一种带净化装置的液态钠质量蒸发速率测量系统及方法

本发明涉及热管反应堆，具体涉及一种带净化装置的液态钠质量蒸发速率测量系统及方法。

背景技术：

1、热管反应堆作为一种新型反应堆，由于其结构简单、可靠性好，在月球和火星基地供电、深空探测和推进等领域具有良好的应用前景。高温钠热管是热管反应堆的关键部件，其传热性能的优劣直接影响到反应堆的安全运行。液态金属钠的蒸发是高温热管运行的重要过程，然而目前很少有关于液态钠质量蒸发速率研究的公开报道。

2、在早期阶段，液体蒸发/冷凝的计算依赖于赫兹-克努森(hk)关系式，该关系式是在气体动力学理论和麦克斯韦-玻尔兹曼(mb)平衡速度分布假设的基础上发展起来的。然而，hk关系的预测结果已被证明与大量实验和数值模拟的研究结果存在较大误差。之后，schrage指出，严格来说，hk关系只适用于液汽饱和平衡状态。在存在净质量蒸发速率的情况下，离开液汽界面的分子的速度分布将与撞击界面的分子不同。整体分子速度分布将不再满足平衡态的麦克斯韦-玻尔兹曼(mb)分布，并将随着平均速度或漂移速度的变化而变化。基于上述考虑，schrage改进了hk关系，并提出了赫兹-克努森-施拉格(hks)关系。

3、然而，通过将hk或hks关系拟合到不同状态下水的蒸发实验数据而获得的质量调节系数(mac)α都跨越了两个数量级。并且在相同温度下通过异丙醇蒸发实验获得的mac比水大得多。上述研究现状表明，直接使用hk或hks关系来预测液态金属钠的蒸发速率是不严谨的，可能会导致较大的误差。所以需要研制一套液态钠质量蒸发速率测量的实验装置，用来测量液态钠在不同温度、压力工况下质量蒸发速率，为高温热管的设计研发和性能分析提供第一手的实验数据。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种带净化装置的液态钠质量蒸发速率测量系统及方法，以解决现有技术液态钠质量蒸发速率测量的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种带净化装置的液态钠质量蒸发速率测量系统，包括氩气瓶1、同时连接氩气瓶1的第一高真空微调阀门701和第一高真空粗调阀门201，第一高真空微调阀门701另一端通过三通分别和第四高真空微调阀门704、第一真空计801连接，第一真空计801通过三通左、右分别连接第四高真空微调阀门704、真空室11，第四高真空微调阀门704另一端与环境大气连接用于调节真空室11氩气的浓度及压力，第一高真空粗调阀门201另一端连接除油罐3，用于调节氩气瓶1向除油罐3输送氩气的速率,以上共同组成了测量系统的气体充排模块；

4、除油罐3顶端中部设有用于放入固体钠块的投料口21，除油罐3顶端左侧连接第一高真空粗调阀门201，在顶端右侧连接第二高真空粗调阀门202，第二高真空粗调阀门202另一端通过三通分别与油过滤罐6和第三高真空粗调阀门203连接，第三高真空粗调阀门203另一端通过三通分别与第一液态金属阀门501和冷阱4连接，第一液态金属阀门501的另一端与除油罐3相连接,同时第一温控仪401与除油罐3连接，第二温控仪402与冷阱4连接，冷阱4下端连接第二液态金属阀门502，第二液态金属阀门502另一端连接滴落管22，滴落管22另一端伸入至真空室11内并且在冷凝器12下方弯折至坩埚15正上方，以上共同组成了测量系统的液态钠净化和装填模块；

5、真空泵10入口与缓冲罐25一端连接，缓冲罐25另一端通过三通分别与第四高真空粗调阀门204和第三高真空微调阀门703连接，第四高真空粗调阀门204另一端与油过滤罐6连接，第三高真空微调阀门703另一端与第二高真空微调阀门702串联连接，第二高真空微调阀门702另一端连接粉尘过滤器9，粉尘过滤器9另一端连接真空室11，以上共同组成了测量系统的真空获得模块；

6、冷却水池19内放置有潜水泵20，潜水泵20出水口与进水管23连接，进水管23穿入真空室11内与真空室11上方的冷凝器12左端连接，冷凝器12右端与出水管24连接，出水管24穿出真空室11伸入至冷却水池19内，以上共同组成了测量系统的蒸汽冷凝模块；

7、真空室11内正下方设有带电磁屏蔽功能的精密电子天平17，精密电子天平17上方放置绝热板16，绝热板上方放置坩埚15用于盛装液态钠，坩埚15外围环绕着加热线圈14，加热线圈14穿出真空室11并与外面的电磁感应加热器13连接，以上共同组成了测量系统的加热和称量模块。

8、多次使用氩气瓶1通过第一高真空微调阀门701、第四高真空微调阀门704和第一真空计801向真空室11中充入氩气，并多次使用真空泵10通过缓冲罐25和第一高真空微调阀门703、第二高真空微调阀门702、粉尘过滤器9对润湿性测量室9进行抽真空，实现高纯氩气对真空室11中空气的置换，防止液态金属钠加热蒸发过程中被氧化。

9、通过调节第三高真空微调阀门703和第二高真空微调阀门702的开度控制缓冲罐25对真空室11的抽气流量，实现液态钠质量蒸发速率测量环境压力的精准调控。

10、测量开始前使用真空泵10对缓冲罐25进行预抽气至预定压强，在液钠蒸发过程中使用缓冲罐25对真空室11进行抽气，并且利用粉尘过滤器9冷凝并过滤缓冲罐25抽气过程中气体携带的钠蒸汽，能够防止蒸发过程产生的钠蒸汽进入真空泵10对真空泵10造成损伤。

11、在开始和停止对坩埚中钠进行加热时，分别两次打开第四高真空微调阀门704使得真空容器11内部压力等于外部大气压力，保证在不打开真空容器11的情况下利用高精度电子天平17实现对坩埚中钠质量的准确称量；

12、使用第三温控仪403控制电磁感应加热器13的开关，进而对坩埚15中液态钠的温度进行控制，实现液态钠质量蒸发速率测量环境温度可控。

13、通过利用除油罐3、冷阱4、油过滤罐6、第一温控仪401、第二温控仪402及第三高真空粗调阀门203、第四高真空粗调阀门204、第一液态金属阀门501实现液态金属钠在重力作用下的净化。

14、所述的一种带净化装置的液态钠质量蒸发速率测量系统的测量方法，测量开始前对整个测量系统进行常温抽气检漏，使得整个测量系统的漏率小于1×10 -9pa·m3/s，这是确保测量系统在测量过程中维持负压环境的关键，测量方法分为如下五部分；

15、1)液态碱金属钠的净化：

16、首先对液态钠净化和装填模块进行氩气置换操作，关闭第一高真空粗调阀门201、第三高真空微调阀门703和第二液态金属阀门502，打开第二高真空粗调阀门202、第三高真空粗调阀门203、第四高真空粗调阀门204和第一液态金属阀门501，然后开启真空泵10对整个液态钠净化和装填模块进行抽气至1pa，之后打开第一高真空粗调阀门201对整个液态钠净化和装填模块充氩气至常压，反复以上抽气充气操作多次用氩气置换掉整个液态钠净化和装填模块中原有的易与液态钠发生化学反应的氧气、水蒸汽；其次进行投料操作，在高纯氩气的保护下，迅速通过除油罐3上面的投料口21将多根切去表皮的固态钠柱棒放入到除油罐3内，之后关闭投料口21；其次进行液态钠除油操作，关闭第四高真空粗调阀门203、第三高真空微调阀门703，开启真空泵10对缓冲罐25进行预抽气至10-2pa后停泵,然后关闭第一高真空粗调阀门201、第三高真空粗调阀门203和第一液态金属阀门501，通过调节第四高真空粗调阀门204的开度使除油罐3的压力保持在1～10pa，同时通过第一温控仪401控制除油罐3内部液态钠的温度在200～240℃范围，持续预设时间，期间开启第一高真空粗调阀门201通氩气夹带两次；最后进行冷阱净化操作，关闭第二液态金属阀门502，开启第二高真空粗调阀门202、第三高真空粗调阀门203和第一液态金属阀门501使除油罐3中的液态钠在重力作用下流到冷阱4，同时通过第二温控仪402控制冷阱4中的液态钠温度保持在120～140℃范围内，并打开第一高真空粗调阀门201充入一定量氩气使冷阱4内保持正压并静置预设时间；

17、2)液态钠蒸发氩气环境内不同压力的实现：首先进行氩气置换操作，关闭第四高真空粗调阀门204、第一高真空微调阀门701、第四高真空微调阀门704，同时打开第二高真空微调阀门702、第三高真空微调阀门703，之后开启真空泵10对真空室11进行抽气至1pa,之后打开第一高真空微调阀门701对真空室11充氩气至常压，反复以上抽气充气操作多次可用氩气置换掉真空室11中原有的易与液态钠发生化学反应的氧气、水蒸汽；其次是预定环境压力的实现，关闭第三高真空微调阀门703，开启真空泵11对缓冲罐25进行预抽气至10-2pa后停泵,通过调节第一高真空微调阀门703和第二高真空微调阀门702的开度控制缓冲罐25对真空室11的抽气流量，使真空室11内压力保持在预定压力；

18、3)液态钠蒸发氩气环境内不同温度的实现：首先开启潜水泵20使水在冷却水池19和冷凝器12之间循环，保证蒸发过程中钠蒸汽能够被冷凝器12冷凝；其次开启电磁感应加热器13对坩埚15中的液态钠进行加热，并通过第三温控仪403控制电磁感应加热器13的开关以实现对蒸发过程液态钠温度的控制。

19、4)液态钠蒸发质量测量：在上述2)中完成氩气置换操作后，首先打开第一高真空微调阀门701向真空室11中充入氩气至压力高于大气压，然后关闭第一高真空微调阀门701并打开第四高真空微调阀门704，使真空室11的氩气流至外部环境大气，待到真空室11内的压强与环境大气压强达到平衡后，在天平操作界面18对精密电子天平17进行清零操作，之后打开第二液态金属阀门502使冷阱4中的一定量液态钠在重力作用下流至坩埚15内，然后关闭第二液态金属阀门502并记录下此时精密电子天平17的示数,w’即为坩埚中初始钠的质量；在液态钠恒温蒸发时间t2并冷却至常温之后，再次打开第一高真空微调阀门701向真空室中充入氩气至压力高于大气压，然后关闭第一高真空微调阀门701并打开第四高真空微调阀门704，使真空室11的氩气流至外部环境大气，待到真空室11内的压强与环境大气压强达到平衡后，记录下此时精密电子天平17的示数w”,δw＝w’-w”即为液态钠的蒸发质量；

20、5)恒温恒压工况下液态金属钠质量蒸发速率的计算

21、首先按照上述2)、3)、4)测得液态钠在加热升温过程时间t1、恒温蒸发时间t2和冷却降温时间t3过程中的总蒸发量δw’＝δw1+δw2+δw3，其次再按照2)、3)、4)测得液态钠在加热升温过程和冷却降温过程中的蒸发量δw1+δw3，则计算得到恒温恒压过程液态钠的净蒸发量δw”＝δw1+δw3，并利用坩埚(15)的截面积s计算得到恒温恒压工况下液态钠质量蒸发速率j＝(δw’-δw”)/(t2·s)。

22、所述的实验方法能够进行不同环境温度、压力工况下液态钠质量蒸发速率测量。

23、和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

24、1)本发明采用先净化再蒸发、多次氩气置换空气的方法能够有效提高液态钠纯度并保证在测量过程中的液态钠不被氧化。

25、2)测量过程中采用温控仪控制电磁感应加热器的开关，能够实现液态钠蒸发环境温度的精确控制；采用两个高真空微调阀串联的方法控制抽气流量的大小，进而实现了对液态钠蒸发环境压力的精确控制。

26、3)钠蒸发前后分别两次打开高真空微调阀使真空容器内压力等于大气压力，能够避免真空容器内压力不一致对质量称量造成的影响，进而能够在不打开真空容器的情况下实现多个温度、压力工况下液态钠质量蒸发速率精确测量，节省了测量花费的时间和精力。

27、4)测量过程中采用循环冷却水通过冷凝器对产生的钠蒸汽进行冷却，能够保证真空容器内的钠蒸汽被充分冷却。

28、5)测量过程中采用真空泵先对缓冲罐预抽气，再停泵用缓冲罐通过粉尘过滤器对真空容器抽气的方法，能够避免钠蒸汽进入真空泵损伤泵。