鋰?yán)淇臻g堆氣液分離器選型初探

李來冬，李 清，葛思淼

（中國原子能科學(xué)研究院，北京102413）

鋰?yán)淇臻g堆是大功率空間核反應(yīng)堆的主要堆型，采用鋰作為冷卻劑。鋰?yán)淇臻g堆存在產(chǎn)氦的問題，產(chǎn)生的氦會(huì)對(duì)鋰回路傳熱不利，需在鋰回路設(shè)計(jì)氣液分離器除氦[1]。設(shè)計(jì)氣液分離器需要選擇合適的參考模型。氣液分離器種類繁多，按分離過程分為機(jī)械分離和傳質(zhì)分離；按有無運(yùn)動(dòng)件分為能動(dòng)式和非能動(dòng)式[2]。本文通過考慮鋰?yán)淇臻g堆的技術(shù)要求，如微重力、耐高溫、可靠性高、重量輕、能耗低等，分析氣液分離原理、典型氣液分離器特點(diǎn)，選擇鋰?yán)淇臻g堆氣液分離器研究設(shè)計(jì)的參考模型。

1 參考?xì)庖悍蛛x原理選型

微重力是影響選型的重要因素，離心分離、慣性分離、過濾分離、吸附均不受重力影響，可選擇這些原理的分離器為參考模型[3-5]。離心分離是使流體形成旋流，產(chǎn)生離心力場(chǎng)使氣體向中心聚集，液體環(huán)繞在氣體外側(cè)，實(shí)現(xiàn)分離。慣性分離是通過改變流道方向，利用液體和氣體的慣性不同，液體慣性大仍以原方向運(yùn)動(dòng)，氣體慣性小易改變方向按后來的方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分離。過濾分離是流體經(jīng)過毛細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，液體可通過，氣體被毛細(xì)結(jié)構(gòu)處的表面張力阻止，實(shí)現(xiàn)分離。吸附是指物質(zhì)表面吸住周圍介質(zhì)中的分子或離子的現(xiàn)象。

可靠性、能耗、振動(dòng)、重量、分離效率等是選型需考慮的重要因素，能動(dòng)式和非能動(dòng)式的分離器涉及到這些方面。能動(dòng)式的一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不能連續(xù)在線工作，需人工干預(yù)；非能動(dòng)式的除分離效率較低外，能連續(xù)在線工作，不需人工干預(yù)，其它方面如重量、能耗、振動(dòng)、可靠性等有優(yōu)勢(shì)，況且非能動(dòng)式的可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到高的分離效率[3-6]。所以，鋰?yán)淇臻g堆氣液分離器的研究設(shè)計(jì)，適合選擇非能動(dòng)式的氣液合離器作參考模型。

2 參考已有方案選型

通過調(diào)研氣液分離器國內(nèi)外研究狀況，選擇與第1節(jié)分析結(jié)果相符的氣液分離器方案作為研究對(duì)象。它們均采用了離心分離、慣性分離、過濾分離、吸附中的一種或幾種，并且都是非能動(dòng)的。

2.1 切向入口旋流器

圖1是由美國德州農(nóng)工大學(xué)Cable等設(shè)計(jì)的旋流器，可用于空間核電源，如鋰?yán)淇臻g堆除氦、微重力朗肯循環(huán)等。工作時(shí)，流體經(jīng)切向入口射入圓筒形成旋流，氣體向中心聚集由排氣口排出，液體在氣體外側(cè)經(jīng)出口流出[6]。雖然，文獻(xiàn)稱該分離器適于鋰?yán)淇臻g堆除氦，但它需要排氣，易攜帶液體，可靠性低，所以不選其作參考模型。

圖1 切向入口式旋流器示意圖[6]

2.2 軸流導(dǎo)葉旋流器

圖2是由橡樹嶺人員研發(fā)的分離器，用于分離熔鹽堆燃料中的氙等裂變氣體。工作時(shí)，流體由分離器前端入口進(jìn)入，在攪渾葉輪作用下形成旋流使氣泡向筒中軸運(yùn)動(dòng)，聚合成氣芯進(jìn)入恢復(fù)葉輪軸中孔經(jīng)出氣管排出；氣芯周圍的液體經(jīng)恢復(fù)葉輪作用流出分離器[7-9]。

圖2 軸流導(dǎo)葉式旋流器示意圖[7]

它工作時(shí)也需將氣體排出，所以不選其作參考模型。但可以借鑒橡樹嶺人員研究時(shí)先開展水回路試驗(yàn)的方法，即鋰?yán)淇臻g堆分離器研究也可先以水和空氣代替鋰和氦氣，開展水回路試驗(yàn)。雖然這與實(shí)際工況差別較大，但可以通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，選擇合適的湍流模型、求解方法，總結(jié)變化規(guī)律，指導(dǎo)分離器設(shè)計(jì)。

2.3 慣性分離器

慣性分離器有折流板式和迷宮式，如圖3、圖4利用擋板改變通道方向，形成多拐角彎曲通道，氣液混合流（氣相中存在液滴）進(jìn)入分離器，過擋板時(shí)氣體易改變運(yùn)動(dòng)方向，液滴不易改變方向而撞到擋板被收集[10-11]。這兩種分離器適合氣體為主相、液體為次相的氣液分離，鋰?yán)淇臻g堆除氦是液體為主相、氣體為次相，所以不選其作參考模型。

圖3 水平式和垂直式折流板分離器示意圖[10]

圖4 迷宮式分離器示意圖[11]

2.4 過濾分離器

過濾分離器的關(guān)鍵構(gòu)件是毛細(xì)結(jié)構(gòu)，常用的毛細(xì)結(jié)構(gòu)有篩網(wǎng)、毛細(xì)管等，篩網(wǎng)可制成篩管形狀，如圖5。流體經(jīng)子彈頭導(dǎo)流，進(jìn)入篩管與外筒體之間的區(qū)域，液體可通過篩管由出口排出，氣泡被阻擋在篩管外，聚合形成大氣泡覆蓋到設(shè)定位置時(shí)，被超聲傳感器感應(yīng)，觸發(fā)閥門排氣[12]。該分離器排氣采用了閥門、傳感器等元件，可靠性較低，不適合鋰?yán)淇臻g堆除氦，所以不選其作參考模型。

2.5 Rockwell氣液分離器

Rockwell的人員設(shè)計(jì)了適于鋰?yán)淇臻g堆除氦的分離器，如圖6。它由左右兩個(gè)圓柱形容器組成，左為切向入口旋流器，被除氣網(wǎng)分成氣體區(qū)域和鋰區(qū)域；右為儲(chǔ)氣器，被毛細(xì)管分成氣體區(qū)域和鋰區(qū)域。工作時(shí)，流體從切向入口進(jìn)入，液體可通過除氣網(wǎng)，經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)入右邊的鋰區(qū)域，然后通過出口回到鋰回路；而氣體被除氣網(wǎng)處的表面張力阻止，向上經(jīng)迷宮式的慣性分離結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步除去夾雜的液滴，最后通過導(dǎo)管進(jìn)入右邊的氣體區(qū)域[13]。該分離器的特點(diǎn)是采用離心分離、慣性分離、過濾分離結(jié)合的分離方式，具有氣液分離和儲(chǔ)氣功能。由于不清楚它的結(jié)構(gòu)尺寸、工作原理，所以不選其作為參考模型。

圖5 氣體捕集器示意圖[12]

圖6 Rockwell氣液分離器示意圖[13]

2.6 SP100氣液分離器

SP100是美國NASA研究的鋰?yán)淇臻g核反應(yīng)堆電源。Choe等[14]人設(shè)計(jì)了用于SP100除氦的分離器，如圖7。分離器呈紡錘形，工作初期鋰回路內(nèi)氦含量低，主要通過吸附使氦擴(kuò)散到儲(chǔ)氣網(wǎng)內(nèi)的氬氣泡；鋰中的氦飽和形成氣泡后，要靠過濾網(wǎng)將尺寸≥200μm的氣泡過濾掉，同時(shí)流體在導(dǎo)葉作用下形成旋流，使氣泡向儲(chǔ)氣網(wǎng)內(nèi)部聚集，并通過表面張力將氦封存在儲(chǔ)氣網(wǎng)內(nèi)，鋰在離心力作用下通過過濾網(wǎng)，經(jīng)恢復(fù)導(dǎo)葉矯直流作用流出分離器[14]。

該分離器特點(diǎn)是采用吸附、過濾分離、離心分離結(jié)合的分離方式，具有氣液分離和儲(chǔ)氣的功能。因?yàn)槲墨I(xiàn)描述它的結(jié)構(gòu)尺寸、工作原理等較詳細(xì)，所以可選其作參考模型。還可參考其加工材料鈮合金（PWC-11），屬于難熔金屬合金，其他難熔金屬合金如鉬合金、鉭合金、鎢合金，都耐高溫，但還需要開展工藝研究，如實(shí)際工況下鋰對(duì)難熔金屬合金的浸潤性研究以及鋰與難熔金屬合金的相容性研究。

2.7 俄羅斯的放射性氦分離器

科羅廖夫能源火箭航天集團(tuán)的人員設(shè)計(jì)了用于鋰?yán)淇臻g堆的氣液分離器。如圖8所示，氣體過濾器6是毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，使超過其毛細(xì)管尺寸的氣泡留在分離器中。毛細(xì)管組件8為體積補(bǔ)償器用于補(bǔ)償鋰的體積變化，8的每個(gè)毛細(xì)管都通過孔9彼此連通，并通過9與毛細(xì)結(jié)構(gòu)4連通。氣腔7和8內(nèi)未填充鋰的部分為氬氣。啟動(dòng)時(shí)，整個(gè)回路（包括分離器）的鋰熔化，溫度升高，體積增加，膨脹后通過4經(jīng)9進(jìn)入8。運(yùn)行時(shí)，含氦的鋰經(jīng)入口2進(jìn)入，被毛細(xì)管密封件5阻止進(jìn)入7和8，由4引導(dǎo)至6經(jīng)出口3流出。氦在鋰中的擴(kuò)散長度很小，鋰釋放氦的時(shí)間常數(shù)也很?。s0.3s），所以分離器需足夠長（約2m），使鋰在4中停留時(shí)間長于此時(shí)間，鋰中的氦可被7和8內(nèi)的氬氣充分吸附[15]。

該分離器特點(diǎn)是采用了吸附、過濾分離結(jié)合的分離方式，具有氣液分離、氣體儲(chǔ)存、體積補(bǔ)償功能。研究人員還開展了相關(guān)的鋰回路（973~1073K）試驗(yàn)研究，但由于不清楚它的結(jié)構(gòu)尺寸、工作原理，所以不選其作參考模型。

3 結(jié)束語

（1）鋰?yán)淇臻g堆氣液分離器的研究設(shè)計(jì)，可選擇SP100氣液分離器作為設(shè)計(jì)參考模型。

（2）以SP100氣液分離器為參考模型，對(duì)分離器進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，可先開展水回路模擬試驗(yàn)，作為前期的研究方法。

（3）以SP100氣液分離器為參考模型，對(duì)分離器進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，其主體材料可采用耐高溫的難熔金屬合金。

圖7 SP100氣液分離器示意圖[14]

圖8 放射性氦分離器示意圖[15]