本發(fā)明屬于液態(tài)金屬鈉的加熱設備技術領域，具體涉及一種用于液態(tài)金屬鈉高溫實驗回路的大功率預熱器。

背景技術：

液態(tài)金屬鈉以其具有良好的傳熱，載熱流動特性以及其不使堆芯快中子被慢化的諸多優(yōu)點，使其成為第四代核能發(fā)電系統(tǒng)首選堆型(鈉冷快堆)唯一理想的冷卻劑。隨著鈉冷快堆事業(yè)的蓬勃發(fā)展，需要對液態(tài)金屬鈉的各種性質在理論和實踐方面都進行廣泛深入的研究，特別是開展液態(tài)金屬鈉實驗方面的的深入研究。為了使實驗研究的結果對鈉冷快堆的建設具有指導意義，實驗過程中往往需要將處于實際鈉冷快堆堆芯中流速的液態(tài)金屬鈉預熱到較高溫度，甚至達到飽和溫度(常壓883℃)。

目前已有的一些液態(tài)金屬加熱專利，例如，中國專利201210122794.x提出了一種應用于液態(tài)鉛鉍合金實驗回路的預熱器，其主要特征在于一物料管道，具有一物料進口和一物料出口；物料管道外包覆有一電加熱層，該電加熱層外側包覆有保溫層，在保溫層的外側為金屬保護性外殼；預熱器安裝時與水平面呈一傾斜角度放置，物料進口設置在低位，物料出口設置在高位，該預熱裝置的溫升可以達到200℃，并且不需要任何密封措施。但是，一方面該專利設計的預熱器是為鉛鉍合金實驗設計的，其運行溫度一般在500℃左右，而液態(tài)金屬鈉高溫沸騰實驗回路，其運行溫度在800度左右，溫升400℃，該預熱器的使用溫度和溫升均不能滿足要求；另一方面對于大流量液態(tài)金屬鈉實驗回路，預熱器的功率都在百千瓦以上，而按照該專利提供的預熱器設計方案，功率達到百千瓦以上需要設計很大的傳熱面積，導致預熱器占用空間巨大，成本較高。

又如，中國專利201110199224.6提供了一種液態(tài)金屬鈉實驗回路電加熱預熱器，其主要特征在于將多根加熱棒插入一個大口徑殼管內對液態(tài)金屬鈉進行加熱。本發(fā)明具能夠對液態(tài)金屬鈉進行高溫預熱，使其達到飽和溫度；密封性能良好。但是，對于大流量液態(tài)金屬鈉實驗回路，預熱器的功率都在百千瓦以上，而按照該專利提供的預熱器設計方案，需要大尺寸的殼管和數(shù)量巨大的電加熱棒，電加熱棒數(shù)量越多，潛在的漏點可能越多，密封性很難保證，而且殼管內部的大空間可能會出現(xiàn)局部沸騰現(xiàn)象，影響預熱器的安全穩(wěn)定運行。

又如中國專利201410511271.3提供了一種大功率電加熱管式預熱器，所述預熱器包括：3n個預熱器加熱管道、1臺感應調壓器、3臺大電流變壓器，所述感應調壓器與所述大電流變壓器連接，所述大電流變壓器與所述預熱器加熱管道連接。本發(fā)明功率可以達到百千瓦以上，解決了現(xiàn)有技術中的管式預熱器存在絕緣效果較差，回路存在潛在漏水點。但是，該發(fā)明裝置的使用工質是去離子水及不導電介質，對于液態(tài)金屬鈉具有良好的導電性，如果直接采用該裝置預熱液態(tài)金屬導致加熱功率驟降，其預熱器功率無法達到百千瓦以上，經(jīng)濟效益極差。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述存在的問題，提供了一種用于液態(tài)金屬鈉實驗回路的大功率預熱器，既能夠保證液態(tài)金屬鈉實驗回路加熱能力，又具有結構簡單、密封性良好、布置空間相對減少、效率和安全性得到保障、經(jīng)濟效益良好的特點。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種用于液態(tài)金屬鈉實驗回路的大功率預熱器，包括內管2、電絕緣層4、定位環(huán)5、兩個端部密封環(huán)3、外管6和兩對電極7；所述一個內管2，構成液態(tài)金屬鈉流道，與水平面傾斜安裝，下端部為進口1，上端部為出口8；所述一個外管6，作為電加熱管；所述電絕緣層4設置在內管2和外管6之間，該絕緣層4的成份為氧化鎂或者碳化硼，用于外管6通過電極7通電加熱時對內管2起到絕緣作用；所述在內管2和外管6之間有用于定位內管2和外管6的定位環(huán)5，其材質為陶瓷；所述在外管6端部有兩對密封環(huán)3，其材質為陶瓷；所述外管外設置電極7，用于連接小電壓、大電流變壓器。

所述外管6外壁包覆有保溫層，以減少熱損失，提高熱效率。

所述外管6的長度小于內管2的長度。

所述內管2的外壁與外管6的內壁之間的間距為1～2mm。

所述外管6外布置熱電偶，用于檢測外管的壁面溫度，并作為閉合/斷開加熱的反饋依據(jù)。

所述內管2與水平面傾斜的角度α為15°～30°。

多級加熱之間的連接采用與內管2半徑相同的彎管10把上級大功率預熱器內管的出口和下級大功率預熱器內管的進口連接起來，構成多級大功率預熱器。

所述內管2、外管6及彎管10均采用高溫合金材料，其運行溫度達到950℃。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、預熱器功率可以達到百千瓦以上，可對大流量下的液態(tài)金屬鈉進行大溫升預熱，溫升提升水平可以達到400℃左右。

2、整個預熱器的流體管道都是焊接，沒有任何潛在的泄漏點，不需要任何密封措施。

3、預熱器結構十分簡單，沒有過多的節(jié)流件，有效的降低了整個回路的運行阻力。

4、整個預熱器的金屬材料都采用gh3625、incolnel800等高溫合金材料制造，運行溫度可以達到950℃，能夠對液態(tài)金屬鈉進行高溫預熱，使其達到預設的試驗段進口溫度。

總之，本裝置可以有效的對大流量下液態(tài)金屬鈉回路中的鈉進行預熱，設計合理，結構簡單，節(jié)省空間，方便使用操作，適合裝配于實驗用液態(tài)金屬鈉回路。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的大功率預熱器橫截面示意圖。

圖2是本發(fā)明所述的多級大功率預熱器的示意圖。

圖3是本發(fā)明所述的大功率多級預熱器的供電示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細的說明：

如圖1所示，一種用于液態(tài)金屬鈉實驗回路的大功率預熱器，其主要包括：一個內管2、電絕緣層4、定位環(huán)5、兩個端部密封環(huán)3、外管6、兩對電極7、保溫層9。

所述一個內管2，構成液態(tài)金屬鈉流道，與水平面傾斜安裝，下端部為進口1，上端部為出口8。

所述一個外管6，作為電加熱管，產(chǎn)生的熱量通過電絕緣層傳遞到內管，內管再對液態(tài)金屬鈉進行加熱。

所述內管2和外管6之間有一層電絕緣層4，該絕緣層4的成份為氧化鎂或者碳化硼，用于外管6通過電極7通電加熱時對內管2起到絕緣作用，氧化鎂或者碳化硼采用膠狀、高壓、致密化填充，在高溫條件下(900℃)既能保證良好的導熱性，又能夠保證良好的絕緣性。

所述在內管2和外管6之間有定位環(huán)5，其材質為陶瓷，由于陶瓷耐高溫(900℃)、硬度大，在高溫條件下(900℃)用于固定內管和外管，能夠保證內管和外管之間的絕緣層間隙。

所述在外管6端部有兩對密封環(huán)3，其材質為陶瓷，用于密封間隙內氧化鎂或者碳化硼粉末。

所述外管外設置電極7采用兩點式加熱，用于連接小電壓、大電流變壓器，有效防止了預熱器運行期間出現(xiàn)人觸電情況。

所述外管外面設置一定厚度的保溫層9，減少熱損失，提高熱效率，保證預熱器的效率能達到85％以上。

所述外管6的長度小于內管的長度，外管的壁厚和長度一定要和小電壓、大電流變壓器功率匹配。

所述內管2的外壁和外管6的內壁之間的間距為1～2mm之間。

所述外管6外布置熱電偶，用于檢測外管的壁面溫度，并作為閉合/斷開加熱的反饋依據(jù)。

所述內管2與水平面傾斜的角度α為15°～30°，保證在回路不運行期間液態(tài)金屬鈉不殘留在預熱器內管內。

多級預熱器與水平面的安裝角度α為15°～30°，保證在回路不運行期間液態(tài)金屬鈉不殘留在多級預熱器內管內。

電加熱的功率依靠可控硅進行調節(jié)，保證每級外管的熱流密度不超過60w/mm²。

如圖2所示，多級加熱之間的連接采用與內管2半徑相同的彎管10把上級大功率預熱器內管的出口和下級大功率預熱器內管的進口連接起來，構成多級大功率預熱器，每級預熱器的的兩對電極7分別如a和b、c和d、e和f；

如圖3所示，變壓器的兩個出線端分別連接每級預熱器的的兩對電極7分別如a和b、c和d、e和f，所述電加熱的功率依靠可控硅進行調節(jié)，保證每級外管的熱流密度不超過60w/cm²。

工作時，200℃左右的液態(tài)金屬從內管2的進口1進入預熱器的內管2中對液態(tài)金屬鈉進行預熱。如果出口8處的液態(tài)金屬鈉溫度低于預設值，投入一級預熱器對液態(tài)金屬鈉進行預熱，如果經(jīng)過一級預熱出口溫度低于設定的溫度，投入二級預熱或者增加一級預熱器的電加熱功率，依次類推；如果出口8處的液態(tài)金屬鈉溫度高于預設值，斷開預熱器的通電，停止對液態(tài)金屬鈉加熱。在此過程中，外管6外布置熱電偶用于檢測外管的壁面溫度，如果其中一級預熱器的溫度達到報警值，斷開該級預熱器的加熱電功率，投入下一級預熱器或者提升其它級的加熱電功率。試驗結果表明，經(jīng)過該預熱裝置加熱后，從出口8流出的液態(tài)液態(tài)金屬鈉的溫升可以達到400℃。

以上內容僅用來說明本發(fā)明，不能認定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本技術領域中的普通技術人員來說，只要在本發(fā)明的實質精神范圍之內，對以上所述實施例的變化和變型都應當視為在本發(fā)明的權利要求書范圍內。