一种液态金属流量计及铅铋冷却系统技术方案

本发明专利技术提出了一种液态金属流量计，包括中空管道，所述中空管道的管道内部提供待测液态金属的流动空间，该中空管道的管道壁由内向外依次包括绝缘层、耐热层、金属隔层、以及具有真空隔热层的双层壳体层；位于中空管道上且相对设置的至少一对传感器孔位；以及设置在该一对传感器孔位中的一对探针传感器。本发明专利技术的流量计能够精确测量液态金属的流量，从而为铅冷快堆回路中的流体物理量测量问题提供技术支撑。同时本发明专利技术还提出了一种铅铋冷却系统。

【技术实现步骤摘要】
一种液态金属流量计及铅铋冷却系统
本专利技术涉及核工业应用领域，尤其是涉及一种液态金属流量计和铅铋冷却系统。
技术介绍
近年来，世界各国提出了许多新概念的反应堆设计和核燃料循环方案。其中，铅或铅铋合金的原子质量更高，中子能谱更硬，燃料增殖和焚烧性能比钠冷快堆更佳。铅或铅铋合金的化学性质呈惰性，不与水和空气发生剧烈化学反应，不需要中间冷却回路，也可在常压下运行，可采用自然循环对流冷却，具有非能动安全特性，使得回路系统和安全系统较为简单，具有很好安全性和经济性。因此，研发建设铅铋冷试验快堆是满足我国未来能源发展和需求的重要途径，是解决我国能源稳定、可靠、经济和清洁供应问题的重大战略难题。铅/铅铋堆的主要仪器设备的参数和特性大多与流速相关。由于缺失高精度的标准流量计，无法对关键仪器进行标定，也影响了对关键设备和关键材料进行验证的可信度。从而间接制约了相关关键技术的突破。而要实现高温铅/铅铋熔液的流体场精确测量，关键仪器是高精度流量计。因而，研发能够测量高温铅/铅铋合金流场的高精度流量计是建设综合实验系统最重要的支撑性条件。通过对现有技术的调研可以发现，潜在高温金属流体流量测量主要有以下6种方法：1)卡门涡街法ManabuIguchi等人分别测量了80℃的液态伍德合金和1400℃液态生铁的流速。M.Hana等人用卡门涡街探针测量了结晶器内弯月面处钢液的流速。当流体绕流圆柱体时，发生边界层分离，形成卡门涡街，其衰减频率与流体流速相关。并且当雷诺数大于40时，衰减频率与圆柱体的振动频率相等。卡门涡街法就是利用这个关系，通过测量圆柱体振动频率来获得流体流速。但是，该方法受流体雷诺数、透入深度与圆柱体直径比的限制。2)机械光学法S.Eckert等人开发了机械光学探针用于测量液态金属的流速。该装置顶端是一个锥形的玻璃管。锥形玻璃管置于流体中，受力发生弹性变形，通过玻璃管后端的敏感光学测量元件测量变形量，从而根据变形量与流速的关系计算获得流体流速。但是该装置可靠性较低。3)超声波多普勒法超声波多普勒法是通过测量流体中微小颗粒反射的回波相位的变化，来获得流体的速度。但是由于超声波测速仪发射周期性的脉冲超声波，测量的最大速度和深度都受到限制，而且还受探针传感器与金属液体润滑程度的限制。4)电磁感应成像法R.Binns等人采用电磁感应成像法获得了连铸过程中浸入式水口内的流场分布。该方法利用激磁线圈对导电金属流体施加交变磁场，从而在金属流体中感生电流，感生电流反过来也对磁场分布产生影响。利用监测线圈监测磁场的变化来分析流体的流场。但是该方法分辨率较低，并且外加磁场穿透能力有限，无法准确获得流场中心区域的分布。5)电势探针法与电磁感应成像法施加交变激励磁场不同，感应电势法对金属流体施加恒定磁场。导电流体流过恒定激磁磁场时，产生感应电动势，其大小与外加磁场和流体流速相关。利用电势探针的两个电极测量两点之间电势差，即可计算出电极间流体的流速。电势探针尺寸小，结构简单，减小了对流场的影响。然而，这类方法测量的信号大小与外加磁场成正比，对于大通道应用场合，由于所加磁场强度不强，电极间的电压信号只有几毫伏，容易受外部电磁噪音干扰。6)Vives探针法Ricou和Vives等人采用永磁体提供激磁磁场，并采用4个两组电极测量正交两个方向的电势，从而获得流体的流速矢量。但是该装置采用了永磁体，其对温度敏感，不能用于高温环境。因此，HayashiH,BeckerA等人利用电磁体取代永磁体来改进装置，应用于更高的温度场合。但是，不论永磁体还是电磁体，其工作温度有限，不能满足铅/铅铋熔液的高温需求。虽然在物理原理上，国内外已经对金属熔液流体测量进行了大量研究，并有仪器制造商推出过相关产品。但由于铅铋堆回路实验装置中铅/铅铋熔液流体是高温大流量，其比重大且对探针传感器有严重侵蚀作用。因此，上述方法均不适用于测量系统。虽然上述铅/铅铋熔液综合测量系统在工程上实现了对潜在技术路线的可行性验证，但是由于流体场不能精确测得，依然无法满足铅冷快堆中关键科学问题研究的需要，也不能支撑我国建立具有自主知识产权的铅铋堆设计与评估理论。为了满足相关科学研究的需要，必须构建铅基熔液综合测量系统，其核心部件是重金属流体的高精度、高分辨率二维流量计。[1]M.Hanao,M.Kawamoto,etal.Influenceofmoltensteelflowvelocitynearthemeniscusincontinuouscastingmoldonsurfacequalityofslabs,IronmakingandSteelmaking,2000,11:55-57.[2]S.Eckert,etal,Velocitymeasurementsinmetallicmelts.ProceedingsoftheAmericanSocietyofMechanicalEngineersFluidsEngineeringDivisionSummerConference,2005.6:49-56.[3]Y.Takeda,Developmentofanultrasoundvelocityprofilemonitor.Nucl.Eng.Design.,1991,126:277-284.[4]S.Fife,C.D.Andereck,S.Rahal,Ultrasoundthermometryintransparentandopaquefluids.ExperimentsinFloids,2003,35:152-158.[5]Z.Z.Yu,A.J.Peyton,L.A.XuandM.S.Beck,Electromagneticinductancetomography(EMT):sensor,electronics,andimagereconstructionforasystemwitharotatableparallelexcitationfield.ScienceMeasurementandTechnology,IEEProceedings,1988,145(1):20-25.[6]R.Binns,A.R.A.Lyons,Imagingmoltensteelflowprofiles.MeasurementScienceandTechnology,2001,12:1132-1138.[7]Ricou,Rene,Vive,Charles,Localvelocityandmasstransfermeasurementsinmoltenmetalsusinganincorporatedmagnetprobe,InternationalJournalofHeatandMassTransfer,1982,10(25):1579-1588.[8]H.C.Lee,J.W.Evans,C.Vives,Velocitymeasurementinwood’smetalusinganinco本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液态金属流量计，其特征在于：包括/n中空管道，所述中空管道的管道内部提供待测液态金属的流动空间，该中空管道的管道壁由内向外依次包括绝缘层、耐热层、金属隔层、以及具有真空隔热层的双层壳体层；/n位于所述中空管道上且相对设置有至少一对传感器孔位，每一个所述传感器孔位贯穿该中空管道的管道壁，所述传感器孔位由内向外依次包括至少三分段，其中第一分段位于所述绝缘层，第二分段位于所述耐热层和金属隔层，第三分段位于所述双层壳体层，所述第一分段到所述第三分段的孔开口大小依次增大；/n设置在该传感器孔位中的探针传感器，所述探针传感器包括探头、限位块、和探针主体，/n其中，所述探头穿过所述第一分段并露出在所述绝缘层的内壁上，所述限位块的大小介于所述第二分段和所述第一分段的孔开口大小之间，并埋入在该第二分段中，所述探针主体露出于第三分段并向所述中空管道的外侧延伸，/n当该探针传感器被置入对应的传感器孔位之后，在所述限位块上设置压盖，所述压盖将所述限位块固定在所述第二分段中，使得限位块形成对该传感器孔位的封闭。/n

【技术特征摘要】
1.一种液态金属流量计，其特征在于：包括
中空管道，所述中空管道的管道内部提供待测液态金属的流动空间，该中空管道的管道壁由内向外依次包括绝缘层、耐热层、金属隔层、以及具有真空隔热层的双层壳体层；
位于所述中空管道上且相对设置有至少一对传感器孔位，每一个所述传感器孔位贯穿该中空管道的管道壁，所述传感器孔位由内向外依次包括至少三分段，其中第一分段位于所述绝缘层，第二分段位于所述耐热层和金属隔层，第三分段位于所述双层壳体层，所述第一分段到所述第三分段的孔开口大小依次增大；
设置在该传感器孔位中的探针传感器，所述探针传感器包括探头、限位块、和探针主体，
其中，所述探头穿过所述第一分段并露出在所述绝缘层的内壁上，所述限位块的大小介于所述第二分段和所述第一分段的孔开口大小之间，并埋入在该第二分段中，所述探针主体露出于第三分段并向所述中空管道的外侧延伸，
当该探针传感器被置入对应的传感器孔位之后，在所述限位块上设置压盖，所述压盖将所述限位块固定在所述第二分段中，使得限位块形成对该传感器孔位的封闭。


2.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述绝缘层为所述待测液态金属的非反应材质，且其熔点至少大于所述待测液态金属的温度。


3.如权利要求2所述的液态金属流量计，其特征在于：所述绝缘层为氧化铝。


4.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述耐热层为耐热纤维。


5.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述金属隔层为钢。


6.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述双层壳体层为非导磁不锈钢。


7.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述第二分段的孔底部设有密封垫圈，所述探针传感器的限位块压紧该密封垫圈，且所述探头透过该密封进入所述第一分段的孔内。


8.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述第二分段的孔侧面设有云母绝缘层，所述限位块埋入所述第二分段的孔内时，与所述云母绝缘层之间充分接触。


9.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述第二分段和第三分段的孔交接台阶处，设有若干个螺孔，所述压盖通过所述若干个落空以螺丝固定的方式固定在该第二分段和第三分段的孔交接台阶上，并且向下抵住所述限位块。


10.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述中空管道的两端设有法兰，所述法兰与所述中空管道之间设有密封垫圈。


11.如权利要求1所述的液态金属流量计，其特征在于：所述探针主体的尾部通过导线连接到一电信号处理装置中，所述电信号处理装置用以获取由所述探针传感器产生的电信号并转化为待测液态金属的流速或流量。


12.一种液态金属流量计，其特征在于：包括
绝缘管，该绝缘管的管道内部提供待测液态金属的流动空间；
耐热管，套设在所述绝缘管外侧并紧贴该绝缘管；
金属套管，套设在该耐热管外侧；

【专利技术属性】
技术研发人员：方攸同，马吉恩，邱麟，沈峰，李林森，程兰，许博文，吴奇奕，
申请(专利权)人：浙江大学，国家电投集团科学技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33