專利名稱:基于多層管道結(jié)構(gòu)獲得高溫?zé)崃黧w的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱學(xué)、材料學(xué)及其應(yīng)用領(lǐng)域，具體的說是一種基于多層管道結(jié)構(gòu)獲得高溫?zé)崃黧w的方法。
技術(shù)背景為了獲得高溫流體，通常的方法有接收核反應(yīng)堆中子輻射或者在流道內(nèi)部發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)或者在流道內(nèi)設(shè)置加熱裝置，在產(chǎn)生高溫流體的過程中不可避免地需要管道。對高溫流體而言，就要求管道材料能夠耐高溫。由于流體管道需要承受內(nèi)部流體壓力、流體沖刷和外部作用等各種力的影響，因此管道材料選擇必須同時滿足高應(yīng)力強(qiáng)度要求。而材料的溫度升高，對應(yīng)的允許應(yīng)力下降，只有在溫度較低時對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度才很大，因此用單管實(shí)現(xiàn)熱流體時要求材料高溫且高強(qiáng)度對材料本身是一個挑戰(zhàn)。選擇符合管壁高強(qiáng)度要求的材料做管壁結(jié)構(gòu)無法滿足流體的高溫要求，而選擇符合管壁高溫要求的材料做管壁結(jié)構(gòu)又無法滿足高應(yīng)力強(qiáng)度要求。
特別地，對目前世界各國都在致力研究的采用核反應(yīng)中子輻射的高溫反應(yīng)堆。反應(yīng)堆冷卻劑輸出溫度越高，熱轉(zhuǎn)換效率越高，核能發(fā)電、制氫效益也越高。因此為了提高效益，采用不同的技術(shù)，不同的材料提高冷卻劑的出口溫度。其中材料的選取最為關(guān)鍵，目前用于反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)的材料主要有低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM)，礬基合金以及碳化硅(SiCf/SiC)復(fù)合材料等，其中RAFM鋼技術(shù)相對成熟，應(yīng)力強(qiáng)度大，但輻照時最大工作允許溫度只有550℃，導(dǎo)致冷卻劑出口溫度限于此數(shù)。而SiCf/SiC復(fù)合材料具有優(yōu)越的高溫性能(可達(dá)1000℃)，但最大允許應(yīng)力較低，且很多技術(shù)還不成熟。目前世界上采用RAFM鋼的反應(yīng)堆無法得到較高出口溫度的冷卻劑，而高溫反應(yīng)堆大都采用SiCf/SiC復(fù)合材料，由于SiCf/SiC復(fù)合材料的高溫堆建造技術(shù)難度大，即使冷卻劑出口溫度提高，其可行性、競爭性也不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述出現(xiàn)的問題，采用單管結(jié)構(gòu)無法滿足高溫流體對管壁材料的要求，提出一種基于多層管道結(jié)構(gòu)獲得高溫?zé)崃黧w的方法。特別是在高溫反應(yīng)堆應(yīng)用中，采用技術(shù)成熟、耐高溫性能較低、應(yīng)力強(qiáng)度較大RAFM鋼作結(jié)構(gòu)材料，而耐高溫SiCf/SiC復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)內(nèi)襯，增大冷卻劑出口溫度，提高核能發(fā)電、制氫的可行性和競爭性。
本發(fā)明的技術(shù)方案基于多層管道結(jié)構(gòu)獲得高溫?zé)崃黧w的方法，其特征在于在外層管道內(nèi)套設(shè)多個內(nèi)徑依次遞減的內(nèi)襯管道，在管道的一端，除外層管道外，從第一層內(nèi)襯管道起，每相間隔的內(nèi)襯管道的端部連接為一體，以外層管道與第一內(nèi)襯管道之間的流道作為流道入口；在管道另一端，從外層管道起，每相間隔的內(nèi)襯管道的端部連接為一體，保持最小內(nèi)襯管道中間的流道作為流道出口；低溫流體從流道入口進(jìn)入，通過接收核反應(yīng)堆中子輻射或者在流道內(nèi)設(shè)置發(fā)熱反應(yīng)或發(fā)熱裝置，使得流體在多層管道構(gòu)成的流道中流動，不斷加熱升溫，最后從流道出口流出高溫?zé)崃黧w。
所述的方法，其特征在于所述的外層管道與其內(nèi)套設(shè)的多個內(nèi)徑遞減的內(nèi)襯管道，其材料耐高溫程度依次提高。
所述的方法，其特征在于所述的外層管道內(nèi)套設(shè)的內(nèi)襯管道的管壁上留有開孔。
所述的方法，其特征在于所述的管道為2～6層。
所述的方法，其特征在于所述的外層管道材質(zhì)為壓力容器結(jié)構(gòu)材料，其中套設(shè)的內(nèi)襯管道為耐高溫材料，所述的流體為氣體或液體，管道及流體接收中子輻照或其他熱源，流體本身不斷升溫，流體在流道入口處的溫度為100-500℃，在流道出口處的溫度為500-1000℃。
發(fā)明的原理為了獲得高溫流體，通常的方法有接收核反應(yīng)堆中子輻射或在流道內(nèi)部發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)或在流道內(nèi)設(shè)置加熱裝置。對高溫流體而言，就要求管道結(jié)構(gòu)材料能夠耐高溫，且同時具有較大許用應(yīng)力來承受內(nèi)部流體壓力、流體沖刷和外部作用等各種力的影響。而通常材料的溫度升高，對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度下降，因此采用單管結(jié)構(gòu)無法滿足高溫流體對管壁材料的要求。利用壓力容器結(jié)構(gòu)材料作為管道結(jié)構(gòu)，在管道內(nèi)部增加內(nèi)襯管道。內(nèi)襯管道材料的選擇必須耐高溫且高溫下與流體兼容性較好，設(shè)置一層內(nèi)襯管道仍無法實(shí)現(xiàn)高溫流體，因?yàn)閮?nèi)襯內(nèi)部過高溫度的流體必然通過內(nèi)襯的傳導(dǎo)而影響外層管壁結(jié)構(gòu)，使外層管壁結(jié)構(gòu)溫度超標(biāo)而導(dǎo)致應(yīng)力下降，而選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的內(nèi)襯材料，可以減小熱量向管壁的傳導(dǎo)，但內(nèi)襯較低的導(dǎo)熱系數(shù)會導(dǎo)致內(nèi)襯產(chǎn)生較大的溫差，使得內(nèi)襯管道熱應(yīng)力增大，甚至嚴(yán)重變形。而設(shè)置多層內(nèi)襯管道，使流體逐步在每層內(nèi)襯管道之間連續(xù)流動，溫度逐漸遞增。內(nèi)襯管道內(nèi)外流體壓力均衡，內(nèi)襯應(yīng)力主要來自于溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，其他載荷應(yīng)力較小，由于每層內(nèi)襯內(nèi)外溫差不大，因此流道內(nèi)襯的應(yīng)力不是很大，滿足高溫時內(nèi)襯材料許用應(yīng)力較小的特點(diǎn)。最終在保證管道材料溫度較低應(yīng)力較大的前提下，得到溫度較高的熱流體。
本發(fā)明的效果本發(fā)明利用壓力容器結(jié)構(gòu)材料作為外層管道，采用各種不同耐高溫的材料作為內(nèi)襯管道，使流體逐步在每層內(nèi)襯之間連續(xù)流動，溫度逐漸遞增。在滿足管道材料和內(nèi)襯管道材料安全可行的前提下，得到溫度較高的熱流體。本發(fā)明所涉及的材料只需滿足或者在低溫下要求高應(yīng)力強(qiáng)度，或者要求耐高溫而應(yīng)力強(qiáng)度小，分散了對材料的高溫和高強(qiáng)度的同時要求，解決了用單管實(shí)現(xiàn)熱流體的不可行性。具體應(yīng)用在高溫反應(yīng)堆中采用耐高溫性不高而應(yīng)力強(qiáng)度較大的RAFM鋼作結(jié)構(gòu)材料，耐高溫而應(yīng)力強(qiáng)度較小的SiCf/SiC復(fù)合材料作內(nèi)襯材料，降低了高溫堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)難度，增大了冷卻劑出口溫度，提高了核能高溫發(fā)電、制氫的可行性和競爭性。



圖1本發(fā)明的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明的橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1、2，實(shí)際裝置的結(jié)構(gòu)形狀可以是方形、環(huán)形或者它們的近似形狀，流道內(nèi)襯數(shù)量據(jù)具體情況確定。
基于多層結(jié)構(gòu)獲得高溫?zé)崃黧w的方法，在管道1內(nèi)套設(shè)多個內(nèi)徑依次遞減的流道內(nèi)襯管道3、內(nèi)襯管道4、內(nèi)襯管道6到內(nèi)襯管道7，在管道1的一端，除外層管道1外，從內(nèi)襯管道3起，每相間隔的管道的端部連接為一體，以外層管道1與內(nèi)襯管道3之間的流道2作為流道入口9；在管道1另一端，從外層管道起，每相間隔的管道的端部連接為一體，保持最小管道7中間的流道8作為流道出口；低溫流體從流道入口2進(jìn)入，通過接收核反應(yīng)中子輻射或者其他熱源，使得流體在多個小管道構(gòu)成的流道中流動時，不斷加熱升溫，最后從流道出口流出高溫?zé)崃黧w。外層管道1與其內(nèi)套設(shè)的多個內(nèi)徑遞減的內(nèi)襯管道3、內(nèi)襯管道4、內(nèi)襯管道6到內(nèi)襯管道7，其材料耐高溫程度依次提高。外層管道1內(nèi)套設(shè)的各層內(nèi)襯管道的管壁上留有開孔，讓流體在其內(nèi)連續(xù)流動。所述的外層管道兩端與內(nèi)襯管道兩端口處設(shè)置有隔熱層5，其材料為耐高溫材料。所述的外層管道1材質(zhì)為壓力容器結(jié)構(gòu)材料，其中套設(shè)的各層內(nèi)襯管道為耐高溫材料，所述的流體為氣體或液體，管道及流體接收中子輻射或者其他熱源，流體流動時不斷升溫，流體在流道入口處的溫度為100-500℃，在流道出口處的溫度為500-1000℃。
最外層為流體管壁結(jié)構(gòu)，需要承受內(nèi)部流體壓力、流體沖刷和外部作用等各種力的影響，因此材料選擇必須滿足高應(yīng)力強(qiáng)度的壓力容器結(jié)構(gòu)材料，而溫度的承受能力只要比流體的輸入溫度稍高即可。
流道內(nèi)襯管道3為第一層流道內(nèi)襯管道，因其內(nèi)部的溫度高于管道1和內(nèi)襯管道3之間流體溫度，因此要求此內(nèi)襯材料比管道材料要耐高溫，考慮內(nèi)襯材料的傳熱，內(nèi)襯內(nèi)部流體的溫度會影響外層流體乃至結(jié)構(gòu)的溫度，因此內(nèi)襯內(nèi)外的溫差不應(yīng)太大。由于內(nèi)襯應(yīng)力主要來自于熱應(yīng)力，其他載荷應(yīng)力很小，因此流道內(nèi)襯的應(yīng)力不是很大。材料選擇可以只重點(diǎn)考慮比管壁材料更耐高溫即可。
流道內(nèi)襯管道4、內(nèi)襯管道6為第二、三層流道內(nèi)襯管道，由于其內(nèi)部溫度高于外層流體溫度，因此要求內(nèi)襯材料比外層內(nèi)襯更要耐高溫，同樣對應(yīng)力要求不需太大，保證內(nèi)襯內(nèi)外溫差很小，滿足內(nèi)襯的最大應(yīng)力在允許范圍內(nèi)。
流道內(nèi)襯管道7為最后一層流道內(nèi)襯，此內(nèi)襯內(nèi)部的流體溫度最高，因此要求此內(nèi)襯材料最耐高溫，如碳化硅、鎢合金等耐高溫材料，由于溫差不大，同樣對應(yīng)力要求不需太大。
下面是本發(fā)明在高溫核反應(yīng)堆上的具體的應(yīng)用例采用技術(shù)相對成熟、應(yīng)力強(qiáng)度較大、最大工作允許溫度只有550℃的RAFM鋼作為高溫核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料(相當(dāng)于外層管道)，冷卻劑鋰鉛LiPb(相當(dāng)于管道內(nèi)流體)在結(jié)構(gòu)內(nèi)流動，為了提高冷卻劑LiPb出口溫度，在LiPb流道中設(shè)置一層具有電絕緣和熱絕緣SiCf/SiC內(nèi)襯(相當(dāng)于內(nèi)襯管道)，電絕緣主要是減小液態(tài)金屬LiPb流動的MHD壓降，而熱絕緣主要是提高LiPb出口溫度。由于LiPb和SiCf/SiC的兼容溫度為1000℃左右，理論上冷卻劑LiPb出口溫度可以接近1000℃，但由于SiCf/SiC非完全絕熱，即使SiCf/SiC內(nèi)襯的傳熱系數(shù)低，流道內(nèi)部的高溫也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度高于RFAM鋼的最大允許溫度，而選用更低傳熱系數(shù)的SiCf/SiC內(nèi)襯，會導(dǎo)致內(nèi)襯內(nèi)外溫差太大，從而導(dǎo)致內(nèi)襯熱應(yīng)力增大，變形嚴(yán)重，這些因素都限制了內(nèi)襯中LiPb的溫度。進(jìn)一步在第一層SiCf/SiC內(nèi)襯內(nèi)再增加一層SiCf/SiC內(nèi)襯，使第一層內(nèi)襯的LiPb轉(zhuǎn)向流入第二層內(nèi)襯流道內(nèi)，第二層內(nèi)襯流道內(nèi)LiPb溫度可達(dá)到1000℃高溫，由于兩內(nèi)襯流道LiPb的溫度不高(介于550℃和1000℃之間)，兩層內(nèi)襯的內(nèi)外溫差小，不會造成結(jié)構(gòu)材料溫度超標(biāo)以及SiCf/SiC內(nèi)襯的熱應(yīng)力超標(biāo)和嚴(yán)重變形。
采用應(yīng)力強(qiáng)度較大、最大工作允許溫度只有550℃的RAFM鋼作為高溫堆結(jié)構(gòu)材料，在冷卻劑流道中增加兩層耐高溫的SiCf/SiC內(nèi)襯，第一層提高LiPb溫度高于550℃，第二層提高LiPb出口溫度達(dá)到LiPb和內(nèi)襯的兼容溫度1000℃左右，這種設(shè)計(jì)保證了反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料和兩層SiCf/SiC內(nèi)襯的最大溫度、最大應(yīng)力和變形都在工程允許之內(nèi)。由于RAFM鋼技術(shù)相對成熟，降低了高溫堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)難度，而冷卻劑出口溫度的增大，提高了核能高溫發(fā)電、制氫的可行性和競爭性。
權(quán)利要求
1.基于多層管道結(jié)構(gòu)獲得高溫?zé)崃黧w的方法，其特征在于在外層管道內(nèi)套設(shè)多個內(nèi)徑依次遞減的內(nèi)襯管道，在管道的一端，除外層管道外，從第一層內(nèi)襯管道起，每相間隔的內(nèi)襯管道的端部連接為一體，以外層管道與第一內(nèi)襯管道之間的流道作為流道入口；在管道另一端，從外層管道起，每相間隔的內(nèi)襯管道的端部連接為一體，保持最小內(nèi)襯管道中間的流道作為流道出口；低溫流體從流道入口進(jìn)入，通過接收核反應(yīng)堆中子輻射或者在流道內(nèi)設(shè)置發(fā)熱化學(xué)反應(yīng)或發(fā)熱裝置，使得流體在多層管道構(gòu)成的流道中流動，不斷加熱升溫，最后從流道出口流出高溫?zé)崃黧w。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所述的外層管道與其內(nèi)套設(shè)的多個內(nèi)徑遞減的內(nèi)襯管道，其材料耐高溫程度依次提高。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所述的外層管道內(nèi)套設(shè)的內(nèi)襯管道的管壁上留有開孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所述的管道為2～6層。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1至4之一所述的方法，其特征在于所述的外層管道材質(zhì)為壓力容器結(jié)構(gòu)材料，其中套設(shè)的內(nèi)襯管道為耐高溫材料，所述的流體為氣體或液體，管道及流體接收中子輻照或其他熱源，流體本身不斷升溫，流體在流道入口處的溫度為100-500℃，在流道出口處的溫度為500-1000℃。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種基于多層管道結(jié)構(gòu)獲得高溫?zé)崃黧w的方法，通過在流道內(nèi)增加多層流道內(nèi)襯，在保證管壁材料和每層內(nèi)襯材料的溫度、應(yīng)力以及變形都在允許的范圍內(nèi)提高流體的出口溫度。具體應(yīng)用在高溫反應(yīng)堆中采用耐高溫性不高而應(yīng)力強(qiáng)度較大的RAFM鋼作結(jié)構(gòu)材料，耐高溫性好而應(yīng)力強(qiáng)度較小的SiCf/SiC復(fù)合材料作內(nèi)襯材料，降低了高溫堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)難度，增加了冷卻劑出口溫度，提高了核能高溫發(fā)電、制氫的可行性和競爭性。
文檔編號G21C15/00GKCN1755183SQ200510039207
公開日2006年4月5日 申請日期2005年4月30日
發(fā)明者陳紅麗, 吳宜燦 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan