本發(fā)明屬于液態(tài)金屬鈉的加熱設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于液態(tài)金屬鈉高溫實(shí)驗(yàn)回路的大功率預(yù)熱器。

背景技術(shù)：

液態(tài)金屬鈉以其具有良好的傳熱，載熱流動(dòng)特性以及其不使堆芯快中子被慢化的諸多優(yōu)點(diǎn)，使其成為第四代核能發(fā)電系統(tǒng)首選堆型(鈉冷快堆)唯一理想的冷卻劑。隨著鈉冷快堆事業(yè)的蓬勃發(fā)展，需要對(duì)液態(tài)金屬鈉的各種性質(zhì)在理論和實(shí)踐方面都進(jìn)行廣泛深入的研究，特別是開(kāi)展液態(tài)金屬鈉實(shí)驗(yàn)方面的的深入研究。為了使實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果對(duì)鈉冷快堆的建設(shè)具有指導(dǎo)意義，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中往往需要將處于實(shí)際鈉冷快堆堆芯中流速的液態(tài)金屬鈉預(yù)熱到較高溫度，甚至達(dá)到飽和溫度(常壓883℃)。

目前已有的一些液態(tài)金屬加熱專(zhuān)利，例如，中國(guó)專(zhuān)利201210122794.x提出了一種應(yīng)用于液態(tài)鉛鉍合金實(shí)驗(yàn)回路的預(yù)熱器，其主要特征在于一物料管道，具有一物料進(jìn)口和一物料出口；物料管道外包覆有一電加熱層，該電加熱層外側(cè)包覆有保溫層，在保溫層的外側(cè)為金屬保護(hù)性外殼；預(yù)熱器安裝時(shí)與水平面呈一傾斜角度放置，物料進(jìn)口設(shè)置在低位，物料出口設(shè)置在高位，該預(yù)熱裝置的溫升可以達(dá)到200℃，并且不需要任何密封措施。但是，一方面該專(zhuān)利設(shè)計(jì)的預(yù)熱器是為鉛鉍合金實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，其運(yùn)行溫度一般在500℃左右，而液態(tài)金屬鈉高溫沸騰實(shí)驗(yàn)回路，其運(yùn)行溫度在800度左右，溫升400℃，該預(yù)熱器的使用溫度和溫升均不能滿(mǎn)足要求；另一方面對(duì)于大流量液態(tài)金屬鈉實(shí)驗(yàn)回路，預(yù)熱器的功率都在百千瓦以上，而按照該專(zhuān)利提供的預(yù)熱器設(shè)計(jì)方案，功率達(dá)到百千瓦以上需要設(shè)計(jì)很大的傳熱面積，導(dǎo)致預(yù)熱器占用空間巨大，成本較高。

又如，中國(guó)專(zhuān)利201110199224.6提供了一種液態(tài)金屬鈉實(shí)驗(yàn)回路電加熱預(yù)熱器，其主要特征在于將多根加熱棒插入一個(gè)大口徑殼管內(nèi)對(duì)液態(tài)金屬鈉進(jìn)行加熱。本發(fā)明具能夠?qū)σ簯B(tài)金屬鈉進(jìn)行高溫預(yù)熱，使其達(dá)到飽和溫度；密封性能良好。但是，對(duì)于大流量液態(tài)金屬鈉實(shí)驗(yàn)回路，預(yù)熱器的功率都在百千瓦以上，而按照該專(zhuān)利提供的預(yù)熱器設(shè)計(jì)方案，需要大尺寸的殼管和數(shù)量巨大的電加熱棒，電加熱棒數(shù)量越多，潛在的漏點(diǎn)可能越多，密封性很難保證，而且殼管內(nèi)部的大空間可能會(huì)出現(xiàn)局部沸騰現(xiàn)象，影響預(yù)熱器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

又如中國(guó)專(zhuān)利201410511271.3提供了一種大功率電加熱管式預(yù)熱器，所述預(yù)熱器包括：3n個(gè)預(yù)熱器加熱管道、1臺(tái)感應(yīng)調(diào)壓器、3臺(tái)大電流變壓器，所述感應(yīng)調(diào)壓器與所述大電流變壓器連接，所述大電流變壓器與所述預(yù)熱器加熱管道連接。本發(fā)明功率可以達(dá)到百千瓦以上，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的管式預(yù)熱器存在絕緣效果較差，回路存在潛在漏水點(diǎn)。但是，該發(fā)明裝置的使用工質(zhì)是去離子水及不導(dǎo)電介質(zhì)，對(duì)于液態(tài)金屬鈉具有良好的導(dǎo)電性，如果直接采用該裝置預(yù)熱液態(tài)金屬導(dǎo)致加熱功率驟降，其預(yù)熱器功率無(wú)法達(dá)到百千瓦以上，經(jīng)濟(jì)效益極差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述存在的問(wèn)題，提供了一種用于液態(tài)金屬鈉實(shí)驗(yàn)回路的大功率預(yù)熱器，既能夠保證液態(tài)金屬鈉實(shí)驗(yàn)回路加熱能力，又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性良好、布置空間相對(duì)減少、效率和安全性得到保障、經(jīng)濟(jì)效益良好的特點(diǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種用于液態(tài)金屬鈉實(shí)驗(yàn)回路的大功率預(yù)熱器，包括內(nèi)管2、電絕緣層4、定位環(huán)5、兩個(gè)端部密封環(huán)3、外管6和兩對(duì)電極7；所述一個(gè)內(nèi)管2，構(gòu)成液態(tài)金屬鈉流道，與水平面傾斜安裝，下端部為進(jìn)口1，上端部為出口8；所述一個(gè)外管6，作為電加熱管；所述電絕緣層4設(shè)置在內(nèi)管2和外管6之間，該絕緣層4的成份為氧化鎂或者碳化硼，用于外管6通過(guò)電極7通電加熱時(shí)對(duì)內(nèi)管2起到絕緣作用；所述在內(nèi)管2和外管6之間有用于定位內(nèi)管2和外管6的定位環(huán)5，其材質(zhì)為陶瓷；所述在外管6端部有兩對(duì)密封環(huán)3，其材質(zhì)為陶瓷；所述外管外設(shè)置電極7，用于連接小電壓、大電流變壓器。

所述外管6外壁包覆有保溫層，以減少熱損失，提高熱效率。

所述外管6的長(zhǎng)度小于內(nèi)管2的長(zhǎng)度。

所述內(nèi)管2的外壁與外管6的內(nèi)壁之間的間距為1～2mm。

所述外管6外布置熱電偶，用于檢測(cè)外管的壁面溫度，并作為閉合/斷開(kāi)加熱的反饋依據(jù)。

所述內(nèi)管2與水平面傾斜的角度α為15°～30°。

多級(jí)加熱之間的連接采用與內(nèi)管2半徑相同的彎管10把上級(jí)大功率預(yù)熱器內(nèi)管的出口和下級(jí)大功率預(yù)熱器內(nèi)管的進(jìn)口連接起來(lái)，構(gòu)成多級(jí)大功率預(yù)熱器。

所述內(nèi)管2、外管6及彎管10均采用高溫合金材料，其運(yùn)行溫度達(dá)到950℃。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、預(yù)熱器功率可以達(dá)到百千瓦以上，可對(duì)大流量下的液態(tài)金屬鈉進(jìn)行大溫升預(yù)熱，溫升提升水平可以達(dá)到400℃左右。

2、整個(gè)預(yù)熱器的流體管道都是焊接，沒(méi)有任何潛在的泄漏點(diǎn)，不需要任何密封措施。

3、預(yù)熱器結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，沒(méi)有過(guò)多的節(jié)流件，有效的降低了整個(gè)回路的運(yùn)行阻力。

4、整個(gè)預(yù)熱器的金屬材料都采用gh3625、incolnel800等高溫合金材料制造，運(yùn)行溫度可以達(dá)到950℃，能夠?qū)σ簯B(tài)金屬鈉進(jìn)行高溫預(yù)熱，使其達(dá)到預(yù)設(shè)的試驗(yàn)段進(jìn)口溫度。

總之，本裝置可以有效的對(duì)大流量下液態(tài)金屬鈉回路中的鈉進(jìn)行預(yù)熱，設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省空間，方便使用操作，適合裝配于實(shí)驗(yàn)用液態(tài)金屬鈉回路。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述的大功率預(yù)熱器橫截面示意圖。

圖2是本發(fā)明所述的多級(jí)大功率預(yù)熱器的示意圖。

圖3是本發(fā)明所述的大功率多級(jí)預(yù)熱器的供電示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明：

如圖1所示，一種用于液態(tài)金屬鈉實(shí)驗(yàn)回路的大功率預(yù)熱器，其主要包括：一個(gè)內(nèi)管2、電絕緣層4、定位環(huán)5、兩個(gè)端部密封環(huán)3、外管6、兩對(duì)電極7、保溫層9。

所述一個(gè)內(nèi)管2，構(gòu)成液態(tài)金屬鈉流道，與水平面傾斜安裝，下端部為進(jìn)口1，上端部為出口8。

所述一個(gè)外管6，作為電加熱管，產(chǎn)生的熱量通過(guò)電絕緣層傳遞到內(nèi)管，內(nèi)管再對(duì)液態(tài)金屬鈉進(jìn)行加熱。

所述內(nèi)管2和外管6之間有一層電絕緣層4，該絕緣層4的成份為氧化鎂或者碳化硼，用于外管6通過(guò)電極7通電加熱時(shí)對(duì)內(nèi)管2起到絕緣作用，氧化鎂或者碳化硼采用膠狀、高壓、致密化填充，在高溫條件下(900℃)既能保證良好的導(dǎo)熱性，又能夠保證良好的絕緣性。

所述在內(nèi)管2和外管6之間有定位環(huán)5，其材質(zhì)為陶瓷，由于陶瓷耐高溫(900℃)、硬度大，在高溫條件下(900℃)用于固定內(nèi)管和外管，能夠保證內(nèi)管和外管之間的絕緣層間隙。

所述在外管6端部有兩對(duì)密封環(huán)3，其材質(zhì)為陶瓷，用于密封間隙內(nèi)氧化鎂或者碳化硼粉末。

所述外管外設(shè)置電極7采用兩點(diǎn)式加熱，用于連接小電壓、大電流變壓器，有效防止了預(yù)熱器運(yùn)行期間出現(xiàn)人觸電情況。

所述外管外面設(shè)置一定厚度的保溫層9，減少熱損失，提高熱效率，保證預(yù)熱器的效率能達(dá)到85％以上。

所述外管6的長(zhǎng)度小于內(nèi)管的長(zhǎng)度，外管的壁厚和長(zhǎng)度一定要和小電壓、大電流變壓器功率匹配。

所述內(nèi)管2的外壁和外管6的內(nèi)壁之間的間距為1～2mm之間。

所述外管6外布置熱電偶，用于檢測(cè)外管的壁面溫度，并作為閉合/斷開(kāi)加熱的反饋依據(jù)。

所述內(nèi)管2與水平面傾斜的角度α為15°～30°，保證在回路不運(yùn)行期間液態(tài)金屬鈉不殘留在預(yù)熱器內(nèi)管內(nèi)。

多級(jí)預(yù)熱器與水平面的安裝角度α為15°～30°，保證在回路不運(yùn)行期間液態(tài)金屬鈉不殘留在多級(jí)預(yù)熱器內(nèi)管內(nèi)。

電加熱的功率依靠可控硅進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證每級(jí)外管的熱流密度不超過(guò)60w/mm²。

如圖2所示，多級(jí)加熱之間的連接采用與內(nèi)管2半徑相同的彎管10把上級(jí)大功率預(yù)熱器內(nèi)管的出口和下級(jí)大功率預(yù)熱器內(nèi)管的進(jìn)口連接起來(lái)，構(gòu)成多級(jí)大功率預(yù)熱器，每級(jí)預(yù)熱器的的兩對(duì)電極7分別如a和b、c和d、e和f；

如圖3所示，變壓器的兩個(gè)出線端分別連接每級(jí)預(yù)熱器的的兩對(duì)電極7分別如a和b、c和d、e和f，所述電加熱的功率依靠可控硅進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證每級(jí)外管的熱流密度不超過(guò)60w/cm²。

工作時(shí)，200℃左右的液態(tài)金屬?gòu)膬?nèi)管2的進(jìn)口1進(jìn)入預(yù)熱器的內(nèi)管2中對(duì)液態(tài)金屬鈉進(jìn)行預(yù)熱。如果出口8處的液態(tài)金屬鈉溫度低于預(yù)設(shè)值，投入一級(jí)預(yù)熱器對(duì)液態(tài)金屬鈉進(jìn)行預(yù)熱，如果經(jīng)過(guò)一級(jí)預(yù)熱出口溫度低于設(shè)定的溫度，投入二級(jí)預(yù)熱或者增加一級(jí)預(yù)熱器的電加熱功率，依次類(lèi)推；如果出口8處的液態(tài)金屬鈉溫度高于預(yù)設(shè)值，斷開(kāi)預(yù)熱器的通電，停止對(duì)液態(tài)金屬鈉加熱。在此過(guò)程中，外管6外布置熱電偶用于檢測(cè)外管的壁面溫度，如果其中一級(jí)預(yù)熱器的溫度達(dá)到報(bào)警值，斷開(kāi)該級(jí)預(yù)熱器的加熱電功率，投入下一級(jí)預(yù)熱器或者提升其它級(jí)的加熱電功率。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)該預(yù)熱裝置加熱后，從出口8流出的液態(tài)液態(tài)金屬鈉的溫升可以達(dá)到400℃。

以上內(nèi)容僅用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式僅限于此，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍之內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變化和變型都應(yīng)當(dāng)視為在本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)范圍內(nèi)。