了系统的电磁流量计标定模块，该模块的主要作用是标定电磁流量计； [0011] 气液分离腔5，与气液分离腔连接的校验筒10，校验筒上部通过管道相连的第七阀门407共同组成系统的气体排出模块； [0012] 第一气体喷嘴101，第一气体喷嘴101上部安装的第五压差传感器605；第二气体喷嘴102，第二气体喷嘴102上部安装的第四压差传感器604；第三气体喷嘴102，第三气体喷嘴103上部安装的第三压差传感器603；以上所述传感器、气体喷嘴与管道组成系统的实验段模块； [0013] 气体模块上的第一阀门401与铅铋合金储存罐3相连，铅铋合金储存罐3上部安装的管道与第六阀门406，与铅铋合金储存、熔化模块、气体模块共同组成铅铋合金加注模块； [0014] 第二阀门402下游管道通过第一气体喷嘴101插入实验段中，第三阀门403下游管道通过第二气体喷嘴102插入实验段中，第四阀门404下游管道通过第三气体喷嘴103插入实验段中，以上与气体模块共同组成气体注入模块。 [0015] 所述实验段模块总长3550mm，实验段共布置三个注气喷嘴，第一气体喷嘴101距液面距离为3000m，距第一气体喷嘴101出口上部100mm的位置上安装有一根引压管，距第一气体喷嘴101出口上部1050mm的位置上安装有另一根引压管，这两根引压管通过法兰连接到第五压差传感器605的两端，两根引压管上布置铠装热电偶来监测引压管内铅铋合金的温度，距第一气体喷嘴101出口下部50mm的位置上安装有一个插入管道内的铠装热电偶来测量铅铋实验回路中铅铋合金的温度；第二气体喷嘴102距液面距离为2050mm,距第二气体喷嘴102出口上部100mm的位置上安装有一根引压管，距第二气体喷嘴102出口上部1050mm的位置上安装有另一根引压管，这两根引压管通过法兰连接到第四压差传感器604的两端,两根引压管上布置铠装热电偶来监测引压管内铅铋合金的温度，距第二气体喷嘴102出口下部50mm的位置上安装有一个插入管道内的铠装热电偶来测量铅铋实验回路中铅铋合金的温度；第三气体喷嘴103距液面距离为1100mm,距第三气体喷嘴103出口上部100mm的位置上安装有一根引压管，距第三气体喷嘴103出口上部1050mm的位置上安装有另一根引压管，这两根引压管通过法兰连接到第三压差传感器603的两端,两根引压管上布置铠装热电偶来监测引压管内铅铋合金的温度，距喷嘴103出口下部50mm的位置上安装有一个插入管道内的铠装热电偶来测量铅铋实验回路中铅铋合金的温度；实验段上布置的所有热电偶和压力传感器以及压差传感器均通过采集板连接到信号处理器上，组成系统的测量采集模块。 [0016] 所述铅铋实验回路的各模块及管道表面缠绕有加热丝，用于开始实验时对实验回路进行预热，实验进行时进行热补偿。 [0017] 铅铋实验回路的各模块及管道表面包覆有保温层，保温层包括各模块及管道表面的硅酸铝板包覆层，缠绕在硅酸铝板包覆层外的玻璃丝布，粘贴在玻璃丝布外的铝箔纸；所述硅酸铝板包覆层的平均厚度大于100mm。 [0018] 所述的铅铋合金气泡泵循环能力实验系统的实验方法，所述铅铋实验回路中充满氩气对铅铋合金进行保护，防止铅铋合金与空气接触而发生氧化反应； [0019] 在给铅铋实验回路中充入铅铋合金前，回路上的加热丝通电，对铅铋合金储存罐3内的铅铋合金加热而使其熔化，并对实验回路各段进行预热； [0020] 等到铅铋合金储存罐3内的铅铋合金温度达到200℃，回路中各段的温度达到200℃时开始给铅铋实验回路中注入铅铋合金，打开第一阀门401和第五阀门405，关闭第二阀门402、第三阀门403、第四阀门404和第六阀门406，之后给铅铋合金储存罐3内注入氩气，逐步提高压力，将铅铋合金逐步压入铅铋实验回路中；等到第三液位探针703检测到信号时，关闭第五阀门405和第一阀门401，停止向铅铋实验回路中压入铅铋合金，并停止向铅铋合金储存罐3内注入气体； [0021] 进行第一气体喷嘴101注气的气泡泵实验时，打开第二阀门402，通过调节第二阀门402的开度来调节注入实验段的气体流量，第七阀门407一直处于开启状态，第一阀门401、第六阀门406、第五阀门405、第三阀门403和第四阀门404一直处于关闭状态； [0022] 进行第二气体喷嘴102注气的气泡泵实验时，打开第三阀门403，通过调节第三阀门403的开度来调节注入实验段的气体流量，第七阀门407一直处于开启状态，第一阀门401、第六阀门406、第五阀门405、第二阀门402和第四阀门404一直处于关闭状态； [0023] 进行第三气体喷嘴103注气的气泡泵实验时，打开第四阀门404通过调节第四阀门404的开度来调节注入实验段的气体流量，第七阀门407一直处于开启状态，第一阀门401、第六阀门406、第五阀门405、第二阀门402和第三阀门403一直处于关闭状态； [0024] 待铅铋实验回路稳态运行5分钟后打开测量采集模块开始记录压力、压差、流量和流体温度的实验数据； [0025] 实验结束后，打开第六阀门406，将铅铋合金储存罐3内的压力逐步减小至0.15MPa，关闭第七阀门407，打开第五阀门405，使铅铋合金缓慢流回铅铋合金储存罐3内； 待第一液位探针701检测到信号时，关闭第五阀门405，然后开启第一阀门401、第二阀门 402、第三阀门403和第四阀门404，给铅铋实验回路和铅铋合金储存罐3内充入氩气，以防止铅铋合金氧化；待压力达到0.3MPa时，关闭所有阀门，关闭测量采集模块，切断电源，实验结束。 [0026] 根据本发明提供的铅铋合金气泡泵循环能力实验系统及实验方法，其具有工作温度较高，气体注入流量可调且调节范围大的特点。该系统铅铋回路上所有管道及模块上均布置有加热丝，防止铅铋冷凝后堵塞回路，实验完成后铅铋合金放回储存罐内，提高系统的安全性；该系统主要用于科学研究中，为ADS的设计提供实验及模型支持。附图说明 [0027] 图1为本发明实验系统的系统图。 [0028] 图2为实验段气体喷嘴及压差传感器布置图。 具体实施方式[0029] 下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明。 [0030] 如图1所示，本发明是一种铅铋合金气泡泵循环能力实验系统，包括第一高压氩气罐8、第二高压氩气罐9，第一高压氩气罐8和第二高压氩气罐9下游管道上的热式气体质量流量计201、热式气体质量流量计201下游管道上的压力传感器601、压力传感器601下游处的第一阀门401、第二阀门402、第三阀门403和第四阀门404并联连接，它们的作用分别是为实验回路提供氩气、测量氩气流量、监测气体管路中的压力，调节氩气的流入位置与调节氩气的流量，以上组成了系统的气体模块，该模块主要作用是给回路中提供氩气。铅铋合金储存罐3、安装在铅铋合金储存罐上的第一液位探针701，第二液位探针702，安装在储存罐底部管道上的第五阀门405、第五阀门405通过管道与铅铋实验回路连通，组成系统的铅铋合金储存、熔化模块；当给铅铋回路注入铅铋合金时，通过铅铋合金储存罐3上缠绕的加热丝熔化铅铋合金，待铅铋合金储存罐3内铅铋合金温度达到200℃，铅铋回路中各段的温度达到200℃时，打开阀门401和阀门405，关闭阀门402、阀门403、阀门404和阀门406，然后给铅铋合金储存罐3内注入氩气，逐步提高压力，将铅铋合金逐步压入铅铋实验回路中。等到第三液位探针703检测到信号时，关闭阀门405和阀门401，停止向铅铋实验回路中压入铅铋合金，并停止向铅铋合金储存罐3内注入气体。 [0031] 电磁流量计202，电磁流量计202上游的校验筒10、校验筒中的第三液位探针703、第四液位探针704、第五液位探针705、第六液位探针706、第七液位探针707，第五阀门405，它们的作用分别是测量铅铋合金体积流量、测量铅铋合金的体积、监测铅铋合金的液位、控制铅铋合金流入储存罐的速度，以上共同组成了系统的电磁流量计标定模块，该模块的主要作用是标定电磁流量计。标定电磁流量计202时，打开第六阀门406，将铅铋合金储存罐3内的压力减小至0.15MPa，关闭第七阀门407，打开第四阀门404，给气液分离腔5和校验筒10内充入氩气，然后打开第五阀门405，铅铋合金回流入铅铋合金储存罐3内，此时电磁流量计202上产生电压信号，通过数据采集模块采集该信号，通过校验筒10中的第四液位探针704、第五液位探针705、第六液位探针706和第七液位探针707测量铅铋合金的体积流量，通过后处理，获得铅铋合金体积流量与电磁流量计电压信号的对应关系，完成电磁流量计202的标定。 [0032] 第二阀门402下游管道通过第一气体喷嘴101插入实验段中，第三阀门403下游管道通过第二气体喷嘴102插入实验段中，第四阀门404下游管道通过第三气体喷嘴103插入实验段中，以上与气体模块共同组成气体注入模块，该模块的主要作用是给铅铋实验回路注入氩气，进而驱动铅铋合金循环流动。第一气体喷嘴101，第一气体喷嘴101上部安装的第五压差传感器605；第二气体喷嘴102，第二气体喷嘴102上部安装的第四压差传感器604；第三气体喷嘴102，第三气体喷嘴103上部安装的第三压差传感器603；以上所述传感器与管道组成系统的实验段模块。气液分离腔5，与气液分离腔5连接的校验筒10，校验筒10上部通过管道相连的第七阀门407共同组成系统的气体排出模块。 [0033] 所述实验段模块总长3550mm，实验段共布置三个注气喷嘴，第一气体喷嘴101距液面距离为3000m，距第一气体喷嘴101出口上部100mm的位置上安装有一根引压管，距第一气体喷嘴101出口上部1050mm的位置上安装有另一根引压管，这两根引压管通过法兰连接到第五压差传感器605的两端，两根引压管上布置铠装热电偶来监测引压管内铅铋合金的温度，距第一气体喷嘴101出口下部50mm的位置上安装有一个插入管道内的铠装热电偶来测量铅铋实验回路中铅铋合金的温度；第二气体喷嘴102距液面距离为2050mm,距第二气体喷嘴102出口上部100mm的位置上安装有一根引压管，距第二气体喷嘴102出口上部1050mm的位置上安装有另一根引压管，这两根引压管通过法兰连接到第四压差传感器604的两端,两根引压管上布置铠装热电偶来监测引压管内铅铋合金的温度，距第二气体喷嘴102出口下部50mm的位置上安装有一个插入管道内的铠装热电偶来测量铅铋实验回路中铅铋合金的温度；第三气体喷嘴103距液面距离为1100mm,距第三气体喷嘴103出口上部100mm的位置上安装有一根引压管，距第三气体喷嘴103出口上部1050mm的位置上安装有另一根引压管，这两根引压管通过法兰连接到第三压差传感器603的两端,两根引压管上布置铠装热电偶来监测引压管内铅铋合金的温度，距喷嘴103出口下部50mm的位置上安装有一个插入管道内的铠装热电偶来测量铅铋实验回路中铅铋合金的温度；实验段上布置的所有热电偶和压力传感器以及压差传感器均通过采集板连接到信号处理器上，进而对实验数据进行采集。 [0034] 铅铋实验回路的各模块及管道表面缠绕有加热丝，用于开始实验时对实验回路进行预热，实验进行时进行热补偿。铅铋实验回路的各模块及管道表面包覆有保温层。保温层包括用细铁丝固定在铅铋回路管道表面的硅酸铝板包覆层，缠绕在硅酸铝板包覆层外的玻璃丝布，粘贴在玻璃丝布外的铝箔纸。所述硅酸铝板包覆层的平均厚度大于100mm。 [0035] 进行第一气体喷嘴101注气的气泡泵实验时，打开第二阀门402，通过调节第二阀门402的开度来调节注入实验段的气体流量，第七阀门407一直处于开启状态，第一阀门401、第六阀门406、第五阀门405、第三阀门403和第四阀门404一直处于关闭状态。气体注入实验段后，沿着实验段向上流动，此时上升段汽液混合密度小于下降段，驱动铅铋合金在铅铋实验回路中循环流动，气液混合物在气液分离腔5内分离，气体通过第七阀门407排出实验回路，铅铋合金通过下降段流回铅铋实验回路。通过第三压差传感器603、第四压差传感器604和第五压差传感器605测量各段的压差，通过热式气体质量流量计201测量氩气的体积流量，通过电磁流量计202测量铅铋合金的体积流量。进行第二气体喷嘴102注气的气泡泵实验与第三气体喷嘴103注气的气泡泵实验过程与此类似。待铅铋实验回路稳态运行5分钟后打开测量采集模块开始记录压力、压差、流量和流体温度的实验数据。 [0036] 实验结束后，打开第六阀门406，将铅铋合金储存罐3内的压力逐步减小至0.15MPa，关闭第七阀门407，打开第五阀门405，使铅铋合金缓慢流回铅铋合金储存罐3内。 待第一液位探针701检测到信号时，关闭第五阀门405。然后开启第一阀门401、第二阀门 402、第三阀门403和第四阀门404，给铅铋实验回路和铅铋合金储存罐3内充入氩气，以防止铅铋合金氧化。待压力达到0.3MPa时，关闭所有阀门，关闭测量采集模块，切断电源，实验结束。 |
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