液态铅铋实验回路KYLIN-Ⅱ 热平衡理论分析研究
王苏豪，黄善清²，高胜”，姜志忠”，黄群英1，FDS团队
（1.中国科学技术大学，安徽合肥230027：2.中国科学院核能安全技术研究所，安合肥230031）
摘要：铅警合金共品体（PbBi）是加速器驱动次档界系统（ADS）的重要靶材料和冷却剂候选材料，也是先进快中子堆的重要冷却别材料，液态铅能实验回路是开展液态铅重金属研究的必备实验平台，本文收人与热支出平衡，关键部件的设计能够满足回路的加热与冷部需求，可以保证回路的稳定运行，
介绍了FDS团队正在设计建通的KYLIN-I铅液态金属材料实验目路的整体结构及关健部件，对三 种运行工况下主回路的热收支情况进行了计算与分析.计算表明，在这三种工况范围内，整个回路的热
关键司：液态重金属回路：铅液态金属：加速器驱动的次临界系统；热平衡
中国分类号：TL331 文章标志码：A 文章编号：0258-0918（2013)04-0409-05
AnalysisonHeatBalanceforLiquid Lead-Bismuth Experimental LoopKYLIN-I
WANG Su-hao* HUANG Shan-qing² GAO Sheng” JIANG Zhi-zhong² HUANG Qun-ying' FDS Team
(1. University of Science and Technology of China Hefei Anhui 230027 Chinas2. Institute of Nuler Energy Safety Tehnology . Chinese Academy of Sciemes Hefe Anhui 230031 China)
Abstract:Lead bismuth eutectic (PbBi) has been proposed as the candidatespallationtarget and coolant material for accelerator driven sub-critical systems (ADS)as well ascoolant material for fast neutron reactor the liquid PbBi loop is the necessarythe structure and main ponents in LBE metal lop KYLIN-I which is constructed experimental platform for the study of PbBi related technologies. This paper introducesby FDS Team Heat balance of three operating conditionsis calculated and analyzed. Inthe range of the three operating conditions the results indicate that the input and output
energy is balanced the design of main ponentsis feasible and the loop could operate stable
Key words; heavy metal loop; leed-bismuth eutectic; accelerator driven sub-criticalsystem: heat balance
Driven Sub-critical System）是目前国际公认的KYLIN-IⅡI材料回路设计上限湿度为80OC，可有效解决日益严重的核废料间题的有效途径最低温度为350℃，实验段最高流速为6m/s，之一（，铅合金共品体由于具有良好的中子主回路最高流量为7.16kg/s.学性能、抗辐照性能、传热性能和安全性能，是 ADS的首选靶材料和冷却剂.液态铅回路是研究铅疑合金在应用过程中面临的一些技术难题所必备的实验平台（14).目前，国际上已经建成并成功运行了一系列的大中型铅整液态 金属回路，如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的DELTA回路，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的CORRIDA回路，瑞典皇家工学院（KTH）的TALL国路等.目前国 内成功运行的铅回路是FDS团队于2010年建成的首座热对流铅够回路KYLIN-1
FDS团队成功设计和研发了DRAGON系列液态锂铅实验回路，积累了液态重金属领城的设计与加工经验，并且正在积极开展液态铅 郁回路KYLIN的研制工作，目前团队已经完成了KYLIN-I的研制，并开展了一系列的材料腐蚀实验研究，为了进一步对中国船基合金冷却反应堆CLEAR工况下的有关参数进行预研 与验证，正在开展中型强迫对流多功能铅实验回路KYLIN-ⅡI的研制工作，预计于2013年完成回路的工程建造与初步调试*.
非恒温多功能回路设计的目的是能够在同对应的温度不同，因此加热与冷却装置是该类 一条回路中同时开展多项实验，每条实验段所型回路所必不可少的.对回路中加热与冷却系统的热分析有助于完善总体以及各子部件的设计，保证回路能够稳定运行.
1KYLIN-ⅡI材料回路的主要特 性及结构
工况条件下，液态铅与堆结构材料的高温腐 该回路的主要功能是开展CLEAR铅雅蚀以及应力腐蚀实验：同时开展铅液态金属
加速器驱动次临界系统ADS（Accelerator的纯化以及气相与固相氧测控的实验研究.
KYLIN-II材料回路的主体结构呈8字形（如图1所示），分为高温段和低温段.主加热器安装在高温段起始，即回流换热器冷管段的出口，以提升液态铅链温度至高温腐蚀实验段所需的温度，即主回路最高温度：主冷却器安装 在低湿段起始，即回流换热器热管段的出口，以冷却液态铅懿温度至冷阱以及电磁系稳定运行所需的温度，一般保持在350℃.
图1KYLIN-ⅡI主国路原理图Fig. 1 Primary cireuit of KYLIN-II1一主冷却器：2-电磁乘：3-国该换热器：4-主加热券；5-腐蚀试验段；6-氧控箱
括数据采集与总控系统、流体驱动系统、加热保 KYLIN-Ⅱ材料回路分为七个子系统，包温与冷却系统、流体测控系统、腐蚀实验系统、氧测控实验系统.整个回路的关键部件包括电磁泵、主冷却器、回流换热器、主加热器、氧控箱、阀门、流量计等.
电磁系-KYLIN-I材料回路选用的是圆柱形电磁泵，卧式，额定压力为0.75MPa
主冷却器-铅警-油同心套管式换热器，设计要求最大冷却功率为100kW；
回流换热器一一冷却高温段铅秘的同时提升低温段铅懿的温度，减少能量的浪费，回流换热器的结构与冷却器大致相同.设计要求换热功率大于100kW；
热容量流率C中较小的一个(J/s-K).
主加热器---选用工业上成熟的电阻辐射口的铅秘湿度，加热炉的设计功率为75kW. 炉，通过调节炉内加热丝的功率来调节加热器出
对于同心管逆流换热器：
2回路的热平衡分析
2.1热平街分析的目的及必要性
(3)
KYLIN-IⅡI材料回路由于高温段与低温段之间温差较大，回路中部件较多，因此需要对整个回路的热平衡进行分析，以确保在不同铅流量及温度下，关键部件的设计能够满足回路的长期稳定运行需求.
式中：NTU传热单元数；
e有效度；
C-热流体容量流率C与冷流体中热容量流率C较大的-个J/sK）.
(4)
2.2热收支分析
式中：Q---换热器总传热量（J）;
KYLIN-I材料回路的热收人项主要包括：主加热器，电磁泵以及伴热系统，主加热器输人热量主要与回流换热器的冷管段的出口温 度，主回路的腐蚀实验段温度以及铅流量有关：电磁泵输人热量则与其驱动压头有关：伴热系统输人热量则与回路中各段温度分布有关，
T-热流体进口温度（℃）；
T冷流体进口温度（C）.
由于回流换热器中冷热流体均为铅，且质量流量相等，因此C=C，C -1.联立求解式（2）、式（3）、式（4），回流换热器的总传热 量为：
KYLIN-II材料国路的热支出项主要包括：主冷却器与管道散失的热量，主冷却器输 出热量主要与回流换热器热管段的出口温度以及主国路中的液态铅懿流量有关；管道散失的热量将主要与回路中各段的温度分布有关.
(5)
根据式（5），当流量恒定，高温腐蚀实验段温度T..升高时，回流换热器的平均湿差增大， 总传热量升高.而当腐蚀实验段湿度恒定，流量增大时，电磁泵功率也会相应增大.目前，电磁泵输入回路中的热量只能根据其运行功率估算.这里假设电磁泵出口温度T不变，则换热器平均温差不变，总传热量随流量增大面 增大.
主回路流量以及腐蚀实验段温度的变化会引起 回流换热器本身的热收支是平衡的，但是回流换热器两端铅进口温度的变化，从面影响整个回路的温度分布，
2.3热平衡计算
主要计算公式如下：
联立求解式（1）、式（4），加热器的加热功率：
(1)
式中：Q-每秒输人回路中的热量J；
-液态铅合金的定压比热容， m-回路中液态铅链的质量流量，kg/s；J/kg K;
(6)
冷却器的冷却功率：
T.--部件出口液态铅温度，C；
T--部件进口液态铅温度，℃.
(7)
(2)
式中：NTU-传热单元数.
式中：T=350℃
U--换热器总传热系数（W/m²K）.
根据式（6）、式（7），当流量恒定，腐蚀实验增加.面当腐蚀实验段温度恒定，流量升高时， 段温度T升高时，加热器与冷却器的功率均
A-换热器总传热面积（m²）.
C热流体热容量流率C与冷流体
同样假设T不变，则加热器及冷却器的功率 均升高.
量为4.77kg/s 工况1：腐蚀实验段温度500℃，主回路流
分别对以下三种工况下回流换热器的温度分布及主回路的热平衡进行计算，通过衡量热收入与热支出的相对差额来判断回路的热收支 是否平衡：
工况2：腐蚀实验段温度550℃，主回路流量为4.77kg/s;
量为7.16kg/s； 工况3：商蚀实验段湿度550℃，主回路流
表1腐蚀实验段温度不同时园流换热器湿度分布（流量4.77kg/s）Table 1 Effects of diffrent temperatares in the corrosion test section on the distributien oftemperature ln the recwperator (the flow rate of main loop is 4. 77 kg/s)
滨速实验股 流换热器热管段 国流换热器冷管设 回流换热器 总传热量/（k]/s）温度/ 08# 进口湿度/℃ 480 出口调度/℃ 404 进口度/℃ 371 出口基度/C t46 总平均阻/ 75 51.61550 559 420 371 86 130 87.72
表2主回路流量不同时国流换热器温度分布（腐蚀买验段温度550C）Table 2Effects of different flow rates In the main loop to the distribstion of temperature in therecuperator (the temperature ef the corrosien test sectien is 55e C )
主国路 回说换热器热管段 回流换热器冷管设 回流换热器 总传热量/（kJ/s)流量/（kg/s) 4.77 进口湿度/C 550 出口温度/℃ 420 进口退度/℃ 371 出口驱度/℃ 498 总平均湿差/C 130 87.727.16 550 440 381 490 110 107.32
Table 3 Effects of differeat temperatures In the corroslon test section on heat balance 表3腐蚀实验段不同温度时热平衡计算结果（流量4.77kg/s）(the flow rate of the main loop is 4 77 kg/s)
腐蚀实验段 热输人项热量/（kj/s） 热支出项热量/（kj/x） 相对追度/C 480 主加热器 23.08 电磁系 14.71 作热系统 8.5 总热量 46.29 主冷却器 36.91 道教热 8.57 总药量 45.48 1. 7%550 35.05 14.71 9 58. 76 48 18 9.33 57.51 2.1%
Table 4Effets of different flow rates in the main loop on heat balance 表4主回路不同流量时热平衡计算结果（腐蚀实验段湿度550℃）[the temperatre ef corroion test is 550 C)
热输人项热量/（kJ/s） 热支出项热量/（kJ/s） 相对主国路流量 主加热楼 电磁系 伴热系线 总热量 主冷却器 管道散热 总热量 差额4. 77 kg/s 35 05 14.71 9 58.76 48.18 9.33 57 51 2.1%7. 16 kg/s 主回路流量 60 57 32.73 9 102.3 92.8 9.53 102 13 0.2%
大，与理论公式推导所得结果一致.
2.4讨论
1）根据表1，当流量不变，腐蚀实验段温度增加时，回流换热器换热湿差、总传热量均增
增加时，换热湿差减小，总传热量增大.该结果 2）根据表2，当腐蚀实验段温度不变，流量
图2热收人分布情况
Fig. 2 Distribution of input hest
图3热支出分布情况Fig. 3 Distribution of output hest
与理论推导不符，产生的主要原因是当流量增大时，电磁系功率升高，造成回流换热器冷管段人口温度升高，平均温差下降.因此，电磁泵在 不同流量下对回路输人的热量还需要做更多的实验分析，
3）根据表3，流量不变的情况下，腐蚀实验段温度增加，系统中加热器以及冷却器的功率 增大.该结果与理论推导相符.
4）根据表4，腐蚀实验段温度不变的情况下，主回路流量增大，系统中加热器以及冷却器的功率增大，该结果与理论推导相符，说明假设合理.
5）根据图1，在热收人项中，加热器所占比例最大：并且随着腐蚀实验段湿度增加，加热器所占的比例增加，电磁泵及伴热系统所占比例减小：而随着主回路流量增加，加热器所占比例 变化不大，电磁泵所占比例增加，伴热系统所占比例减小.
6）在热支出项中，冷却器所占比例最大；并且，随着主回路流量或者腐蚀实验段温度的 增加，冷却器所占的比例均增加，相应地，回路
中管道散失的热量减少.
3结论
致谢
参考文献：
（下转第428页）
本文对KYLIN-I回路的热平衡进行了分析，得出了流量变化以及腐蚀实验段湿度变化对回路温度分布、几大部件功率影响的关系式. 并对三种工况下，KYLIN-Ⅱ材料国路中回流换热器的温度分布及主回路的热平衡进行了计算与分析，校核了理论关系式，得出如下结论：
1）当流量不变，腐蚀实验段温度增加时，均增大， 回流换热器换热温差、加热器以及冷却器功率
2）三种工况下，回路的热收人与热支出的相对差额均小于3%，因此可以认为回路的热运行. 收支平衡，回路能够在这三种工况范围内稳定
3）主加热器、主冷却器以及回流换热器的设计能够满足三种不同工况下的加热、冷却、回收热量的需求，回路的关键部件在这三种工况 范围内设计合理.
本文所得出的关系式及分析方法将用于类似的非恒温回路系统的设计、分析与优化.
本工作得到国家自然科学基金重点项目“加速器驱动次临界堆瞬态安全过程与影响机理研究”项目（）、国家自然科学基金（青年基金）项目“液态锂铅对聚变锂铅包层用 涂层腐蚀机理研究”（）及中国科学院战略性先导科技专项"ADS变系统”项目（XDA03040000）的资助，并获得了FDS团队多位老师和同学的指导帮助，在此向他们表示衷心的感霜.
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