基于SP-100 GSA的空氣-水分離實驗研究

李來冬,呂 征,*,趙愛虎,解家春,蔡偉華,張文超,倪文濤

(1.中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究所,北京 102413;2.東北電力大學 能源與動力工程學院 熱流科學與核工程實驗室,吉林省 吉林市 132012)

鋰冷快堆的特點之一是采用液態(tài)鋰作為堆芯冷卻劑。液態(tài)鋰的主要優(yōu)點是沸點高、蒸汽壓低、熱導率大等,適用于高溫核反應堆的堆芯冷卻。但液態(tài)鋰會與堆芯發(fā)射的中子核反應生成氦-4(以下稱氦氣)[1]。這樣會造成鋰冷快堆運行時液態(tài)鋰中的氦氣累積增多,將不利于堆芯冷卻,還會降低熱電轉換效率、電磁泵效率[2-3]。所以,需要將產生的氦氣從液態(tài)鋰中分離出去。為此,國外研究人員提出了專用于鋰冷快堆除氣的氣液分離器方案,如俄羅斯科羅廖夫能源火箭航天集團的放射性氦分離器、美國德州農工大學的微重力旋流器、美國羅克韋爾公司的氣液分離器、美國SP-100(SP-100采用的是鋰冷快堆堆型)的被動式氣體分離及蓄能設備(GSA)等[4-9]。

其中,SP-100的GSA在實際應用中較具有參考價值。它兼具氣液分離和儲氣功能,能夠將收集的氣泡儲存在其內部,不需額外的排氣設備如閥門、傳感器等[9]。另外,它還具有結構緊湊、內部無運動組件、可連續(xù)在線工作、無需人工干預等優(yōu)點。

目前,國內尚未有鋰冷快堆的氣液分離器設計方案及實驗研究。而本文參考GSA的結構及原理,設計以韋伯數(shù)為準則數(shù)、以空氣和水代替氦氣和液態(tài)鋰的空氣-水分離實驗方案,并研制出憑借導葉和篩網(wǎng)來實現(xiàn)離心分離、表面張力分離的實驗樣機,然后通過觀測氣泡的收集和儲存情況、除氣效率,對實驗樣機的氣液分離及儲氣功能進行原理性驗證。

1 GSA的結構及原理

如圖1所示,從進口到出口軸向上,GSA分前、中、后3段。前段為錐形結構,分兩層,外層是前殼體,內層是前導流板,兩層之間有前導葉。中段為圓筒結構,分3層,外層是中殼體;中層是過濾器,可通過表面張力攔截尺寸較小的氣泡;內層是儲氣篩,可通過表面張力攔截其內部聚集成的大氣泡;中殼體與過濾器之間有恢復導葉,過濾器與儲氣篩之間有主導葉。后段為錐形結構,分兩層,外層是后殼體,內層是后導流板。已知的GSA結構參數(shù)列于表1。

表1 GSA的結構參數(shù)Table 1 Structural parameter of GSA

圖1 GSA的結構及原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of GSA

該設備容積為20 L,投入使用前需要預先灌裝滿液態(tài)鋰。工作時,其內部流體的運動方向如圖1中的紅色箭頭所示。含有氣泡的鋰由進口進入前殼體與前導流板之間的流道,然后進入過濾器與儲氣篩之間的流道。其中,密度較大的鋰在前導葉和主導葉產生的離心力作用下,由內向外穿出過濾器,進入過濾器與中殼體之間的流道,經恢復導葉作用后到達后殼體與后導流板之間的流道,最后經出口流出。密度較小的氣泡則被過濾器通過表面張力攔截,同時在離心力作用下進入儲氣篩與前導流板所圍成的腔室,聚集成大氣泡并被儲氣篩通過表面張力封存,從而完成對氦氣泡的收集、儲存[9-10]。

2 實驗方案及實驗樣機

2.1 實驗方案

由上述的結構及原理可知,GSA主要靠前導葉和主導葉產生的離心力作用,以及過濾器和儲氣篩產生的表面張力作用,來實現(xiàn)氣液分離及儲氣功能。而韋伯數(shù)為慣性力和表面張力之比,可同時表征離心力作用和表面張力作用,如式(1)所示。因此,這里擬引入韋伯數(shù)作為準則數(shù),以空氣和水替代氦氣和液態(tài)鋰,針對實驗樣機開展空氣-水分離實驗研究。其他如重力、雷諾數(shù)、導葉結構、含氣率、工質等因素對氣液分離及儲氣功能的影響待后續(xù)工作進一步研究。

(1)

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

空氣-水分離實驗具有易觀測、易操作、成本低等優(yōu)點。如圖2所示,實驗回路主要包括蓄水箱、氣液混合泵、水泵、實驗樣機、高速攝像機、稱重傳感器、真空泵、流量計、閥門、管道(內徑40 mm),以及分別設在實驗樣機進口、出口處的觀察段1和觀察段2(均為有機玻璃管道)等。其中,氣液混合泵可向實驗樣機輸送含有氣泡的空氣-水兩相流,高速攝像機用于同時拍攝觀察段1和觀察段2內兩相流的氣泡特征,稱重傳感器用于測實驗樣機的儲氣量。

圖2 空氣-水分離實驗回路示意圖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到最大值4.14%,平均到每個小時則體積含氣率更低[2]。所以,實驗時通過調節(jié)氣液混合泵、水泵,使實驗樣機進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,所以實驗時通過調節(jié)氣液混合泵、水泵,使實驗工況的韋伯數(shù)與實際工況的韋伯數(shù)相等(因體積含氣率低而忽略氣體對韋伯數(shù)的影響)。這里結合式(1)以及表2的參數(shù),可計算出所需要的水流速為0.88 m/s,即實驗樣機進口處的水流速。

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、儲存堆芯出口處直徑≥200 μm的氣泡[9-10],所以實驗時通過調節(jié)氣液混合泵使實驗樣機進口處的兩相流含有直徑大于200 μm的氣泡。

依據(jù)上述內容,完成實驗工況調試后,關閉圖2中的球閥6、球閥7、排氣閥1、排氣閥2,并保持其余閥門打開,一方面通過高速攝像機同時拍攝觀察段1和觀察段2內兩相流的氣泡特征,包括氣泡直徑、數(shù)量,分析實驗樣機對氣泡的收集儲存情況;另一方面通過流量計、液位計測實驗樣機的進氣量,稱重傳感器測實驗樣機的儲氣量,計算出它的除氣效率。

2.2 實驗樣機

根據(jù)實驗需求研制出的實驗樣機如圖3所示,對其增設了法蘭、排氣口、測壓口等結構,并采用透明的有機玻璃作為加工材質,便于觀察其內部的流體狀況。該實驗樣機的進口和出口管嘴內徑、前殼體軸向長度、中殼體軸向長度和內徑、后殼體軸向長度等結構參數(shù),均與GSA的相應結構參數(shù)一致。但由于不清楚除表1之外的結構參數(shù),本文在研制實驗樣機時對其進行了詳細的結構設計,如將前導葉和主導葉設計為螺旋式導葉、將過濾器和儲氣篩設計為篩網(wǎng)等,并通過CFD計算選擇了合適的結構參數(shù)[14-15]。

圖3 實驗樣機Fig.3 Experimental prototype

3 實驗結果

3.1 氣泡的收集和儲存情況

為證明可重復性,針對實驗樣機開展了3次實驗。實驗時,調節(jié)水泵、氣液混合泵使實驗樣機進口處的體積含氣率低于1%、水流速接近于0.88 m/s,并測量氣液混合泵分離罐(以下簡稱分離罐)的壓力、實驗樣機中殼體內側的壓力、室溫等工況參數(shù),如表3所列。

表3 實驗工況的主要參數(shù)Table 3 Main experimental parameter

實驗時,調節(jié)氣液混合泵使觀察段1,即實驗樣機進口內含有直徑大于200 μm的氣泡。然后,采用高速攝像機同時拍攝實驗樣機進口處的觀察段1和出口處的觀察段2。3次實驗拍攝的照片如圖4所示,每張照片中紅色圓點的直徑為200 μm,每張照片下方的條形圖為參考刻度,兩個相鄰條形圖的間距為1 mm。

a——第1次實驗(左為觀察段1的照片,右為觀察段2的照片);b——第2次實驗(左為觀察段1的照片,右為觀察段2的照片);c——第3次實驗(左為觀察段1的照片,右為觀察段2的照片)圖4 實驗樣機進口、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)計顯示為黑色圓圈的氣泡。3次實驗的氣泡直徑統(tǒng)計結果如圖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次實驗(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次實驗(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次實驗(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 實驗樣機進口、出口處的氣泡直徑統(tǒng)計Fig.5 Bubble diameter statistics at inlet and outlet of experimental prototype

由圖4、5可知,實驗樣機進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,實驗樣機能夠有效收集、儲存直徑大于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入到實驗回路,然后一部分儲存在分離罐內,還有一部分隨形成的空氣-水兩相流輸送到實驗樣機。所以,可依次通過如下步驟計算實驗樣機的除氣效率。

1) 通過氣體流量計測實驗回路進氣量

V1=(q進-q出)t

(2)

式中:V1為實驗回路進氣量;q進為圖2中氣體流量計1測出的氣液混合泵進氣速率;q出為圖2中氣體流量計2測出的氣液混合泵排氣速率;t為實驗時長。

將測出的q進、q出以及相應的實驗時長t代入式(2)計算出實驗回路進氣量V1,相關數(shù)據(jù)列于表4。

表4 實驗回路進氣量相關數(shù)據(jù)Table 4 Data related to air intake volume of experiment loop

2) 通過液位計測分離罐儲氣量

因測出的分離罐表壓較大(表3),計算分離罐儲氣量時進行了空氣密度換算,表達式如下:

V2=π(R2+r2)Δhρg1/ρg

(3)

式中:V2為分離罐儲氣量(換算到常壓);R=0.79 dm為分離罐半徑;r=0.08 dm為液位計半徑;Δh為液位計測出的分離罐液位變化量;ρg1為分離罐內的空氣密度;ρg為實驗室空氣密度。

將測出的Δh以及查表得出的ρg1、ρg代入式(3)計算出分離罐儲氣量V2,相關數(shù)據(jù)列于表5。

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

3) 計算實驗樣機進氣量

實驗樣機進氣量V3等于實驗回路進氣量V1減去分離罐儲氣量V2。因此,由表4、5中的V1、V2,可計算出實驗樣機進氣量V3,相關數(shù)據(jù)列于表6。

表6 實驗樣機進氣量相關數(shù)據(jù)Table 6 Data related to air intake volume of experimental prototype

4) 通過稱重傳感器測實驗樣機儲氣量

首先,通過稱重傳感器測實驗樣機初始狀態(tài)的重量,即內部充滿水時的重量M1。然后,實驗過程中氣泡被實驗樣機收集、儲存,將其內部原有的等體積的水擠出,從而使實驗樣機重量減少。此時,通過稱重傳感器測實驗樣機的重量,即內部儲存氣泡時的重量M2。這樣通過測重量的變化,便可求出實驗樣機儲存的氣泡總體積,即儲氣量。因測出的實驗樣機表壓較大(表3),計算實驗樣機儲氣量時進行了空氣密度換算,則:

(4)

式中:V4為實驗樣機儲氣量;M1為實驗樣機充滿水時的重量;M2為實驗樣機儲存氣泡時的重量;ρl為實驗室水密度;ρg2為實驗樣機內空氣密度;ρg為實驗室空氣密度。

將測出的M1、M2以及查表得出的ρl、ρg2、ρg代入式(4)計算出實驗樣機儲氣量V4,相關數(shù)據(jù)列于表7。

表7 實驗樣機儲氣量相關數(shù)據(jù)Table 7 Data related to air storage capacity of experimental prototype

5) 計算實驗樣機的除氣效率

實驗樣機儲氣量V4與其進氣量V3之比即為實驗樣機的除氣效率η,相關數(shù)據(jù)列于表8。3次實驗的結果表明實驗樣機的除氣效率均超過90%。

表8 實驗樣機除氣效率相關數(shù)據(jù)Table 8 Data related to degassing efficiency of experimental prototype

3.3 不確定度

B類標準不確定度[16]為:

uB=a/k

(5)

1) 水泵流量的B類標準不確定度

水泵的流量是通過齒輪流量計測量的,測量誤差為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類標準不確定度

氣液混合泵的水流量是通過渦輪流量計測量的,測量誤差為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類標準不確定度

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類標準不確定度

氣體流量計測量誤差為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類標準不確定度

標尺測量誤差為0.5 mm,故液位不確定度uB5為:

(10)

6) 壓力的B類標準不確定度

壓力表測量誤差為0.003 MPa,故壓力不確定度uB6為:

(11)

4 結論

本文參考GSA的結構及原理,設計了實驗方案并研制出實驗樣機,然后以韋伯數(shù)為準則數(shù),以空氣和水代替鋰和氦氣,開展了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-水分離實驗。通過觀測實驗樣機對氣泡的收集和儲存情況、除氣效率得出了以下結論。

1) 實驗樣機可有效收集、儲存水中直徑大于200 μm的氣泡,且除氣效率超過90%。

2) 實驗樣機的氣液分離及儲氣功能符合GSA關于收集、儲存氣泡的工作原理,且具有可重復實現(xiàn)性。