CN106066235B - 超临界水窄通道自然循环实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界水窄通道自然循环实验装置，该装置包括通过主管道顺次相连构成闭环回路的预热部、实验部、和换热部，还包括分别连接在所述闭环回路主管道上的稳压部和供水部，所述预热部为油浴加热部，所述实验部包括可拆卸的实验管，所述换热部包括换热水箱和冷却水泵，所述稳压部包括稳压罐、氮气瓶和设置在稳压罐内部的气囊，所述供水部包括去离子水箱、过滤器和柱塞泵。

Description

超临界水窄通道自然循环实验装置及方法

技术领域

本发明涉及热能和核能领域的实验装置，特别涉及研究超临界水换热特性的实验装置。

背景技术

超临界水冷反应堆是国际上选中的六种四代堆中唯一的水冷堆，其热量利用效率和简化的系统、设备表现出了非常好的潜在经济性。与常规压水堆相比，超临界水堆采用单回路直接循环设计，堆芯出口工质直接进入汽轮机，无需设置蒸汽发生器和稳压器。与常规沸水堆相比，超临界水属于单相流体，无需设置汽水分离器和干燥器。对超临界水冷堆来说，在失流事故状态下冷却剂自然循环的载热能力和流动的稳定性对反应堆的安全分析和降低堆芯熔毁概率都是非常重要的。

现阶段国内外超临界水自然循环研究于起步阶段，印度的巴巴原子研究中心采用两个加热器，两个冷凝器，实验部内径为13.88mm，采用44个经过校准的K-型热电偶，用来测量流体、加热表面以及二次侧流体的进出口温度。上海交通大学采用闭式水回路形式，装置运行工况覆盖压水堆和超临界水冷堆的热力参数范围，兼顾自然循环和强迫循环。西安交通大学超临界水换热装置有两种类型的换热段，由SA-213T12钢组成。其中六边形试验段用于火电厂W型燃烧炉，另外一种为光滑管，外径31.8mm，壁厚6mm，采用NiCr-NiSi热电偶测量。清华大学超临界水自然循环回路类似巴巴原子研究中心，也为两个加热器、两个冷凝器的不锈钢环路。中国核动力研究设计院搭建了双通道临界水实验台，实验部采用直流电加热，加热能力为600kW，实验部采用14个N-型铠装热电偶以测量管壁温度。

以上的超临界水实验装置实验部均采用电加热，造价成本较高，并且实验部为单通道或双通道固定形式，无法实现多种用途切换，无法研究窄通道自然循环的流动换热特点，并且上述实验装置的造价都是及其昂贵的，难以满足学生的研究需求。

由于上述原因，本发明人对现有的超临界水自然循环实验装置做了深入研究，以便设计出一种能够解决上述问题的新型实验装置。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种超临界水窄通道自然循环实验装置，该装置包括通过主管道顺次相连构成闭环回路的预热部、实验部、和换热部，还包括分别连接在所述闭环回路主管道上的稳压部和供水部，所述预热部为油浴加热部，所述实验部包括可拆卸的实验管，所述换热部包括换热水箱和冷却水泵，所述稳压部包括稳压罐、氮气瓶和设置在稳压罐内部的气囊，所述供水部包括去离子水箱、过滤器和柱塞泵，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

(1)一种超临界水窄通道自然循环实验装置，其特征在于，该装置包括通过主管道1顺次相连构成闭环回路的预热部2、实验部3、和换热部4；

该装置还包括分别连接在所述闭环回路主管道1上的稳压部5和供水部6。

(2)根据上述(1)所述的实验装置，其特征在于，

所述预热部2用于初步加热主管道1中的工质，所述预热部2为油浴加热部，优选地，所述预热部2包括三段并联的管道，在所述管道外部设置有油夹套21。

(3)根据上述(1)所述的实验装置，其特征在于，

所述实验部3用于继续加热经预热部2初步加热的主管道1中的工质，探测并记录工质的参数信息；

优选地，所述实验部3包括两个连接端头31和安装在两个所述连接端头31之间的可拆卸的实验管32；

进一步优选地，所述实验管32有多个，其内径为1-10mm。

(4)根据上述(3)所述的实验装置，其特征在于，

在两个所述连接端头31之间安装有一个实验管32，

或者，

在两个所述连接端头31之间安装有两个并联的实验管32，优选地，所述两个实验管32的直径可以相同也可以不同，

或者，

在两个所述连接端头31之间安装有三个以上并联的实验管32，优选地，所述三个以上实验管32的直径可以相同也可以不同。

(5)根据上述(3)所述的实验装置，其特征在于，

在所述每一个实验管32上都安装有多个热电偶33，优选地相邻热电偶33之间的间距一致。

(6)根据上述(1)所述的实验装置，其特征在于，

所述换热部4用于冷却经实验部进一步加热的工质，

优选地，所述换热部4包括换热水箱41和冷却水泵42。

(7)根据上述(1)所述的实验装置，其特征在于，

所述稳压部5用于调整/稳定闭环回路中的压力，

优选地，所述稳压部5包括稳压罐51、氮气瓶52和设置在稳压罐51内部的气囊53；其中，所述稳压罐是密闭的，所述气囊53和气瓶52通过导气管相连，所述稳压罐通过稳压导管54与所述闭环回路上的主管道1相连；

进一步优选地，在所述稳压导管54上设置有截止阀55。

(8)根据上述(1)所述的实验装置，其特征在于，

所述供水部6用于向闭环回路中注入工质；

优选地，所述供水部6包括去离子水箱61、过滤器62和柱塞泵63。

(9)根据上述(1)所述的实验装置，其特征在于，

在所述闭环回路的主管道1上还设置有高压泵、排气阀、流量计、热电偶和压差传感器，其中优选地，排气阀设置在实验部上靠近换热部的一端。

(10)一种超临界水窄通道自然循环实验方法，其特征在于，

该方法是通过如上述(1)-(9)所述的超临界水窄通道自然循环实验装置实现的；

优选地，该方法包括如下步骤：

步骤1，启动柱塞泵将去离子水充满整个闭环回路；

步骤2，启动换热部；

步骤3，加预热部和实验部，并将实验部顶端的排气阀打开，当水可以流畅地从排气阀中流出，且没有气体撞击金属的声音时执行下一步骤；

步骤4，通过稳压部调节闭环回路内的压力，达到预定的压力值并维持；所述预定的压力值优选地为22MPa-26MPa；

步骤5，调整预热部的功率，调节实验部入口的温度，优选地使其达到280℃-380℃；

步骤6，待温度达到预定值以后，稳定预热部的功率，逐步提高实验部的功率，记录并储存探测到的测量值数据；

步骤7，关闭电源，关闭阀门，并卸掉稳压罐中压力；

其中，进一步优选地，所述测量值数据包括实验部内工质的压力、温度、流速等数据信息。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的超临界水窄通道自然循环实验装置能够实现单通道或双通道等多种形式的切换；

(2)根据本发明提供的超临界水窄通道自然循环实验装置还可以研究窄通道管间脉动特性；

(3)根据本发明提供的超临界水窄通道自然循环实验装置生产制造成本及实验消耗都很低。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的超临界水窄通道自然循环实验装置整体结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的超临界水窄通道自然循环实验装置整体结构示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的超临界水窄通道自然循环实验装置中两个实验管的实验部结构示意图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的超临界水窄通道自然循环实验装置中一个实验管的实验部结构示意图。

附图标号说明：

1-主管道

2-预热部

21-油夹套

3-实验部

31-连接端头

32-实验管

33-热电偶

4-换热部

41-换热水箱

42-冷却水泵

5-稳压部

51-稳压罐

52-气瓶

53-气囊

54-稳压导管

55-截止阀

6-供水部

61-去离子水箱

62-过滤器

63-柱塞泵

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的一种超临界水窄通道自然循环实验装置，如图1和图2中所示，该装置包括通过主管道1顺次相连构成闭环回路的预热部2、实验部3、和换热部4；该装置还包括分别连接在所述闭环回路主管道1上的稳压部5和供水部6；其中，所述主管道1为中空的密闭管道，所述预热部用于预先加热主管道中的去离子水，使其达到预定的温度，所述实验部用于继续加热去离子水，并且达到实验温度，以便于通过仪器仪表观测液去离子水变为超临界水后的各项性能参数，所述换热部用于给所述超临界水降温，最终使得超临界水在主管道内自然流动，成为自然循环；所述稳压部用于稳定主管道中的压力，使其保持在预定范围内，所述供水部用于向主管道中注入去离子水。

在一个优选的实施方式中，所述预热部2为油浴加热部，具体来说，所述预热部2包括三段并联的管道，在所述管道外部设置有油夹套21，油夹套和管道之间填充有加热用的油，能够使得管道快速均匀受热，所述三段管道的两端都连接至主管道1；所述油夹套21由不锈钢材料制成，长度约为1-2m，优选的为1.5m，在加热段的进出口均设置了测量流体温度的热电偶和测量压差的压差传感器，从而实时监测其周围的温度和压力信息，将所述管道分成三段能够保证其内部的去离子水得到充分加热，还能够最大程度地降低成本，节约能耗，该油浴加热部与单管道直流电加热相比，有着明显的经济优势。

在一个优选的实施方式中，所述实验部3包括两个连接端头31和安装在两个所述连接端头31之间的可拆卸的实验管32；即可以随时更换相应的实验管，具体来说，实验管32有多个，其内径为1-10mm；一般内径小于4mm时称之为窄通道/窄管，内径在4-10mm之间时称之为宽通道/宽管。

在一个优选的实施方式中，在每个实验管上都设置有加热部，所述加热部用于给实验管中的液体加热，其可以是油浴加热，也可以是电加热，可以根据具体的情况设置，优选地，试验部中的实验管加热功率最大为20kW。

在一个优选的实施方式中，如图3和图4中所示，在所述连接端头31之间安装有一个实验管32，或者，在两个所述连接端头31之间安装有两个及以上并联的实验管32，优选地，所述两个实验管32的直径可以相同也可以不同，即可以进行双窄通道1mm-4mm的一样尺寸和不一样尺寸流动换热及脉动实验，也可以进行窄通道与宽通道的流动换热及脉动实验，通过更换不同的实验管实现对不同现象的分析研究，能够执行多种实验操作，从而能够扩大该实验装置的应用范围。

在一个优选的实施方式中，在所述每一个实验管32上都安装有多个热电偶33，优选地相邻热电偶33之间的间距一致，所述热电偶用于量测实验管内部超临界水的温度。本发明中所述的超临界水是由去离子水在预定的温度和压力条件下得到的，或者说是所述去离子水在预定的温度和压力条件下的另一种名称，所述预定的温度优选为280℃-500℃，所述预定压力为22MPa-26Mpa，本发明中所述的工质即为在主管道及闭环回路中流动的液体，其指代的范围包括所述超临界水和所述去离子水。

在一个优选的实施方式中，如图2中所示，所述换热部4包括换热水箱41和冷却水泵42，从试验部出来的高温水通过主管道流经所述换热水箱，在冷却水的作用下降温冷却。

在一个优选的实施方式中，如图1和图2中所示，所述稳压部5包括稳压罐51、氮气瓶52和设置在稳压罐51内部的气囊53；优选地，所述稳压罐是密闭的，所述气囊53和氮气瓶52通过导气管相连，所述稳压罐通过稳压导管54与所述闭环回路上的主管道1相连；进一步优选地，在所述稳压导管54上设置有截止阀55，当所述截止阀55开启后，主管道中的液体进入到稳压罐中，并与所述气囊接触，稳压罐中液体的压力与主管道中液体的压力一致，通过气瓶52向所述气囊中注入气体，或者从中抽取气体，从而控制稳压罐中的压力，进而控制所述主管道中的压力；本发明中所述的气瓶优选的为氮气瓶，即气瓶中的气体优选的为氮气。优选地，所述稳压导管连通至预热部的入口附近。

在一个优选的实施方式中，所述供水部6包括去离子水箱61、过滤器62和柱塞泵63。所述供水部6还包括有截止阀，当其向主管道中注入了足够数量的水以后关闭截止阀，使得供水部和主管道之间断开。

在一个优选的实施方式中，在所述闭环回路的主管道1上还设置有、高压泵、排气阀、流量计、热电偶和压差传感器，其中优选地，排气阀设置在实验部上靠近换热部的一端。

根据本发明提供的一种超临界水窄通道自然循环实验方法，该方法是通过如上文所述的超临界水窄通道自然循环实验装置实现的；

具体来说，该方法包括如下步骤：

步骤1，启动柱塞泵将去离子水充满整个闭环回路，使系统压力升至5MPa；

步骤2，启动换热部，加热去离子水；

步骤3，加预热部和实验部，并将实验部顶端的排气阀打开，当水可以流畅地从排气阀中流出，且没有气体撞击金属的声音时执行下一步骤；

步骤4，做热平衡实验，计算加热效率，从而获知后续的加热功率及时间；

步骤5，通过稳压部调节闭环回路内的压力，达到预定的压力值并维持；所述预定的压力值优选地为22MPa-26MPa；

步骤6，调整预热部的功率，调节实验部入口的温度，优选地使其达到280℃-380℃；

步骤7，待温度达到预定值以后，稳定预热部的功率，逐步提高实验部的功率，记录并储存探测到的测量值数据；

步骤8，关闭电源，关闭阀门，并卸掉稳压罐中压力；

其中，进一步优选地，所述测量值数据包括实验部内工质的压力、温度、流速等数据信息，由安装在所述闭环回路上的压差传感器、热电偶和流量计等设备分别获得。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种通过超临界水窄通道自然循环实验装置实现超临界水窄通道自然循环实验的方法，该装置包括通过主管道(1)顺次相连构成闭环回路的预热部(2)、实验部(3)、和换热部(4)；

该装置还包括分别连接在所述闭环回路主管道(1)上的稳压部(5)和供水部(6)，

所述预热部(2)用于初步加热主管道(1)中的工质，所述预热部(2)为油浴加热部，所述预热部(2)包括三段并联的管道，在所述管道外部设置有油夹套(21)，所述三段管道的两端都连接至主管道(1)；所述油夹套(21)由不锈钢材料制成，长度为1-2m，

所述实验部(3)用于继续加热经预热部(2)初步加热的主管道(1)中的工质，探测并记录工质的参数信息；

所述实验部(3)包括两个连接端头(31)和安装在两个所述连接端头(31)之间的可拆卸的实验管(32)，

在所述每一个实验管(32)上都安装有多个热电偶(33)，相邻热电偶(33)之间的间距一致；

所述实验管(32)有多个，其内径为1-10mm，所述实验管(32)包括内径在1-4mm之间的窄通道/窄管和内径在4-10mm之间的宽通道/宽管，

在两个所述连接端头(31)之间安装有两个并联的实验管(32)，所述两个实验管(32)的直径相同或不同，

或者，

在两个所述连接端头(31)之间安装有三个以上并联的实验管(32)，所述三个以上实验管(32)的直径相同或不同，即可以进行双窄通道1mm-4mm的一样尺寸和不一样尺寸流动换热及脉动实验，也可以进行窄通道与宽通道的流动换热及脉动实验，

所述稳压部(5)用于调整/稳定闭环回路中的压力，

所述稳压部(5)包括稳压罐(51)、氮气瓶(52)和设置在稳压罐(51)内部的气囊(53)；其中，所述稳压罐是密闭的，所述气囊(53)和气瓶(52)通过导气管相连，所述稳压罐通过稳压导管(54)与所述闭环回路上的主管道(1)相连；

在所述稳压导管(54)上设置有截止阀(55)，

其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，启动柱塞泵将去离子水充满整个闭环回路；

步骤2，启动换热部；

步骤3，加预热部和实验部，并将实验部顶端的排气阀打开，当水可以流畅地从排气阀中流出，且没有气体撞击金属的声音时执行下一步骤；

步骤4，通过稳压部调节闭环回路内的压力，达到预定的压力值并维持；所述预定的压力值为22MPa-26MPa；

步骤5，调整预热部的功率，调节实验部入口的温度，使其达到280℃-380℃；

步骤6，待温度达到预定值以后，稳定预热部的功率，逐步提高实验部的功率，记录并储存探测到的测量值数据；

步骤7，关闭电源，关闭阀门，并卸掉稳压罐中压力；

其中，所述测量值数据包括实验部内工质的压力、温度、流速数据信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述换热部(4)用于冷却经实验部进一步加热的工质。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述换热部(4)包括换热水箱(41)和冷却水泵(42)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述供水部(6)用于向闭环回路中注入工质。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述供水部(6)包括去离子水箱(61)、过滤器(62)和柱塞泵(63)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述闭环回路的主管道(1)上还设置有高压泵、排气阀、流量计、热电偶和压差传感器。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，排气阀设置在实验部上靠近换热部的一端。