基于SP-100 GSA的空气-水分离实验研究

李来冬,吕 征,*,赵爱虎,解家春,蔡伟华,张文超,倪文涛

(1.中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究所,北京 102413;2.东北电力大学 能源与动力工程学院 热流科学与核工程实验室,吉林省 吉林市 132012)

锂冷快堆的特点之一是采用液态锂作为堆芯冷却剂。液态锂的主要优点是沸点高、蒸汽压低、热导率大等,适用于高温核反应堆的堆芯冷却。但液态锂会与堆芯发射的中子核反应生成氦-4(以下称氦气)[1]。这样会造成锂冷快堆运行时液态锂中的氦气累积增多,将不利于堆芯冷却,还会降低热电转换效率、电磁泵效率[2-3]。所以,需要将产生的氦气从液态锂中分离出去。为此,国外研究人员提出了专用于锂冷快堆除气的气液分离器方案,如俄罗斯科罗廖夫能源火箭航天集团的放射性氦分离器、美国德州农工大学的微重力旋流器、美国罗克韦尔公司的气液分离器、美国SP-100(SP-100采用的是锂冷快堆堆型)的被动式气体分离及蓄能设备(GSA)等[4-9]。

其中,SP-100的GSA在实际应用中较具有参考价值。它兼具气液分离和储气功能,能够将收集的气泡储存在其内部,不需额外的排气设备如阀门、传感器等[9]。另外,它还具有结构紧凑、内部无运动组件、可连续在线工作、无需人工干预等优点。

目前,国内尚未有锂冷快堆的气液分离器设计方案及实验研究。而本文参考GSA的结构及原理,设计以韦伯数为准则数、以空气和水代替氦气和液态锂的空气-水分离实验方案,并研制出凭借导叶和筛网来实现离心分离、表面张力分离的实验样机,然后通过观测气泡的收集和储存情况、除气效率,对实验样机的气液分离及储气功能进行原理性验证。

1 GSA的结构及原理

如图1所示,从进口到出口轴向上,GSA分前、中、后3段。前段为锥形结构,分两层,外层是前壳体,内层是前导流板,两层之间有前导叶。中段为圆筒结构,分3层,外层是中壳体;中层是过滤器,可通过表面张力拦截尺寸较小的气泡;内层是储气筛,可通过表面张力拦截其内部聚集成的大气泡;中壳体与过滤器之间有恢复导叶,过滤器与储气筛之间有主导叶。后段为锥形结构,分两层,外层是后壳体,内层是后导流板。已知的GSA结构参数列于表1。

表1 GSA的结构参数Table 1 Structural parameter of GSA

图1 GSA的结构及原理示意图Fig.1 Schematic diagram of GSA

该设备容积为20 L,投入使用前需要预先灌装满液态锂。工作时,其内部流体的运动方向如图1中的红色箭头所示。含有气泡的锂由进口进入前壳体与前导流板之间的流道,然后进入过滤器与储气筛之间的流道。其中,密度较大的锂在前导叶和主导叶产生的离心力作用下,由内向外穿出过滤器,进入过滤器与中壳体之间的流道,经恢复导叶作用后到达后壳体与后导流板之间的流道,最后经出口流出。密度较小的气泡则被过滤器通过表面张力拦截,同时在离心力作用下进入储气筛与前导流板所围成的腔室,聚集成大气泡并被储气筛通过表面张力封存,从而完成对氦气泡的收集、储存[9-10]。

2 实验方案及实验样机

2.1 实验方案

由上述的结构及原理可知,GSA主要靠前导叶和主导叶产生的离心力作用,以及过滤器和储气筛产生的表面张力作用,来实现气液分离及储气功能。而韦伯数为惯性力和表面张力之比,可同时表征离心力作用和表面张力作用,如式(1)所示。因此,这里拟引入韦伯数作为准则数,以空气和水替代氦气和液态锂,针对实验样机开展空气-水分离实验研究。其他如重力、雷诺数、导叶结构、含气率、工质等因素对气液分离及储气功能的影响待后续工作进一步研究。

(1)

式中:We为韦伯数;ρ为流体密度;l为特征长度;v为流体速度;σ为表面张力系数。

空气-水分离实验具有易观测、易操作、成本低等优点。如图2所示,实验回路主要包括蓄水箱、气液混合泵、水泵、实验样机、高速摄像机、称重传感器、真空泵、流量计、阀门、管道(内径40 mm),以及分别设在实验样机进口、出口处的观察段1和观察段2(均为有机玻璃管道)等。其中,气液混合泵可向实验样机输送含有气泡的空气-水两相流,高速摄像机用于同时拍摄观察段1和观察段2内两相流的气泡特征,称重传感器用于测实验样机的储气量。

图2 空气-水分离实验回路示意图Fig.2 Schematic diagram of air-water separation experiment loop

因在不除气的情况下,7年寿期末SP-100堆芯冷却回路的体积含气率达到最大值4.14%,平均到每个小时则体积含气率更低[2]。所以,实验时通过调节气液混合泵、水泵,使实验样机进口处的两相流体积含气率处于较低水平(低于1%)。

因拟将GSA实际用于温度为1 300 K、液态锂流速为2.56 m/s的工况下,所以实验时通过调节气液混合泵、水泵,使实验工况的韦伯数与实际工况的韦伯数相等(因体积含气率低而忽略气体对韦伯数的影响)。这里结合式(1)以及表2的参数,可计算出所需要的水流速为0.88 m/s,即实验样机进口处的水流速。

表2 液态锂与水的物性参数[11-13]Table 2 Physical parameters of liquid lithium and water[11-13]

因拟将GSA用于收集、储存堆芯出口处直径≥200 μm的气泡[9-10],所以实验时通过调节气液混合泵使实验样机进口处的两相流含有直径大于200 μm的气泡。

依据上述内容,完成实验工况调试后,关闭图2中的球阀6、球阀7、排气阀1、排气阀2,并保持其余阀门打开,一方面通过高速摄像机同时拍摄观察段1和观察段2内两相流的气泡特征,包括气泡直径、数量,分析实验样机对气泡的收集储存情况;另一方面通过流量计、液位计测实验样机的进气量,称重传感器测实验样机的储气量,计算出它的除气效率。

2.2 实验样机

根据实验需求研制出的实验样机如图3所示,对其增设了法兰、排气口、测压口等结构,并采用透明的有机玻璃作为加工材质,便于观察其内部的流体状况。该实验样机的进口和出口管嘴内径、前壳体轴向长度、中壳体轴向长度和内径、后壳体轴向长度等结构参数,均与GSA的相应结构参数一致。但由于不清楚除表1之外的结构参数,本文在研制实验样机时对其进行了详细的结构设计,如将前导叶和主导叶设计为螺旋式导叶、将过滤器和储气筛设计为筛网等,并通过CFD计算选择了合适的结构参数[14-15]。

图3 实验样机Fig.3 Experimental prototype

3 实验结果

3.1 气泡的收集和储存情况

为证明可重复性,针对实验样机开展了3次实验。实验时,调节水泵、气液混合泵使实验样机进口处的体积含气率低于1%、水流速接近于0.88 m/s,并测量气液混合泵分离罐(以下简称分离罐)的压力、实验样机中壳体内侧的压力、室温等工况参数,如表3所列。

表3 实验工况的主要参数Table 3 Main experimental parameter

实验时,调节气液混合泵使观察段1,即实验样机进口内含有直径大于200 μm的气泡。然后,采用高速摄像机同时拍摄实验样机进口处的观察段1和出口处的观察段2。3次实验拍摄的照片如图4所示,每张照片中红色圆点的直径为200 μm,每张照片下方的条形图为参考刻度,两个相邻条形图的间距为1 mm。

a——第1次实验(左为观察段1的照片,右为观察段2的照片);b——第2次实验(左为观察段1的照片,右为观察段2的照片);c——第3次实验(左为观察段1的照片,右为观察段2的照片)图4 实验样机进口、出口处的气泡特征照片Fig.4 Bubble characteristic photos at inlet and outlet of experimental prototype

再将照片导入到Nano Measurer软件中,忽略模糊或形状不规则的气泡,仅统计显示为黑色圆圈的气泡。3次实验的气泡直径统计结果如图5所示,其中观察段1的气泡直径范围分别为0～800、0～700、0～800 μm,观察段2的气泡直径范围分别为0～80、0～90、0～70 μm。

a——第1次实验(左为观察段1的气泡直径范围,右为观察段2的气泡直径范围);b——第2次实验(左为观察段1的气泡直径范围,右为观察段2的气泡直径范围);c——第3次实验(左为观察段1的气泡直径范围,右为观察段2的气泡直径范围)图5 实验样机进口、出口处的气泡直径统计Fig.5 Bubble diameter statistics at inlet and outlet of experimental prototype

由图4、5可知,实验样机进口处均存在大量直径在200 μm以上的气泡,出口处则气泡数量大幅减少,且气泡直径均小于200 μm。可见,实验样机能够有效收集、储存直径大于200 μm的气泡。

3.2 除气效率

外界环境中的空气先是由气液混合泵进入到实验回路,然后一部分储存在分离罐内,还有一部分随形成的空气-水两相流输送到实验样机。所以,可依次通过如下步骤计算实验样机的除气效率。

1) 通过气体流量计测实验回路进气量

V1=(q进-q出)t

(2)

式中:V1为实验回路进气量;q进为图2中气体流量计1测出的气液混合泵进气速率;q出为图2中气体流量计2测出的气液混合泵排气速率;t为实验时长。

将测出的q进、q出以及相应的实验时长t代入式(2)计算出实验回路进气量V1,相关数据列于表4。

表4 实验回路进气量相关数据Table 4 Data related to air intake volume of experiment loop

2) 通过液位计测分离罐储气量

因测出的分离罐表压较大(表3),计算分离罐储气量时进行了空气密度换算,表达式如下:

V2=π(R2+r2)Δhρg1/ρg

(3)

式中:V2为分离罐储气量(换算到常压);R=0.79 dm为分离罐半径;r=0.08 dm为液位计半径;Δh为液位计测出的分离罐液位变化量;ρg1为分离罐内的空气密度;ρg为实验室空气密度。

将测出的Δh以及查表得出的ρg1、ρg代入式(3)计算出分离罐储气量V2,相关数据列于表5。

表5 分离罐储气量相关数据Table 5 Data related to air storage capacity of separation tank

3) 计算实验样机进气量

实验样机进气量V3等于实验回路进气量V1减去分离罐储气量V2。因此,由表4、5中的V1、V2,可计算出实验样机进气量V3,相关数据列于表6。

表6 实验样机进气量相关数据Table 6 Data related to air intake volume of experimental prototype

4) 通过称重传感器测实验样机储气量

首先,通过称重传感器测实验样机初始状态的重量,即内部充满水时的重量M1。然后,实验过程中气泡被实验样机收集、储存,将其内部原有的等体积的水挤出,从而使实验样机重量减少。此时,通过称重传感器测实验样机的重量,即内部储存气泡时的重量M2。这样通过测重量的变化,便可求出实验样机储存的气泡总体积,即储气量。因测出的实验样机表压较大(表3),计算实验样机储气量时进行了空气密度换算,则:

(4)

式中:V4为实验样机储气量;M1为实验样机充满水时的重量;M2为实验样机储存气泡时的重量;ρl为实验室水密度;ρg2为实验样机内空气密度;ρg为实验室空气密度。

将测出的M1、M2以及查表得出的ρl、ρg2、ρg代入式(4)计算出实验样机储气量V4,相关数据列于表7。

表7 实验样机储气量相关数据Table 7 Data related to air storage capacity of experimental prototype

5) 计算实验样机的除气效率

实验样机储气量V4与其进气量V3之比即为实验样机的除气效率η,相关数据列于表8。3次实验的结果表明实验样机的除气效率均超过90%。

表8 实验样机除气效率相关数据Table 8 Data related to degassing efficiency of experimental prototype

3.3 不确定度

B类标准不确定度[16]为:

uB=a/k

(5)

1) 水泵流量的B类标准不确定度

水泵的流量是通过齿轮流量计测量的,测量误差为0.015 m3/h,NI数据采集系统误差为0.000 6 m3/h,故水泵流量不确定度uB1为:

(6)

2) 气液混合泵水流量的B类标准不确定度

气液混合泵的水流量是通过涡轮流量计测量的,测量误差为0.03 m3/h,NI数据采集系统误差为0.001 2 m3/h,故气液混合泵水流量不确定度uB2为:

(7)

3) 重量的B类标准不确定度

称重传感器误差为0.005 kg,NI数据采集系统误差为0.008 kg,故重量不确定度uB3为:

(8)

4) 气体流量的B类标准不确定度

气体流量计测量误差为0.03 L/min,NI数据采集系统误差为0.000 4 L/min,故气体流量不确定度uB4为:

(9)

5) 液位的B类标准不确定度

标尺测量误差为0.5 mm,故液位不确定度uB5为:

(10)

6) 压力的B类标准不确定度

压力表测量误差为0.003 MPa,故压力不确定度uB6为:

(11)

4 结论

本文参考GSA的结构及原理,设计了实验方案并研制出实验样机,然后以韦伯数为准则数,以空气和水代替锂和氦气,开展了3次体积含气率均低于1%、水流速接近于0.88 m/s、气泡直径范围均在0～900 μm的空气-水分离实验。通过观测实验样机对气泡的收集和储存情况、除气效率得出了以下结论。

1) 实验样机可有效收集、储存水中直径大于200 μm的气泡,且除气效率超过90%。

2) 实验样机的气液分离及储气功能符合GSA关于收集、储存气泡的工作原理,且具有可重复实现性。