CN104409118A - 研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统及方法 - Google Patents

研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统及方法 Download PDF

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许鑫
雷锦云
许雁泽
张书玉
陈义学
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Abstract

本发明涉及一种研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统及方法，属于工程热物理与能源利用学科领域。该回路主要包括的设备有水箱、立体套管式换热器、板式换热器、电加热器及其控制柜、循环泵、涡街流量计、实验段及其温度测点、温度探测仪、在线pH探测仪、压力表、截止阀、三通阀、安全阀、旁路、排水管路、空压机及加压泄压管路；同时，设计了四种实验段来辅助实现实验。该系统可以实现pH和温度协同作用对腐蚀产物沉积的影响的研究；管道形状对腐蚀产物沉积的影响的研究；流速对腐蚀产物沉积的影响的研究。

Description

研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统及方法
技术领域
本发明涉及一种研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统及方法，属于工程热物理与能源利用学科领域。
背景技术
核能作为一种清洁、高效、经济的能源，在解决能源危机、改善环境方面有显著优势，其在当今世界能源领域已经占据了越来越重要的地位，然而制约核电迅速发展的一个关键因素是核电站的安全问题，其中放射性问题尤为突出。
研究表明，活化腐蚀产物是核电站放射性的最主要来源，另外，活化腐蚀产物的积累会影响换热设备的传热能力，增加冷却剂的流动阻力。
相比于核裂变，核聚变具有以下两个优点，一是原材料来源丰富且干净，二是受控核聚变反应在稀薄的气体中可以稳定而持续地进行，安全系数相对较高，因此，人们开始对聚变堆进行大量研究。
综上，研究聚变堆腐蚀产物的沉积行为，弄清其机理，具有重要的理论意义和实际意义。
例如，中国专利CN102254577A提供了一种颗粒型腐蚀产物在管道内迁移和沉积测量的实验系统，是常温常压的开放系统。而本实验系统是加温加压的密封系统，功能上能测量在不同温度下的腐蚀产物的迁移。
发明内容
本发明提供了一种研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统及方法，以实现对聚变堆腐蚀产物的沉积行为的研究。
本发明所述实验系统采用的技术方案为：
水箱的出口通过管道与三通阀连接，三通阀的一侧出口与排水管路连接，另一侧出口通过管道依次与循环泵、涡街流量计、套管式换热器的冷管段入口相连；循环泵与涡街流量计之间布置一条旁路，旁路和水箱的一个入口相连，且旁路上设置在线pH探测仪；套管式换热器的冷管段出口通过管道依次与第一实验段、电加热器、第二实验段串联，然后与套管式换热器的热管段入口连接；套管式换热器的热管段出口通过管道依次与第三实验段、板式换热器、第四实验段串联，然后接入水箱的主回路回水口；水箱上还设置空压机及加压泄压管路。
所述套管式换热器采用立体多层的布置方式。
所述包层/第一壁实验段，由依次连接的上引导段、上实验段、上集水箱、细流通管道、下集水箱、下实验段以及下引导段组成；上实验段和下实验段均为“L”型管；上集水箱和下集水箱均为长方体，两者间通过多根平行排列的、由两段水平段和一段竖直段组成的细流通管道连接；细流通管道的内径为实验段横管部分内径的30％～40％。
所述限制器实验段，由依次连接的上引导段、上实验段、上集水箱、细流通管道、下集水箱、下实验段以及下引导段组成；上实验段和下实验段均为“L”型管；上集水箱和下集水箱均为长方体，两者间通过多根平行排列的带有多个U形弯的细流通管道连接；细流通管道的内径为实验段横管部分内径的30％～40％。
所述限制器实验段，由依次连接的上引导段、上实验段、上集水箱、细流通管道、下集水箱、下实验段以及下引导段组成；上实验段和下实验段均为“L”型管，其横管部分和竖管部分的内径不同；上集水箱和下集水箱均为长方体，两者间通过多根平行排列的带有多个U形弯的细流通管道连接；细流通管道的内径及实验段竖管部分的内径为实验段横管部分内径的30％～40％。
所述电加热器上设置有泄压阀，其设定压力为5个大气压；电加热器上还设置控制柜，具有自动控温、超温报警和超压报警的功能。
所述水箱上还设有温度探测仪、压力表、安全阀。
所述系统的各段管道上分别设置截止阀。
所述系统是加温加压的封闭系统。
本发明提供的基于所述热工水力实验回路系统的实验方法，具体步骤为：
(A)选择并安装合适的实验段，打开水箱(1)上的法兰盖，逐步给水箱(1)充入纯水，封闭系统并开启循环泵(5)，使整个实验回路充满纯水，并使水箱(1)水量达到50％；
(B)添加指定的颗粒性腐蚀产物和碱性试剂，搅拌均匀后关闭水箱(1)上的法兰盖；
(C)启动电加热器(4)加热至50℃并调节各阀门开度；实验系统稳定后，对水箱(1)加压至4.5Mpa，再升高电加热器(4)出口温度；升温至80℃时，开启板式换热器(3)进行换热；电加热器(4)出口温度达到150℃时停止工作，并使系统维持在5个大气压；
(D)稳定运行2h后，记录四个实验段测点的温度仪表显示的温度，记录水箱的温度、压力，对实验段沉积层进行测厚，绘制沉积层曲线，并对测点的电压值进行标定；
研究pH和温度的协同作用对于腐蚀产物沉积行为的影响时，采用的后续步骤为：
(E.1)数据记录完毕，关闭电加热器(4)、板式换热器(3)和循环泵(5)，随后通过泄压口进行泄压操作，最后清洗实验装置；
(F.1)之后几组实验，调节初始pH值，重复实验步骤；
研究粒径对于腐蚀产物沉积行为的影响时，采用的后续步骤为：
(E.2)数据记录完毕，关闭电加热器(4)、板式换热器(3)和循环泵(5)，随后通过泄压口进行泄压操作，最后清洗实验装置；
(F.2)之后几组实验，调节颗粒性腐蚀产物的粒径，重复实验步骤；
研究流速对于腐蚀产物沉积行为的影响时，采用的后续步骤为：
(E.3)调节所有阀门的开度，重复测量步骤，不需拆卸实验段和清洗实验回路。
所述实验系统的温度范围为室温至150℃。
本发明的有益效果为：
(1)通过添加不同量的碱性试剂，来调节溶液的pH，通过调节电加热器的功率使不同测点处形成不同的温度，进而来研究pH和温度的协同作用对于腐蚀产物沉积行为的影响。
(2)通过在相同温度测点处设置不同的实验段，来研究管道形状对于腐蚀产物沉积行为的影响。
(3)通过调节阀门开度来调节流量，进而调节流速，来研究流速对于腐蚀产物沉积行为的影响。
(4)通过回路系统建成后的运行情况证明，回路可以很好的完成以上各项功能，可以实现对于腐蚀产物沉积行为的研究。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图；
图2为水平弯管实验段示意图；
图3为竖直U型管实验段示意图；
图4(a)和图4(b)分别为包层/第一壁实验段的侧面视图及正面视图；
图5(a)和图5(b)分别为限制器实验段的侧面视图及正面视图。
图中标号：
1-水箱；2-套管式换热器；3-板式换热器；4-电加热器；5-循环泵；6-涡街流量计；7-1-第一实验段；7-2-第二实验段；7-3-第三实验段；7-4-第四实验段；8-温度探测仪；9-在线pH探测仪；10-压力表；11-1、11-2、11-3-截止阀；12-三通阀；13-安全阀；14-旁路；15-排水管路；16-空压机及加压泄压管路。
具体实施方式
本发明提供了一种研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统及方法，下面结合附图1对本发明的结构原理和工作原理作详细说明
水箱1的出口通过管道与三通阀12连接，三通阀12的一侧出口与排水管路15连接，另一侧出口通过管道依次与循环泵5、涡街流量计6、套管式换热器2的冷管段入口相连；循环泵5与涡街流量计6之间布置一条旁路14，旁路14和水箱1的一个入口相连，且旁路14上设置在线pH探测仪9；套管式换热器2的冷管段出口通过管道依次与第一实验段7-1、电加热器4、第二实验段7-2串联，然后与套管式换热器2的热管段入口连接；套管式换热器2的热管段出口通过管道依次与第三实验段7-3、板式换热器3、第四实验段7-4串联，然后接入水箱1的主回路回水口；水箱1上还设置空压机及加压泄压管路16。
其中，套管式换热器2采用立体多层的布置方式。
各个实验段均具有四种结构形状以辅助实验系统各个功能的实现，分别为水平弯管实验段，如图2所示；竖直U型管实验段，如图3所示；包层/第一壁实验段，如图4(a)和图4(b)所示；限制器实验段，如图5(a)和图5(b)所示。且实验段与管道间均通过法兰连接；各实验段处分别设置温度测点。
所述包层/第一壁实验段，由依次连接的上引导段、上实验段、上集水箱、细流通管道、下集水箱、下实验段以及下引导段组成；上实验段和下实验段均为“L”型管；上集水箱和下集水箱均为长方体，两者间通过多根平行排列的、由两段水平段和一段竖直段组成的细流通管道连接；细流通管道的内径为实验段横管部分内径的30％～40％。
所述限制器实验段，由依次连接的上引导段、上实验段、上集水箱、细流通管道、下集水箱、下实验段以及下引导段组成；上实验段和下实验段均为“L”型管；上集水箱和下集水箱均为长方体，两者间通过多根平行排列的带有多个U形弯的细流通管道连接；细流通管道的内径为实验段横管部分内径的30％～40％。
电加热器4上设置有泄压阀，其设定压力为5个大气压；电加热器4上还设置控制柜，具有自动控温、超温报警和超压报警的功能。水箱1上还设有温度探测仪8、压力表10、安全阀13。空压机及加压泄压管路16上、旁路14上以及旁路14与涡街流量计6之间的管路上设置截止阀11-1、11-2、11-3。
本发明的各实施例中，竖直U型实验段可以模拟实际聚变堆系统中换热器中的腐蚀产物的沉积情况，连接方式为法兰连接，法兰之间水平距离为500mm。竖直U型实验段内径为8mm，竖直段长度为500mm，上部180°弯管的半径为150mm。
本发明的各实施例中，水平弯管实验段可以模拟实际聚变堆系统中的冷却剂管道中的水平弯管部分的腐蚀产物的沉积情况，连接方式为法兰连接，法兰之间水平距离为500mm。水平弯管实验段内径为8mm，180°弯管的半径为150mm。
本发明的各实施例中，包层/第一壁实验段可以模拟实际聚变堆系统中包层/第一壁处的腐蚀产物的沉积情况，连接方式为法兰连接，法兰之间水平距离为500mm。上实验段和下实验段的横管部分内径为25mm，上实验段和下实验段之间的间距为50mm；各自的竖直段长度为200mm，集水箱为长450mm，宽25mm，高25mm长方体，细流通管道共9条，其内径为8mm，等间距布置在集水箱上，间距为42mm，水平段长度为50mm，竖直段长度为500mm，引导段管道的内径为25mm。
本发明的各实施例中，限制器实验段可以模拟实际聚变堆系统中包层/第一壁处的腐蚀产物的沉积情况，连接方式为法兰连接，法兰之间水平距离为500mm。上实验段和下实验段的横管部分内径为25mm，上实验段和下实验段之间的间距为50mm；各自的竖直段长度为200mm，集水箱为长450mm，宽25mm，高25mm长方体，细流通管道共9条，其内径为8mm，等间距布置在集水箱上，间距为42mm，每条细流通管道有6个U形弯，竖直段长度为500mm，引导段管道的内径为25mm。
实施例1
结合图1，介绍本发明的第一个实施例，研究pH和温度的协同作用对于腐蚀产物沉积行为的影响。
(1)在四个实验段处分别布置合适的实验段，本实施例中，两个水平弯管实验段布置在电加热器4出口端和板式换热器换热3后端，竖直U形管实验段、包层/第一壁实验段或限制器实验段布置在电加热器4入口端和板式换热器3前端，将各个实验段在测点处连接好；
(2)打开水箱1上的法兰盖，逐步给水箱充入纯水，封闭加压泄压管路和排水管路15，开启循环泵5使管路中的纯水流动，使整个实验回路充满水，并使水箱1水量达到50％左右；
(3)添加适量指定的颗粒性腐蚀产物(本实施例中采用Fe3O4粉末，dp＝5μm，添加50g)，搅拌均匀后关闭水箱1上的法兰盖使系统封闭。初始pH值为7，不需要添加LiOH水溶液；
(4)启动电加热器4，设定电加热器4出口温度为50℃，调节所有阀门开度为50％；
(5)整个实验系统基本稳定后，此时通过空压机连接水箱，先加压至4.5Mpa，然后空压机停止加压，关闭空压机加压阀门，再逐渐调整电加热器出口温度，缓慢地逐步升温，当电加热器4出口温度达到80℃时，开启板式换热器3连接的循环泵开始进行换热；
每次升温后都需要稳定运行5min，最后使之达到150℃，并稳定下来(饱和蒸汽温度为150℃时，对应压力4.760bar，理论上应加压到5个大气压以保证液态水环境)；系统如果超过5个大气压，泄压阀工作，使系统维持在5个大气压左右；
(6)稳定运行2h后，记录四个实验段测点的温度仪表显示的温度，记录水箱的温度、压力，使用OMD-100氧化皮测厚仪对实验段沉积层进行测厚，利用仪器绘制显示沉积层曲线，并对测点的电压值进行标定；
(7)数据记录完毕，关闭电加热器4、板式换热器3和循环泵5，随后通过泄压口进行泄压操作，最后清洗实验装置；
(8)之后两组实验，调节初始pH值分别为7.5和8(分别添加4mL和13mL的0.1mol/L的LiOH溶液)，其他步骤均相同。
实施例2
结合图1，介绍本发明的第二个实施例，研究粒径对于腐蚀产物沉积行为的影响。
(1)在四个实验段处分别布置合适的实验段，本实施例中，两个水平弯管实验段布置在电加热器4出口端和板式换热器换热3后端，竖直U形管实验段、包层/第一壁实验段或限制器实验段布置在电加热器4入口端和板式换热器3前端，将各个实验段在测点处连接好；
(2)打开水箱1上的法兰盖，逐步给水箱充入纯水，封闭加压泄压管路和排水管路15，开启循环泵5使管路中的纯水流动，使整个实验回路充满水，并使水箱1水量达到50％左右；
(3)添加适量指定的颗粒性腐蚀产物(本实施例中采用Fe3O4粉末，dp＝5μm，添加50g)，搅拌均匀后关闭水箱1上的法兰盖使系统封闭。初始pH值为7，不需要添加LiOH水溶液；
(4)启动电加热器4，设定电加热器4出口温度为50℃，调节所有阀门开度为50％；
(5)整个实验系统基本稳定后，此时通过空压机连接水箱，先加压至4.5Mpa，然后空压机停止加压，关闭空压机加压阀门，再逐渐调整电加热器出口温度，缓慢地逐步升温，当电加热器4出口温度达到80℃时，开启板式换热器3连接的循环泵开始进行换热；
每次升温后都需要稳定运行5min，最后使之达到150℃，并稳定下来(饱和蒸汽温度为150℃时，对应压力4.760bar，理论上应加压到5个大气压以保证液态水环境)；系统如果超过5个大气压，泄压阀工作，使系统维持在5个大气压左右；
(6)稳定运行2h后，记录四个实验段测点的温度仪表显示的温度，记录水箱的温度、压力，使用OMD-100氧化皮测厚仪对实验段沉积层进行测厚，利用仪器绘制显示沉积层曲线，并对测点的电压值进行标定。
(7)数据记录完毕，关闭电加热器4、板式换热器3和循环泵5，随后通过泄压口进行泄压操作，最后清洗实验装置；
(8)第二组实验，调节粒径值dp为10μm，其他步骤均相同。
实施例3
结合图1，介绍本发明的第三个实施例，研究流速对于腐蚀产物沉积行为的影响。
(1)在四个实验段处分别布置合适的实验段，本实施例中，两个水平弯管实验段布置在电加热器4出口端和板式换热器换热3后端，竖直U形管实验段、包层/第一壁实验段或限制器实验段布置在电加热器4入口端和板式换热器3前端，将各个实验段在测点处连接好；
(2)打开水箱1上的法兰盖，逐步给水箱充入纯水，封闭加压泄压管路和排水管路15，开启循环泵5使管路中的纯水流动，使整个实验回路充满水，并使水箱1水量达到50％左右；
(3)添加适量指定的颗粒性腐蚀产物(本实施例中采用Fe3O4粉末，dp＝5μm，添加50g)，搅拌均匀后关闭水箱1上的法兰盖使系统封闭。初始pH值为7，不需要添加LiOH水溶液；
(4)启动电加热器4，设定电加热器4出口温度为50℃，调节所有阀门开度为50％；
(5)整个实验系统基本稳定后，此时通过空压机连接水箱，先加压至4.5Mpa，然后空压机停止加压，关闭空压机加压阀门，再逐渐调整电加热器出口温度，缓慢地逐步升温，当电加热器4出口温度达到80℃时，开启板式换热器3连接的循环泵开始进行换热；
每次升温后都需要稳定运行5min，最后使之达到150℃，并稳定下来(饱和蒸汽温度为150℃时，对应压力4.760bar，理论上应加压到5个大气压以保证液态水环境)；系统如果超过5个大气压，泄压阀工作，使系统维持在5个大气压左右；
(6)稳定运行2h后，记录四个实验段测点的温度仪表显示的温度，记录水箱的温度、压力，使用OMD-100氧化皮测厚仪对实验段沉积层进行测厚，利用仪器绘制显示沉积层曲线，并对测点的电压值进行标定。
(7)之后再调节2次所有阀门的开度，再测量2组数据，不需拆卸实验段和清洗实验回路。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演和替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统，其特征在于：水箱(1)的出口通过管道与三通阀(12)连接，三通阀(12)的一侧出口与排水管路(15)连接，另一侧出口通过管道依次与循环泵(5)、涡街流量计(6)、套管式换热器(2)的冷管段入口相连；循环泵(5)与涡街流量计(6)之间布置一条旁路(14)，旁路(14)和水箱(1)的一个入口相连，且旁路(14)上设置在线pH探测仪(9)；套管式换热器(2)的冷管段出口通过管道依次与第一实验段(7-1)、电加热器(4)、第二实验段(7-2)串联，然后与套管式换热器(2)的热管段入口连接；套管式换热器(2)的热管段出口通过管道依次与第三实验段(7-3)、板式换热器(3)、第四实验段(7-4)串联，然后接入水箱(1)的主回路回水口；水箱(1)上还设置空压机及加压泄压管路(16)。
2.根据权利要求1所述的研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统，其特征在于：所述套管式换热器(2)采用立体多层的布置方式。
3.根据权利要求1所述的研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统，其特征在于：所述各个实验段均具有四种结构形状以辅助实验系统各个功能的实现，分别为：水平弯管实验段、竖直U型管实验段、包层/第一壁实验段、限制器实验段；且各种实验段与管道间均通过法兰连接；各实验段处分别设置温度测点。
4.根据权利要求3所述的研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统，其特征在于：所述包层/第一壁实验段，由依次连接的上引导段、上实验段、上集水箱、细流通管道、下集水箱、下实验段以及下引导段组成；上实验段和下实验段均为“L”型管；上集水箱和下集水箱均为长方体，两者间通过多根平行排列的、由两段水平段和一段竖直段组成的细流通管道连接；细流通管道的内径为实验段横管部分内径的30％～40％。
5.根据权利要求3所述的研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统，其特征在于：所述限制器实验段，由依次连接的上引导段、上实验段、上集水箱、细流通管道、下集水箱、下实验段以及下引导段组成；上实验段和下实验段均为“L”型管；上集水箱和下集水箱均为长方体，两者间通过多根平行排列的带有多个U形弯的细流通管道连接；细流通管道的内径为实验段横管部分内径的30％～40％。
6.根据权利要求1所述的研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统，其特征在于：所述电加热器(4)上设置有泄压阀，其设定压力为7个大气压；电加热器(4)上还设置控制柜，具有自动控温、超温报警和超压报警的功能。
7.根据权利要求1所述的研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统，其特征在于：所述水箱(1)上还设有温度探测仪(8)、压力表(10)、安全阀(13)。
8.根据权利要求1所述的研究聚变堆腐蚀产物沉积的热工水力实验系统，其特征在于：所述系统的各段管道上分别设置截止阀。
9.基于权利要求1所述热工水力实验系统的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
(A)选择并安装合适的实验段，打开水箱(1)上的法兰盖，逐步给水箱(1)充入纯水，封闭系统并开启循环泵(5)，使整个实验回路充满纯水，并使水箱(1)水量达到50％；
(B)添加指定的颗粒性腐蚀产物和碱性试剂，搅拌均匀后关闭水箱(1)上的法兰盖；
(C)启动电加热器(4)加热至50℃并调节各阀门开度；实验系统稳定后，对水箱(1)加压至4.5Mpa，再升高电加热器(4)出口温度；升温至80℃时，开启板式换热器(3)进行换热；电加热器(4)出口温度达到150℃时停止工作，并使系统维持在5个大气压；
(D)稳定运行2h后，记录四个实验段测点的温度仪表显示的温度，记录水箱的温度、压力，对实验段沉积层进行测厚，绘制沉积层曲线，并对测点的电压值进行标定；
研究pH和温度的协同作用对于腐蚀产物沉积行为的影响时，采用的后续步骤为：
(E.1)数据记录完毕，关闭电加热器(4)、板式换热器(3)和循环泵(5)，随后通过泄压口进行泄压操作，最后清洗实验装置；
(F.1)之后几组实验，调节初始pH值，重复实验步骤；
研究粒径对于腐蚀产物沉积行为的影响时，采用的后续步骤为：
(E.2)数据记录完毕，关闭电加热器(4)、板式换热器(3)和循环泵(5)，随后通过泄压口进行泄压操作，最后清洗实验装置；
(F.2)之后几组实验，调节颗粒性腐蚀产物的粒径，重复实验步骤；
研究流速对于腐蚀产物沉积行为的影响时，采用的后续步骤为：
(E.3)调节所有阀门的开度，重复测量步骤，不需拆卸实验段和清洗实验回路。
10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于：所述实验系统的温度范围为室温至150℃。
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