CN104966536B - 一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统及方法，该系统包括与换热器试验件的壳体侧通道串连的为试验提供高温试验工质的一回路、与换热器试验件的进出口集管箱串连的为试验提供热源的高温导热油二回路，以及与为试验提供热源的高温导热油二回路的热交换器冷流体侧串连的冷却高温导热油二回路的冷井三回路；本发明还公开了试验方法；本发明能够满足研究核反应堆工程热工水力验证性试验领域中高温工质在换热器设备尤其是管壳式换热器中流动换热特性的要求，且具有结构简单、操作方便、温度流量易于精确控制、加热系统低压、安全经济、可适用温度达到200℃以上350℃以下的优点。

Description

一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种核反应堆工程热工水力验证性试验研究技术领域中高温工质在反应堆系统设备中流动换热特性的试验方法和系统，具体涉及一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统及方法。

背景技术

在核反应堆系统蒸汽发生器和汽水分离再热器中，管内外工质均为高温条件，在核反应堆蒸汽发生器内管侧流体温度达到350℃左右，在汽水分离再热器内管侧流体温度达到280℃左右。为满足日益提高的核电系统设备安全性和可靠性要求，核反应堆热工水力系统设备的验证性试验水平也需要相应的保证和提高。为研究核反应堆系统中管壳式换热器不同管束结构条件下管外高温工质的流动换热特性，并且利用试验方法验证其在运行温度条件下的流动换热特性，需要开展验证性试验，在试验中提供一种高温高热流密度的管内热源条件。

一般可在换热试验研究中作为热源的主要有电加热棒、电加热管、热空气、热水、压力蒸汽、高温导热油、高温熔盐等。在换热试验研究中，需要试验系统达到热平衡状态，才能够得到稳定可靠的试验数据，即需要控制试验系统中热源状态的稳定，并且能够准确测量到热源温度、压力、流量、热流密度等关键参数。

一般在室温至80℃以下的低温换热试验中，热源多采用热空气或者热水，这类热源条件在低压系统中可以较方便地获得，流动传热特性研究相对充分，而且其温度、压力、流量等关键参数容易精确控制及测量。由于热空气的传热系数小，往往为达到一定的热流密度，需要提供非常大的空气流速，大大提高了设备要求，故在管侧热源中一般较少使用热空气。相对于采用热流体作为热源，采用电加热棒和电加热管作为热源，能够提供容易控制、准确而均匀的热流密度条件，但由于加热棒或加热管壁面温度的准确测量难度非常大，容易在试验中引入较大的传热计算误差。在热源温度要求200℃以下的换热试验中，还可以采用热水作为热源；但是当要求热源温度达到更高温度的条件时，就要求热源系统达到更高压的条件，当要求热水温度达到280℃到350℃时，热源系统压力要求达到6.5MPa到17MPa之间，高压条件对系统设备的性能要求非常高，即要求更复杂的系统设备结构和更高的投资。导热油在高温环境中具有优良的流动及传热特性，其使用已经在工业中较为广泛而成熟，目前市场上技术成熟的导热油，使用温度可高达320～350℃，而且在常压下就可以实现；高温导热油还具有粘度非常小，热稳定性好、低毒无异味，对金属无腐蚀，凝固点低，热传导性好等优点。在循环高温导热油回路中，利用循环泵强制导热油在回路系统中循环流动；导热油在加热炉中加热，并输送到换热器中换热，再返回加热炉中重新加热。选择合适的导热油作为热流体，并且提供足够高的循环流速，就使循环导热油具备了在管内提供足够高的热流密度的能力，可以满足核反应堆工程热工水力研究领域中管壳式换热器不同管束结构条件下的流动换热特性的试验要求，比如蒸汽发生器管束外两相水和汽水分离再热器管束外蒸汽流动换热特性试验研究。

专利CN201945567公开了一种多功能宽流程单相对流换热试验装置，主要研究以水为介质的换热器传热与阻力性能试验，该装置能够集传热管和管束换热器单相对流换热和流动阻力测试于一体，可以在很宽的雷诺数范围内对不同形状、不同几何尺寸的传热管和不同布管方式的换热器进行传热特性及流动阻力特性的试验研究。但是该装置，不能提供足够高温度的管内热流体，不满足进行核反应堆工程验证性的高温工质流动换热试验的条件。

专利CN102081060B公开了一种多功能宽流程单相对流换热试验装置，它包括循环水系统、电加热系统、测量系统、实验段四部分。该发明只能进行单相水的流动换热试验，不能满足高温蒸汽或汽液两相流流动换热试验的要求。

专利CN101266060公开了一种以有机载热体为介质多组真空超导散热器串联电采暖，主要利用有机载热体升温高的优势，灵活使用点发热棒功率的方法，能够极大程度地满足一个户室或一楼层的实施电采暖需求。但是，该发明没有将有机热载体使用在换热试验中，做为一种升温高的换热热源。

专利CN103933916A公开了一种以熔盐为载热体的加热冷却方法和系统，主要通过高温熔盐加热和冷却循环系统对反应釜进行温度控制，系统机构简单、操作方便、传热均匀、温度易于精确控制，可以在350℃以上高温进行操作。但是高温熔盐的流动性较差、物性参数不够成熟，在280℃下温度流动性更差且容易凝固，对于进行300℃以下温度的换热试验不太适用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统及方法，能够满足研究核反应堆工程热工水力验证性试验领域中高温工质在换热器设备尤其是管壳式换热器中流动换热特性的要求，且具有结构简单、操作方便、温度流量易于精确控制、加热系统低压、安全经济、可适用温度达到200℃以上350℃以下的优点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统，包括与换热器试验件10的壳体101侧通道串连的为试验提供高温试验工质的一回路、与换热器试验件10的进出口集管箱103串连的为试验提供热源的高温导热油二回路，以及与为试验提供热源的高温导热油二回路中的热交换器冷流体侧串连的冷却高温导热油二回路的冷井三回路；

所述为试验提供高温试验工质的一回路包括提供蒸汽的过热蒸汽源01和提供冷却水的冷却水源02，通过过热蒸汽管线011和冷却水管线021分别与过热蒸汽源01和冷却水源02连接的将蒸汽和冷却水搅混的混合器11，所述混合器11和换热器试验件10连通的管路上设置有安全阀17及其泄压管线041和排污阀161及其排污管线031，还包括通过两个三通阀门18并联到换热器试验件10后的主排汽管线051上的汽水分离器12，连接在汽水分离器12上的疏水管线121和排汽管线122；所述连接过热蒸汽源01和混合器11的过热蒸汽管线011依次设置有调节阀16、压力传感器15、体积流量计14和热电阻13；所述连接冷却水源02和混合器11的冷却水管线021依次设置有调节阀16、压力传感器15、质量流量计141和热电阻13；所述混合器11包括球形容器110、将冷却水雾化喷淋的喷雾头111和搅混混合蒸汽的搅混叶片112，喷雾头111设置在球形容器110内冷却水接口上，搅混叶片112设置在球形容器110内混合蒸汽出口前，喷雾头111和搅混叶片112都有利于蒸汽和水的充分混合；在所述主排汽管线051上两个三通阀门18下游依次设置有热电阻13、体积流量计14、压力传感器15、调节阀16和消音器19，在所述疏水管线121上依次设置有热电阻13、质量流量计141、压力传感器15和调节阀16；

所述为试验提供热源的高温导热油二回路包括循环泵21和与其并联的备用泵210，分别通过球阀201和热电阻13与循环泵21和备用泵210连接的电加热器20，所述电加热器20通过热电阻13和球阀201与换热器试验件10的入口集管箱103连通，形成导热油循环主路；换热器试验件10的出口集管箱1031与油气分离器23连通，在油气分离器23与出口集管箱1031连接的管路上依次设置有热电阻13、体积流量计14、压力传感器15和球阀201，所述电加热器20通过球阀201也与油气分离器23连通，形成导热油循环的旁路；所述油气分离器23出口与热交换器24热流体侧入口连通，热交换器24热流体侧出口通过球阀201与过滤器22连通，过滤器22分别通过球阀201与循环泵21和备用泵210连通；所述热交换器24热流体侧出口还通过球阀201与储油罐26的入口连通；在储油罐26罐体最低位置设置储油罐排污管线264、在储油罐26最高位置设置加油管263及球阀201、在储油罐26顶端设置储油罐排气管262和储油罐液位计261，所述储油罐26罐体和水平面间有预设角度，储油罐排污管线264位于罐体最低位置，以利于杂质集中并充分排空；储油罐26的侧面总高的五分之一高度处设置管口，依次通过球阀201、注油泵27和球阀201与膨胀罐25的顶部连通，形成膨胀罐注油管线253；膨胀罐25底部通过油气分离器连接管231与油气分离器23的顶部连通，在膨胀罐25的侧面总高的五分之四高度上设置膨胀罐溢流管线254与储油罐26的入口连通，膨胀罐25底部通过膨胀罐排污管线255与储油罐26的入口连通，在膨胀罐排污管线255上设置有球阀201，膨胀罐25还设置有膨胀罐排气管252和膨胀罐液位计251；所述换热器试验件10的入口集管箱103和出口集管箱1031均通过卸油管线211与热交换器24热流体侧入口连通，卸油管线211上设置有球阀201；

所述冷却高温导热油二回路的冷井三回路包括与热交换器24冷流体侧入口连通的风机30，在风机30入口上设置有阀门301，热交换器24的冷流体侧出口通过阀门301与大气相连。

所述储油罐26和水平面间的夹角为5°-10°，且设置在为试验提供热源的高温导热油二回路的最低位置，其容积为试验系统内循环流动导热油体积的2-2.5倍。

所述油气分离器23的安装位置高于电加热器20。

所述膨胀罐25设置在为试验提供热源的高温导热油二回路的最高位置，且高于油气分离器23顶部1.5米以上，其容积为试验系统循环流动导热油体积的1.5-2倍，在导热油热态循环时，在膨胀罐25内存有体积为循环流动导热油体积的0.5-1倍的冷油作为油封，以防止热油和空气接触氧化。

所述电加热器20采用多级功率控制电加热管式加热器，其加热能力为换热器试验件10的最大设计换热量的1.5倍以上。

所述系统高温设备外均包覆有厚度为150-200mm的硅酸铝保温棉，以减少系统热损失、提高试验测量精度、保护人员安全。

上述所述的试验系统的试验方法，流经换热器试验件10温度、压力、流量可调的试验工质由为试验提供高温试验工质的一回路提供，流经换热器试验件10温度、流量可调的高温导热油由为试验提供热源的高温导热油二回路提供，试验工质在试验件的壳体101侧流通，高温导热油在换热器试验件10内的换热管束102侧流通，试验工质被高温导热油加热；试验工质流经换热管束102外，温度升高、压力下降，通过设置在换热器试验件10的壳体101上的热电阻13、压力传感器15和差压变送器151，测量试验工质在流入换热管束102前的主流温度、压力和流出换热管束102后的主流温度、压力，流经换热管束102的压降；为试验提供热源的高温导热油二回路向换热器试验件10提供温度、流量可调的高温导热油，高温导热油在换热器试验件10的换热管束102侧流通，被壳体101侧流通的试验工质冷却，高温导热油流经换热管束102内温度下降、压力下降，通过设置在换热器试验件10入口集管箱103和出口集管箱1031上的热电阻13、压力传感器15和差压变送器151测量导热油在入口集管箱103的主流温度、压力和出口集管箱1031的主流温度、压力以及流经换热管束102的压降；

具体如下：

在为试验提供高温试验工质的一回路中：过热蒸汽源01进入为试验提供高温试验工质的一回路的过热蒸汽压力、体积流量和温度由设置在过热蒸汽管线011上的压力传感器15、体积流量计14和热电阻13测量；冷却水源02的压力、质量流量和温度由设置在冷却水管线021上的压力传感器15、质量流量计141和热电阻13测量；试验所需高温工质由过热蒸汽和冷却水混合而成，高温工质进入换热器试验件10的温度、干度、流量和压力由设置在过热蒸汽源01的过热蒸汽管线011和冷却水源02的冷却水管线021上的调节阀16和混合器11控制；对于换热器试验件10入口为过热蒸汽的试验高温工质，温度由换热器试验件10壳体101上位于换热管束102前的热电阻13测量、流量由设置在主排汽管线051上的体积流量计14测量；对于换热器试验件10入口为高干度的饱和蒸汽的高温试验工质，流量等于混合前的过热蒸汽和冷却水流量之和，通过对换热管束102设置合适的排数和对每个试验工况设计合适的饱和蒸汽流量和循环导热油流量，使试验工质在流出换热管束102后即达到过热状态，由设置在主排汽管线051上的体积流量计14校核测量试验高温工质流量；对于换热器试验件10入口为两相饱和水的试验高温工质，其含汽率由进入混合器11的过热蒸汽和冷却水的参数计算并控制，流量等于混合前的过热蒸汽和冷却水流量之和，汽水分离器12将流出换热器试验件10的饱和蒸汽和饱和水分离，疏水管线121上设置的热电阻13、质量流量计141和压力传感15测量饱和水的参数，主排汽管线051上设置的热电阻13、体积流量计14和压力传感15测量饱和蒸汽的参数；

在为试验提供热源的高温导热油二回路中：循环高温导热油的载热量，即导热油在换热管内的传热能力，由进入换热器试验件10的导热油流量和温度来控制，结合导热油物性参数和传热关系式估算；循环高温导热油的流量，由设置在为试验提供热源的高温导热油二回路上的循环泵21和相应的球阀201控制，流出换热器试验件10的高温导热油的参数由出口集管箱1031下游的热电阻13、压力传感器15和体积流量计14测量，通过结合换热管束102结构参数，计算管内平均流量；热交换器24冷流体侧与冷却高温导热油二回路的冷井三回路串连；循环高温导热油的温度由设置在为试验提供热源的高温导热油二回路中的电加热器20和热交换器24来调节控制，进入换热器试验件10入口集管箱103的导热油温度需要精确控制，进入循环泵21的导热油温度也必须低于循环泵21的工作介质温度；为试验提供热源的高温导热油二回路在常温下启动，通过循环泵21做功和电加热器20加热逐渐提升导热油温度；调整电加热器20加热功率和热交换器24的换热能力，控制导热油进入换热器试验件10的入口集管箱103的温度和进入循环泵21的温度，以及补偿系统热损失；当需要在稳定的导热油温度下，提高导热油在换热管束102内的传热能力时，通过循环泵21和备用泵210提高循环导热油流量、增大电加热器20功率、调整热交换器24的换热能力，进而实现对导热油温度和流量的精确控制；

在冷却高温导热油二回路的冷井三回路中：热交换器24的冷却能力由进入热交换器24的空气流量决定，进入热交换器24的空气流量由设置在冷却高温导热油二回路的冷井三回路的风机30控制。

为试验提供热源的高温导热油二回路所用导热油的炭化膜温大于320℃；为试验提供热源的高温导热油二回路经过水压试验和空气吹扫干燥后，新导热油首先注入在储油罐26内，再通过膨胀罐注油管线253向膨胀罐25内注油，关闭储油罐26入口前的阀门，导热油逐渐充满为试验提供热源的高温导热油二回路中膨胀罐25高度以下的所有管线和设备中，以及换热器试验件10的入口集管箱103、换热管束102和出口集管箱1031中，并在膨胀罐25内继续充导热油至其液位达到膨胀罐25三分之一高度；在常温下启动循环泵21，循环流动的导热油通过循环泵21做功和电加热器20逐级加热温度升高、体积膨胀并不断产生气体，膨胀的导热油和产生的气体通过油气分离器23进入到膨胀罐25内与冷导热油混合，气体通过膨胀罐排气管252排出到大气中；循环流动的导热油状态逐渐稳定，由于导热油升温所产生的气体越来越少，最终达到试验所需的状态。

当为试验提供热源的高温导热油二回路出现故障或者试验停止时，通过打开卸油管线211上的球阀201和储油罐26入口前的球阀，所有导热油会快速卸入储油罐26内，保证系统安全并存储导热油。

每个试验工况的开展都需要不断反馈调节为试验提供高温试验工质的一回路、为试验提供热源的高温导热油二回路和冷却高温导热油二回路的冷井三回路这三个回路系统的设备参数，已达到试验要求的高温试验工质和高温导热油条件，并需要系统达到稳态，以记录可靠的试验数据。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明填补能源与化工工程高温试验领域，尤其是核反应堆工程试验验证领域的空白，具有非常重要的科研与工程意义。在高温蒸汽流动换热试验过程中，当一个试验工况稳定后，记录数据时需要保持稳定状态持续一段时间；需要记录的数据包括试验工质的温度、流量、压力、进出口温差、进出口压降，热源流体的温度、流量、压力、进出口温差、进出口压降等参数。在一个试验工况结束后，要调整到另一个试验工况时，一般需要对系统的各个回路进行一系列连续的匹配操作才能够达到，故需要花费较长的时间等待系统的再次稳定。本发明能够满足研究核反应堆工程热工水力验证性试验领域中高温工质在管壳式换热器中流动换热特性的要求，且具有结构简单、操作方便、温度流量易于精确控制、加热系统低压、安全经济、可适用温度达到200℃以上350℃以下的特征和优点。

附图说明

图1为本发明的优选实施例的以导热油为热流体的高温工质换热试验系统的示意图。

图2是换热器试验件示意图。

图3是为试验提供高温试验工质的一回路示意图。

图4是为试验提供热源的高温导热油二回路示意图。

图5是冷却高温导热油二回路的冷井三回路示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统，包括与换热器试验件10的壳体101侧通道串连的为试验提供高温试验工质的一回路、与换热器试验件10的进出口集管箱103串连的为试验提供热源的高温导热油二回路，以及与为试验提供热源的高温导热油二回路的热交换器冷流体侧串连的冷却高温导热油二回路的冷井三回路。

如图2所示为换热器试验件10，主要包括壳体101、换热管束102和进口集管箱103和出口集管箱1031。换热器试验件10还包括安装在壳体101上测量试验工质参数的两支热电阻13、两个压力传感器15和一个差压变送器151；安装在进口集管箱103和出口集管箱1031上测量导热油参数的两个热电阻13、两个压力传感器15和一个差压变送器151。两个热电阻13和两个压力传感器15分别设置在壳体101的换热管束102上游或下游一定位置，测量高温试验工质进出换热管束102的主流温度和压力；一个差压变送器151的两端取压孔设置在壳体101的换热管束102上游和下游一定位置，测量高温试验工质流经换热管束102的压降。通过测量得到的换热管束102前高温试验工质的主流温度和压力值，为调节过热蒸汽和冷却水的入口参数提供反馈；通过测量得到的换热管束102后高温试验工质的主流温度和压力值，为调节循环流动高温导热油的流量和温度提供反馈。所述换热器试验件10外包覆有厚度为150-200mm的硅酸铝保温棉，以减少系统热损失、提高试验测量精度、保护人员安全。

如图3所示，所述为试验提供高温试验工质的一回路包括提供蒸汽的过热蒸汽源01和提供冷却水的冷却水源02，通过过热蒸汽管线011和冷却水管线021分别与过热蒸汽源01和冷却水源02连接的将蒸汽和冷却水搅混的混合器11，所述混合器11和换热器试验件10连通的管路上设置有安全阀17及其泄压管线041和排污阀161及其排污管线031，还包括通过两个三通阀门18并联到换热器试验件10出口主排汽管线051上的汽水分离器12，连接在汽水分离器12上的疏水管线121和排汽管线122；所述连接过热蒸汽源01和混合器11的过热蒸汽管线011依次设置有调节阀16、压力传感器15、体积流量计14和热电阻13；所述连接冷却水源02和混合器11的冷却水管线021依次设置有调节阀16、压力传感器15、质量流量计141和热电阻13；所述混合器11为在一个球形容器110内设置将冷却水雾化喷淋的喷雾头111和搅混混合蒸汽的搅混叶片112，喷雾头111设置在球形容器110冷却水接口上，搅混叶片112设置在球形容器110混合蒸汽出口前，喷雾头111和搅混叶片112都有利于蒸汽和水的充分混合；在所述主排汽管线051上两个三通阀门18下游依次设置有热电阻13、体积流量计14、压力传感器15、调节阀16和消音器19，在所述疏水管线121上依次设置有热电阻13、质量流量计141、压力传感器15和调节阀16；所述为试验提供高温试验工质的一回路系统设备外均包覆有厚度为150-200mm的硅酸铝保温棉，以减少系统热损失、提高试验测量精度、保护人员安全。

如图4所示，所述为试验提供热源的高温导热油二回路包括循环泵21和与其并联的备用泵210，分别通过球阀201和热电阻13与循环泵21和备用泵210连接的电加热器20，所述电加热器20通过热电阻13和球阀201与换热器试验件10的入口集管箱103连通，形成导热油循环主路；换热器试验件10的出口集管箱1031与油气分离器23连通，在油气分离器23与出口集管箱1031连接的管路上依次设置有热电阻13、体积流量计14、压力传感器15和球阀201，所述电加热器20通过球阀201也与油气分离器23连通，形成导热油循环的旁路；所述油气分离器23出口与热交换器24热流体侧入口连通，热交换器24热流体侧出口通过球阀201与过滤器22连通，过滤器22分别通过球阀201与循环泵21和备用泵210连通；所述热交换器24热流体侧出口还通过球阀201与储油罐26的入口连通；在储油罐26罐体最低位置设置储油罐排污管线264、在储油罐26最高位置设置加油管263及球阀201、在储油罐26顶端设置储油罐排气管262和储油罐液位计261，所述储油罐26罐体和水平面间有预设角度，储油罐排污管线264位于罐体最低位置，以利于杂质集中并充分排空；储油罐26的侧面总高的五分之一高度处设置管口，依次通过球阀201、注油泵27和球阀201与膨胀罐25的顶部连通，形成膨胀罐注油管线253；膨胀罐25底部通过油气分离器连接管231与油气分离器23的顶部连通，在膨胀罐25的侧面总高的五分之四高度上设置膨胀罐溢流管线254与储油罐26的入口连通，膨胀罐25底部通过膨胀罐排污管线255与储油罐26的入口连通，在膨胀罐排污管线255上设置有球阀201，膨胀罐25还设置有膨胀罐排气管252和膨胀罐液位计251；所述换热器试验件10的入口集管箱103和出口集管箱1031均通过卸油管线211与热交换器24热流体侧入口连通，卸油管线211上设置有球阀201；储油罐26和水平面间的夹角为5°，且设置在为试验提供热源的高温导热油二回路的最低位置，其容积为试验系统内循环流动导热油体积的2.5倍；油气分离器23的安装位置高于电加热器20，以防止分离出来的气体倒入电加热器20；膨胀罐25设置在为试验提供热源的高温导热油二回路的最高位置，且高于油气分离器23顶部2米处，较长的油气分离器连接管231不流通循环导热油，其外不包裹保温棉有利于使热油和冷油分层；膨胀罐25容积为试验系统循环流动导热油体积的2倍，在导热油热态循环时，其内存有体积为循环流动导热油体积的0.5倍的冷油作为油封，以防止热油和空气接触氧化；电加热器20采用多级功率控制电加热管式加热器，其加热能力为换热器试验件10的最大设计换热量的2倍；所述为试验提供热源的高温导热油二回路电加热器20、油气分离器23、热交换器24、过滤器22、循环泵21及其连接管线流通循环导热油，其外包覆有厚度为150-200mm的硅酸铝保温棉，以减少系统热损失、提高试验测量精度、保护人员安全。

如图5所示，所述冷却高温导热油二回路的冷井三回路包括与热交换器24冷流体侧入口连通的风机30，在风机30入口上设置有阀门301，热交换器24的冷流体侧出口通过阀门301与大气相连；空气作为冷却高温导热油二回路的冷井三回路的冷流体，具有便捷安全可靠的特点。

上述试验系统的具体试验方法为：流经换热器试验件10温度、压力、流量可调的试验工质由为试验提供高温试验工质的一回路提供，流经换热器试验件10温度、流量可调的高温导热油由为试验提供热源的高温导热油二回路提供，试验工质在试验件的壳体101侧流通，高温导热油在换热器试验件10内的换热管束102侧流通，试验工质被高温导热油加热；试验工质流经换热管束102外，温度升高、压力下降，通过设置在换热器试验件10的壳体101上的热电阻13、压力传感器15和差压变送器151，测量试验工质在流入换热管束102前的主流温度、压力和流出换热管束102后的主流温度、压力，流经换热管束102的压降；为试验提供热源的高温导热油二回路向换热器试验件10提供温度、流量可调的高温导热油，高温导热油在换热器试验件10的换热管束102侧流通，被壳体101侧流通的试验工质冷却，高温导热油流经换热管束102内温度下降、压力下降，通过设置在换热器试验件10入口集管箱103和出口集管箱1031上的热电阻13、压力传感器15和差压变送器151测量导热油在入口集管箱103的主流温度、压力和出口集管箱1031的主流温度、压力以及流经换热管束102的压降；

具体如下：

在为试验提供高温试验工质的一回路中：过热蒸汽源01进入为试验提供高温试验工质的一回路的过热蒸汽压力、体积流量和温度由设置在过热蒸汽管线011上的压力传感器15、体积流量计14和热电阻13测量；冷却水源02的压力、质量流量和温度由设置在冷却水管线021上的压力传感器15、质量流量计141和热电阻13测量；试验所需高温工质由过热蒸汽和冷却水混合而成，高温工质进入换热器试验件10的温度、干度、流量和压力由设置在过热蒸汽源01的过热蒸汽管线011和冷却水源02的冷却水管线021上的调节阀16和混合器11控制；对于换热器试验件10入口为过热蒸汽的试验高温工质，温度由换热器试验件10壳体101上位于换热管束102前的热电阻13测量、流量由设置在主排汽管线051上的体积流量计14测量；对于换热器试验件10入口为高干度的饱和蒸汽的高温试验工质，流量等于混合前的过热蒸汽和冷却水流量之和，通过对换热管束102设置合适的排数和对每个试验工况设计合适的饱和蒸汽流量和循环导热油流量，使试验工质在流出换热管束102后即达到过热状态，由设置在主排汽管线051上的体积流量计14校核测量试验高温工质流量；对于换热器试验件10入口为两相饱和水的试验高温工质，其含汽率由进入混合器11的过热蒸汽和冷却水的参数计算并控制，流量等于混合前的过热蒸汽和冷却水流量之和，汽水分离器12将流出换热器试验件10的饱和蒸汽和饱和水分离，疏水管线121上设置的热电阻13、质量流量计141和压力传感15测量饱和水的参数，主排汽管线051上设置的热电阻13、体积流量计14和压力传感15测量饱和蒸汽的参数；

在为试验提供热源的高温导热油二回路中：循环高温导热油的载热量，即导热油在换热管内的传热能力，由进入换热器试验件10的导热油流量和温度来控制，结合导热油物性参数和传热关系式估算；循环高温导热油的流量，由设置在为试验提供热源的高温导热油二回路上的循环泵21和相应的球阀201控制，流出换热器试验件10的高温导热油的参数由出口集管箱1031下游的热电阻13、压力传感器15和体积流量计14测量，通过结合换热管束102结构参数，计算管内平均流量；热交换器24冷流体侧与冷却高温导热油二回路的冷井三回路串连；循环高温导热油的温度由设置在为试验提供热源的高温导热油二回路中的电加热器20和热交换器24来调节控制，进入换热器试验件10入口集管箱103的导热油温度需要精确控制，进入循环泵21的导热油温度也必须低于循环泵21的工作介质温度；为试验提供热源的高温导热油二回路在常温下启动，通过循环泵21做功和电加热器20加热逐渐提升导热油温度；调整电加热器20加热功率和热交换器24的换热能力，控制导热油进入换热器试验件10的入口集管箱103的温度和进入循环泵21的温度，以及补偿系统热损失；当需要在稳定的导热油温度下，提高导热油在换热管束102内的传热能力时，通过循环泵21和备用泵210提高循环导热油流量、增大电加热器20功率、调整热交换器24的换热能力，进而实现对导热油温度和流量的精确控制；

在冷却高温导热油二回路的冷井三回路中：热交换器24的冷却能力由进入热交换器24的空气流量决定，进入热交换器24的空气流量由设置在冷却高温导热油二回路的冷井三回路的风机30控制。

为试验提供热源的高温导热油二回路所用导热油的炭化膜温大于320℃；为试验提供热源的高温导热油二回路经过水压试验和空气吹扫干燥后，新导热油首先注入在储油罐26内，再通过膨胀罐注油管线253向膨胀罐25内注油，关闭储油罐26入口前的阀门，导热油逐渐充满为试验提供热源的高温导热油二回路中膨胀罐25高度以下的所有管线和设备中，以及换热器试验件10的入口集管箱103、换热管束102和出口集管箱1031中，并在膨胀罐25内继续充导热油至其液位达到膨胀罐25三分之一高度；在常温下启动循环泵21，循环流动的导热油通过循环泵21做功和电加热器20逐级加热温度升高、体积膨胀并不断产生气体，膨胀的导热油和产生的气体通过油气分离器23进入到膨胀罐25内与冷导热油混合，气体通过膨胀罐排气管252排出到大气中；循环流动的导热油状态逐渐稳定，由于导热油升温所产生的气体越来越少，最终达到试验所需的状态。

当为试验提供热源的高温导热油二回路出现故障或者试验停止时，通过打开卸油管线211上的球阀201和储油罐26入口前的球阀，所有导热油会快速卸入储油罐26内，保证系统安全并存储导热油。

每个试验工况的开展都需要不断反馈调节为试验提供高温试验工质的一回路、为试验提供热源的高温导热油二回路和冷却高温导热油二回路的冷井三回路这三个回路系统的设备参数，已达到试验要求的高温试验工质和高温导热油条件，并需要系统达到稳态，以记录可靠的试验数据。

Claims (10)

1.一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统，其特征在于：包括与换热器试验件(10)的壳体(101)侧通道串连的为试验提供高温试验工质的一回路、与换热器试验件(10)的进出口集管箱(103)串连的为试验提供热源的高温导热油二回路，以及与为试验提供热源的高温导热油二回路中的热交换器冷流体侧串连的冷却高温导热油二回路的冷井三回路；

所述为试验提供高温试验工质的一回路包括提供蒸汽的过热蒸汽源(01)和提供冷却水的冷却水源(02)，通过过热蒸汽管线(011)和冷却水管线(021)分别与过热蒸汽源(01)和冷却水源(02)连接的将蒸汽和冷却水搅混的混合器(11)，所述混合器(11)和换热器试验件(10)连通的管路上设置有安全阀(17)及其泄压管线(041)和排污阀(161)及其排污管线(031)，还包括通过两个三通阀门(18)并联到换热器试验件(10)后的主排汽管线(051)上的汽水分离器(12)，连接在汽水分离器(12)上的疏水管线(121)和排汽管线(122)；所述连接过热蒸汽源(01)和混合器(11)的过热蒸汽管线(011)依次设置有调节阀(16)、压力传感器(15)、体积流量计(14)和热电阻(13)；所述连接冷却水源(02)和混合器(11)的冷却水管线(021)依次设置有调节阀(16)、压力传感器(15)、质量流量计(141)和热电阻(13)；所述混合器(11)包括球形容器(110)、将冷却水雾化喷淋的喷雾头(111)和搅混混合蒸汽的搅混叶片(112)，喷雾头(111)设置在球形容器(110)内冷却水接口上，搅混叶片(112)设置在球形容器(110)内混合蒸汽出口前，喷雾头(111)和搅混叶片(112)都有利于蒸汽和水的充分混合；在所述主排汽管线(051)上两个三通阀门(18)下游依次设置有热电阻(13)、体积流量计(14)、压力传感器(15)、调节阀(16)和消音器(19)，在所述疏水管线(121)上依次设置有热电阻(13)、质量流量计(141)、压力传感器(15)和调节阀(16)；

所述为试验提供热源的高温导热油二回路包括循环泵(21)和与其并联的备用泵(210)，分别通过球阀(201)和热电阻(13)与循环泵(21)和备用泵(210)连接的电加热器(20)，所述电加热器(20)通过热电阻(13)和球阀(201)与换热器试验件(10)的入口集管箱(103)连通，形成导热油循环主路；换热器试验件(10)的出口集管箱(1031)与油气分离器(23)连通，在油气分离器(23)与出口集管箱(1031)连接的管路上依次设置有热电阻(13)、体积流量计(14)、压力传感器(15)和球阀(201)，所述电加热器(20)通过球阀(201)也与油气分离器(23)连通，形成导热油循环的旁路；所述油气分离器(23)出口与热交换器(24)热流体侧入口连通，热交换器(24)热流体侧出口通过球阀(201)与过滤器(22)连通，过滤器(22)分别通过球阀(201)与循环泵(21)和备用泵(210)连通；所述热交换器(24)热流体侧出口还通过球阀(201)与储油罐(26)的入口连通；在储油罐(26)罐体最低位置设置储油罐排污管线(264)、在储油罐(26)最高位置设置加油管(263)及球阀(201)、在储油罐(26)顶端设置储油罐排气管(262)和储油罐液位计(261)，所述储油罐(26)罐体和水平面间有预设角度，储油罐排污管线(264)位于罐体最低位置，以利于杂质集中并充分排空；储油罐(26)的侧面总高的五分之一高度处设置管口，依次通过球阀(201)、注油泵(27)和球阀(201)与膨胀罐(25)的顶部连通，形成膨胀罐注油管线(253)；膨胀罐(25)底部通过油气分离器连接管(231)与油气分离器(23)的顶部连通，在膨胀罐(25)的侧面总高的五分之四高度上设置膨胀罐溢流管线(254)与储油罐(26)的入口连通，膨胀罐(25)底部通过膨胀罐排污管线(255)与储油罐(26)的入口连通，在膨胀罐排污管线(255)上设置有球阀(201)，膨胀罐(25)还设置有膨胀罐排气管(252)和膨胀罐液位计(251)；所述换热器试验件(10)的入口集管箱(103)和出口集管箱(1031)均通过卸油管线(211)与热交换器(24)热流体侧入口连通，卸油管线(211)上设置有球阀(201)；

所述冷却高温导热油二回路的冷井三回路包括与热交换器(24)冷流体侧入口连通的风机(30)，在风机(30)入口上设置有阀门(301)，热交换器(24)的冷流体侧出口通过阀门(301)与大气相连。

2.根据权利要求1所述的一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统，其特征在于：所述储油罐(26)和水平面间的夹角为5°-10°，且设置在为试验提供热源的高温导热油二回路的最低位置，其容积为试验系统内循环流动导热油体积的2-2.5倍。

3.根据权利要求1所述的一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统，其特征在于：所述油气分离器(23)的安装位置高于电加热器(20)。

4.根据权利要求1所述的一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统，其特征在于：所述膨胀罐(25)设置在为试验提供热源的高温导热油二回路的最高位置，且高于油气分离器(23)顶部1.5米以上，其容积为试验系统循环流动导热油体积的1.5-2倍，在导热油热态循环时，在膨胀罐(25)内存有体积为循环流动导热油体积的0.5-1倍的冷油作为油封，以防止热油和空气接触氧化。

5.根据权利要求1所述的一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统，其特征在于：所述电加热器(20)采用多级功率控制电加热管式加热器，其加热能力为换热器试验件(10)的最大设计换热量的1.5倍以上。

6.根据权利要求1所述的一种以导热油为热流体的高温工质换热试验系统，其特征在于：所述系统设备外均包覆有厚度为150-200mm的硅酸铝保温棉。

7.权利要求1至5任一项所述的试验系统的试验方法，其特征在于：流经换热器试验件(10)温度、压力、流量可调的试验工质由为试验提供高温试验工质的一回路提供，流经换热器试验件(10)温度、流量可调的高温导热油由为试验提供热源的高温导热油二回路提供，试验工质在试验件的壳体(101)侧流通，高温导热油在换热器试验件(10)内的换热管束(102)侧流通，试验工质被高温导热油加热；试验工质流经换热管束(102)外，温度升高、压力下降，通过设置在换热器试验件(10)的壳体(101)上的热电阻(13)、压力传感器(15)和差压变送器(151)，测量试验工质在流入换热管束(102)前的主流温度、压力和流出换热管束(102)后的主流温度、压力，流经换热管束(102)的压降；为试验提供热源的高温导热油二回路向换热器试验件(10)提供温度、流量可调的高温导热油，高温导热油在换热器试验件(10)的换热管束(102)侧流通，被壳体(101)侧流通的试验工质冷却，高温导热油流经换热管束(102)内温度下降、压力下降，通过设置在换热器试验件(10)入口集管箱(103)和出口集管箱(1031)上的热电阻(13)、压力传感器(15)和差压变送器(151)测量导热油在入口集管箱(103)的主流温度、压力和出口集管箱(1031)的主流温度、压力以及流经换热管束(102)的压降；

具体如下：

在为试验提供高温试验工质的一回路中：过热蒸汽源(01)进入为试验提供高温试验工质的一回路的过热蒸汽压力、体积流量和温度由设置在过热蒸汽管线(011)上的压力传感器(15)、体积流量计(14)和热电阻(13)测量；冷却水源(02)的压力、质量流量和温度由设置在冷却水管线(021)上的压力传感器(15)、质量流量计(141)和热电阻(13)测量；试验所需高温工质由过热蒸汽和冷却水混合而成，高温工质进入换热器试验件(10)的温度、干度、流量和压力由设置在过热蒸汽源(01)的过热蒸汽管线(011)和冷却水源(02)的冷却水管线(021)上的调节阀(16)和混合器(11)控制；对于换热器试验件(10)入口为过热蒸汽的试验高温工质，温度由换热器试验件(10)壳体(101)上位于换热管束(102)前的热电阻(13)测量、流量由设置在主排汽管线(051)上的体积流量计(14)测量；对于换热器试验件(10)入口为高干度的饱和蒸汽的试验高温工质，流量等于混合前的过热蒸汽和冷却水流量之和，通过对换热管束(102)设置合适的排数和对每个试验工况设计合适的饱和蒸汽流量和导热油循环流量，使试验工质在流出换热管束(102)后即达到过热状态，由设置在主排汽管线(051)上的体积流量计(14)校核测量试验高温工质流量；对于换热器试验件(10)入口为两相饱和水的试验高温工质，其含汽率由进入混合器(11)的过热蒸汽和冷却水的参数计算并控制，流量等于混合前的过热蒸汽和冷却水流量之和，汽水分离器(12)将流出换热器试验件(10)的饱和蒸汽和饱和水分离，疏水管线(121)上设置的热电阻(13)、质量流量计(141)和压力传感(15)测量饱和水的参数，主排汽管线(051)上设置的热电阻(13)、体积流量计(14)和压力传感(15)测量饱和蒸汽的参数；

在为试验提供热源的高温导热油二回路中：循环高温导热油的载热量，即导热油在换热管内的传热能力，由进入换热器试验件(10)的导热油流量和温度来控制，结合导热油物性参数和传热关系式估算；循环高温导热油的流量，由设置在为试验提供热源的高温导热油二回路上的循环泵(21)和相应的球阀(201)控制，流出换热器试验件(10)的高温导热油的参数由出口集管箱(1031)下游的热电阻(13)、压力传感器(15)和体积流量计(14)测量，通过结合换热管束(102)结构参数，计算管内平均流量；热交换器(24)冷流体侧与冷却高温导热油二回路的冷井三回路串连；循环高温导热油的温度由设置在为试验提供热源的高温导热油二回路中的电加热器(20)和热交换器(24)来调节控制，进入换热器试验件(10)入口集管箱(103)的导热油温度需要精确控制，进入循环泵(21)的导热油温度也必须低于循环泵(21)的工作介质温度；为试验提供热源的高温导热油二回路在常温下启动，通过循环泵(21)做功和电加热器(20)加热逐渐提升导热油温度；调整电加热器(20)加热功率和热交换器(24)的换热能力，控制导热油进入换热器试验件(10)的入口集管箱(103)的温度和进入循环泵(21)的温度，以及补偿系统热损失；当需要在稳定的导热油温度下，提高导热油在换热管束(102)内的传热能力时，通过循环泵(21)和备用泵(210)提高循环导热油流量、增大电加热器(20)功率、调整热交换器(24)的换热能力，进而实现对导热油温度和流量的精确控制；

在冷却高温导热油二回路的冷井三回路中：热交换器(24)的冷却能力由进入热交换器(24)的空气流量决定，进入热交换器(24)的空气流量由设置在冷却高温导热油二回路的冷井三回路的风机(30)控制。

8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：为试验提供热源的高温导热油二回路所用导热油的炭化膜温大于320℃；为试验提供热源的高温导热油二回路经过水压试验和空气吹扫干燥后，新导热油首先注入在储油罐(26)内，再通过膨胀罐注油管线(253)向膨胀罐(25)内注油，关闭储油罐(26)入口前的阀门，导热油逐渐充满为试验提供热源的高温导热油二回路中膨胀罐(25)高度以下的所有管线和设备中，以及换热器试验件(10)的入口集管箱(103)、换热管束(102)和出口集管箱(1031)中，并在膨胀罐(25)内继续充导热油至其液位达到膨胀罐(25)三分之一高度；在常温下启动循环泵(21)，循环流动的导热油通过循环泵(21)做功和电加热器(20)逐级加热温度升高、体积膨胀并不断产生气体，膨胀的导热油和产生的气体通过油气分离器(23)进入到膨胀罐(25)内与冷导热油混合，气体通过膨胀罐排气管(252)排出到大气中；循环流动的导热油状态逐渐稳定，由于导热油升温所产生的气体越来越少，最终达到试验所需的状态。

9.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：当为试验提供热源的高温导热油二回路出现故障或者试验停止时，通过打开卸油管线(211)上的球阀(201)和储油罐(26)入口前的球阀，所有导热油会快速卸入储油罐(26)内，保证系统安全并存储导热油。

10.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：每个试验工况的开展都需要不断反馈调节为试验提供高温试验工质的一回路、为试验提供热源的高温导热油二回路和冷却高温导热油二回路的冷井三回路这三个回路系统的设备参数，以达到试验要求的高温试验工质和高温导热油条件，并需要系统达到稳态，以记录可靠的试验数据。