HTR-10氦气透平直接循环回热器的设计研究

回热器是10MW高温气冷堆氦气透平直接循环(HTR-10GT)发电的重要设备之一，它的主要功能是为了利用透平出口的高温氦气加热反应堆入口氦气温度，以保证反应堆入口的氦气温度满足设计值，提高氦气透平能量转换装置的效率，并保证系统在满功率以及启动和停堆的各种工况下稳定运行。本文介绍了回热器的主要参数、结构特点、热工水力分析以及强度分析。     

10MW高温气冷堆氦气透平循环的泄漏特性分析

为了分析高温气冷堆氦气透平循环中的气体泄漏对循环特性和循环部件的影响,通过理论推导建立了考虑泄漏情况的闭式布雷登循环的数学模型,并对不同泄漏模型进行了分析比较。分析表明,闭式布雷登循环的泄漏主要发生在高压压气机出口到透平入口处。而且,泄漏的发生改变了循环系统的质量流量和系统压力分布,使循环效率降低。以10MW高温气冷堆闭式氦气透平循环发电系统(HTR_10GT)为例,充装量调节时,实际泄漏模型下的泄漏量高于定泄漏系数模型,因此循环效率稍低于定泄漏系数模型。与不考虑泄漏时相比较,循环效率有2%左右幅度的降低;循环的总压比下降1%左右;而且压气机的压比和透平的膨胀比分别有0.5%和1%幅度的降低。     

回热器在高温气冷堆氦气透平循环中的应用

高温气冷堆相匹配的能量转换系统——氦气透平循环(布雷登循环)发电具有发电效率高、系统简单、安全可靠、经济性好等优点,是目前高温气冷堆领域的发展方向。影响布雷登循环效率的关键参数包括堆芯的进出口温度、压气机和透平的绝热效率、回热度、压比及循环系统的压力损失率。本文详细验证了回热器在高温气冷堆氦气轮机循环中的作用,并通过计算10MW高温气冷堆布雷登循环,分析这些参数对循环效率的影响。某于目前反应堆参数．给出了一组影响布雷登循环效率的参数值。     

高温气冷堆氦气透平循环热工特性的初步研究

模块式高温气冷堆氦气透平直接循环发电方案是建立在带有回热器、预冷器、间冷器的闭式布雷登循环的理论基础上，是集安全性、经济性为一体的先进方案，有着良好的发展前景。本文对高温堆氦气透平循环的热力过程进行了分析，揭示了各参九之间的关系。然后，对高温堆氦气透平循环进行了优化计算，得到了一个优化设计方案。另外，还对高温堆氦所透平循环的功率控制特性进行了简要分析。本文的研究结果显示高温堆氦气透平循环效率可达47．9％，将来随着材料科学和相关技术的发展循环效率有望进一步提高。     

板翅式回热器在高温气冷堆中的应用特性

根据布雷登循环的特点,选择板翅式回热器应用于高温气冷堆氦气直接透平循环的设计,以清华大学核研院设计的10万千瓦级高温气冷堆示范电站为例,在回热度一定的情况下,分析了回热器的迎风面积变化对换热面积、传热系数、压降以及循环效率的影响.并在一定的迎风面积下,进一步分析了回热度的变化对回热器及循环效率的影响.根据关键参数(迎风面积、压降、回热度、循环效率)之间的相互作用,研究了体积和压降对板翅式回热器设计的约束.研究结果表明,体积紧凑和降低压降这两个主要的约束条件是相互矛盾的.     

10MW高温堆气体透平方案初探

讨论了10MW高温气冷实验堆（HTR－10）气体透平总体方案设计中应考虑的主要因素。根据HTR－10及一期工程的特点,介绍了HTR－10可能的气体透平方案,初步探讨了直接循环和间接循环的特点。对一种可能的间接循环方案进行了总体设计方案的初步研究。该方案能够比较全面地研究氦气透平的特性,同时与HTR－10一期工程较容易衔接。     

高温气冷堆能量转换气轮机基本特性的研究

高温气冷堆气轮机循环被认为是将来核能发电领域中最有潜力的方案之一。本文试图将高温堆气轮机循环中各种循环方案总结归纳为几种典型的循环,再将这几种典型循环从理论上抽象为氦气、氮气和空气布雷登循环并进行优化。然后针对这三种循环中的气轮机从热力学和气体动力学角度进行广泛的研究,得出氦气、氮气和空气气轮机的基本特性。     

实用氦气声学温度计初步研究

对高温气冷堆堆芯温度的可靠测量是目前的技术难题之一。传统温度计依靠实验室标定的材料特性与温度的关系进行测温,然而,长期暴露在高温、高辐照环境中,其测温材料的性质会发生改变且得不到及时校准,温度传感器易发生漂移甚至失效。气体声学温度计通过测量单原子气体的声速可以直接获得热力学温度;由于气冷堆内氦气介质相对稳定,利用氦气声速获得温度具有较高的可靠性。针对实用氦气声学温度计开展了初步研究,基于圆柱声学共鸣法设计了实用声学温度计测试系统,采用声波导管声学传感器测量了488K至806K圆柱共鸣腔内氦气的声学共振频率,修正了热边界层和粘性边界层的影响;基于量子力学从头算得到的氦气声学维里状态方程,获得了热力学温度。对氦气共振频率的测量相对标准偏差小于0.07%,温度测量的信噪比可满足需求,声学温度计与热电偶测温结果差异小于1%。研究结果为未来持续开展极端环境下气体声学温度计的应用研究提供了支持。     

中国先进研究堆备用柴油发电机组的抗震动力学分析

对10MW高温气冷堆(HTR-10)和中国先进研究堆(CARR)的SSE地震地表谱进行了比较,采用分析法与HTR-10备用柴油发电机组的抗震试验数据相结合的方法,对中国先进研究堆(CARR)的备用柴油发电机组进行了抗震动力学分析。由于两个堆所采用的备用柴油发电机组型号相同,HTR-10备用柴油发电机组的振动试验谱在局部不能包络CARR堆的地表谱,同时试验表明该柴油机组的非线性动力学特性较弱,因此首先建立了该柴油发电机组的复杂的有限元分析模型,通过对比模态分析的结果和试验的结果,保证了该模型的准确性,然后按照核安全规范要求,在该模型上施加CARR堆的地表谱,进行反应谱法抗震分析。这是国内首次独立用分析法完成的对这类设备的抗震检验,并得到了核安全部门的认可。同抗震试验法相比,本方法不但能够有效地验证CARR堆柴油发电机组的抗震性能,而且可以大大缩短工程进度、提高工程经济性。     

10MW高温气冷实验堆满功率下的动态特性研究

根据高温气冷实验堆HTR-10的运行特点和控制要求,利用清华大学核能与新能源技术研究院开发的用于仿真计算的系统——10MW HTR-10仿真控制支持系统,进行了HTR-10满功率下动态特性的仿真研究,研究了HTR-10满功率时在外加反应性、氦流量、给水流量变化下的动态特性规律,并将得出的系统动态响应的仿真结果与反应堆在3MW低功率运行时的试验结果作了比较,发现动态特性变化规律一致。验证了仿真控制支持系统的准确性,同时获得了HTR-10满功率下的主要动态特性：由于HTR-10具有很大的负温度反馈系数,只用控制棒很难调节堆功率;而氦流量的变化对堆功率影响很敏感,二者几乎成线性变化,适于负荷变化的功率调节;给水流量的变化对核功率和热氦温度等一回路的参数影响不大,但对蒸汽温度等二回路参数影响显著,适合于蒸汽温度的调节。     

用于KM6载人航天器空间环境模拟器氦制冷机的系统设计

描述了用于KM6载人航天器空间环境模拟器氦制冷机的系统设计。介绍了制冷循环和纯化方法的选择、系统参数的确定、制冷循环流程图和系统的主要特点。制冷机采用并联的气体润滑透平膨胀机，其设计制冷量为600W(20K)。采用了液氮预冷的布雷顿循环和低温吸附内纯化器。     

周期性冲击对大型超导核聚变低温系统氦透平膨胀机影响研究

超导核聚变装置磁体会因"交流损耗"而产生大量的热,迫使磁体内通道压力升高,导致与之直接相连的氦透平膨胀机的运行稳定性与运行效率受到严重影响,从而影响超导核聚变实验。详细分析超导核聚变装置用低温氦透平膨胀机受周期性冲击的机理与不可回避性,并用提高氦透平膨胀机本身性能、改善制动调节与氦透平膨胀机出口压力调节的反馈控制思想,得出一些提高氦透平膨胀机稳定性、降低冲击的方法。高效气体轴承与优化的转子结构可以有效提高氦透平膨胀机本身的抗干扰能力;快速响应制动功率,使之与负载匹配,可有效改善外界干扰程度;氦透平膨胀机出口压力快速调节,可降低氦透平膨胀机进出口参数,降低影响。     

2 kW/4 K氦制冷机制冷循环的优化计算

HT- 7U超导托卡马克的纵场磁体和极向场磁体均采用 3.8K超临界氦迫流冷却。其低温系统氦制冷机在 4K温区的基本设计容量为 10 5 0 W/3.5 K 2 0 0 W/4 .4K 13g/s· L He。给出了氦制冷机的基本流程 ,对其制冷循环进行了热力学分析 ,得到了影响制冷循环的关键独立参数。并以 2台串联透平膨胀机的排气温度为独立变量对氦制冷循环进行了优化 ,得到了氦制冷循环设计的最优参数值及它们对所需压缩机流量的影响     

氦制冷机和液化器中的纯化系统

主要介绍了氦制冷机和氦液化器中应用的几种典型的氦纯化器的工作原理，主要工作程序和优缺点，并介绍了讨论了几种氦纯化器的设计方案，吸附量和计算以及可用于氦纯化器的工程设计。     

空调两器检漏设备氦气回收纯化装置的试验研究

本文试验研究了一种针对空调两器检漏设备的氦气回收纯化装置,研究结果表明,该装置可以有效地将空调两器检漏设备内氦气纯度维持在80%以上,该工艺的氦气使用量约为6.7m^3/天,远小于未使用该工艺时系统因纯度低而排放的氦气量(约128m^3/天),考虑到企业实际使用该装置的经济性要求,提出了该装置后续工艺优化的方向。     

Controversial helium drops

The nature of drops of liquid ⁴He II has almost never been considered, though the shape of the drops is apparently the same as those of Newtonian liquids. The question of whether or not the drops are still superfluid when dropping from a solid superleak, which is an entropy filter and has only been filled by the superfluid component, is discussed. A simple experiment to determine the nature of the drops is suggested.     

Exergy analysis of helium liquefaction systems based on modified Claude cycle with two-expanders

Large-scale helium liquefaction systems, being energy-intensive, demand judicious selection of process parameters. An effective tool for design and analysis of thermodynamic cycles for these systems is exergy analysis, which is used to study the behavior of a helium liquefaction system based on modified Claude cycle. Parametric evaluation using process simulator Aspen HYSYS® helps to identify the effects of cycle pressure ratio and expander flow fraction on the exergetic efficiency of the liquefaction cycle. The study computes the distribution of losses at different refrigeration stages of the cycle and helps in selecting optimum cycle pressures, operating temperature levels of expanders and mass flow rates through them. Results from the analysis may help evolving guidelines for designing appropriate thermodynamic cycles for practical helium liquefaction systems.     

零蒸发率MRI用闭式循环制冷机及其插入式接口

介绍了用于对现有的核磁共振成象仪进行零蒸发率改造的插入式闭式循环制冷机的设计思路，制冷机流程参数最佳化计算步骤及计算结果。讨论了氦气传输管对于流程参数的影响及补偿措施。文章对于制冷机主机的结构作了专门设计，采用了上下法兰密封结构与柔性传输杜瓦管，将更有利于制冷机的安装与维修。     

氦制冷机节流级的最佳工作点

在氦制冷机/液化器中,最末级的冷却一般采用节流方式.节流级的各参数的选择必然会影响氦制冷机的制冷量或氦液化率.讨论了节流级节流前压力、末级换热器的热端温度及其效率对制冷量或液化率的影响,得出了不同模式下的节流级的最佳工作点.     

Calibration of saturated liquid helium weir flowmeter at Fermilab

The flow of saturated liquid helium at 4.2 K was studied in a unique weir flowmeter mounted inside a duct. The objective was to develop a calibration for helium flow rate in the weir, and thereby, making it a viable flowmeter. The weir flowmeter was tested in a liquid helium system at Fermi National Laboratory used for cooling the superconducting magnets in the experimental areas of the site. Unlike for open channel weir devices, the calibration of this flowmeter was influenced by both the liquid flow through the weir notch and the vapor flow over it. The results of this study and the calibration are presented taking into account effects of both liquid and vapor.