一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器，其包括流体通道(11)和冷却水通道(12)，用于在冷却水作用下形成热泳效应；在流体通道(11)的管道内壁设置有“碳海绵”吸附层(111)，所述“碳海绵”吸附层(111)为有机高分子气凝胶，用于吸附经热泳效应移动至流体通道(11)内壁处的颗粒；其中，所述过度段(2)的内径大于工作段(1)的内径，用于产生突扩突缩效应，使颗粒在突扩突缩过程中进行凝并；在本发明中，所述流体通道(11)为多个，其可以为圆形柱体或多边形柱体。本发明所提供的颗粒脱除器结构简单，能够有效脱除超临界二氧化碳工质中小于2.5μm的小颗粒物。
【专利说明】
一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器
技术领域
[0001]本发明涉及核能领域，尤其涉及核能领域中的颗粒物脱除装置，特别地，涉及一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒物脱除装置。
【背景技术】
[0002]采用超临界二氧化碳作为第四代高温气冷堆的工质，不仅可以避免临界热流密度的热工安全限制，而且还可以容易提升堆芯出口温度、简化堆芯系统结构等优势。
[0003]超临界二氧化碳介质由于其黏度为液体的I%，扩散系数为液体100倍，比液体更快的溶解溶质的速率，比气体更大的溶质的溶解能力，提高了细小颗粒物的溶解性能，使颗粒物在超临界二氧化碳介质中分散成更小的颗粒物。而高温气冷堆的燃料元件大部分是将全陶瓷型包覆颗粒弥散在石墨球基体中制成，虽然这种材料可以将绝大部分裂变产物阻挡在完整包覆颗粒的陶瓷SiC层内，但是仍然还会有一些细小的杂质以颗粒物的形式存在。这些细小的颗粒物(如石墨粉尘产生颗粒物)一般是具有放射性的颗粒，这些颗粒会引发一系列问题，影响冷却剂的传热性能、出现局部传热恶化、影响管道的使用寿命、影响反应堆的正常运行和安全，更为严重的还会威胁到核电站周围工作人员的生命健康。
[0004]目前，国内外大部分是常规高效除尘设备，常见的有电除尘器、袋除尘器、静电颗粒层除尘器、静电旋风除尘器、电袋复合除尘器等，这些除尘器，对于粒子直径大于ΙΟμπι的颗粒物除尘效率高，但是对于细颗粒物(直径<2.5μπι)除尘效率明显降低。这些除尘器大多是利用单一的原理对颗粒物进行除尘，效果不明显。虽然也有专家采用“碳海绵”进行吸附，但是其“碳海绵”吸附层的比表面积小，很容易达到吸附饱和，导致颗粒去除效率逐渐降低。
【发明内容】
[0005]为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器，所述颗粒脱除器将热泳效应、突扩突缩效应与“碳海绵”吸附效应相结合，去除超临界二氧化碳流体中的颗粒，同时，对工作段的结构进行了特殊设计，增大了“碳海绵”吸附层的比表面积，提高了颗粒脱除效率，从而完成本发明。
[0006]本发明一方面提供了一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器，具体体现在以下方面:
[0007](I)—种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器，所述颗粒脱除器包括工作段I和过度段2，所述工作段I包括流体通道11和冷却水通道12，其中，
[0008]在流体通道11的管道内壁上设置有“碳海绵”吸附层111;
[0009](2)根据上述(I)所述的颗粒脱除器，其中，
[0010]所述流体通道11用于含有颗粒的超临界二氧化碳流体的流通，
[0011]所述冷却水通道用于冷却水的流通，
[0012]流体通道11中的超临界二氧化碳流体的流向与冷却水通道12中冷却水的流向为同方向的顺流或反方向的逆流；
[0013](3)根据上述(I)所述的颗粒脱除器，其中，所述“碳海绵”吸附层111为有机高分子气凝胶;优选地，所述有机高分子气凝胶由单碳原子链的纤维素纳米制备而成;更优选地，所述纤维素纳米的直径小于100nm;
[0014](4)根据上述(I)所述的颗粒脱除器，其中，
[0015]所述流体通道11设置于工作段I的管道内，其中，所述流体通道11为多个，优选地，所述流体通道11为圆形柱体或多边形柱体，例如四方形柱体和六方形柱体，
[0016]在工作段I内，除去流体通道11，剩余空间为冷却水通道12;
[0017](5)根据上述(4)所述的颗粒脱除器，其中，在工作段I的管道内，所述流体通道11为间断式设置或连续式设置;例如，当流体通道11为圆形柱体时，其在工作段I的管道内为间断式设置;当流体通道11为多边形柱体时，其在工作段I的管道内为连续式设置；
[0018](6)根据上述(5)所述的颗粒脱除器，其中，
[0019]所述流体通道11的两端分别与过度段2连接，
[0020]所述冷却水通道12包括进水口和出水口，用于形成循环水冷系统；
[0021](7)根据上述(I)至(6)之一所述的颗粒脱除器，其中，所述过度段2的内径大于工作段I的内径；
[0022](8)根据上述(7)所述的颗粒脱除器，其中，
[0023]所述工作段I的内径为15?35mm，长度为250?500mm，优选地，其内径为20?30mm，长度为300?450mm，更优选地，其内径为25mm，长度为350?400mm，和/或
[0024]所述过度段2的内径为35?75mm，长度为45?65mm，优选地，其内径为40?70mm，长度为50?60mm，更优选地，其内径为50?60mm，长度为55mm，和/或
[0025]所述工作段I和过度段2的壁厚均为1.5?3.5mm，优选为2?3mm，更优选为2.5mm;
[0026](9)根据上述(8)所述的颗粒脱除器，其中，
[0027]在所述颗粒脱除器中，工作段I和过度段2的总数为6?20个，优选为10?16个，更优选为12?14个，和/或
[0028]工作段I和过度段2均采用不锈钢材料制成，优选由不锈钢AISI304或AISI316制成。
[0029]本发明另一方面提供了一种上述(I)至(9)之一所述的颗粒脱除器的用途，用于脱除以超临界二氧化碳为工质的核电设备中残留的放射性颗粒。
【附图说明】
[0030]图1示出以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器的轴向纵截面图；
[0031]图2示出图1中工作段的局部放大图；
[0032]图3示出工作段的径向截面图，其中，流体通道为圆形柱体结构；
[0033]图4示出工作段的径向截面图，其中，流体通道为正六边形柱体结构；
[0034]图5示出工作段的径向截面图，其中，流体通道为正四边形柱体结构。
[0035]附图标号说明:
[0036]1-工作段
[0037]11-流体通道
[0038]111-“碳海绵”吸附层
[0039]12-冷却水通道
[0040]2-过度段
【具体实施方式】
[0041]下面通过附图对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
[0042]其中，尽管在附图中示出了实施方式的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0043]本发明提供了一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器，如图1和图2所示，所述颗粒脱除器包括工作段I和过度段2，所述工作段I包括流体通道11和冷却水通道12，所述流体通道11为多个，且在流体通道11的内壁上设置有“碳海绵”吸附层111，其中，所述流体通道11用于含有颗粒的超临界二氧化碳流体的流通，所述冷却水通道用于冷却水的流通，所述“碳海绵”吸附层111用于吸附超临界二氧化碳流体中的颗粒，并且流体通道11中的超临界二氧化碳流体的流向与冷却水通道12中冷却水的流向为同方向的顺流或反方向的逆流。
[0044]其中，在流体通道11外通有冷却水，所述冷却水与流体通道内的超临界二氧化碳流体形成温度差，产生热泳效应，使流体通道11内的颗粒向低温方向移动，即颗粒向流体通道11的内壁移动，最终被设置于流体通道11内壁处的“碳海绵”吸附层吸附。
[0045]根据本发明一种优选的实施方式，所述“碳海绵”吸附层111为有机高分子气凝胶。
[0046]在进一步优选的实施方式中，所述有机高分子气凝胶由单碳原子链的纤维素纳米制备而成。
[0047]在更进一步优选的实施方式中，所述纤维素纳米的直径小于lOOOnm。
[0048]其中，本发明所采用的有机高分子气凝胶具有表面粗糙度较小、热膨胀系数较小等优点。所述以有机高分子气凝胶为吸附层是专门为本发明所述颗粒脱除器的应用领域设置，因为，所述颗粒脱除器的工质为超临界二氧化碳流体，其具有反应惰性，不会与有机高分子气凝胶中的单碳原子链反应，其中，所述有机高分子气凝胶的制备可参考周益名于2014年发表的博士毕业论文《纳米纤维素复合凝胶的制备和表征及其物化性能增强的研究》。
[0049]根据本发明一种优选的实施方式，所述过度段2与工作段I的壁厚相同，但是所述过度段2的内径大于工作段I的内径，且所述过度段2短于所述工作段I。
[0050]根据本发明一种优选的实施方式，所述工作段I的内径为15?35mm，长度为250?500mmo
[0051]在进一步优选的实施方式中，所述工作段I的内径为20?30mm，长度为300?450mmo
[0052]在更进一步优选的实施方式中，所述工作段I的内径为25mm，长度为350?400mm。
[0053]根据本发明一种优选的实施方式，所述过度段2的内径为35?75mm，长度为45?65mm ο
[0054]在进一步优选的实施方式中，所述过度段2的内径为40?70mm，长度为50?60mm。
[0055]在更进一步优选的实施方式中，所述过度段2的内径为50?60mm，长度为55mm。
[0056]根据本发明一种优选的实施方式，所述工作段I和过度段2的壁厚均为1.5?
3.5mm ο
[0057]在进一步优选的实施方式中，所述工作段I和过度段2的壁厚均为2?3mm。
[0058]在更进一步优选的实施方式中，所述工作段I和过度段2的壁厚均为2.5mm。
[0059]其中，过度段2的内径大于工作段I的内径，用于产生突扩突缩效应，具体地:(1)当流体从工作段流向过度段时，管径由小变大，导致摩擦系数增大，局部压降增大，因此流体流速减缓，并且，大颗粒的速度减缓慢于小颗粒的速度减缓，产生了颗粒的速度差，即形成了颗粒间的相对运动，利于颗粒物间的凝并；(2)当流体从过度段2流向工作段I时，管径由大变小，流体流速增加，并且，大颗粒的速度增加慢于小颗粒的速度增加，产生了颗粒的速度差，即形成了颗粒间的相对运动，同样利于颗粒物间的凝并。因此，工作段与过度段间歇设计的目的是为了达到突扩突缩效应，进一步实现颗粒间的凝并，使小颗粒变为大颗粒，更容易被吸附去除，提高了颗粒脱除器的去除效率。
[0060]根据本发明一种优选的实施方式，在所述颗粒脱除器中，工作段I和过度段2的总数为6?20个。
[0061]在进一步优选的实施方式中，在所述颗粒脱除器中，工作段I和过度段2的总数为10?16个。
[0062]在更进一步优选的实施方式中，在所述颗粒脱除器中，工作段I和过度段2的总数为12?14个。
[0063]根据本发明一种优选的实施方式，工作段I和过度段2均采用不锈钢材料制成。
[0064]在进一步优选的实施方式中，工作段I和过度段2均采用不锈钢AISI304或AISI316制成。
[0065]根据本发明一种优选的实施方式，如图3?5所示，所述流体通道11设置于工作段I的管道内，且为多个。
[0066]在进一步优选的实施方式中，如图3?5所示，所述流体通道11为圆形柱体或多边形柱体。
[0067]在更进一步优选的实施方式中，如图4和图5所示，所述多边形柱体包括四方形柱体和六方形柱体。
[0068]其中，在工作段I内，除去流体通道11，剩余空间为冷却水通道12。其中，设置有多个流体通道11增大了流体通道11的管道比表面积，相应地，增大了“碳海绵”吸附层的比表面积，提高了颗粒脱除效率;并且，这种设计也增大了流体通道11的管壁与冷却水的接触面积，提高了热泳效率，进一步提高了颗粒脱除效率。其中，这种设计的目的是有效去除粒径小于2.5μπι的颗粒，因此，不同于现有技术，该结构也是为以超临界二氧化碳为工质的核电设备专门设计，因为由于超临界二氧化碳的强溶解性，颗粒均被分散成小粒径的颗粒。
[0069]根据本发明一种优选的实施方式，如图3所示，在工作段I的管道内，所述流体通道11为间断式设置。
[0070]其中，当流体通道11为圆形柱体时，其在工作段I的管道内为间断式设置，相邻流体通道11之间具有间隙，不是彼此相连的。
[0071]根据本发明另一种优选的实施方式，如图4和图5所示，在工作段I的管道内，所述流体通道11为连续式设置。
[0072]其中，当流体通道11为多边形柱体时，其在工作段I的管道内为连续式设置，相邻流体通道11之间为彼此连接。
[0073]本发明另一方面提供一种上述颗粒脱除器的用途，用于脱除以超临界二氧化碳为工质的核电设备中残留的放射性颗粒。
[0074]根据本发明一种优选的实施方式，本发明所述颗粒脱除器与核电设备联用，用于除去核电设备中残留的放射性颗粒。
[0075]其中，所述核电设备以超临界二氧化碳为工质。
[0076]在本发明中:(I)所述颗粒脱除器为以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器的简写；(2)所述内径是指工作段或过度段的管道轴心到管道内壁的最大距离；(4)在图1中，灰度箭头表示超临界二氧化碳流体的流入方向，圆形表示颗粒。
[0077]本发明所具有的有益效果包括:
[0078](I)本发明所提供的颗粒脱除器结构简单，适合大规模生产应用；
[0079](2)本发明所提供的颗粒脱除器采用特殊结构的工作段，增大了“碳海绵”吸附层的比表面积以及冷却水与流体管道的接触面积，有效提高了颗粒去除率；
[0080](3)本发明所提供的颗粒脱除器能够脱除粒径小于2.5μπι的小颗粒物；
[0081](4)本发明所提供的颗粒脱除器可以与一切以超临界二氧化碳为工质的核电设备配套使用。
[0082]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”和“外”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0083]以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器，其特征在于，所述颗粒脱除器包括工作段(I)和过度段(2)，所述工作段(I)包括流体通道(11)和冷却水通道(12)，其中， 在流体通道(11)的管道内壁上设置有“碳海绵”吸附层(111)。2.根据权利要求1所述的颗粒脱除器，其特征在于， 所述流体通道(11)用于含有颗粒的超临界二氧化碳流体的流通； 所述冷却水通道用于冷却水的流通； 流体通道(II)中的超临界二氧化碳流体的流向与冷却水通道(12)中冷却水的流向为同方向的顺流或反方向的逆流。3.根据权利要求1所述的颗粒脱除器，其特征在于，所述“碳海绵”吸附层(111)为有机高分子气凝胶;优选地，所述有机高分子气凝胶由单碳原子链的纤维素纳米制备而成;更优选地，所述纤维素纳米的直径小于lOOOnm。4.根据权利要求1所述的颗粒脱除器，其特征在于， 所述流体通道(11)设置于工作段(I)的管道内，其中，所述流体通道(11)为多个，优选地，所述流体通道(11)为圆形柱体或多边形柱体，例如四方形柱体和六方形柱体； 在工作段(I)内，除去流体通道(11)，剩余空间为冷却水通道(12)。5.根据权利要求4所述的颗粒脱除器，其特征在于，在工作段(I)的管道内，所述流体通道(11)为间断式设置或连续式设置;例如，当流体通道(11)为圆形柱体时，其在工作段(I)的管道内为间断式设置；当流体通道(11)为多边形柱体时，其在工作段(I)的管道内为连续式设置。6.根据权利要求5所述的颗粒脱除器，其特征在于， 所述流体通道(11)的两端分别与过度段(2)连接； 所述冷却水通道(12)包括进水口和出水口，用于形成循环水冷系统。7.根据权利要求1至6之一所述的颗粒脱除器，其特征在于，所述过度段(2)的内径大于工作段(I)的内径。8.根据权利要求7所述的颗粒脱除器，其特征在于， 所述工作段(I)的内径为15?35mm，长度为250?500mm，优选地，其内径为20?30mm，长度为300?450mm，更优选地，其内径为25mm，长度为350?400mm ；和/或 所述过度段(2)的内径为35?75mm，长度为45?65mm，优选地，其内径为40?70mm，长度为50?60mm，更优选地，其内径为50?60mm，长度为55mm;和/或 所述工作段(I)和过度段(2)的壁厚均为1.5?3.5mm，优选为2?3mm，更优选为2.5mm。9.根据权利要求8所述的颗粒脱除器，其特征在于， 在所述颗粒脱除器中，工作段(I)和过度段(2)的总数为6?20个，优选为10?16个，更优选为12?14个;和/或 工作段(I)和过度段(2)均采用不锈钢材料制成，优选由不锈钢AISI304或AISI316制成。10.根据权利要求1至9之一所述的颗粒脱除器的用途，用于脱除以超临界二氧化碳为工质的核电设备中残留的放射性颗粒。
【文档编号】G21F9/02GK105895185SQ201610443006
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】周蓝宇, 周涛, 陈杰, 刘亮
【申请人】南华大学, 华北电力大学