CN106710646A - 承压试验设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种承压试验设备，其包括试验板、固定在试验板的第一侧面上的凝结腔体和固定在试验板的与第一侧面相对的第二侧面上的蒸发腔体，在凝结腔体和蒸发腔体分别与试验板形成的连接位置处设置复合密封隔热垫，复合密封隔热垫由具有U型截面的密封圈和低导热系数的垫片组成，垫片布置在密封圈的U型槽内，U型槽的开口朝向承压试验设备外。

Description

承压试验设备

技术领域

本发明总地涉及热工水力试验研究领域，更具体地涉及承压试验设备，该承压试验设备能够用于在试验壁面的两侧分别模拟高温高湿混合气体的凝结和常压高湿气流与水膜的逆对流两相流动及换热，以便准确获取安全壳两侧的传热传质特性和流动特性。

背景技术

压水堆核电站安全壳的一种技术路线是选用非能动型安全壳，其工作原理是：在事故条件下，当破口喷放的高温水蒸汽与壳内空气掺混并升压后，该蒸汽在温度较低的钢制安全壳的壁面上发生凝结，热量因此被传递到安全壳上，而安全壳又以热传导的形式向外界传热，从安全壳传出的热量经由在安全壳外侧铺展的水膜与空气的逆对流导致的蒸发而被散入大气环境中。因此，安全壳及其壳壁内侧进行的高温高湿混合气体凝结和壳壁外侧进行的常压高湿气流与水膜逆对流的流动和换热特性决定了核电事故时非能动型安全壳对堆芯余热的热量导出能力。为确保核电事故安全，需要进行核电事故安全评估，安全壳的壁面耦合传热与流动的规律是关键因素之一，需要开展相关的研究工作。

在非能动型安全壳的研发方面，美国西屋电气公司曾开展用于安全壳综合物理现象研究的试验平台（LST）以及单效试验平台，其中LST试验重点关注非能动型安全壳对事故的整体响应特性，其缺点是不能准确描述每个物理现象的作用，而单效试验只能描述一个现象，其缺点是边界特性较难模拟，产生不利的边界效应和对边界条件模糊化，西屋电气公司委托的冷凝试验装置只适用于常压环境，与核电事故时的参数相差较大。

在《原子能科学技术》2013年第11期中公开一篇论文，其主题为“非能动安全壳冷却系统外侧辐射换热与自然对流研究”，作者是郭建娣和韩伟实。该论文提及建立1:10的二维钢制安全壳外侧辐射换热和自然对流模型，并利用流体计算软件对钢制安全壳外侧流场（即蒸发换热以及辐射换热和自然对流过程）进行计算，得到了完整流道下的速度流场、钢制安全壳上封头顶部的空气速度矢量图,并得出钢制安全壳上封头顶部存在空气滞留区的结论。该论文没有涉及对安全壳内侧流场的模拟及分析，也没有提及相应的试验设备。

因此，期望提供一种承压试验设备，以便能够准确获取安全壳两侧的传热传质特性和流动特性，包括蒸汽的凝结形态与流动行为、混合气体对流凝结换热规律、蒸发水膜的流动行为及其受逆对流空气的作用、水膜蒸发换热规律以及水膜与空气的逆对流作用的压力损失规律。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供一种承压试验设备，该承压试验设备实现了蒸发和凝结耦合作用下的热量和质量输运过程，产生了事故条件下固有的边界条件，从而能够准确获取安全壳两侧的传热传质特性和流动特性。

该承压试验设备包括试验板、固定在所述试验板的第一侧面上的凝结腔体和固定在所述试验板的与所述第一侧面相对的第二侧面上的蒸发腔体，其中：

在凝结腔体和蒸发腔体分别与试验板形成的连接位置处设置复合密封隔热垫，所述复合密封隔热垫由具有U型截面的密封圈和低导热系数的垫片组成，所述垫片布置在所述密封圈的U型槽内，所述U型槽的开口朝向所述承压试验设备外。

作为本发明的进一步发展，所述试验板的第一侧面和第二侧面的每一个分别设置多个埋置热电偶的短槽和长槽,每个槽中都埋置一对间隔开的热电偶，所述短槽从每个侧面的相对边缘延伸到该侧面的中心，而所述长槽则从每个侧面的相对边缘延伸超过该侧面的中心。

优选地，间隔预设距离的一个短槽和一个长槽形成一个槽对，多个槽对沿着气流方向被交替地布置在每个侧面的相对两侧上，彼此间隔相同的距离，使得沿着所述气流方向，每个侧面上的热电偶被布置成大致W型。

附图说明

参考附图，下面将更详细地描述本发明的优选实施方式，其中：

图1为根据本发明一个实施例的承压试验设备平面示意图；

图2为图1所示的承压试验设备的立体示意图；

图3为图1所示的承压试验设备的实施例的部分区段的立体示意图；

图4为根据本发明的一个实施例的密封隔热垫的立体示意图；

图5为根据本发明的一个实施例的试验板的面对凝结腔体的一侧的热电偶布置示意图；

图6为图5所示的试验板的部分区段立体示意图；

图7a-7b为根据本发明的一个实施例的布水器的示意图；

图8为根据本发明的一个实施例的整流器的截面示意图；

图9a-9b为根据本发明的一个实施例的液膜探针布置示意图；以及

图10为根据现有技术的密封隔热结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式作进一步详细的描述，其中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。

参考图1，由附图标记1总地代表承压试验设备的一个优选实施例。在该实施例中，承压试验设备1包括试验板11、固定在试验板11的第一侧面111（见图3）上的凝结腔体12和固定在试验板11的与第一侧面111相对的第二侧面112（见图3）上的蒸发腔体13。

优选地，如图1所示，承压试验设备1在进出口两侧均为减缩结构，以便消除气流上游发展的边界层对下游气流均匀性的影响。

凝结腔体12和蒸发腔体13优选均由碳钢或不锈钢材料制成，而试验板11则由与核电站安全壳相同的材料制成，例如特定规格的钢板。当腔体由碳钢制成时，需要进行整体镀锌处理，避免实验装置被气流腐蚀。

参见图2和图3，凝结腔体12包括第一、第二和第三侧壁121、122和123，开口朝向试验板11的第一侧面111，其中，第一侧壁121平行于试验板11的第一侧面111，而第二侧壁122和第三侧壁123都垂直于试验板11的第一侧面111。第一、第二、第三侧壁121、122、123与试验板11一起围成大致矩形的凝结腔室。在第二侧壁122上形成第一连接板124，在第三侧壁123上形成第二连接板125，第一和第二连接板124、125平行于试验板11的第一侧面111并分别从第二和第三侧壁122、123向外延伸。

蒸发腔体13的结构类似于凝结腔体12的上述结构，同样包括三个侧壁，并且开口朝向试验板11的第二侧面112，这三个侧壁与试验板11一起围成大致矩形的蒸发腔室。在与试验板11的第二侧面112垂直的两个侧壁上也分别形成连接板，并且这两个连接板与凝结腔体12的第一和第二连接板124、125分别配对，以允许螺栓16延伸穿过对应的连接板，从而将凝结腔体1、试验板11和蒸发腔体13固定在一起。

当然，在其它实施例中，凝结腔体12和蒸发腔体13与试验板11之间也可以通过其它方式固定到一起，而不限于螺栓。

在凝结腔体12和试验板11之间设有第一密封隔热垫14，而在蒸发腔体13和试验板11之间设置第二密封隔热垫15。第一和第二密封隔热垫14，15均为复合隔热垫。如图3所示，作为一个示例，复合隔热垫14由整体加工成U型截面的密封圈141和低导热系数的垫片142组成，该垫片142布置在U型槽内，U型槽的开口朝向承压试验设备外。密封圈141优选地由聚四氟乙烯制成，而垫片142可以由多孔结构气凝胶制成。第二密封隔热垫15可以采用与第一密封隔热垫14完全相同的结构。这样的复合隔热垫实现了有效隔热和避免了水汽通过气凝胶外漏和隔热失效，从而能够有效阻止热量从试验板11的密封位置散失，使得试验板11的第一侧面111和第二侧面112的表面温度不会发生失真。

图4显示了第一密封隔热垫14的立体示意图。该第一密封隔热垫14为大致矩形形状，中间形成矩形开口，用于容纳试验板11的第一侧面111。

继续参考图3，试验板11在分别靠近凝结腔体12的第二侧壁122和第三侧壁123的两侧分别具有向外延伸的平板接合部113、114，用于接纳第一和第二密封隔热垫14，15。该平板接合部113、114厚度比试验板11的主体薄，并且平行于第一和第二连接板124、125延伸，但是延伸的距离比第一和第二连接板124、125短，使得螺栓16在延伸穿过第一和第二连接板124、125时，不会穿过该平板接合部113、114及其上的密封隔热垫，从而保持密封隔热垫的完整性。当凝结腔体12和蒸发腔体13与试验板11固定在一起时，利用螺栓16的拉应力，第一和第二密封隔热垫14，15被紧紧地夹在相应的平板接合部和连接板之间。

图10显示现有技术中的一种密封隔热方式。橡胶垫片33夹在腔体壁34和试验板31之间，螺栓32直接穿过试验板31和橡胶垫片33固定到腔体壁34上。很显然，与本发明的复合隔热垫相比，这种密封隔热方式无法避免水汽从密封位置外泄，以及无法阻止热量从密封位置向外扩散。

作为本发明的另一实施方式，如图1所示，在承压试验设备1的上部和下部，在凝结腔体12和试验板11之间以及在蒸发腔体13和试验板11之间可选地还可以设置附加隔热片17。

图5显示了根据本发明的一个实施例在试验板11的面对凝结腔体12的第一侧面111上的热电偶布置，用于测量壁面温度。在第一侧面111上设置多个埋置热电偶的短槽115a和长槽115b,每个槽中都埋置一对间隔开的热电偶116a和116b，例如1mm外径的铠装热电偶。短槽115a可以从第一侧面111的相对边缘延伸到该侧面的中心，而长槽115b则可以从第一侧面111的相对边缘延伸超过该侧面的中心。试验板11沿着气流流动的方向A（见图6）大致可分为进口整流段、试验段和出口整流段。在进口整流段和出口整流段，可以根据需要分别设置一个或多个短槽，每个槽中埋置一对间隔开的热电偶。在试验段，间隔预设距离的一个短槽115a和一个长槽115b形成一个槽对，多个槽对沿着气流方向A被交替地布置在第一侧面111的相对两侧上，彼此间隔大致相同的距离，使得沿着气流方向A，热电偶被布置成大致W型。如图6所示，热电偶的引线117与气流方向A垂直。热电偶的这种W型布置方式实现了连接处滞流区对试验板温度场影响的有效判定，并较全面地获得了壁面温度，进而提高热流密度测量精度。在试验板中心线位置测量的热流密度是试验研究用热流，其他温度用于评估边缘效应和连接面散热损失对中心线位置温度的影响。

进一步地，热电偶在试验板11的第二侧面112上埋置的节点位置分别与在第一侧面111上埋置的节点位置相对应。热电偶例如从用于连接试验板11与凝结腔体12和蒸发腔体13的螺栓16的位置引出。

热电偶可以采用整体预热的热电偶焊接工艺埋置在试验板11上，避免了热电偶与钢板之间易存在的气层热阻问题。具体地，在埋置热电偶时，采用熔化的焊锡将热电偶槽填平，并保证热电偶、焊料和试验板之间接触良好，避免因槽内存在空气而导致温度和热流密度测量失真，填平埋置热电偶的槽后，用砂轮将焊锡打磨至其与试验板表面平齐。

现返回参考图1，蒸发腔体13包括布置在其中并且靠近其入口的布水器18，以在第二侧面112上形成水膜。

进一步地，参考图7a和7b，该布水器布置在试验板11的第二侧面112上，水通过蒸发腔体13的面对试验板11的侧壁131引入。在一个实施例中，布水器包括挡风板181和溢流板182，其中，挡风板181罩在溢流板182上。该溢流板182与试验板11的侧面112（即竖直方向）形成大致5-20°的倾角。优选地，溢流板182的表面涂有亲水涂层。溢流板182在其顶部形成锯齿形状，以形成锯齿形溢流口。

继续参考图1，蒸发腔体13还包括布置在布水器18上游的入口整流器19。

图8显示了根据本发明的一个实施例的入口整流器19的截面图。如图所示，该整流器19由不锈钢管191的阵列构成，这些不锈钢管彼此对齐地固定在一起。优选地，每根钢管的直径在4-12mm内。当然，在其它实施方式中，其它合适直径也能够被采用。模拟压水堆核电事故条件下的高湿常压空气从蒸发腔体13的入口进入后穿过这些不锈钢管191，使得紊乱的气流受到整流处理，减小了气流的湍流度，从而保证试验板的试验段入口气流沿着实验装置方向均匀平行流动。

附加地，蒸发腔体13还可以设置有出口整流器20，其结构可以与上述入口整流器19相同。

进一步地，蒸发腔体13还包括用于获得水膜形态的装置132a、132b和135a、135b；水膜厚度测量装置136；以及冷却水收集和引出装置134。

在一个实施例中，用于获得水膜形态的装置132a、132b和135a、135b均为CCD工业相机和光源，其中，CCD工业相机132a和135a分别布置在蒸发腔体13的上部和下部，并且透过电加热玻璃布置在蒸发腔13体上，并且光源132b和135b在蒸发腔体上与对应的CCD工业相机132a和135a相距的距离至少是20mm，避免水膜将光源产生的光线返回到CCD工业相机而导致图像失真。优选地，CCD工业相机132a和135a具有连续拍摄功能，分辨率不小于1024×768，帧数不小于30fps。

优选地，电加热玻璃为中空承压玻璃，在其中空结构内布置多组电加热丝，避免玻璃表面因高湿气流凝结而失去透明作用。

图9a和9b示出水膜厚度测量装置133的一个优选实施例，其为液膜探针，其测量液膜厚度的误差不大于2um，采集频率不低于15次/秒。在该实施例中，三组液膜探针133被采用，在垂直于试验设备长度方向上等间距地并行布置。

优选地，蒸发腔体13还可以设置蒸发腔体第一温度、压力和湿度测量装置，分别用于测量高湿常压空气开始与水膜进行逆对流蒸发换热之前的温度、压力和湿度。优选地，蒸发腔体13还可以设置蒸发腔体第二温度、压力和湿度测量装置，分别用于测量高湿常压空气与水膜进行逆对流蒸发换热之后的温度、压力和湿度。

仍返回参考图1，凝结腔体12也包括入口整流器21和出口整流器22，其结构与上述整流器19和20的结构类似。

进一步地，凝结腔体12设有用于获取凝结液形态和流动形态的装置127a、127b以及128a、128b。该装置127a、127b以及128a、128b也均为CCD工业相机和光源，其中，CCD工业相机127a和128a分别布置在凝结腔体12的上部和下部，并且透过电加热玻璃布置在凝结腔体12上，并且光源127b和128b在凝结腔体上与对应的CCD工业相机127a和128a相距的距离至少是20mm，避免水膜将光源产生的光线返回到CCD工业相机而导致图像失真。优选地，CCD工业相机127a和128a具有连续拍摄功能，分辨率不小于1024×768，帧数不小于30fps。这样就能够直观地观察到凝结液的形态和流动形态。

优选地，在凝结腔体12的上部还设有凝结腔体第一温度和压力测量装置，分别用于测量高温高湿混合气体开始凝结之前的温度和压力。例如，在凝结腔体12的上部分别设有压力测量孔和温度（和/或湿度）测量孔，用于插入测压计和温度计，以便实现对气流压力的在线测量。

另外，可选地，在凝结腔体12的下部上也配有凝结腔体第二温度和压力测量装置，分别用于测量所述高温高湿混合气体凝结之后的温度和压力，例如其包括压力测量孔129和温度（和/或湿度）测量孔130。

继续参考图1，凝结腔体12还设有凝结液收集和引出装置126，其包括第一凝结液收集和引出装置126a(参见图2)，用于收集和引出在第一侧面111上凝结的凝结液；和第二凝结液收集和引出装置126b(参见图2)，其用于收集和引出在凝结腔体12的内表面上以及在凝结腔体12内的空间中凝结的凝结液。将凝结腔体12内的凝结水分开收集，有利于分析西屋公司尚未开展的工作，完善事故条件下的穹顶结构换热关联式。

下面针对图1所示的承压试验设备的工作过程进行说明。

在试验时，模拟压水堆核电事故条件下的高温高湿混合气体从凝结腔体12的上部入口流入试验本体，经过渐缩结构后平稳进入整流器，进行整流，然后流入试验设备的试验段，在测量并记录压力和温度后，高温高湿混合气体接触低温的试验板表面并发生凝结，CCD工业相机拍摄试验板上的凝结液形态和流动形态并完成图片存储，试验板表面上埋置的热电偶测量并记录温度，然后高温高湿混合气体进入整流器进行整流并从下部流出试验设备。试验板表面凝结的水在收集水槽内收集并在重力作用下导出试验本体用于测量凝结水量，凝结腔体内表面的水和从空间凝结的水在另一个收集水槽内收集并在重力作用下导出试验本体，也用于测量凝结水流量。

同时，模拟压水堆核电事故条件下的高湿常压空气经过整流，并被测温、测湿和测压后，与从布水器流出并布满试验表面的水膜形成逆对流蒸发换热，从试验板表面吸收热量，水膜持续蒸发，空气持续被加湿，测量温度、湿度和压力并被整流后气流流出实验装置，同时，水膜壁面温度被在线测量和记录。布水器布置的水膜形态由CCD工业相机拍摄并在线记录，水膜厚度有液膜探针测量并在线记录。冷却水收集槽收集未蒸发的冷却水并导出实验装置。

通过对两个腔体的温度、压力和湿度的测量以及壁面温度的测量，就可以准确获得耦合条件下热量传递的速率、压降特点。另外，利用本发明的承压试验设备，还能够研究水膜不完全覆盖时的耦合换热过程。

记住这些示例以及本文所公开的其他实施方式之后，本领域技术人员将认识到本发明的其他特征和优势。因此，要理解的是，本发明不局限于所公开的具体实施方式，并且所述修改和其他实施方式旨在被包括在本发明的范围内。当然，本发明不由前述公开限制，相反仅由所附权利要求书及其法律等同物来限制。

Claims (16)

1.一种承压试验设备，其包括试验板、固定在所述试验板的第一侧面上的凝结腔体和固定在所述试验板的与所述第一侧面相对的第二侧面上的蒸发腔体，

其特征在于，

在所述凝结腔体和蒸发腔体分别与所述试验板形成的连接位置处设置复合密封隔热垫，所述复合密封隔热垫由具有U型截面的密封圈和低导热系数的垫片组成，所述垫片布置在所述密封圈的U型槽内，所述U型槽的开口朝向所述承压试验设备外。

2.根据权利要求1所述的承压试验设备，其特征在于，所述试验板的第一侧面和第二侧面的每一个分别设置多个埋置热电偶的短槽和长槽,每个槽中都埋置一对间隔开的热电偶，所述短槽从每个侧面的相对边缘延伸到该侧面的中心，而所述长槽则从每个侧面的相对边缘延伸超过该侧面的中心。

3.根据权利要求2所述的承压试验设备，其特征在于，间隔预设距离的一个短槽和一个长槽形成一个槽对，多个槽对沿着气流方向被交替地布置在每个侧面的相对两侧上，彼此间隔相同的距离，使得沿着所述气流方向，每个侧面上的热电偶被布置成大致W型。

4.根据权利要求1-3的任一项所述的承压试验设备，其特征在于，所述蒸发腔体包括布置在其中并且靠近其入口的布水器，所述布水器布置在所述试验板的第二侧面上，所述布水器包括挡风板和溢流板，其中，所述挡风板罩在所述溢流板上，以及所述溢流板与所述试验板的第二侧面形成5-20°的倾角。

5.根据权利要求4所述的承压试验设备，其特征在于，所述溢流板在其顶部形成锯齿形状，以形成锯齿形溢流口。

6.根据权利要求4所述的承压试验设备，其特征在于，所述溢流板的表面涂有亲水涂层。

7.根据权利要求1-3任一项所述的承压试验设备，其特征在于，

所述蒸发腔体还包括整流器、用于获得水膜形态的装置、水膜厚度测量装置以及冷却水收集和引出装置。

8.根据权利要求1-3任一项所述的承压试验设备，其特征在于，所述凝结腔体包括整流器、用于获得凝结液形态和流动形态的装置以及凝结液收集和引出装置。

9.根据权利要求8所述的承压试验设备，其特征在于，所述凝结液收集和引出装置包括第一凝结液收集和引出装置，其用于收集和引出在所述第一侧面上凝结的凝结液；和第二凝结液收集和引出装置，其用于收集和引出在凝结腔体的内表面上以及在凝结腔体内的空间中凝结的凝结液。

10.根据权利要求8所述的承压试验设备，其特征在于，所述用于获取凝结液形态和流动形态的装置包括CCD工业相机和光源，其中，所述CCD工业相机和所述光源布置成彼此相隔预定距离。

11.根据权利要求10所述的承压试验设备，其特征在于：所述CCD工业相机经由电加热玻璃固定在所述凝结腔体上。

12.根据权利要求11所述的承压试验设备，其特征在于：所述电加热玻璃为中空承压玻璃，在所述中空承压玻璃的中空结构内布置多组电加热丝。

13.根据权利要求7所述的承压试验设备，其特征在于，所述用于获取水膜形态的装置包括CCD工业相机和光源，其中，所述CCD工业相机和所述光源布置成彼此相隔预定距离。

14.根据权利要求7所述的承压试验设备，其特征在于：所述水膜厚度测量装置包括至少一个液膜探针,其位于所述蒸发腔体的长度的中间位置。

15.一种承压试验设备，其包括试验板、固定在所述试验板的第一侧面上的凝结腔体和固定在所述试验板的与所述第一侧面相对的第二侧面上的蒸发腔体，所述凝结腔体和蒸发腔体分别与所述试验板形成密封隔热连接，

其特征在于，所述试验板的第一侧面和第二侧面的每一个分别设置多个埋置热电偶的短槽和长槽，每个槽中都埋置一对间隔开的热电偶，所述短槽从每个侧面的相对边缘延伸到该侧面的中心，而所述长槽则从每个侧面的相对边缘延伸超过该侧面的中心。

16.根据权利要求15所述的承压试验设备，其特征在于，间隔预设距离的一个短槽和一个长槽形成一个槽对，多个槽对沿着气流方向被交替地布置在每个侧面的相对两侧上，彼此间隔相同的距离，使得沿着所述气流方向，每个侧面上的热电偶被布置成大致W型。