Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем и устройство для его реализации (варианты)

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано в энергетических установках с жидкометаллическими свинецсодержащими теплоносителями. Способ включает следующие операции. Теплоноситель прокачивают через циркуляционный контур. Твердофазное средство окисления вводят в теплоноситель и растворяют в нем. Концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода поддерживают на уровне не ниже предельно допустимого значения, определяемого по формуле, включающей концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода, максимальную температуру теплоносителя в контуре, концентрацию кислорода, коэффициент термодинамической активации свинца в теплоносителе и концентрацию свинца в нем. Твердофазное средство окисления удерживают в проницаемой для теплоносителя реакционной емкости и прокачивают теплоноситель через нее. При этом концентрацию кислорода измеряют датчиком концентрации кислорода и поддерживают ее на заданном уровне, который, по меньшей мере, равен предельно допустимой концентрации кислорода, путем изменения температуры теплоносителя в реакционной емкости или концентрацию кислорода измеряют датчиком концентрации кислорода и поддерживают ее на заданном уровне, который, по меньшей мере, равен предельно допустимой концентрации кислорода, путем изменения расхода теплоносителя в реакционной емкости или на вход в реакционную емкость подают предварительно окисленный теплоноситель. Устройство первого типа содержит прямоточный участок в разъеме стального циркуляционного контура, эжектор в прямоточном участке, реакционную емкость со средством окисления в разъеме линии возврата. Входная и выходная части линии возврата соединены соответственно с выходной частью прямоточного участка и с сужением эжектора. Устройство второго типа содержит реакционную емкость со средством окисления и регулируемой системой обогрева, линию возврата части окисленного теплоносителя с выхода из реакционной емкости на вход в нее. Реакционная емкость открыта с торцов и вертикально размещена в подключенной к контуру емкости. Технический результат: увеличение срока службы стального контура, исключение формирования шлаковых отложений и повышение эффективности работы за счет повышения коррозионной стойкости. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано в энергетических установках с жидкометаллическими свинецсодержащими теплоносителями.

Для обеспечения коррозионной стойкости конструкционных материалов в среде расплава металла на их поверхностях, контактирующих с теплоносителем, формируют защитные оксидные покрытия. Целостность защитных покрытий, а значит коррозионная стойкость материалов, в значительной степени определяется содержанием растворенного в теплоносителе кислорода.

В процессе длительной эксплуатации циркуляционных контуров со свинецсодержащим теплоносителем растворенный в теплоносителе кислород непрерывно потребляется на связывание диффундирующих в объем расплава примесей компонентов конструкционных материалов (железо, хром) имеющих большее, чем компоненты теплоносителя, химическое сродство к кислороду. Это может привести к снижению уровня концентрации растворенного кислорода до значений, при которых начинают растворяться защитные оксидные покрытия, что означает резкое усиление коррозии.

Поэтому одним из важнейших параметров, характеризующих качество эксплуатации циркуляционных контуров с жидкометаллическими теплоносителями на основе свинца, является величина концентрации, или термодинамической активности (т.д.а.), примеси растворенного в расплаве кислорода. В процессе эксплуатации установки значение этой величины должно находиться в диапазоне, обеспечивающем во всех участках неизотермического контура, с одной стороны, сохранность оксидных пассивационных пленок на поверхностях конструкционных материалов, т.е. их коррозионную стойкость, а с другой стороны, отсутствие образования шлаковых отложений на внутренних поверхностях элементов контура.

Таким образом, необходимым условием при эксплуатации контуров со свинецсодержащим теплоносителем является применение способов и устройств поддержания концентрации или т.д.а. кислорода, растворенного в теплоносителе, на уровнях, обеспечивающих целостность защитных пассивационных пленок на поверхностях конструкционных материалов при отсутствии зашлаковки контура.

Эффективным методом, на основе которого могут быть реализованы такие способы и устройства, является т.н. твердофазный метод регулирования т.д.а., при котором в качестве источника растворенного кислорода используется твердая оксидная фаза компонентов теплоносителя, которая вводится в контакт с ним. При этом твердофазное средство окисления, контактируя с циркулирующим расплавом, растворяется с выделением кислорода, который далее транспортируется по контуру с потоком теплоносителя.

Известен способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем (Патент на изобретение РФ №2100480, МПК 6 С 23 F 11/00. Опубл. 27.12.1997. БИПМ №36). Способ включает создание на внутренней поверхности циркуляционного контура антикоррозионного покрытия из оксидов компонентов конструкционных сталей и поддержание в процессе эксплуатации циркуляционного контура концентрации растворенного в теплоносителе кислорода не ниже значения, определяемого по формуле

lgС=-0,33-2790/Т+lgС_s+lgjC_Pb,

где С - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода, мас.%; Т - максимальная температура теплоносителя в контуре, К; С_s - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, мас.%; j - коэффициент термодинамической активности свинца в теплоносителе, обратные мас.%; С_Pb - концентрация свинца в теплоносителе, мас.%.

При этом концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода поддерживают путем растворения в нем оксидов компонентов теплоносителя, которые предварительно вводят в контур, либо формируют их путем выкристаллизации из теплоносителя и накапливают на фильтре.

Известный способ имеет следующие недостатки:

- не обеспечивает возможности регулирования скорости растворения оксидного источника кислорода в соответствии с потребностями циркуляционного контура;

- имеет относительно низкую эффективность использования средства окисления ввиду того, что после введения в контур или формирования путем выкристаллизации оно распределяется по объему контура случайным образом как с точки зрения участков его локализации, так и в плане самой структуры твердофазных оксидных образований, служащих источником растворенного кислорода;

- характеризуется относительно низкой скоростью растворения оксидной фазы в результате того, что твердофазные оксиды компонентов теплоносителя подвержены так называемому “отравлению”, т.е. блокированию поверхности оксидной фазы, контактирующей с теплоносителем, примесями компонентов конструкционных материалов.

Указанные недостатки снижают эффективность поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем, в ряде случаев могут привести к вредным явлениям, а именно к формированию шлаковых отложений за счет выноса твердой оксидной фазы в контур и ее осаждения в его различных участках, снижению эффективности работы фильтрующих устройств, применяемых в контурах и др.

Следует отметить, что заявителем не обнаружено конструкций массообменных устройств, которые бы позволяли обеспечить поддержание коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем.

Задачами рассмотренных в изобретении способов являются увеличение срока службы стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем, исключение формирования шлаковых отложений и повышение эффективности работы применяемых в контурах фильтрующих устройств за счет повышения коррозионной стойкости стального контура путем измерения (контроля) и регулирования концентрации растворенного в свинецсодержащем теплоносителе кислорода.

Первый способ.

В способе поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем, включающем прокачку теплоносителя через циркуляционный контур, введение в циркуляционный контур твердофазного средства окисления и растворение его в теплоносителе, поддержание концентрации растворенного в теплоносителе кислорода на уровне не ниже предельно допустимого значения, которое определяют по формуле, связывающей между собой концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода, максимальную температуру теплоносителя в контуре, концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, коэффициент термодинамической активности свинца в теплоносителе, концентрацию свинца в теплоносителе, в общем случае предлагается:

- твердофазное средство окисления удерживать в проницаемой для теплоносителя реакционной емкости;

- теплоноситель прокачивать через реакционную емкость;

- концентрацию кислорода, растворенного в теплоносителе, измерять с помощью датчика концентрации кислорода;

- концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода поддерживать на заданном уровне, который по меньшей мере равен предельно допустимой концентрации растворенного в теплоносителе кислорода, путем изменения температуры теплоносителя в реакционной емкости, таким образом, что для увеличения концентрации кислорода увеличивают температуру теплоносителя, а для ее уменьшения уменьшают температуру теплоносителя.

В частном случае реализации способа предлагается твердофазному средству окисления перед помещением в циркуляционный контур придать заданную форму и структуру.

Второй способ.

В способе поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем, включающем прокачку теплоносителя через циркуляционный контур, введение в циркуляционный контур твердофазного средства окисления и растворение его в теплоносителе, поддержание концентрации растворенного в теплоносителе кислорода на уровне не ниже предельно допустимого значения, которое определяют по формуле, связывающей между собой концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода, максимальную температуру теплоносителя в контуре, концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, коэффициент термодинамической активности свинца в теплоносителе, концентрацию свинца в теплоносителе, предлагается:

- твердофазное средство окисления удерживать в проницаемой для теплоносителя реакционной емкости;

- теплоноситель прокачивать через реакционную емкость;

- концентрацию кислорода, растворенного в теплоносителе, измерять с помощью датчика концентрации кислорода;

- концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода поддерживать на заданном уровне, который по меньшей мере равен предельно допустимой концентрации растворенного в теплоносителе кислорода, путем изменения расхода теплоносителя через реакционную емкость, таким образом, что для увеличения концентрации кислорода увеличивают расход теплоносителя через реакционную емкость, а для ее уменьшения уменьшают расход теплоносителя через реакционную емкость.

В частном случае реализации способа предлагается твердофазному средству окисления перед помещением в циркуляционный контур придать заданную форму и структуру.

Третий способ.

В способе поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем, включающем прокачку теплоносителя через циркуляционный контур, введение в циркуляционный контур твердофазного средства окисления и растворение его в теплоносителе, поддержание концентрации растворенного в теплоносителе кислорода на уровне не ниже предельно допустимого значения, которое определяют по формуле, связывающей между собой концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода, максимальную температуру теплоносителя в контуре, концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, коэффициент термодинамической активности свинца в теплоносителе, концентрацию свинца в теплоносителе, предлагается:

- твердофазное средство окисления удерживать в проницаемой для теплоносителя реакционной емкости;

- теплоноситель прокачивать через реакционную емкость;

- концентрацию кислорода, растворенного в теплоносителе, измерять с помощью датчика концентрации кислорода;

- на вход в реакционную емкость подавать предварительно окисленный теплоноситель.

В частном случае реализации способа предлагается предварительно окисленный теплоноситель на вход в реакционную емкость подавать с ее выхода.

Задачами рассмотренных в изобретении устройств являются увеличение срока службы стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем, исключение формирования шлаковых отложений и повышение эффективности работы применяемых в контурах фильтрующих устройств за счет повышения коррозионной стойкости стального контура путем измерения (контроля) и регулирования концентрации растворенного в свинецсодержащем теплоносителе кислорода.

Первое устройство.

В устройстве, предназначенном для поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем, предлагается:

- прямоточный участок установить в разъеме стального циркуляционного контура;

- эжектор расположить в прямоточном участке;

- реакционную емкость со средством окисления установить в разъеме линии возврата;

- входную и выходную части линии возврата соединить соответственно с выходной частью прямоточного участка и с сужением эжектора.

В частных случаях выполнения устройства дополнительно к перечисленным в общем случае конструктивным элементам предлагается:

- реакционную емкость снабдить автономной системой обогрева;

- линию возврата обработанного расплава через реакционную емкость выполнить в виде конвекционной петли, на ее восходящей ветви расположить реакционную емкость, а нагреватель снабдить системой регулирования температуры.

Второе устройство.

В устройстве, предназначенном для поддержания заданной концентрации растворенного кислорода в циркуляционном контуре со свинецсодержащим теплоносителем, предлагается:

- в корпусе расположить реакционную емкость, содержащую средство окисления;

- реакционную емкость снабдить регулируемой системой обогрева и линией возврата части окисленного теплоносителя с выхода из реакционной емкости на вход в нее;

- корпус реакционной емкости выполнить открытым с торцов для прохода теплоносителя и вертикально разместить в подключенной к контуру емкости.

В частных случаях исполнения устройства дополнительно к перечисленным в общем случае конструктивным элементам предлагается:

- во-первых, линию возврата выполнить в виде по меньшей мере одной трубы или в виде кольцевого канала;

- во-вторых, реакционную емкость расположить в открытом по торцам для прохода теплоносителя кольцевом зазоре, образованном наружной и внутренней трубами, внутреннюю трубу заглушить снизу, а в ней разместить нагревательный элемент регулируемой системы обогрева;

- в-третьих, в нижней части наружной трубы выполнить сужение, а к нему подвести выходную часть линии возврата;

- в-четвертых, наружную трубу разместить внутри имеющей отверстия для прохода теплоносителя цилиндрической обечайке, обеспечить между ними кольцевой канал, нижний торец цилиндрической обечайки заглушить, а верхний торец частично перекрыть кольцевым козырьком-отбойником.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 представлены схемы реализации предотвращения “отравления” средства окисления путем возврата части теплоносителя с выхода из реакционной емкости на ее вход; на фиг.3 и 4 - варианты исполнения устройств петлевого типа; на фиг.5 и 6 - варианты исполнения устройств погружного типа; на фиг.7 - график зависимости уровня т.д.а. кислорода (a^пр), устанавливающегося на входе в реакционную емкость, от относительного расхода теплоносителя в линии возврата, а на фиг.8 - конструкция устройства, которое было экспериментально апробировано.

На фиг.1-6 приняты следующие обозначения: 1 - участок линии циркуляционного контура; 2 - линия возврата; 3 - реакционная емкость; 4 - эжектор; 5 - твердофазное средство окисления; 6 - нагреватель; 7 - нисходящая ветвь конвекционной петли; 8 - восходящая ветвь конвекционной петли; 9 - прямоточный участок; 10 - регулируемая система обогрева; 11 - емкость, подключенная к контуру; 12 - наружная труба; 13 внутренняя труба; 14 - сужение; 15 - отверстия в цилиндрической обечайке; 16 - цилиндрическая обечайка; 17 - кольцевой козырек-отбойник; 18 - выходное отверстие.

Сущность способов состоит в следующем.

Первый способ.

Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем включает следующие операции.

Теплоноситель прокачивают через стальной циркуляционный контур 1.

В циркуляционный контур 1 вводят твердофазное средство окисления 5 и растворяют его в теплоносителе.

Концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода поддерживают на уровне не ниже предельно допустимого значения.

Предельно допустимое значение концентрации кислорода определяют по формуле

lgС=-0,33-2790/T+lgС_s+lgjC_Pb,

где С - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода, мас.%; Т - максимальная температура теплоносителя в контуре, К; С_s - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, мас.%; j - коэффициент термодинамической активности свинца в теплоносителе, обратные мас.%; С_Pb - концентрация свинца в теплоносителе, мас.%.

Твердофазное средство окисления 5 удерживают в проницаемой для теплоносителя реакционной емкости 3.

Удержание твердофазного средства окисления 5 в реакционной емкости 3, с одной стороны, обеспечивает отсутствие выноса твердой фазы в циркуляционный контур 1, а с другой стороны, дает возможность за счет локального изменения температуры в реакционной емкости 3 и/или расхода через нее регулировать скорость растворения средства окисления, т.е. поток растворенного кислорода, подаваемого в объем теплоносителя.

Теплоноситель прокачивают через реакционную емкость 3.

Концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода измеряют с помощью датчика концентрации кислорода.

Возможность удержания твердофазного средства окисления 5 в реакционной емкости 3 в предлагаемом способе достигается тем, что его предварительно приготавливают путем прессования, термообработки, сплавления или комбинаций указанных видов обработки с приданием им заданной формы и структуры. Это обеспечивает получение твердофазного средства окисления 5 с известными физико-химическими и геометрическими параметрами, что, в свою очередь, позволяет сформировать средство окисления с заранее известными кинетическими характеристиками растворения (например, стационарный зернистый слой сферических гранул, прессованных из порошка оксида РbО) - зависимостью константы скорости растворения от температуры и расхода теплоносителя в зоне реакции растворения. Кроме того, удержание твердофазного средства окисления 5 в реакционной емкости 3 принципиально важно, так как, с одной стороны, обеспечивает отсутствие выноса твердой фазы в циркуляционный контур 1, а с другой стороны, дает возможность за счет локального изменения температуры в реакционной емкости 3 и/или расхода через нее регулировать скорость растворения средства окисления, т.е. поток растворенного кислорода, подаваемого в объем теплоносителя.

Концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода поддерживают на заданном уровне, который по меньшей мере равен предельно допустимой концентрации кислорода, растворенного в теплоносителе, путем изменения температуры теплоносителя в реакционной емкости 3. При этом для увеличения концентрации кислорода увеличивают температуру теплоносителя в реакционной емкости, а для уменьшения его концентрации уменьшают температуру теплоносителя через реакционную емкость 3.

В частном случае осуществления способа твердофазному средству окисления перед помещением в циркуляционный контур 1 придают заданную форму и структуру. Оксиды компонентов теплоносителя, используемые в качестве средства окисления, предварительно приготавливают путем прессования, термообработки, сплавления или комбинаций указанных видов обработки с приданием им заданной формы и структуры.

Второй способ.

Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем включает следующие операции.

Теплоноситель прокачивают через стальной циркуляционный контур 1.

В циркуляционный контур 1 вводят твердофазное средство окисления 5 и растворяют его в теплоносителе.

Концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода поддерживают на уровне не ниже предельно допустимого значения.

Предельно допустимое значение концентрации кислорода определяют по формуле

lgC=-0,33-2790/T+lgC_s+lgjC_Pb,

где С - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода, мас.%; T - максимальная температура теплоносителя в контуре, К; С_s - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, мас.%; j - коэффициент термодинамической активации свинца в теплоносителе, обратные мас.%; С_Pb - концентрация свинца в теплоносителе, мас.%.

Твердофазное средство окисления 5 удерживают в проницаемой для теплоносителя реакционной емкости 3.

Удержание твердофазного средства окисления 5 в реакционной емкости 3, с одной стороны, обеспечивает отсутствие выноса твердой фазы в циркуляционный контур 1, а с другой стороны, дает возможность за счет локального изменения температуры в реакционной емкости 3 и/или расхода через нее регулировать скорость растворения средства окисления, т.е. поток растворенного кислорода, подаваемого в объем теплоносителя.

Теплоноситель прокачивают через реакционную емкость 3.

Концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода измеряют с помощью датчика концентрации кислорода.

Возможность удержания твердофазного средства окисления 5 в реакционной емкости 3 в предлагаемом способе достигается тем, что его предварительно приготавливают путем прессования, термообработки, сплавления или комбинаций указанных видов обработки с приданием им заданной формы и структуры. Это обеспечивает получение твердофазного средства окисления 5 с известными физико-химическими и геометрическими параметрами, что, в свою очередь, позволяет сформировать средство окисления с заранее известными кинетическими характеристиками растворения (например, стационарный зернистый слой сферических гранул, прессованных из порошка оксида РbО) - зависимостью константы скорости растворения от температуры и расхода теплоносителя в зоне реакции растворения. Кроме того, удержание твердофазного средства окисления 5 в реакционной емкости 3 принципиально важно, так как, с одной стороны, обеспечивает отсутствие выноса твердой фазы в циркуляционный контур 1, а с другой стороны, дает возможность за счет локального изменения температуры в реакционной емкости 3 и/или расхода через нее регулировать скорость растворения средства окисления, т.е. поток растворенного кислорода, подаваемого в объем теплоносителя.

Концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода измеряют с помощью датчика концентрации кислорода, и поддерживают ее на заданном уровне, который по меньшей мере равен предельно допустимой концентрации растворенного в теплоносителе кислорода, путем изменения расхода теплоносителя в реакционной емкости 3. При этом для увеличения концентрации кислорода увеличивают расход теплоносителя через реакционную емкость 3, а для уменьшения его концентрации уменьшают расход теплоносителя через реакционную емкость 3.

В частном случае осуществления способа твердофазному средству окисления перед помещением в циркуляционный контур 1 придают заданную форму и структуру. Оксиды компонентов теплоносителя, используемые в качестве средства окисления, предварительно приготавливают путем прессования, термообработки, сплавления или комбинаций указанных видов обработки с приданием им заданной формы и структуры.

Третий способ.

Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем включает следующие операции.

Теплоноситель прокачивают через стальной циркуляционный контур 1.

В циркуляционный контур 1 вводят твердофазное средство окисления 5 и растворяют его в теплоносителе.

Концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода поддерживают на уровне не ниже предельно допустимого значения.

Предельно допустимое значение концентрации кислорода определяют по формуле

lgС=-0,33-2790/T+lgС_s+lgjC_Pb,

где С - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода, мас.%; Т - максимальная температура теплоносителя в контуре, К; С_s - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, мас.%; j - коэффициент термодинамической активации свинца в теплоносителе, обратные мас.%; С_Pb - концентрация свинца в теплоносителе, мас.%.

Твердофазное средство окисления 5 удерживают в проницаемой для теплоносителя реакционной емкости 3.

Удержание твердофазного средства окисления 5 в реакционной емкости 3, с одной стороны, обеспечивает отсутствие выноса твердой фазы в циркуляционный контур 1, а с другой стороны, дает возможность за счет локального изменения температуры в реакционной емкости 3 и/или расхода через нее регулировать скорость растворения средства окисления, т.е. поток растворенного кислорода, подаваемого в объем теплоносителя.

Теплоноситель прокачивают через реакционную емкость 3.

Концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода измеряют с помощью датчика концентрации кислорода.

Возможность удержания твердофазного средства окисления 5 в реакционной емкости 3 в предлагаемом способе достигается тем, что его предварительно приготавливают путем прессования, термообработки, сплавления или комбинаций указанных видов обработки с приданием им заданной формы и структуры. Это обеспечивает получение твердофазного средства окисления 5 с известными физико-химическими и геометрическими параметрами, что, в свою очередь, позволяет сформировать средство окисления с заранее известными кинетическими характеристиками растворения (например, стационарный зернистый слой сферических гранул, прессованных из порошка оксида РbО) - зависимостью константы скорости растворения от температуры и расхода теплоносителя в зоне реакции растворения. Кроме того, удержание твердофазного средства окисления 5 в реакционной емкости 3 принципиально важно, так как, с одной стороны, обеспечивает отсутствие выноса твердой фазы в циркуляционный контур 1, а с другой стороны, дает возможность за счет локального изменения температуры в реакционной емкости 3 и/или расхода через нее регулировать скорость растворения средства окисления, т.е. поток растворенного кислорода, подаваемого в объем теплоносителя.

На вход в реакционную емкость 3 подают предварительно окисленный теплоноситель.

Предлагаемая дополнительная подача окисленного теплоносителя с выхода из реакционной емкости 3 на вход в нее осуществляется с таким расчетом, чтобы количество подаваемого при этом растворенного в теплоносителе кислорода было достаточным для окисления отравляющих примесей, растворенных в теплоносителе, поступающем в реакционную емкость 3 из циркуляционного контура 1. Таким образом, на входе в реакционную емкость 3 производится "выжигание" отравляющих примесей, то есть перевод их в химически пассивную, оксидную форму. При такой схеме циркуляции в окрестности реакционной емкости 3 имеется три зоны, различных с точки зрения равновесных значений т.д.а. кислорода и отравляющих примесей. Наименьшее (по трем рассматриваемым зонам) значение т.д.а. кислорода а^min имеет теплоноситель, поступающий из циркуляционного контура 1, до его смешения с возвращаемым потоком. Согласно закону действующих масс минимальному значению т.д.а. кислорода соответствует максимальное (по трем зонам) равновесное значение т.д.а. отравляющих примесей (например, Fe) . Максимальное значение т.д.а. кислорода а^max имеет место непосредственно на выходе из реакционной емкости 3. Ему соответствуют минимальные равновесные значения т.д.а. отравляющих примесей . В зоне между точкой смешения потоков и реакционной емкостью 3 т.д.а. (концентрация) кислорода повышается до некоторого промежуточного уровня а^пр (а^min<а^пр<а^max). Соответствующие ему равновесные значения т.д.а. отравляющих примесей – Для реализации рассматриваемого способа необходимо, чтобы уровень т.д.а. кислорода, установившийся на входе в реакционную емкость 3, составлял a^пр>10^-3. При этом соответствующий уровень т.д.а. отравляющих примесей характеризует их низкое содержание, при котором “отравление” не происходит.

Условия, при которых достигаются необходимые значения а^пр могут быть проанализированы на основе рассмотрения уравнений баланса растворенных кислорода и растворенных примесей, составленных для участка между точкой подвода возвращаемого теплоносителя и реакционной емкостью 3.

Проведенные расчеты показывают, что требуемый уровень т.д.а. кислорода, обеспечивающий отсутствие отравления средства окисления, а^пр>10^-3, достигается при G₃/G₁=0,10-0,15. Таким образом, расход теплоносителя G₃, дополнительно подаваемого на вход в реакционную емкость 3, обеспечивающий необходимый уровень a^пр>10^-3, относительно невелик по сравнению с общим расходом теплоносителя G₁, пропускаемого через устройство регулирования. Это указывает на то, что предложенный способ возврата части теплоносителя с выхода из реакционной емкости 3 на вход в нее осуществим на практике.

В частном случае осуществления способа предварительно окисленный теплоноситель на вход в реакционную емкость 3 подают с ее выхода.

Это позволяет предотвратить “отравление” твердофазного средства окисления растворенными в теплоносителе примесями компонентов конструкционных материалов.

Устройства для поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем, используемые при осуществлении рассмотренных ранее способов, выполнены следующим образом.

Первое устройство.

Устройство содержит прямоточный участок 9, установленный в разъеме стального циркуляционного контура 1, эжектор 4, расположенный в прямоточном участке 9, реакционную емкость 3 с твердофазным средством окисления 5, расположенную в линии возврата 2 через реакционную емкость 3 окисленного теплоносителя.

В устройстве входная и выходная части линии возврата 2 соединены соответственно с выходной частью прямоточного участка 9 и с сужением 14 эжектора 4.

В частных случаях исполнения устройства типа имеют место следующие конструктивные особенности.

Во-первых, реакционная емкость 3 может быть снабжена автономной системой обогрева.

Во-вторых, линия возврата 2 обработанного теплоносителя через реакционную емкость 3 выполнена в виде конвекционной петли, на восходящей ветви 8 которой расположена реакционная емкость 3, а нагреватель 6 снабжен системой регулирования температуры.

На фиг.3 представлен вариант выполнения устройства петлевого типа, в котором реакционная емкость 3 установлена в разъеме линии возврата 2.

Данное устройство работает следующим образом.

Из линии циркуляционного контура 1 часть раскисленного теплоносителя направляется в прямоточный участок 9, из которого поступает в реакционную емкость 3 с удерживаемым в ней средством окисления 5, выполненным из предварительно подготовленных оксидов компонентов теплоносителя (например, в виде зернистого слоя сферических гранул, прессованных из порошкообразного оксида РbО), и по линии возврата 2 часть окисленного теплоносителя с помощью эжектора 4 возвращается в прямоточный участок 9 и далее - в линию циркуляционного контура 1. В реакционной емкости 3 раскисленный теплоноситель окисляется, после чего возвращается в прямоточный участок 9 и далее в основной циркуляционный контур 1. Предотвращение “отравления” твердофазного средства окисления 5 достигается за счет непрерывной подачи (возврата) части окисленного теплоносителя на вход в реакционную емкость 3. Повышение концентрации растворенного в теплоносителе кислорода происходит за счет растворения твердофазного средства окисления 5, удерживаемого в реакционной емкости 3, а регулирование скорости подачи растворенного кислорода в данном случае достигается за счет изменения температуры теплоносителя в реакционной емкости 3. Количество окисленного теплоносителя, возвращаемого на вход в реакционную емкость 3 по линии возврата 2, составляет относительно небольшую (примерно 10%) часть от общего расхода теплоносителя через прямоточный участок 9, исходя из чего температура теплоносителя в циркуляционном контуре 1 практически не изменяется в результате работы системы обогрева реакционной емкости 3.

На фиг.4 представлен вариант исполнения устройства петлевого типа, в котором линия возврата 2 окисленного теплоносителя выполнена в виде конвекционной петли.

При такой компоновке устройства обеспечивается возможность регулирования величины расхода теплоносителя по линии возврата 2 за счет изменения конвекционной тяги на восходящей ветви 8 конвекционной петли, обуславливаемой величиной перепада температуры между реакционной емкостью 3 и точкой подачи теплоносителя в прямоточный участок 9 и далее - в циркуляционный контур 1, создаваемого за счет работы автономного регулируемого по мощности нагревателя 6 реакционной емкости 3. Это, в частности, расширяет возможности устройства с точки зрения устранения эффекта “отравления”, т.к. уровень активности кислорода на входе в реакционную емкость 3 весьма чувствителен по отношению к величине расхода через линию возврата 2. Это видно из приведенного на фиг.7 графика зависимости уровня активности , устанавливающегося на входе в реакционную емкость 3, от относительного расхода теплоносителя через линию возврата 2: соответствие требуемой величины =10^-4-10^-3 приемлемому значению относительного расхода теплоносителя (10%) достигается на крутом участке графика, т.е. в области, где весьма чувствительно по отношению к изменению величины относительного расхода через линию возврата 2.

Дополнительным преимуществом устройства, выполненного в виде конвекционной петли, является то, что оно может быть применено для введения примесей в теплоноситель, находящийся в емкостях с покоящимся или ненаправленно движущимся теплоносителем. В случае же, когда побудителем расхода через линию возврата 2 является эжектор 4, оно может быть установлено на участках циркуляционного контура 1, представляющих собой канал замкнутого сечения (например, трубопровод), по которому прокачивается теплоноситель.

Описанные выше варианты устройств представляют собой устройства петлевого типа, в рамках которого циркуляция теплоносителя в объеме устройства, а также сообщение реакционной емкости 3 с циркуляционным контуром 1 обеспечивается за счет системы трубопроводов.

Второе устройство.

Устройство состоит из расположенной в корпусе реакционной емкости 3. Реакционная емкость 3 содержит средство окисления 5 и снабжена регулируемой системой обогрева 10. Выход и вход реакционной емкости сообщены между собой через линию возврата 2 части окисленного теплоносителя. Объем реакционной емкости 3 выполнен открытым с торцов для прохода теплоносителя и вертикально размещен в подключенной к циркуляционному контуру 1 емкости.

В частных случаях исполнения устройства имеют место следующие конструктивные особенности.

Во-первых, линия возврата 2 выполнена по меньшей мере в виде одной трубы или в виде кольцевого канала.

Во-вторых, реакционная емкость 3 расположена в открытом по торцам для прохода теплоносителя кольцевом зазоре, образованном наружной 12 и внутренней 13 трубами, а во внутренней трубе 13, заглушенной снизу, размещен нагревательный элемент регулируемой системы обогрева 10.

В-третьих, нижняя часть наружной трубы имеет сужение, к которому подведена выходная часть линии возврата.

В-четвертых, наружная труба 12 размещена внутри имеющей отверстия 15 для прохода теплоносителя цилиндрической обечайки 16 и образует с ней кольцевой канал, нижний торец цилиндрической обечайки 16 заглушен, а верхний - частично перекрыт, в плане, кольцевым козырьком-отбойником 17.

На фиг.5 представлен вариант исполнения устройства погружного типа с линией возврата 2 в виде трубы.

Отличие устройств погружного типа от устройств петлевого типа состоит в том, что реакционная емкость 3 выполнена открытой с торцов и вертикально размещена в подключенной к циркуляционному контуру 1 емкости 11 с покоящимся или ненаправленно движущимся теплоносителем. Такая компоновка расширяет возможности привязки устройства к реальным циркуляционным контурам за счет использования существующих в составе контуров емкостей, например компенсаторов объема.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Циркуляционный контур 1 заполняется теплоносителем с таким расчетом, чтобы устройство было полностью погружено в него. С помощью регулируемой системы обогрева 10 осуществляется разогрев теплоносителя в реакционной емкости 3 до температуры, превышающей температуру теплоносителя в ней 11. При этом вдоль оси устройства за счет сил естественной конвекции создается тяга и, таким образом, теплоноситель прокачивается через твердофазное средство окисления 5, в результате растворения которого происходит увеличение концентрации (активности) растворенного кислорода в объеме реакционной емкости 3. Теплоноситель с высокой активностью кислорода (а~10^-1) из реакционной емкости 3 через ее верхний открытый торец поступает в основную массу теплоносителя, обеспечивая требуемый уровень активности (концентрации) кислорода в циркуляционном контуре 1. Часть теплоносителя с высокой активностью кислорода с выхода из реакционной емкости 3 отбирается и по линии возврата 2 за счет подсасывающего действия сужения 14 подается на вход в реакционную емкость 3, где смешивается с теплоносителем, обладающим низким уровнем активности (а~10^-6), поступающим в устройство через нижнюю открытую часть наружной трубы 12. Таким образом, на входе в реакционную емкость 3 устанавливается промежуточный уровень активности (а~10^-3), при котором отсутствует “отравление” твердофазного средства окисления 5 растворенными примесями конструкционных материалов. В процессе работы устройства поток растворенного кислорода и расход теплоносителя через реакционную емкость 3 регулируется путем изменения мощности нагревателя 10.

На фиг.6 представлен второй вариант устройства погружного типа с цилиндрической обечайкой 16.

При таком принципе организации возврата теплоносителя не требуется наличия сужения в нижней части наружной трубы 12. Это позволяет размещать средство окисления 3 практически по всей высоте устройства, что существенно увеличивает его полезный объем. За счет того что цилиндрическая обечайка 16 выполнена заглушенной снизу, обеспечивается защита реакционной емкости 3 от попадания в нее снизу взвешенных в теплоносителе примесей, которые могли бы забивать проходные сечения реакционной емкости 3.

В рабочем положении устройство должно быть полностью погружено в теплоноситель. При этом оно работает следующим образом. При включении системы обогрева 10, в результате подогрева теплоносителя в реакционной емкости 3, через нее устанавливается циркуляция за счет действия сил естественной конвекции. Основной тракт движения теплоносителя: из окружающего реакционную емкость 3 объема, через отверстия 15, вниз по кольцевому зазору 2, через реакционную емкость 3 (снизу вверх). При прохождении теплоносителя через реакционную емкость 3, в результате растворения твердофазного средства окисления 5, происходит увеличение концентрации (термодинамической активности) растворенного в теплоносителе кислорода. Обогащенный кислородом теплоноситель, выходящий из реакционной емкости 3, поступает в циркуляционный контур 1 через выходное отверстие 18, образованное кольцевым козырьком-отбойником 17 в верхнем торце цилиндрической обечайки 16. Часть теплоносителя, выходящего из реакционной емкости 3, отразившись от козырька-отбойника 17, направляется в кольцевой канал 2, где, двигаясь вниз, смешивается с теплоносителем, поступающим в устройство через отверстия 15.

Пример осуществления изобретения.

В ходе проведения коррозионных испытаний на стенде ГНЦ РФ ФЭИ, кроме решения основной задачи - исследования стойкости конструкционных материалов, было апробировано устройство (фиг.7) для поддержания требуемых уровней (концентрации) т.д.а. кислорода в свинцовом теплоносителе.

Целью экспериментальной работы было подтверждение возможности поддержания термодинамической активности кислорода в заданном диапазоне в течение длительного периода времени при циркуляции свинцового теплоносителя в контуре указанного стенда.

Параметры эксперимента:

- зачетное время непрерывной работы: 1000 часов;

- максимальная температура (рабочий участок): 650°С;

- минимальная температура (холодильник, циркуляционный насос): 400°С;

- скорость теплоносителя: 1-2 м/с;

- диапазон заданной ТДА кислорода: Е=405-455 mV при 650°С (С_[О]=2·10^-6-4·10^-6% мас.).

В результате применения устройства с твердофазным средством окисления обеспечено поддержание заданной концентрации растворенного кислорода в течение более 1000 часов как за счет регулирования расхода свинца через массообменное устройство, так и путем создания конвекционного расхода при повышении температуры в реакционной емкости с помощью электрических нагревателей.

Таким образом, предлагаемые способы и устройства обеспечивают поддержание коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем. При этом исключается вынос твердой оксидной фазы из реакционной емкости в контур и “отравление” средства окисления растворенными в теплоносителе примесями конструкционных материалов.

1. Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем, включающий прокачку теплоносителя через циркуляционный контур, введение в циркуляционный контур твердофазного средства окисления и растворение его в теплоносителе, поддержание концентрации кислорода, растворенного в теплоносителе, на уровне не ниже предельно допустимого значения, определяемого по формуле

lgC=-0,33-2790/T+lgC_s+lgjC_Рb,

где С - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода, мас.%;

Т - максимальная температура теплоносителя в контуре, К;

C_s - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, мас.%;

j - коэффициент термодинамической активности свинца в теплоносителе, обратные мас.%;

С_Рb - концентрация свинца в теплоносителе, мас.%,

отличающийся тем, что твердофазное средство окисления удерживают в проницаемой для теплоносителя реакционной емкости, теплоноситель прокачивают через реакционную емкость, концентрацию кислорода, растворенного в теплоносителе, измеряют с помощью датчика концентрации кислорода, и поддерживают ее на заданном уровне, который по меньшей мере равен предельно допустимой концентрации растворенного в теплоносителе кислорода путем изменения температуры теплоносителя в реакционной емкости таким образом, что для увеличения концентрации кислорода увеличивают температуру теплоносителя, а для уменьшения концентрации кислорода уменьшают температуру теплоносителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердофазному средству окисления перед помещением в циркуляционный контур придают заданную форму и структуру.

3. Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем, включающий прокачку теплоносителя через циркуляционный контур, введение в циркуляционный контур твердофазного средства окисления и растворение его в теплоносителе, поддержание концентрации кислорода, растворенного в теплоносителе, на уровне не ниже предельно допустимого значения, определяемого по формуле

lgC=-0,33-2790/T+lgC_s+lgjC_Рb,

где С - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода, мас.%;

Т - максимальная температура теплоносителя в контуре, К;

C_s - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, мас.%,

j - коэффициент термодинамической активности свинца в теплоносителе, обратные мас.%;

С_Рb - концентрация свинца в теплоносителе, мас.%,

отличающийся тем, что твердофазное средство окисления удерживают в проницаемой для теплоносителя реакционной емкости, теплоноситель прокачивают через реакционную емкость, концентрацию кислорода, растворенного в теплоносителе, измеряют с помощью датчика концентрации кислорода, и поддерживают ее на заданном уровне, который, по меньшей мере, равен предельно допустимой концентрации растворенного в теплоносителе кислорода путем изменения расхода теплоносителя в реакционной емкости таким образом, что для увеличения концентрации кислорода увеличивают расход теплоносителя через реакционную емкость, а для уменьшения концентрации кислорода уменьшают расход теплоносителя через нее.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что твердофазному средству окисления перед помещением в циркуляционный контур придают заданную форму и структуру.

5. Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем, включающий прокачку теплоносителя через циркуляционный контур, введение в циркуляционный контур твердофазного средства окисления и растворение его в теплоносителе, поддержание концентрации кислорода, растворенного в теплоносителе, на уровне не ниже предельно допустимого значения, определяемого по формуле

lgC=-0,33-2790/T+lgC_s+lgjC_Рb,

где С - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода, мас.%;

Т - максимальная температура теплоносителя в контуре, К;

C_s - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении при температуре Т, мас.%,

j - коэффициент термодинамической активности свинца в теплоносителе, обратные мас.%;

С_Pb - концентрация свинца в теплоносителе, мас.%,

отличающийся тем, что твердофазное средство окисления удерживают в проницаемой для теплоносителя реакционной емкости, теплоноситель прокачивают через реакционную емкость, концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода измеряют с помощью датчика концентрации кислорода, на вход в реакционную емкость подают предварительно окисленный теплоноситель.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что предварительно окисленный теплоноситель на вход в реакционную емкость подают с ее выхода.

7. Устройство для поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем, содержащее прямоточный участок, установленный в разъеме стального циркуляционного контура, эжектор, расположенный в прямоточном участке, реакционную емкость со средством окисления, установленную в разъеме линии возврата, причем входная и выходная части линии возврата соединены соответственно с выходной частью прямоточного участка и с сужением эжектора.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что реакционная емкость снабжена автономной системой обогрева.

9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что линия возврата окисленного теплоносителя через реакционную емкость выполнена в виде конвекционной петли, на восходящей ветви которой расположена реакционная емкость, а нагреватель снабжен системой регулирования температуры.

10. Устройство для поддержания заданной концентрации растворенного кислорода в стальном циркуляционном контуре со свинецсодержащим теплоносителем, включающее реакционную емкость, содержащую средство окисления и снабженную регулируемой системой обогрева, линию возврата части окисленного теплоносителя с выхода из реакционной емкости на вход в нее, причем реакционная емкости выполнена открытой с торцов для прохода теплоносителя и вертикально размещена в подключенной к контуру емкости.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что линия возврата выполнена в виде по меньшей мере одной трубы.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что линия возврата выполнена в виде кольцевого канала.

13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что реакционная емкость расположена в открытом по торцам для прохода теплоносителя кольцевом зазоре, образованном наружной и внутренней трубами, а во внутренней трубе, заглушенной снизу, размещен нагревательный элемент регулируемой системы обогрева.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что нижняя часть наружной трубы имеет сужение, к которому подведена выходная часть линии возврата.

15. Устройство по п.12, отличающееся тем, что наружная труба размещена внутри имеющей отверстия для прохода теплоносителя цилиндрической обечайки и образует с ней кольцевой канал, нижний торец цилиндрической обечайки заглушен, а ее верхний торец частично перекрыт в плане кольцевым козырьком-отбойником.