[發(fā)明專利]一種可調(diào)式充放型高溫高壓氦氣實驗系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510510999.9
• 申請日: 2015-08-18
• 公開（公告）號: CN105118536B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄧海飛;汪衛(wèi)華;楊世軍;江海燕;史博;程德勝;韓佳佳;黃生洪;楊錦宏;王榮飛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍陸軍軍官學(xué)院
• 主分類號: G21C17/10
• 分類號: G21C17/10
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司11251
• 代理人: 孟卜娟,賈玉忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種壓力(3MPa～10MPa)、溫度(20℃～350℃)和流量(5g/s～200g/s)可調(diào)式充放型高溫高壓氦氣實驗系統(tǒng)及方法，屬于聚變堆氦冷熱工水力學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

氚增殖包層作為聚變堆的核心部件，其主要功能是將聚變高能中子核反應(yīng)產(chǎn)生的高功率密度核熱載出用于發(fā)電，增殖聚變?nèi)剂想安⑵帘沃凶訉φ婵帐壹捌渫獠坎考膿p傷。由于堆內(nèi)等離子體輻射的高熱流密度和高能中子沉積的高功率密度核熱，第一壁及其部件的冷卻與核熱排出是熱工結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。高壓氦氣具有較好的安全性和中子物理特性，并且由包層排出的高溫氦氣可直接用于布雷頓循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電，不需要與二回路換熱，提高了熱轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電效率，故現(xiàn)有的實驗包層模塊設(shè)計方案大多采用高壓氦氣作為冷卻劑。

現(xiàn)行的氦氣實驗系統(tǒng)大多采用氦氣風(fēng)機(jī)在線驅(qū)動的方法，這種方法由于氦氣系統(tǒng)中設(shè)備均處于高溫高壓條件下，在管道與管道、設(shè)備、閥門等之間的連接處易發(fā)生泄漏；而且受氦氣風(fēng)機(jī)的限制，不能做到壓力可調(diào)，采用氦氣風(fēng)機(jī)驅(qū)動的方式不僅極大增加了系統(tǒng)部件和成本，且無法滿足多種實驗工況的需求。本發(fā)明采用由高壓氦氣瓶組供氣，經(jīng)過減壓閥直接減壓后，由電加熱器對氦氣加熱后進(jìn)入實驗段進(jìn)行實驗，流出實驗段的高溫氦氣直接進(jìn)入冷卻器進(jìn)行冷卻，再由氦氣壓縮機(jī)壓回氦氣瓶組這一方式，使得高溫高壓段只處于實驗段，僅需在高溫高壓段采用焊接密封即可滿足密封性能要求；并且可實現(xiàn)對實驗壓力、溫度和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足不同實驗工況需求。

基于以上背景技術(shù)，針對國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項項目課題(2013GB113004)研究的任務(wù)需求，特提出本發(fā)明專利。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種壓力、溫度和流量可調(diào)的充放型高溫高壓氦氣熱工水力特性實驗系統(tǒng)，克服了采用氦氣風(fēng)機(jī)驅(qū)動的氦氣系統(tǒng)實驗工況單一和易發(fā)生泄漏的問題，并且系統(tǒng)組成簡單，易于裝配。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種壓力、溫度和流量可調(diào)的充放型高溫高壓氦氣熱工水力特性實驗系統(tǒng)，主要采用由高壓氦氣瓶組供氣，經(jīng)減壓閥減壓進(jìn)入實驗段，并由氦氣壓縮機(jī)回收來實現(xiàn)。本氦氣熱工水力特性實驗系統(tǒng)由高壓氦氣瓶組、減壓閥、電加熱器、電磁加熱系統(tǒng)、冷卻器、水冷系統(tǒng)、流量計、直通控制閥、氦氣儲氣罐、氦氣緩沖罐、氦氣補(bǔ)充氣瓶、氦氣壓縮機(jī)、真空泵及管道與閥門等組成。由高壓氦氣瓶組供氣，經(jīng)過減壓閥減壓至所需壓力，利用壓力變送器對減壓閥進(jìn)行閉環(huán)控制，電加熱器對氦氣進(jìn)行加熱，溫度變送器對電加熱器加熱功率進(jìn)行閉環(huán)控制，通過設(shè)定的流量值和流量計所測得的差值調(diào)節(jié)直通控制閥的開合度，得到額定壓力、溫度和流量的氦氣進(jìn)入熱工水力實驗段，最后由氦氣壓縮機(jī)回收氦氣。

具體實現(xiàn)步驟如下：

S1：首次進(jìn)行實驗時，將閥門V₁，V₂，V₃，V₄，V₅，V₉打開，將直通控制閥9開合度開至100％，關(guān)閉流量計8，啟動真空泵16將回路系統(tǒng)抽真空至10^-1Pa；

S2：將閥門V₁，V₂，V₃，V₄，V₅關(guān)閉，開啟流量計8，設(shè)定本次實驗氦氣流量，開啟減壓閥3，設(shè)定減壓閥3的出口壓力，開啟電加熱器4，設(shè)定實驗段入口氦氣溫度，開啟冷卻器6；

S3：開啟閥門V₇后，高壓氦氣瓶組2中的氦氣通過減壓閥3進(jìn)行減壓，由壓力變送器P₁對減壓閥3進(jìn)行閉環(huán)控制，電加熱器4對氦氣進(jìn)行加熱，由溫度變送器T₁對電加熱器4的加熱功率進(jìn)行閉環(huán)控制，通過設(shè)定的流量值和流量計8測得的差值調(diào)節(jié)直通控制閥9的開合度，額定壓力、溫度和流量的氦氣進(jìn)入熱工水力實驗段1，高頻感應(yīng)電源5對熱工熱工水力實驗段進(jìn)行感應(yīng)加熱，實驗段出口的壓力和溫度分別由壓力變送器P₂和溫度變送器T₂測得；

S4：經(jīng)過實驗段1的氦氣進(jìn)入冷卻器6進(jìn)行冷卻，冷卻后的氦氣經(jīng)過流量計和直通控制閥進(jìn)入氦氣儲氣罐10；

S5：實驗結(jié)束后，關(guān)閉閥門V₇，開啟閥門V₆，啟動氦氣壓縮機(jī)14工作，氦氣儲氣罐10中氦氣經(jīng)過減壓閥11減壓至氦氣壓縮機(jī)入口壓力范圍內(nèi)，由氦氣壓縮機(jī)14壓回至高壓氦氣瓶組2中；