一种用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统的制作方法
【专利摘要】一种用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统，包括：一液态铅铋合金管道，包覆在加热元件中，加热元件中设有加热源，加热源通过继电器连接电源；加热元件上设有测量液态铅铋合金管道壁面温度的温度传感器，温度传感器连接可编程逻辑控制器。本发明克服了液态铅铋合金密度较大、有一定腐蚀性，以及处于流动状态、长期在线加热等技术困难，获得的进出口温度的提升幅度和出口温度的准确性能够满足液态铅铋合金热工水力性能研究实验要求。
【专利说明】一种用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统
【技术领域】
[0001]本发明属于加热及温控领域，具体地涉及一种用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统。
【背景技术】
[0002]液态铅铋合金(Lead-Bismuth Eutectic, LBE)是目前加速器驱动的次临界系统设计中散裂靶兼冷却剂的首选材料，同时也是先进快中子反应堆冷却剂的主要候选材料。液态LBE熔点低、沸点高，利用液态LBE作为散裂靶兼冷却剂既具有很好的中子学性能，还具有优良的抗辐照性能和传热性能，可以提高靶系统的寿命和次临界反应堆的安全性，迅速冷却反应堆并将热量带出。然而，对液态LBE的热工水力学特性尚未形成清晰深刻的认识，这影响了液态LBE在加速器驱动的次临界系统以及反应堆中的应用。在研宄液态LBE热工水力学特性过程中，需要对在管内处于流动状态的液态LBE加热至较高温度，以使其研宄结果能够适应反应堆的工况条件。但是，由于液态LBE密度较大、有一定腐蚀性、处于流动状态，且液态LBE热工水力学特性实验周期较长，对其进行长时间在线加热和温控有一定的技术难度。
[0003]目前液态金属加热器专利技术或是不能够实现流动状态下的在线加热，或是不适用于液态LBE的在线加热，或是缺乏保证加热和温控系统准确稳定运行的技术措施。
[0004]应用于液态铅铋合金管道的加热及温控系统至少应具备如下技术特性:
[0005]I)非接触式加热，以避免液态LBE腐蚀性的影响；
[0006]2)大功率，以适应液态LBE密度较大、在线加热温度较高的要求；
[0007]3)由加热和温控元件组成的系统准确稳定，各元件能够方便更换，以实现长时间运行的目标。
[0008]公知的液态金属加热的专利技术(如中国专利200780017410，中国专利200410020559)针对静态液态金属加热，大都是不能够实现流动状态下的在线加热。而现有针对液态金属的管道加热器专利技术也无法满足液态LBE管道加热及温控的要求，如中国专利CN201110199224，应用于液态金属钠，其密度远小于液态LBE，其加热过程中液态金属钠与加热元件有接触，不能适应液态LBE腐蚀性的要求，而且通过加热后温度提升50°C也不能满足液态LBE的加热温度需求。因此，为使处于流动状态的液态LBE加热温度准确达到预期值，需要设计一种大功率的管道加热器及温控系统来实现。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统，以满足液态LBE管道的大功率在线加热和温控系统准确稳定运行的技术需求。
[0010]为实现上述目的，本发明提供的用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统，包括:
[0011]一液态铅铋合金管道，包覆在加热元件中，加热元件中设有加热源，加热源通过继电器连接电源；
[0012]加热元件上设有测量液态铅铋合金管道壁面温度的温度传感器，温度传感器连接可编程逻辑控制器。
[0013]其中，加热元件为两块半圆柱形，其内径与液态铅铋合金管道的外径相同，由固定螺栓将两块加热元件夹持在液态铅铋合金管道上，使加热元件与管道壁面接触。
[0014]其中，两块加热元件均设有安装温度传感器的通孔。
[0015]其中，温度传感器为铂电阻温度传感器。
[0016]其中，温度传感器通过可编程逻辑控制器与继电器连接。
[0017]其中，继电器为固态继电器或交流触发器。
[0018]其中，加热源为电加热丝，加热源分成若干组，各组之间留有间隙。
[0019]其中，加热元件外层设有保温层。
[0020]本发明的有益效果是:
[0021]本发明的在线加热及温控系统中，液态LBE管道、接线柱、螺栓、可编程逻辑控制器(PLC)、继电器、电源等各元件与管内流动的液态LBE不接触，避免了其腐蚀性的影响，克服了液态铅铋合金密度较大、有一定腐蚀性，以及处于流动状态、长期在线加热等技术困难，获得的进出口温度的提升幅度和出口温度的准确性能够满足液态LBE热工水力性能研宄实验要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明的结构示意图。
[0023]图2是图1中加热元件的结构示意图。
[0024]图3是加热元件安装在液态铅铋合金管道上的示意图；其中:A是侧面的剖面示意图，B是外观立体图。
[0025]图4是本发明的温度传感器的结构示意图。
[0026]图5是温度传感器穿过加热元件的安装示意图。
【具体实施方式】
[0027]本发明的用于液态铅铋合金(LBE)管道的在线加热及温控系统，包括:
[0028]一液态LBE管道3，包覆在加热元件I中，加热元件I设有温度传感器2，温度传感器2由信号线与PLC连接。
[0029]如图2所示，加热元件I可以是两块圆筒形或方形筒，其内表面必须与液态LB管道壁面外径形状尺寸一致，以保证液态LB管道壁面处于加热元件的包覆中。本实施例是以两块圆筒形为例，其内径与液态LBE管道3的外径相同，由固定螺栓5将两块加热元件夹持在液态LBE管道3上，使加热元件与液态LBE管道的壁面紧密接触。每一块加热元件I都有两个接线柱4，由导线与继电器连接形成独立的回路。而且，每一块加热元件上都有安装有温度传感器2，温度传感器2通过可编程逻辑控制器(PLC)与继电器连接，用于监测液态LBE管道壁面的温度。PLC与继电器之间由信号线连接，用于控制电加热回路的闭合与断开。选用固态继电器或交流触发器以适应液态LBE管道加热元件功率较大的要求。
[0030]本发明的加热元件可以是半圆柱形铸铜加热块中分布有一定功率的加热丝，该加热丝由接线柱4与外部电源连接。加热元件的加热功率可根据液态LBE流速和温度提升要求计算得出。加热元件中部分布有一个或若干个带螺纹的通孔6，用于安装温度传感器2，可根据温控要求，在加热元件适当的位置增加传感器的安装数量。加热元件两侧分布有若干个螺孔7，用于安装螺栓5。
[0031]图3为一组加热元件安装在液态LBE管道上的示意图。根据液态LBE管道加热段的长度和加热元件的功率，分成若干组加热元件来实现加热需求，在液态LBE管道的加热段上，各组加热元件之间留有少量间隙。这样便于分段控制液态LBE管道加热和监测各部分的温度情况，同时也便于安装、维护和更换故障加热元件。
[0032]图4所示为温度传感器2的结构及安装示意图。本发明的一个实施例是采用铂电阻温度传感器，温度监测范围0-650°C，采用三线制接法，以消除连接导线电阻引起的测量误差。固定螺钉10中心开有通孔，金属保护管9穿过固定螺钉10。金属保护管9的上端与耐高温导线8连接，耐高温导线穿过加热元件I外层的保温层13，与外部信号线连接。金属保护管9的下端为温度探头12。金属保护管下部套有弹簧11，当螺钉拧紧在加热元件I上的螺纹通孔6中时，弹簧11将温度探头12紧紧地顶在液态LBE管道3的壁面上。本发明的温度传感器除图4给出的式样外，也可以是其他可以固定在加热元件上并能够与液态LBE管道壁面紧密结合的其他式样的传感器。
[0033]由于温度传感器获得的是液态LBE管道壁面的温度，与管道内液态LBE温度存在一定差异。因此，为了获得通过液态LBE管道加热后较为准确的液态LBE温度，在液态LBE管道加热和温控系统投入使用前，必须对液态LBE管道的温控系统进行修正，以满足液态LBE热工水力学实验准确性的要求。通过计算获得液态LBE管道壁面温度与液态LBE管道内液态LBE温度之间的关系，并据此对管道壁面温度提升的目标值进行修定，以此修定后的温度值作为管道加热系统的设定温度，这样才能准确的对加热系统进行温度控制。上述温控系统的修正为本领域技术人员所熟悉，在此不作赘述。
[0034]在实际运用过程中，液态LBE (150°C )在管道中流动，通过液态LBE管道加热后温度提升至满足热工水力学性能实验研宄工艺要求的目标温度。PLC根据各位置的温度传感器获得的管道壁面温度数据和设定的目标温度，通过发送给继电器的控制信号对各加热元件电回路的闭合/断开进行自动控制。当液态LBE管道壁面温度未达到设定温度时，电源回路处于闭合状态，加热元件持续加热；当液态LBE管道壁面温度达到设定温度时，电源回路处于断开状态，加热元件停止加热。在液态LBE实验平台中，通过液态LBE管道加热的液态LBE温度能够达到450°C，温度提升达到300度，温度提升幅度和出口温度的准确度都能够满足实验要求。
【权利要求】
1.一种用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统，包括: 一液态铅铋合金管道，包覆在加热元件中，加热元件中设有加热源，加热源通过继电器连接电源； 加热元件上设有测量液态铅铋合金管道壁面温度的温度传感器，温度传感器连接可编程逻辑控制器。
2.根据权利要求1所述用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统，其中，加热元件为两块半圆柱形，其内径与液态铅铋合金管道的外径相同，由固定螺栓将两块加热元件夹持在液态铅铋合金管道上，使加热元件与管道壁面接触。
3.根据权利要求2所述用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统，其中，两块加热元件均设有安装温度传感器的通孔。
4.根据权利要求1所述用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统，其中，温度传感器为铂电阻温度传感器。
5.根据权利要求4所述用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统，其中，温度传感器通过可编程逻辑控制器与继电器连接。
6.根据权利要求1或5所述用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统，其中，继电器为固态继电器或交流触发器。
7.根据权利要求1或5所述用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统，其中，加热源为电加热丝，加热源分成若干组，各组之间留有间隙。
8.根据权利要求1所述用于液态铅铋合金管道的在线加热及温控系统，其中，加热元件外层设有保温层。
【文档编号】B22D41/015GK104493146SQ201410803341
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】王永伟, 李勋锋, 成克用, 淮秀兰, 蔡军, 席文宣 申请人:中国科学院工程热物理研究所