一种液态金属锂物性参数测试系统及其测试方法技术方案

本发明专利技术提供一种液态金属锂物性参数测试系统及其测试方法，所述测试系统包括：灌锂系统、氩气和真空系统、测试段本体、在线监控系统；其中灌锂系统包括熔锂罐、锂回收罐；测试段本体包括锂密度和表面张力测试段、锂粘度测试段、锂焓值和热容测试段；在线监控系统实时监控和采集系统中各个关键参数及锂阀的开闭。所述测试方法使用上述测试系统，包括回路充氩、回路充锂、物性参数测试、系统关闭四个步骤。

A test system and method for physical parameters of liquid lithium metal

【技术实现步骤摘要】
一种液态金属锂物性参数测试系统及其测试方法
本专利技术属于工程热物理与能源利用学科领域，更具体地说，涉及一种液态金属锂物性参数测试系统及使用方法。
技术介绍
随着深空探测的不断发展，空间核动力电源系统已经被作为未来太空探索的最具潜力的动力能源，具有能量密度大，工作性能稳定等优点。高导热特性赋予了液态金属优异的对流换热能力，打破了以水为冷却工质的传统冷却技术的能力极限，锂工质的熔点和沸点都比较高，密度低、传热性好被广泛用作空间核反应堆的冷却剂，包括液态金属锂直接冷却的空间堆和碱金属锂热管冷却的空间堆。所以锂的物性是空间堆热工水力设计和安全分析研究必不可少的基础参数，直接与液态金属环路相关。由于锂具有较强金属性和高危险性，现有技术设备很难实现对液态锂高温段物性的测试，此外，现有的文献虽然提供了某些物性参数实验数据，但是报告结果之间存在的差异，且上世纪有限的测试条件导致的试验误差等使得测试结果受到很大的质疑，远远不能满足目前的应用需求，为了能够获得更加可靠的数据，适用的温度范围更广，所以，进行更加精确的测量显得尤为必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术缺陷，提供一种液态金属锂物性参数测试系统及使用方法，其性能稳定，可测量多个物性参数，适用高温区间，为空间环境热力学系统特性与优化设计研究中所涉及的液态金属循环工质尤其是锂提供必要的基础参数。根据本专利技术的一个方面，提供了一种一种液态金属锂物性参数测试系统，其包括：灌锂系统、氩气和真空系统、测试段本体和在线监控系统；所述灌锂系统，为测试提供适量液态锂和回收测试完毕后的液态锂，实现液态锂的循环利用；所述氩气和真空系统，为测试提供始终惰性气体保护下的安全测试环境，并为锂的流动提供驱动力；所述测试段本体，实现高温环境下对液态锂多个物性参数的测量；所述在线监控系统，实时监控测试系统中的各个关键参数和锂阀的开闭。优选地，所述灌锂系统包括熔锂罐，锂回收罐和加热系统；所述熔锂罐外壁缠绕欧姆加热丝并包裹保温棉，罐内设有K型热电偶，罐体一侧装配压力表和相应气阀；所述熔锂罐下端出锂管路上焊接有与测试段本体相连的第一锂阀，所述熔锂罐上端通过第三气阀与所述氩气和真空系统相连；所述锂回收罐外部缠绕欧姆加热丝并包裹保温棉，内部设置三点式液位探针和K型热电偶，罐体一侧装配压力表和相应气阀；所述锂回收罐上端锂回流管路上焊接有与测试段本体相连第四锂阀；所述锂回收罐通过第五锂阀与所述熔锂罐相连；所述锂回收罐上端通过第五气阀与所述氩气和真空系统相连；所述三点式液位探针，与所述锂回收罐罐体通过卡套焊接连接，确保密封性。优选地，所述测试段本体包括密度表面张力测试段、粘度测试段和焓值热容测试段；所述密度表面张力测试段，上端进锂管与第一锂阀相连，下端通过第二锂阀与粘度测试段相连，包括电磁感应加热炉、毛细管、三点式液位探针、精密数字压力计、滴液漏斗、旋塞、液态石蜡量杯和K型热电偶；所述电磁感应加热炉由坩埚、电磁感应线圈和烧结电磁感应线圈的镁砂打结体组成；所述K型热电偶在坩埚内轴向两层分布；所述毛细管由耐高温和耐腐蚀材料制作，内径＜200微米，竖直固定在坩埚内；所述坩埚通过气体管路与第12气阀、精密数字压力计和滴液漏斗相连；所述粘度测试段，上端进锂管与第二锂阀相连，下端通过第三锂阀与焓值热容测试段相连；所述粘度测试段包括料筒、三点式液位探针、保温装置、毛细管、毛细管模芯、精密数字压差计和K型热电偶；所述保温装置由保温材料、加热丝、加热套组成，所述料筒外部包裹保温材料并缠绕加热丝，加热丝由加热套固定；所述K型热电偶在料筒内轴向双层分布；所述精密数字压差计测点设置于毛细管两个端口；所述焓值热容测试段，其锂进口端与第三锂阀相连，并通过第四锂阀与锂回收罐相连；所述焓值热容测试段包括外筒、内筒、冰量计、U型料筒、三点式液位探针、液位量筒、电磁搅拌器、三棱柱支撑件、保温套管和K型热电偶；所述内筒和外筒，由隔热性材料制成，之间用干冰填充；所述冰量计，内部由冰水混合液填充，与U型管接触，通过金属丝悬挂于外筒内壁，冰量计与内筒之间为真空环境，可减少热损失；所述液位量筒一端与冰量计底端相连，一端联通外筒，供准确读数，同时可通过此端口将冰量计中的冰水溶液吸出；所述三棱柱支撑件，接触面较小一端与内筒下部两条凹槽相配合；所述保温套管包裹U型料筒入口端，所述U型料筒出口端设有一定角度的导流坡；所述三点式液位探针安装于所述U型料筒入口端；所述电磁搅拌器安装于冰量计下端。进一步优选地，所述氩气和真空系统包括氩气瓶、气体净化器、真空泵和真空压力表；所述气体净化器，内部安装有分子筛，用于除去氩气中水分杂质；所述氩气和真空系统，通过第三和第五气阀分别与所述熔锂罐和所述锂回收罐相连，通过第六、第八、第十气阀分别与密度表面张力测试段、粘度测试段和焓值热容测试段相连，可单独为以上容器提供真空环境和惰性气体保护以及氩气驱动力。优选地，所述在线监控系统综合利用温度传感器、压力传感器、压差传感器、液态探针和锂阀，在线监测测试系统中关键位置液态锂的液位高度和温度，控制加热目标温度、采集压力压差参数、操控锂阀的开启和阀门开度；所述在线监控系统，采用温度自动控制方式，通过温度探头测量加热装置内介质温度，以调整加热线圈或加热丝的开启及功率大小，并在达到设定温度时自动降低加热装置的功率，使温度恒定在设定好的温度上；当监测到测试系统中出现泄漏情况时，触发安全信号，向测试系统充入高纯氩气，同时自动停止所有加热系统工作。优选地，测试系统中的容器设备及管路均采用耐腐性和耐高温的超低碳不锈钢材料制成，高温坩埚采用钼材料制成；全回路所有设备和管路连接均为焊接结构，焊缝采用母材作焊丝，并经X光无损伤检查，确保无泄漏；部分设备与管道的连接采用自由伸缩结构，补偿管道内因锂温度变化而产生的位移量；所有水平锂管路均向锂回收罐方向倾斜10°。根据本专利技术的另一方面，提供了一种液态金属锂物性参数的测试方法，使用上述的液态金属锂物性参数测试系统，并包括以下步骤：回路充氩步骤S1：打开测试系统中所有锂阀和气阀，通过真空泵将测试系统抽真空至0.01Pa，然后向测试系统中通入99.99％纯度的氩气，此过程重复3次，确保密封性并降低回路中C、H、O、N元素含量，最后关闭所有气阀和锂阀；回路充锂步骤S2：打开熔锂罐加热系统，对熔锂罐内固态锂进行预热，待温度达到250℃至300℃之间时，打开锂管路预热系统对管路进行预热，通过第二压力表和第三气压阀观察调节熔锂罐中的气压，待管路温度达到250℃，打开第一锂阀，通过重力将液态锂释放到电磁感应加热炉中，通过调节第一锂阀阀门开度控制液态锂流量，待锂填充完毕后，关闭第一锂阀，熔锂罐继续保持加热状态，以备随时向测试系统中输送液态锂；物性参数测试步骤S3：打开电磁感应加热炉，设定目标温度，通过热电偶读数监测液态锂温度，通过第三气压表、第六气阀和第十二气阀观察并调节手套箱和电磁感应加热炉中的气压，待液体锂达到目标温度后，关闭第六和第十二气阀，打开旋塞，缓慢滴液态石蜡，使连通体系压力缓慢降低，直到在恒温条件下浸在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液态金属锂物性参数测试系统，其特征在于，包括：灌锂系统、氩气和真空系统、测试段本体和在线监控系统；/n所述灌锂系统，为测试提供适量液态锂和回收测试完毕后的液态锂，实现液态锂的循环利用；/n所述氩气和真空系统，为测试提供始终惰性气体保护下的安全测试环境，并为锂的流动提供驱动力；/n所述测试段本体，实现高温环境下对液态锂多个物性参数的测量；/n所述在线监控系统，实时监控测试系统中的各个关键参数和锂阀的开闭。/n

【技术特征摘要】
1.一种液态金属锂物性参数测试系统，其特征在于，包括：灌锂系统、氩气和真空系统、测试段本体和在线监控系统；
所述灌锂系统，为测试提供适量液态锂和回收测试完毕后的液态锂，实现液态锂的循环利用；
所述氩气和真空系统，为测试提供始终惰性气体保护下的安全测试环境，并为锂的流动提供驱动力；
所述测试段本体，实现高温环境下对液态锂多个物性参数的测量；
所述在线监控系统，实时监控测试系统中的各个关键参数和锂阀的开闭。


2.如权利要求1所述的一种液态金属锂物性参数测试系统，其特征在于，所述灌锂系统包括熔锂罐，锂回收罐和加热系统；
所述熔锂罐外壁缠绕欧姆加热丝并包裹保温棉，罐内设有K型热电偶，罐体一侧装配压力表和相应气阀；
所述熔锂罐下端出锂管路上焊接有与测试段本体相连的第一锂阀，所述熔锂罐上端通过第三气阀与所述氩气和真空系统相连；
所述锂回收罐外部缠绕欧姆加热丝并包裹保温棉，内部设置三点式液位探针和K型热电偶，罐体一侧装配压力表和相应气阀；
所述锂回收罐上端锂回流管路上焊接有与测试段本体相连第四锂阀；所述锂回收罐通过第五锂阀与所述熔锂罐相连；所述锂回收罐上端通过第五气阀与所述氩气和真空系统相连；
所述三点式液位探针，与所述锂回收罐罐体通过卡套焊接连接，确保密封性。


3.如权利要求1所述的如权利要求1所述的一种液态金属锂物性参数测试系统，其特征在于，所述测试段本体包括密度表面张力测试段、粘度测试段和焓值热容测试段；
所述密度表面张力测试段，上端进锂管与第一锂阀相连，下端通过第二锂阀与粘度测试段相连，包括电磁感应加热炉、毛细管、三点式液位探针、精密数字压力计、滴液漏斗、旋塞、液态石蜡量杯和K型热电偶；所述电磁感应加热炉由坩埚、电磁感应线圈和烧结电磁感应线圈的镁砂打结体组成；所述K型热电偶在坩埚内轴向两层分布；所述毛细管由耐高温和耐腐蚀材料制作，内径＜200微米，竖直固定在坩埚内；所述坩埚通过气体管路与第12气阀、精密数字压力计和滴液漏斗相连；
所述粘度测试段，上端进锂管与第二锂阀相连，下端通过第三锂阀与焓值热容测试段相连；所述粘度测试段包括料筒、三点式液位探针、保温装置、毛细管、毛细管模芯、精密数字压差计和K型热电偶；所述保温装置由保温材料、加热丝、加热套组成，所述料筒外部包裹保温材料并缠绕加热丝，加热丝由加热套固定；所述K型热电偶在料筒内轴向双层分布；所述精密数字压差计测点设置于毛细管两个端口；
所述焓值热容测试段，其锂进口端与第三锂阀相连，并通过第四锂阀与锂回收罐相连；所述焓值热容测试段包括外筒、内筒、冰量计、U型料筒、三点式液位探针、液位量筒、电磁搅拌器、三棱柱支撑件、保温套管和K型热电偶；所述内筒和外筒，由隔热性材料制成，之间用干冰填充；所述冰量计，内部由冰水混合液填充，与U型管接触，通过金属丝悬挂于外筒内壁，冰量计与内筒之间为真空环境，可减少热损失；所述液位量筒一端与冰量计底端相连，一端联通外筒，供准确读数，同时可通过此端口将冰量计中的冰水溶液吸出；所述三棱柱支撑件，接触面较小一端与内筒下部两条凹槽相配合；所述保温套管包裹U型料筒入口端，所述U型料筒出口端设有一定角度的导流坡；所述三点式液位探针安装于所述U型料筒入口端；所述电磁搅拌器安装于冰量计下端。


4.如权利要求3所述的一种液态金属锂物性参数测试系统，其特征在于，所述氩气和真空系统包括氩气瓶、气体净化器、真空泵和真空压力表；
所述气体净化器，内部安装有分子筛，用于除去氩气中水分杂质；
所述氩气和真空系统，通过第三和第五气阀分别与所述熔锂罐和所述锂回收罐相连，通过第六、第八、第十气阀分别与密度表面张力测试段、粘度测试段和焓值热容测试段相连，可单独为以上容器提供真空环境和惰性气体保护以及氩气驱动力。


5.如权利要求1所述的一种液态金属锂物性参数测试系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝祖龙，王达，刘祥，牛风雷，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11