专利名称:基于多层管道结构获得高温热流体的方法
技术领域：
本发明涉及热学、材料学及其应用领域，具体的说是一种基于多层管道结构获得高温热流体的方法。
技术背景为了获得高温流体，通常的方法有接收核反应堆中子辐射或者在流道内部发生放热化学反应或者在流道内设置加热装置，在产生高温流体的过程中不可避免地需要管道。对高温流体而言，就要求管道材料能够耐高温。由于流体管道需要承受内部流体压力、流体冲刷和外部作用等各种力的影响，因此管道材料选择必须同时满足高应力强度要求。而材料的温度升高，对应的允许应力下降，只有在温度较低时对应的应力强度才很大，因此用单管实现热流体时要求材料高温且高强度对材料本身是一个挑战。选择符合管壁高强度要求的材料做管壁结构无法满足流体的高温要求，而选择符合管壁高温要求的材料做管壁结构又无法满足高应力强度要求。
特别地，对目前世界各国都在致力研究的采用核反应中子辐射的高温反应堆。反应堆冷却剂输出温度越高，热转换效率越高，核能发电、制氢效益也越高。因此为了提高效益，采用不同的技术，不同的材料提高冷却剂的出口温度。其中材料的选取最为关键，目前用于反应堆结构的材料主要有低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)，矾基合金以及碳化硅(SiCf/SiC)复合材料等，其中RAFM钢技术相对成熟，应力强度大，但辐照时最大工作允许温度只有550℃，导致冷却剂出口温度限于此数。而SiCf/SiC复合材料具有优越的高温性能(可达1000℃)，但最大允许应力较低，且很多技术还不成熟。目前世界上采用RAFM钢的反应堆无法得到较高出口温度的冷却剂，而高温反应堆大都采用SiCf/SiC复合材料，由于SiCf/SiC复合材料的高温堆建造技术难度大，即使冷却剂出口温度提高，其可行性、竞争性也不高。
发明内容
本发明针对上述出现的问题，采用单管结构无法满足高温流体对管壁材料的要求，提出一种基于多层管道结构获得高温热流体的方法。特别是在高温反应堆应用中，采用技术成熟、耐高温性能较低、应力强度较大RAFM钢作结构材料，而耐高温SiCf/SiC复合材料作为结构内衬，增大冷却剂出口温度，提高核能发电、制氢的可行性和竞争性。
本发明的技术方案基于多层管道结构获得高温热流体的方法，其特征在于在外层管道内套设多个内径依次递减的内衬管道，在管道的一端，除外层管道外，从第一层内衬管道起，每相间隔的内衬管道的端部连接为一体，以外层管道与第一内衬管道之间的流道作为流道入口；在管道另一端，从外层管道起，每相间隔的内衬管道的端部连接为一体，保持最小内衬管道中间的流道作为流道出口；低温流体从流道入口进入，通过接收核反应堆中子辐射或者在流道内设置发热反应或发热装置，使得流体在多层管道构成的流道中流动，不断加热升温，最后从流道出口流出高温热流体。
所述的方法，其特征在于所述的外层管道与其内套设的多个内径递减的内衬管道，其材料耐高温程度依次提高。
所述的方法，其特征在于所述的外层管道内套设的内衬管道的管壁上留有开孔。
所述的方法，其特征在于所述的管道为2～6层。
所述的方法，其特征在于所述的外层管道材质为压力容器结构材料，其中套设的内衬管道为耐高温材料，所述的流体为气体或液体，管道及流体接收中子辐照或其他热源，流体本身不断升温，流体在流道入口处的温度为100-500℃，在流道出口处的温度为500-1000℃。
发明的原理为了获得高温流体，通常的方法有接收核反应堆中子辐射或在流道内部发生放热化学反应或在流道内设置加热装置。对高温流体而言，就要求管道结构材料能够耐高温，且同时具有较大许用应力来承受内部流体压力、流体冲刷和外部作用等各种力的影响。而通常材料的温度升高，对应的应力强度下降，因此采用单管结构无法满足高温流体对管壁材料的要求。利用压力容器结构材料作为管道结构，在管道内部增加内衬管道。内衬管道材料的选择必须耐高温且高温下与流体兼容性较好，设置一层内衬管道仍无法实现高温流体，因为内衬内部过高温度的流体必然通过内衬的传导而影响外层管壁结构，使外层管壁结构温度超标而导致应力下降，而选择导热系数小的内衬材料，可以减小热量向管壁的传导，但内衬较低的导热系数会导致内衬产生较大的温差，使得内衬管道热应力增大，甚至严重变形。而设置多层内衬管道，使流体逐步在每层内衬管道之间连续流动，温度逐渐递增。内衬管道内外流体压力均衡，内衬应力主要来自于温差产生的热应力，其他载荷应力较小，由于每层内衬内外温差不大，因此流道内衬的应力不是很大，满足高温时内衬材料许用应力较小的特点。最终在保证管道材料温度较低应力较大的前提下，得到温度较高的热流体。
本发明的效果本发明利用压力容器结构材料作为外层管道，采用各种不同耐高温的材料作为内衬管道，使流体逐步在每层内衬之间连续流动，温度逐渐递增。在满足管道材料和内衬管道材料安全可行的前提下，得到温度较高的热流体。本发明所涉及的材料只需满足或者在低温下要求高应力强度，或者要求耐高温而应力强度小，分散了对材料的高温和高强度的同时要求，解决了用单管实现热流体的不可行性。具体应用在高温反应堆中采用耐高温性不高而应力强度较大的RAFM钢作结构材料，耐高温而应力强度较小的SiCf/SiC复合材料作内衬材料，降低了高温堆结构设计的技术难度，增大了冷却剂出口温度，提高了核能高温发电、制氢的可行性和竞争性。
图1本发明的纵剖面结构示意图。
图2本发明的横剖面结构示意图。
具体实施方式
参见图1、2，实际装置的结构形状可以是方形、环形或者它们的近似形状，流道内衬数量据具体情况确定。
基于多层结构获得高温热流体的方法，在管道1内套设多个内径依次递减的流道内衬管道3、内衬管道4、内衬管道6到内衬管道7，在管道1的一端，除外层管道1外，从内衬管道3起，每相间隔的管道的端部连接为一体，以外层管道1与内衬管道3之间的流道2作为流道入口9；在管道1另一端，从外层管道起，每相间隔的管道的端部连接为一体，保持最小管道7中间的流道8作为流道出口；低温流体从流道入口2进入，通过接收核反应中子辐射或者其他热源，使得流体在多个小管道构成的流道中流动时，不断加热升温，最后从流道出口流出高温热流体。外层管道1与其内套设的多个内径递减的内衬管道3、内衬管道4、内衬管道6到内衬管道7，其材料耐高温程度依次提高。外层管道1内套设的各层内衬管道的管壁上留有开孔，让流体在其内连续流动。所述的外层管道两端与内衬管道两端口处设置有隔热层5，其材料为耐高温材料。所述的外层管道1材质为压力容器结构材料，其中套设的各层内衬管道为耐高温材料，所述的流体为气体或液体，管道及流体接收中子辐射或者其他热源，流体流动时不断升温，流体在流道入口处的温度为100-500℃，在流道出口处的温度为500-1000℃。
最外层为流体管壁结构，需要承受内部流体压力、流体冲刷和外部作用等各种力的影响，因此材料选择必须满足高应力强度的压力容器结构材料，而温度的承受能力只要比流体的输入温度稍高即可。
流道内衬管道3为第一层流道内衬管道，因其内部的温度高于管道1和内衬管道3之间流体温度，因此要求此内衬材料比管道材料要耐高温，考虑内衬材料的传热，内衬内部流体的温度会影响外层流体乃至结构的温度，因此内衬内外的温差不应太大。由于内衬应力主要来自于热应力，其他载荷应力很小，因此流道内衬的应力不是很大。材料选择可以只重点考虑比管壁材料更耐高温即可。
流道内衬管道4、内衬管道6为第二、三层流道内衬管道，由于其内部温度高于外层流体温度，因此要求内衬材料比外层内衬更要耐高温，同样对应力要求不需太大，保证内衬内外温差很小，满足内衬的最大应力在允许范围内。
流道内衬管道7为最后一层流道内衬，此内衬内部的流体温度最高，因此要求此内衬材料最耐高温，如碳化硅、钨合金等耐高温材料，由于温差不大，同样对应力要求不需太大。
下面是本发明在高温核反应堆上的具体的应用例采用技术相对成熟、应力强度较大、最大工作允许温度只有550℃的RAFM钢作为高温核反应堆结构材料(相当于外层管道)，冷却剂锂铅LiPb(相当于管道内流体)在结构内流动，为了提高冷却剂LiPb出口温度，在LiPb流道中设置一层具有电绝缘和热绝缘SiCf/SiC内衬(相当于内衬管道)，电绝缘主要是减小液态金属LiPb流动的MHD压降，而热绝缘主要是提高LiPb出口温度。由于LiPb和SiCf/SiC的兼容温度为1000℃左右，理论上冷却剂LiPb出口温度可以接近1000℃，但由于SiCf/SiC非完全绝热，即使SiCf/SiC内衬的传热系数低，流道内部的高温也会导致结构温度高于RFAM钢的最大允许温度，而选用更低传热系数的SiCf/SiC内衬，会导致内衬内外温差太大，从而导致内衬热应力增大，变形严重，这些因素都限制了内衬中LiPb的温度。进一步在第一层SiCf/SiC内衬内再增加一层SiCf/SiC内衬，使第一层内衬的LiPb转向流入第二层内衬流道内，第二层内衬流道内LiPb温度可达到1000℃高温，由于两内衬流道LiPb的温度不高(介于550℃和1000℃之间)，两层内衬的内外温差小，不会造成结构材料温度超标以及SiCf/SiC内衬的热应力超标和严重变形。
采用应力强度较大、最大工作允许温度只有550℃的RAFM钢作为高温堆结构材料，在冷却剂流道中增加两层耐高温的SiCf/SiC内衬，第一层提高LiPb温度高于550℃，第二层提高LiPb出口温度达到LiPb和内衬的兼容温度1000℃左右，这种设计保证了反应堆结构材料和两层SiCf/SiC内衬的最大温度、最大应力和变形都在工程允许之内。由于RAFM钢技术相对成熟，降低了高温堆结构设计的技术难度，而冷却剂出口温度的增大，提高了核能高温发电、制氢的可行性和竞争性。
权利要求
1.基于多层管道结构获得高温热流体的方法，其特征在于在外层管道内套设多个内径依次递减的内衬管道，在管道的一端，除外层管道外，从第一层内衬管道起，每相间隔的内衬管道的端部连接为一体，以外层管道与第一内衬管道之间的流道作为流道入口；在管道另一端，从外层管道起，每相间隔的内衬管道的端部连接为一体，保持最小内衬管道中间的流道作为流道出口；低温流体从流道入口进入，通过接收核反应堆中子辐射或者在流道内设置发热化学反应或发热装置，使得流体在多层管道构成的流道中流动，不断加热升温，最后从流道出口流出高温热流体。
2.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于所述的外层管道与其内套设的多个内径递减的内衬管道，其材料耐高温程度依次提高。
3.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于所述的外层管道内套设的内衬管道的管壁上留有开孔。
4.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于所述的管道为2～6层。
5.根据权利要求
1至4之一所述的方法，其特征在于所述的外层管道材质为压力容器结构材料，其中套设的内衬管道为耐高温材料，所述的流体为气体或液体，管道及流体接收中子辐照或其他热源，流体本身不断升温，流体在流道入口处的温度为100-500℃，在流道出口处的温度为500-1000℃。
专利摘要
本发明公开了一种基于多层管道结构获得高温热流体的方法，通过在流道内增加多层流道内衬，在保证管壁材料和每层内衬材料的温度、应力以及变形都在允许的范围内提高流体的出口温度。具体应用在高温反应堆中采用耐高温性不高而应力强度较大的RAFM钢作结构材料，耐高温性好而应力强度较小的SiCf/SiC复合材料作内衬材料，降低了高温堆结构设计的技术难度，增加了冷却剂出口温度，提高了核能高温发电、制氢的可行性和竞争性。
文档编号G21C15/00GKCN1755183SQ200510039207
公开日2006年4月5日 申请日期2005年4月30日
发明者陈红丽, 吴宜灿 申请人:中国科学院等离子体物理研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan