CN102661845B - 一种可视化窄矩形自然循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于热工水力安全领域的一种可视化窄矩形自然循环系统。该系统中的循环工质是水，并通过可视化窗口对水流动现象进行观察记录。具体流程为：该系统回路依靠加热段对工质水进行加热，使其在矩形通道被加热并沸腾；然后工质水通过顶部的冷凝器冷却，流过下降段；并在底部的预热器预热，产生密度差，实现自然循环。运行时，通过可视化窗口观察流动现象。本系统在严格精确的设计计算后制造成功。本发明的有益效果为：加热段拥有长达1000mm的可视化石英玻璃窗口，实现了一定压力和较高温度下的长期运行，系统安全可靠，有助于总体机械设备构造、工程实验、热工水力科学研究。

Description

一种可视化窄矩形自然循环系统

技术领域

本发明属于热工水力安全领域，特别涉及一种可视化窄矩形自然循环系统。

背景技术

自然循环在工业各个领域具有重要的利用价值。比如在火电中，有自然循环锅炉；而在核电中，则利用自然循环在严重事故时导出堆芯余热、保证核反应堆的安全；特别是第三代先进反应堆AP1000更多地采用了自然循环技术。在军事方面利用自然循环，省去了传统的循环动力泵，能增加潜艇隐蔽性，增强其战略意义。另外，窄矩形通道能强化传热，减小换热的体积，使结构变得紧凑。因此窄矩形通道的自然循环有重要的学术和工程意义。

但是，自然循环自身形成的一些机理人们还没有充分的了解，如欠热沸腾起始点（ONB）、临界热流密度（CHF）以及通道内流型转换等问题，这些是影响自然循环安全性的重要问题。由于自然循环是依靠自身的特点，耦合了温度、压力以及管道特性等因素，最终在回路中形成不需要泵等其他外在动力源的流动。由于自然循环对加热量和流动条件十分敏感，因此各种微小的扰动因素，都可能引起自然循环的质量流量、流型等较大的波动。质量流量的改变在很大程度上会危及导出热量的安全性，最终可能导致CHF的发生。

由于设计与加工的困难，现在研究自然循环的系统多是全封闭，没有可视化窗口；或者是在封闭的窗口上开几个小口以进行观察流动现象；或者在可视化窗口的长度上远远小于1000mm。虽然通过其它办法进行测量，但无法实现直接观察，结论并不直观和精确，会局限工程运行及科学实验研究。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了一种可视化窄矩形自然循环系统。

一种可视化窄矩形自然循环系统的结构如下：预热段、矩形通道可视化加热段、冷凝器和涡轮流量计通过管路装配在一起，从而形成了回路，预热段位于该回路的底部，矩形通道可视化加热段位于该回路的左侧，冷凝器位于该回路的顶部，涡轮流量计位于该回路的右侧；水箱通过第一阀门和管路与预热段装配在一起，氮气瓶、第二阀门和稳压罐通过管路装配在一起，稳压罐通过管路与冷凝器和涡轮流量计装配在一起，水泵、浮子流量计和冷凝器通过管路装配在一起；

氮气瓶、水泵和水箱都置于地面。

所述水箱装有去离子水。

所述预热段呈圆柱形，预热段中装有8个加热管，每个加热管的额定功率为5kW；预热段的加热功率为0kW到40kW。

所述可视化窄矩形自然循环系统的最高点距离地面3.3m。

所述管路为无缝钢管，其外径为32mm，内径为25mm。

所述矩形通道可视化加热段的结构如下：钢板、石英玻璃通过螺栓固定在一起；密封垫片、密封薄垫和加热板三者紧密地装配在一起，密封垫片、密封薄垫和加热板三者均位于钢板和石英玻璃之间；

温控装置敷设在钢板上；

石英玻璃的长度为1000mm，宽度为40mm；

石英玻璃上开槽形成流动通道，其横截面尺寸为40mm×2mm；

钢板背面敷设有20个热电偶，这20个热电偶等距离分布；

钢板外面包裹着珍珠岩材料；

螺栓上包裹着绝缘材料。

所述加热板的长度为1000mm；所述热电偶为铠装热电偶。

所述矩形通道可视化加热段与管路的连接处包裹着绝缘材料；

所述矩形通道可视化加热段的加热功率最大值为30kW。

所述水箱的容积为0.15m³；

所述氮气瓶的型号为GB/8980；

所述稳压罐为隔膜式气压罐；

所述涡轮流量计的型号是LW-10，量程为0-1200L/H；

所述浮子流量计型号为LZB-苏制05000132。

本发明的有益效果为：

本发明解决了在一定压力、较高温度下的安全稳定运行难题，将可视化窗口的长度做到了1000mm，可以更全面、方便、安全的对流动现象进行观察和记录

本发明利用高速摄像仪可对流动通道内的现象进行观察并记录，有利于直观、准确地握通道内的流动状况。可实现一定压力和较高温度下的长期运行，系统安全可靠，有助于总体机械设备构造、工程实验、热工水力科学研究。

附图说明

图1为可视化窄矩形自然循环系统图；

图2为矩形通道可视化加热段的立体图；

图3a为矩形通道可视化加热段的截面图；

图3b为矩形通道可视化加热段的截面放大示意图；

图4为热电偶分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种可视化窄矩形自然循环系统的结构如下：预热段5、矩形通道可视化加热段6、冷凝器7和涡轮流量计4通过管路装配在一起，从而形成了回路，预热段5位于该回路的底部，矩形通道可视化加热段6位于该回路的左侧，冷凝器7位于该回路的顶部，涡轮流量计4位于该回路的右侧；水箱1通过第一阀门16和管路与预热段5装配在一起，氮气瓶2、第二阀门17和稳压罐3通过管路装配在一起，稳压罐3通过管路与冷凝器7和涡轮流量计4装配在一起，水泵8、浮子流量计9和冷凝器7通过管路装配在一起；

氮气瓶2、水泵8和水箱1都置于地面。

所述水箱1装有去离子水。

所述预热段5呈圆柱形，预热段5中装有8个加热管，每个加热管的额定功率为5kW；预热段5的加热功率为0kW到40kW（预热段5使用交流电加热）。加热管通过预热段5两端的安装孔插入，使用380V的交流电对加热管进行加热，通过配电柜确保每个加热管都能稳定的进行工作。预热器的8个加热管中，在加热工作室一般两个加热管的工作状态是常开状态。另外的加热管的工作状态可根据实验进行的需要进行人为的控制，从而保证可视化加热段入口温度的在需要的范围内。

所述可视化窄矩形自然循环系统的最高点距离地面3.3m。

所述管路为无缝钢管，其外径为32mm，内径为25mm。

如图2、图3a和图3b所示，矩形通道可视化加热段6的结构如下：钢板10、石英玻璃13通过螺栓15固定在一起；密封垫片12、密封薄垫14和加热板11三者紧密地装配在一起，密封垫片12、密封薄垫14和加热板11三者均位于钢板10和石英玻璃13之间；

密封垫片12起密封作用。密封薄垫14，一方面用于密封，另一方面用于软化接触。加热板11采用低电压高电流直加热板。

矩形通道可视化加热段6通道最高能承受4MPa压力以及500℃高温。

螺栓15同时起着组装加固的作用。当加热板11壁温的温升超过15℃/s时，将自动切断电源停止加热。

温控装置20敷设在钢板10上；

石英玻璃13的长度为1000mm，宽度为40mm；

石英玻璃13上开槽形成流动通道18，流动通道18横截面尺寸为40mm×2mm；工质在流动通道18中流动；

流动通道18为窄矩形通道，流动通道18内截面为最窄处为1mm-5mm；宽边为3mm-10mm；流动通道18有一个面是不锈钢加热背板,其余三面为透光石英玻璃；

如图4所示，钢板背面敷设有20个热电偶19（在钢板10背面打小孔敷设热电偶19），这20个热电偶19等距离分布；热电偶19用来记录加热段加热板壁面不同点温度变化情况。

钢板10外面包裹着珍珠岩材料，以减小加热壁面上的热量散失。螺栓15上包裹着绝缘材料。

所述加热板11的长度为1000mm；所述热电偶19为铠装热电偶。

所述矩形通道可视化加热段6与管路的连接处包裹着绝缘材料；

所述矩形通道可视化加热段6的加热功率最大值为30kW（通过低电压高电流进行加热）。

所述水箱1的容积为0.15m³；

所述氮气瓶2的型号为GB/8980；所述稳压罐3为隔膜式气压罐；所述涡轮流量计4的型号是LW-10，量程为0-1200L/H；所述浮子流量计9型号为LZB-苏制05000132。

一般以往类似的自然循环系统的运行总功率只有几千瓦，但本系统总共加热功率最大实现为70kW，这为高功率下热工水力安全运行提供了现实基础。并且，可调节预热段功率改变入口欠热度，矩形通道可视化加热段6的热流密度也是可调的。矩形通道可视化加热段6的最高温度为500℃。系统加热的热量主要是通过冷凝器7将其运输出去，最终将温度降为20℃左右。

氮气瓶2用于对自然循环系统的压力进行调节，以满足不同工况对压力的要求。稳压罐3与氮气瓶2相连，一方面组织氮气进入系统；另一方面稳定系统压力变化，补充系统工质量的变化。考虑到可视化加热段的压力极限，工作压力最大为4MPa。压力调节主要用在实现不同压力下自然循环系统安全运行。

本发明的工作流程为：系统启动时，启动水泵8，打开第一阀门16，将水箱1中的去离子水充满整个回路；排气一段时间后，如果水可以流畅地流出第一阀门16，且听不到气体撞击金属的声音，认为回路中已基本没有不凝性气体。系统压力的调节可通过打开第二阀门17，利用氮气瓶2和稳压罐3实现。调整预热段5的功率，可调节矩形通道可视化加热段6入口过冷度。矩形通道可视化加热段6继续加热，使液体密度差发生较大变化，气体在加热段产生气液两相流动，则可用摄像仪观察并记录流动现象。从矩形通道可视化加热段6出来的工质经过冷凝器7冷却后重新返回预热段5进行加热。

矩形通道可视化加热段6利用加热管继续加热从预热段5出来的工质水，使其在矩形通道内产生泡状、弹状流、环状流等的不同流型，并达到自然循环的效果，并且利用高速摄像仪记录下所需的流动现象。在矩形通道可视化加热段6的加热壁面等距离的分布着测量温度的热电偶19。热电偶19测量的温度经过电气设备，反映输出在屏幕上。

可视化窄矩形通道自然循环系统的流动工质为去离子水，整个回路内的去离子水由水箱1提供。去离子水在预热段5中进行预热，在矩形通道可视化加热段6中继续加热，在冷凝器7中进行冷凝，最后返回水箱1。

冷凝器7用于冷却从矩形通道可视化加热段6流出的高温工质，冷凝器7采用套管式对流换热，高温介质在内管流动，低温介质在管外流动。冷凝水的流动通过水泵8驱动，流量通过浮子流量计9控制。

预热段5用于预热进入矩形通道可视化加热段6的工质水，可以调节预热段5功率，使其达到运行所需要的欠热度。

涡流流量计4用于测量自然循环流量。涡流流量计的流量测量点是预热段5进口，流体流相为单相流。

浮子流量计9置于冷却水旁路用于测量冷却水流量；

本发明的工作压力范围为0.1MPa -4.4MPa、温度范围为0℃-350℃。

Claims (7)

1.一种可视化窄矩形自然循环系统，其特征在于，它的结构如下：预热段(5)、矩形通道可视化加热段(6)、冷凝器(7)和涡轮流量计(4)通过管路装配在一起，从而形成了回路，预热段(5)位于该回路的底部，矩形通道可视化加热段(6)位于该回路的左侧，冷凝器(7)位于该回路的顶部，涡轮流量计(4)位于该回路的右侧；水箱(1)通过第一阀门(16)和管路与预热段(5)装配在一起，氮气瓶(2)、第二阀门(17)和稳压罐(3)通过管路装配在一起，稳压罐(3)通过管路与冷凝器(7)和涡轮流量计(4)装配在一起，水泵(8)、浮子流量计(9)和冷凝器(7)通过管路装配在一起；

氮气瓶(2)、水泵(8)和水箱(1)都置于地面；

所述矩形通道可视化加热段(6)的结构如下：钢板(10)、石英玻璃(13)通过螺栓(15)固定在一起；密封垫片(12)、密封薄垫(14)和加热板(11)三者紧密地装配在一起，密封垫片(12)、密封薄垫(14)和加热板(11)三者均位于钢板(10)和石英玻璃(13)之间；

温控装置(20)敷设在钢板(10)上；

石英玻璃(13)的长度为1000mm，宽度为40mm；

石英玻璃(13)上开槽形成流动通道(18)，流动通道(18)横截面尺寸为40mm×2mm；

流动通道(18)为窄矩形通道，流动通道(18)有一个面是不锈钢加热背板，其余三面为透光石英玻璃；

钢板背面敷设有20个热电偶(19)，这20个热电偶(19)等距离分布；热电偶(19)用来记录加热段加热板壁面不同点温度变化情况；

钢板(10)外面包裹着珍珠岩材料；

螺栓(15)上包裹着绝缘材料；

所述预热段(5)呈圆柱形，预热段(5)中装有8个加热管，每个加热管的额定功率为5kW；预热段(5)的加热功率为0kW到40kW；

所述预热段(5)采用加热管间接加热的方式；

所述矩形通道可视化加热段(6)采用间接电流加热的方式。

2.根据权利要求1所述的一种可视化窄矩形自然循环系统，其特征在于，所述水箱(1)装有去离子水。

3.根据权利要求1所述的一种可视化窄矩形自然循环系统，其特征在于，所述可视化窄矩形自然循环系统的最高点距离地面3.3m。

4.根据权利要求1所述的一种可视化窄矩形自然循环系统，其特征在于，所述管路为无缝钢管，其外径为32mm，内径为25mm。

5.根据权利要求1所述的一种可视化窄矩形自然循环系统，其特征在于，所述加热板(11)的长度为1000mm；所述热电偶为铠装热电偶。

6.根据权利要求1所述的一种可视化窄矩形自然循环系统，其特征在于，所述矩形通道可视化加热段(6)与管路的连接处包裹着绝缘材料；

所述矩形通道可视化加热段(6)的加热功率最大值为30kW。

7.根据权利要求1所述的一种可视化窄矩形自然循环系统，其特征在于，所述水箱(1)的容积为0.15m³；

所述氮气瓶(2)的型号为GB/8980；

所述稳压罐(3)为隔膜式气压罐；

所述涡轮流量计(4)的型号是LW-10，量程为0-1200L/H；

所述浮子流量计(9)型号为LZB-苏制05000132。