李來(lái)冬,呂 征,*,趙愛(ài)虎,解家春,蔡偉華,張文超,倪文濤

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所,北京 102413;2.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 熱流科學(xué)與核工程實(shí)驗(yàn)室,吉林省 吉林市 132012)

鋰?yán)淇於训奶攸c(diǎn)之一是采用液態(tài)鋰作為堆芯冷卻劑。液態(tài)鋰的主要優(yōu)點(diǎn)是沸點(diǎn)高、蒸汽壓低、熱導(dǎo)率大等,適用于高溫核反應(yīng)堆的堆芯冷卻。但液態(tài)鋰會(huì)與堆芯發(fā)射的中子核反應(yīng)生成氦-4(以下稱氦氣)[1]。這樣會(huì)造成鋰?yán)淇於堰\(yùn)行時(shí)液態(tài)鋰中的氦氣累積增多,將不利于堆芯冷卻,還會(huì)降低熱電轉(zhuǎn)換效率、電磁泵效率[2-3]。所以,需要將產(chǎn)生的氦氣從液態(tài)鋰中分離出去。為此,國(guó)外研究人員提出了專用于鋰?yán)淇於殉龤獾臍庖悍蛛x器方案,如俄羅斯科羅廖夫能源火箭航天集團(tuán)的放射性氦分離器、美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)的微重力旋流器、美國(guó)羅克韋爾公司的氣液分離器、美國(guó)SP-100(SP-100采用的是鋰?yán)淇於讯研?的被動(dòng)式氣體分離及蓄能設(shè)備(GSA)等[4-9]。

其中,SP-100的GSA在實(shí)際應(yīng)用中較具有參考價(jià)值。它兼具氣液分離和儲(chǔ)氣功能,能夠?qū)⑹占臍馀輧?chǔ)存在其內(nèi)部,不需額外的排氣設(shè)備如閥門(mén)、傳感器等[9]。另外,它還具有結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部無(wú)運(yùn)動(dòng)組件、可連續(xù)在線工作、無(wú)需人工干預(yù)等優(yōu)點(diǎn)。

目前,國(guó)內(nèi)尚未有鋰?yán)淇於训臍庖悍蛛x器設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)研究。而本文參考GSA的結(jié)構(gòu)及原理,設(shè)計(jì)以韋伯?dāng)?shù)為準(zhǔn)則數(shù)、以空氣和水代替氦氣和液態(tài)鋰的空氣-水分離實(shí)驗(yàn)方案,并研制出憑借導(dǎo)葉和篩網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)離心分離、表面張力分離的實(shí)驗(yàn)樣機(jī),然后通過(guò)觀測(cè)氣泡的收集和儲(chǔ)存情況、除氣效率,對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的氣液分離及儲(chǔ)氣功能進(jìn)行原理性驗(yàn)證。

1 GSA的結(jié)構(gòu)及原理

如圖1所示,從進(jìn)口到出口軸向上,GSA分前、中、后3段。前段為錐形結(jié)構(gòu),分兩層,外層是前殼體,內(nèi)層是前導(dǎo)流板,兩層之間有前導(dǎo)葉。中段為圓筒結(jié)構(gòu),分3層,外層是中殼體;中層是過(guò)濾器,可通過(guò)表面張力攔截尺寸較小的氣泡;內(nèi)層是儲(chǔ)氣篩,可通過(guò)表面張力攔截其內(nèi)部聚集成的大氣泡;中殼體與過(guò)濾器之間有恢復(fù)導(dǎo)葉,過(guò)濾器與儲(chǔ)氣篩之間有主導(dǎo)葉。后段為錐形結(jié)構(gòu),分兩層,外層是后殼體,內(nèi)層是后導(dǎo)流板。已知的GSA結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1。

表1 GSA的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameter of GSA

圖1 GSA的結(jié)構(gòu)及原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of GSA

該設(shè)備容積為20 L,投入使用前需要預(yù)先灌裝滿液態(tài)鋰。工作時(shí),其內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)方向如圖1中的紅色箭頭所示。含有氣泡的鋰由進(jìn)口進(jìn)入前殼體與前導(dǎo)流板之間的流道,然后進(jìn)入過(guò)濾器與儲(chǔ)氣篩之間的流道。其中,密度較大的鋰在前導(dǎo)葉和主導(dǎo)葉產(chǎn)生的離心力作用下,由內(nèi)向外穿出過(guò)濾器,進(jìn)入過(guò)濾器與中殼體之間的流道,經(jīng)恢復(fù)導(dǎo)葉作用后到達(dá)后殼體與后導(dǎo)流板之間的流道,最后經(jīng)出口流出。密度較小的氣泡則被過(guò)濾器通過(guò)表面張力攔截,同時(shí)在離心力作用下進(jìn)入儲(chǔ)氣篩與前導(dǎo)流板所圍成的腔室,聚集成大氣泡并被儲(chǔ)氣篩通過(guò)表面張力封存,從而完成對(duì)氦氣泡的收集、儲(chǔ)存[9-10]。

2 實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

由上述的結(jié)構(gòu)及原理可知,GSA主要靠前導(dǎo)葉和主導(dǎo)葉產(chǎn)生的離心力作用,以及過(guò)濾器和儲(chǔ)氣篩產(chǎn)生的表面張力作用,來(lái)實(shí)現(xiàn)氣液分離及儲(chǔ)氣功能。而韋伯?dāng)?shù)為慣性力和表面張力之比,可同時(shí)表征離心力作用和表面張力作用,如式(1)所示。因此,這里擬引入韋伯?dāng)?shù)作為準(zhǔn)則數(shù),以空氣和水替代氦氣和液態(tài)鋰,針對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開(kāi)展空氣-水分離實(shí)驗(yàn)研究。其他如重力、雷諾數(shù)、導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)、含氣率、工質(zhì)等因素對(duì)氣液分離及儲(chǔ)氣功能的影響待后續(xù)工作進(jìn)一步研究。

(1)

式中:We為韋伯?dāng)?shù);ρ為流體密度;l為特征長(zhǎng)度;v為流體速度;σ為表面張力系數(shù)。

空氣-水分離實(shí)驗(yàn)具有易觀測(cè)、易操作、成本低等優(yōu)點(diǎn)。如圖2所示,實(shí)驗(yàn)回路主要包括蓄水箱、氣液混合泵、水泵、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)、高速攝像機(jī)、稱重傳感器、真空泵、流量計(jì)、閥門(mén)、管道(內(nèi)徑40 mm),以及分別設(shè)在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)口、出口處的觀察段1和觀察段2(均為有機(jī)玻璃管道)等。其中,氣液混合泵可向?qū)嶒?yàn)樣機(jī)輸送含有氣泡的空氣-水兩相流,高速攝像機(jī)用于同時(shí)拍攝觀察段1和觀察段2內(nèi)兩相流的氣泡特征,稱重傳感器用于測(cè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的儲(chǔ)氣量。

圖2 空氣-水分離實(shí)驗(yàn)回路示意圖Fig.2 Schematic diagram of air-water separation experiment loop

因在不除氣的情況下,7年壽期末SP-100堆芯冷卻回路的體積含氣率達(dá)到最大值4.14%,平均到每個(gè)小時(shí)則體積含氣率更低[2]。所以,實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)氣液混合泵、水泵,使實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)口處的兩相流體積含氣率處于較低水平(低于1%)。

因擬將GSA實(shí)際用于溫度為1 300 K、液態(tài)鋰流速為2.56 m/s的工況下,所以實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)氣液混合泵、水泵,使實(shí)驗(yàn)工況的韋伯?dāng)?shù)與實(shí)際工況的韋伯?dāng)?shù)相等(因體積含氣率低而忽略氣體對(duì)韋伯?dāng)?shù)的影響)。這里結(jié)合式(1)以及表2的參數(shù),可計(jì)算出所需要的水流速為0.88 m/s,即實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)口處的水流速。

表2 液態(tài)鋰與水的物性參數(shù)[11-13]Table 2 Physical parameters of liquid lithium and water[11-13]

因擬將GSA用于收集、儲(chǔ)存堆芯出口處直徑≥200 μm的氣泡[9-10],所以實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)氣液混合泵使實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)口處的兩相流含有直徑大于200 μm的氣泡。

依據(jù)上述內(nèi)容,完成實(shí)驗(yàn)工況調(diào)試后,關(guān)閉圖2中的球閥6、球閥7、排氣閥1、排氣閥2,并保持其余閥門(mén)打開(kāi),一方面通過(guò)高速攝像機(jī)同時(shí)拍攝觀察段1和觀察段2內(nèi)兩相流的氣泡特征,包括氣泡直徑、數(shù)量,分析實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)氣泡的收集儲(chǔ)存情況;另一方面通過(guò)流量計(jì)、液位計(jì)測(cè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的進(jìn)氣量,稱重傳感器測(cè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的儲(chǔ)氣量,計(jì)算出它的除氣效率。

2.2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求研制出的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖3所示,對(duì)其增設(shè)了法蘭、排氣口、測(cè)壓口等結(jié)構(gòu),并采用透明的有機(jī)玻璃作為加工材質(zhì),便于觀察其內(nèi)部的流體狀況。該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的進(jìn)口和出口管嘴內(nèi)徑、前殼體軸向長(zhǎng)度、中殼體軸向長(zhǎng)度和內(nèi)徑、后殼體軸向長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù),均與GSA的相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)一致。但由于不清楚除表1之外的結(jié)構(gòu)參數(shù),本文在研制實(shí)驗(yàn)樣機(jī)時(shí)對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如將前導(dǎo)葉和主導(dǎo)葉設(shè)計(jì)為螺旋式導(dǎo)葉、將過(guò)濾器和儲(chǔ)氣篩設(shè)計(jì)為篩網(wǎng)等,并通過(guò)CFD計(jì)算選擇了合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)[14-15]。

圖3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.3 Experimental prototype

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 氣泡的收集和儲(chǔ)存情況

為證明可重復(fù)性,針對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開(kāi)展了3次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí),調(diào)節(jié)水泵、氣液混合泵使實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)口處的體積含氣率低于1%、水流速接近于0.88 m/s,并測(cè)量氣液混合泵分離罐(以下簡(jiǎn)稱分離罐)的壓力、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中殼體內(nèi)側(cè)的壓力、室溫等工況參數(shù),如表3所列。

表3 實(shí)驗(yàn)工況的主要參數(shù)Table 3 Main experimental parameter

實(shí)驗(yàn)時(shí),調(diào)節(jié)氣液混合泵使觀察段1,即實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)口內(nèi)含有直徑大于200 μm的氣泡。然后,采用高速攝像機(jī)同時(shí)拍攝實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)口處的觀察段1和出口處的觀察段2。3次實(shí)驗(yàn)拍攝的照片如圖4所示,每張照片中紅色圓點(diǎn)的直徑為200 μm,每張照片下方的條形圖為參考刻度,兩個(gè)相鄰條形圖的間距為1 mm。

a——第1次實(shí)驗(yàn)(左為觀察段1的照片,右為觀察段2的照片);b——第2次實(shí)驗(yàn)(左為觀察段1的照片,右為觀察段2的照片);c——第3次實(shí)驗(yàn)(左為觀察段1的照片,右為觀察段2的照片)圖4 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)口、出口處的氣泡特征照片F(xiàn)ig.4 Bubble characteristic photos at inlet and outlet of experimental prototype

再將照片導(dǎo)入到Nano Measurer軟件中,忽略模糊或形狀不規(guī)則的氣泡,僅統(tǒng)計(jì)顯示為黑色圓圈的氣泡。3次實(shí)驗(yàn)的氣泡直徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示,其中觀察段1的氣泡直徑范圍分別為0～800、0～700、0～800 μm,觀察段2的氣泡直徑范圍分別為0～80、0～90、0～70 μm。

a——第1次實(shí)驗(yàn)(左為觀察段1的氣泡直徑范圍,右為觀察段2的氣泡直徑范圍);b——第2次實(shí)驗(yàn)(左為觀察段1的氣泡直徑范圍,右為觀察段2的氣泡直徑范圍);c——第3次實(shí)驗(yàn)(左為觀察段1的氣泡直徑范圍,右為觀察段2的氣泡直徑范圍)圖5 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)口、出口處的氣泡直徑統(tǒng)計(jì)Fig.5 Bubble diameter statistics at inlet and outlet of experimental prototype

由圖4、5可知,實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)口處均存在大量直徑在200 μm以上的氣泡,出口處則氣泡數(shù)量大幅減少,且氣泡直徑均小于200 μm。可見(jiàn),實(shí)驗(yàn)樣機(jī)能夠有效收集、儲(chǔ)存直徑大于200 μm的氣泡。

3.2 除氣效率

外界環(huán)境中的空氣先是由氣液混合泵進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)回路,然后一部分儲(chǔ)存在分離罐內(nèi),還有一部分隨形成的空氣-水兩相流輸送到實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。所以,可依次通過(guò)如下步驟計(jì)算實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的除氣效率。

1) 通過(guò)氣體流量計(jì)測(cè)實(shí)驗(yàn)回路進(jìn)氣量

V1=(q進(jìn)-q出)t

(2)

式中:V1為實(shí)驗(yàn)回路進(jìn)氣量;q進(jìn)為圖2中氣體流量計(jì)1測(cè)出的氣液混合泵進(jìn)氣速率;q出為圖2中氣體流量計(jì)2測(cè)出的氣液混合泵排氣速率;t為實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)。

將測(cè)出的q進(jìn)、q出以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)t代入式(2)計(jì)算出實(shí)驗(yàn)回路進(jìn)氣量V1,相關(guān)數(shù)據(jù)列于表4。

表4 實(shí)驗(yàn)回路進(jìn)氣量相關(guān)數(shù)據(jù)Table 4 Data related to air intake volume of experiment loop

2) 通過(guò)液位計(jì)測(cè)分離罐儲(chǔ)氣量

因測(cè)出的分離罐表壓較大(表3),計(jì)算分離罐儲(chǔ)氣量時(shí)進(jìn)行了空氣密度換算,表達(dá)式如下:

V2=π(R2+r2)Δhρg1/ρg

(3)

式中:V2為分離罐儲(chǔ)氣量(換算到常壓);R=0.79 dm為分離罐半徑;r=0.08 dm為液位計(jì)半徑;Δh為液位計(jì)測(cè)出的分離罐液位變化量;ρg1為分離罐內(nèi)的空氣密度;ρg為實(shí)驗(yàn)室空氣密度。

將測(cè)出的Δh以及查表得出的ρg1、ρg代入式(3)計(jì)算出分離罐儲(chǔ)氣量V2,相關(guān)數(shù)據(jù)列于表5。

表5 分離罐儲(chǔ)氣量相關(guān)數(shù)據(jù)Table 5 Data related to air storage capacity of separation tank

3) 計(jì)算實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)氣量

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)氣量V3等于實(shí)驗(yàn)回路進(jìn)氣量V1減去分離罐儲(chǔ)氣量V2。因此,由表4、5中的V1、V2,可計(jì)算出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)氣量V3,相關(guān)數(shù)據(jù)列于表6。

表6 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)氣量相關(guān)數(shù)據(jù)Table 6 Data related to air intake volume of experimental prototype

4) 通過(guò)稱重傳感器測(cè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)儲(chǔ)氣量

首先,通過(guò)稱重傳感器測(cè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)初始狀態(tài)的重量,即內(nèi)部充滿水時(shí)的重量M1。然后,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣泡被實(shí)驗(yàn)樣機(jī)收集、儲(chǔ)存,將其內(nèi)部原有的等體積的水?dāng)D出,從而使實(shí)驗(yàn)樣機(jī)重量減少。此時(shí),通過(guò)稱重傳感器測(cè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的重量,即內(nèi)部?jī)?chǔ)存氣泡時(shí)的重量M2。這樣通過(guò)測(cè)重量的變化,便可求出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)儲(chǔ)存的氣泡總體積,即儲(chǔ)氣量。因測(cè)出的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)表壓較大(表3),計(jì)算實(shí)驗(yàn)樣機(jī)儲(chǔ)氣量時(shí)進(jìn)行了空氣密度換算,則:

(4)

式中:V4為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)儲(chǔ)氣量;M1為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)充滿水時(shí)的重量;M2為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)儲(chǔ)存氣泡時(shí)的重量;ρl為實(shí)驗(yàn)室水密度;ρg2為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)內(nèi)空氣密度;ρg為實(shí)驗(yàn)室空氣密度。

將測(cè)出的M1、M2以及查表得出的ρl、ρg2、ρg代入式(4)計(jì)算出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)儲(chǔ)氣量V4,相關(guān)數(shù)據(jù)列于表7。

表7 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)儲(chǔ)氣量相關(guān)數(shù)據(jù)Table 7 Data related to air storage capacity of experimental prototype

5) 計(jì)算實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的除氣效率

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)儲(chǔ)氣量V4與其進(jìn)氣量V3之比即為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的除氣效率η,相關(guān)數(shù)據(jù)列于表8。3次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的除氣效率均超過(guò)90%。

表8 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)除氣效率相關(guān)數(shù)據(jù)Table 8 Data related to degassing efficiency of experimental prototype

3.3 不確定度

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度[16]為:

uB=a/k

(5)

1) 水泵流量的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

水泵的流量是通過(guò)齒輪流量計(jì)測(cè)量的,測(cè)量誤差為0.015 m3/h,NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差為0.000 6 m3/h,故水泵流量不確定度uB1為:

(6)

2) 氣液混合泵水流量的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

氣液混合泵的水流量是通過(guò)渦輪流量計(jì)測(cè)量的,測(cè)量誤差為0.03 m3/h,NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差為0.001 2 m3/h,故氣液混合泵水流量不確定度uB2為:

(7)

3) 重量的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

稱重傳感器誤差為0.005 kg,NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差為0.008 kg,故重量不確定度uB3為:

(8)

4) 氣體流量的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

氣體流量計(jì)測(cè)量誤差為0.03 L/min,NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差為0.000 4 L/min,故氣體流量不確定度uB4為:

(9)

5) 液位的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

標(biāo)尺測(cè)量誤差為0.5 mm,故液位不確定度uB5為:

(10)

6) 壓力的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

壓力表測(cè)量誤差為0.003 MPa,故壓力不確定度uB6為:

(11)

4 結(jié)論

本文參考GSA的結(jié)構(gòu)及原理,設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案并研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī),然后以韋伯?dāng)?shù)為準(zhǔn)則數(shù),以空氣和水代替鋰和氦氣,開(kāi)展了3次體積含氣率均低于1%、水流速接近于0.88 m/s、氣泡直徑范圍均在0～900 μm的空氣-水分離實(shí)驗(yàn)。通過(guò)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)氣泡的收集和儲(chǔ)存情況、除氣效率得出了以下結(jié)論。

1) 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可有效收集、儲(chǔ)存水中直徑大于200 μm的氣泡,且除氣效率超過(guò)90%。

2) 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的氣液分離及儲(chǔ)氣功能符合GSA關(guān)于收集、儲(chǔ)存氣泡的工作原理,且具有可重復(fù)實(shí)現(xiàn)性。