CN107907301A - 一种高温高压水气流体效应模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于反应堆模拟技术领域，公开了一种高温高压水气流体效应模拟装置，设置有：去离子水制备及氧控系统、加热与实验系统、数据采集与控制系统；去离子水制备及氧控系统与加热与实验系统通过不锈钢管件、管接头、阀门连通，形成介质循环流动回路；数据采集与控制系统通过通讯转接卡将布置在回路各处的测试仪表、探头采集的数据信号汇集至计算机，实现对回路的监测与控制。本发明的高温高压水气流体效应模拟装置通过新的加热方式极大地提高了加热效率，显著降低了能耗，缩小了装置体积；雾化喷嘴、湿度计、热电偶、观察窗的配合使用，实现了对水/水蒸气相变过程与状态的研究，以及在此过程中伴随的传热效率、传热恶化规律的研究。

Description

一种高温高压水气流体效应模拟装置

技术领域

本发明属于反应堆模拟技术领域，尤其涉及一种高温高压水气流体效应模拟装置。

背景技术

核电及核电动力装置多采用压水堆，压水堆中水回路的传热效率、传热稳定性及蒸汽的流速和状态对反应堆的热交换至关重要，与此相关的水回路热工水力研究是核能设施建造必不可少的工作，对核能的发展具有重要的意义。因为难以对全尺寸的反应堆系统进行实验，当下通常对原型系统缩小比例模化，建造实验台架对反应堆系统装置进行广泛的热工水力模拟研究。对于压水堆各系统间传热流动的相互影响规律研究，一般搭建高温高压水循环回路，模拟在高温高压环境工况下水循环介质的换热效率、传热恶化规律，液态水-水蒸气相态的变化对传热稳定性的影响。目前，国内外研究机构搭建了很多高温高压水循环回路模拟装置，例如：印度巴巴原子中心的超临界实验装置；上海交通大学的超临界实验回路(王磊.垂直管道内超临界水传热特性研究[D]上海交通大学,2012.)；中国核动力研究设计院的超临界水自然循环系统。但这些装置及相关的研究均没有考虑蒸汽流速、蒸汽状态、液态水-水蒸气相态的变化对传热稳定性的影响，并且要对实验介质加热至较高温度时(比如700℃)一般采用分段式加热方式，导致实验时需要消耗非常高的热能，装置体积非常庞大。已有装置无法远程控制，在高温高压危险环境下实验操作人员的安全得不到保障。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前国内外的高温高压水循环回路模拟装置在温度梯度为0-700℃时因消耗非常高的热能，而为增加换热面积与延长换热时间，一般会增加装置的体积与长度，使得装置体积非常庞大。另外，现有类似的高温高压水气循环回路，不管是高温高压水氧化装置还是水腐蚀回路，蒸汽流速都比较低(几乎准静态)，一种模拟在高流速下高温高压水气换热工况的装置还未见报道。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高温高压水气流体效应模拟装置。

本发明是这样实现的，所述高温高压水气流体效应模拟装置设置有：去离子水制备及氧控系统，为实验制备去离子水，并对去离子水进行氧控；加热与实验系统，将室温去离子水加热至设定温度，在不同压力、不同流速下测试换热效率与水/气相变规律；数据采集与控制系统，利用探头采集实验数据，利用软件与物理键结合的方式控制装置的运行参数；所述高温高压水气流体效应模拟装置为一个高温高压水气循环回路，经去离子水制备及氧控系统处理的纯水由柱塞泵打入加热与实验系统进行实验，实验段出水经水冷机和低温浴槽冷却至室温，返回至去离子水制备及氧控系统进行再循环。

所述去离子水制备及氧控系统与所述加热与实验系统通过不锈钢管件、管接头、阀门连通，形成介质循环流动回路；

所述数据采集与控制系统通过通讯转接卡将布置在回路各处的测试仪表、探头采集的数据信号汇集至计算机，实现对回路的监测与控制。

进一步，所述去离子水制备及氧控系统包括：去离子水制备装置；

水源设置在去离子水制备装置的入口端，去离子水制备装置通过管道连接去离子水箱，去离子水制备装置与去离子水箱的管道上安装有pH计、电导率仪，去离子水箱上安装有真空泵、氮气瓶、气体质量流量控制器，气体质量流量控制器通过溶氧仪表连接溶氧电极，溶氧电极通过管道连接高压柱塞泵。

进一步，所述加热与实验系统包括：预热器；

高压柱塞泵和冷水机通过管道连接换热器，换热器通过管道连接预热器，预热器通过雾化喷嘴连接试验段加热环腔管，试验段加热环腔管的顶端安装有入口压力传感器，试验段加热环腔管安装有入口温度测温探头、中间段测温探头、出口压力传感器、出口测温探头、试验段末端测温探头、观察窗、试验段中间段湿度计、试验段末端湿度计。

进一步，所述预热器采用螺旋盘管加电磁感应加热炉结构，螺旋盘管为哈氏合金盘管；

所述试验段加热腔体，采用镍基合金制成，内置电加热棒，外包裹电加热丝加热，置有超温超压报警系统以及安全阀；

所述试验段加热环腔管入口管内置雾化喷嘴，加热保温层。

进一步，所述数据采集与控制系统包括：计算机；

控制机柜、计算机与背压阀和过滤器之间的管道连接。

进一步，所述控制机柜集成各加热组件开关和温度、压力、流量显示仪表。

本发明的优点及积极效果为：

1.在对实验段前端的水加热时，首先利用实验段出口排出的高温水与入水进行换热，将热量传递给入水，既实现对入水的预热，也冷却了高温水，双倍节省能耗约11.2％。然后利用电磁感应加热炉配套螺旋盘管，电磁感应加热炉加热效率高，10m长的加热管做成螺旋盘管，使加热线程增加，且缩小了装置体积：本发明长1.5m，宽1m，高1.2m。能在20min内将预热后的水加热至实验段入口所需温度300℃，实验段温度最高至700℃，提高了实验效率。

2.首次在试验段入口前置雾化喷嘴，将水雾化成均匀液滴进入实验管，通过观察窗可以观察实验段入口雾化液滴受热变化的情况，通过入口、中间段、末端三处湿度计测量介质水气比，再结合测得的温度数据，得以实现研究均匀水液滴→液滴/蒸气混合态→干蒸气沿加热环腔呈阶梯分布规律和相态变化规律的目的。实验管道中间置加热棒，形成0.2mm环腔间隙，使水/气介质高速通过，并能够控制蒸气流速在0-10m/s之间连续可调，回路压力为0-10MPa连续可调。

3.本发明的高温高压水气回路可以检测循环水的电导率、溶解氧含量、pH 值。去离子水制备机可以制备电导率≤0.1μScm^-1的超纯水。

4.本发明可以精确控制水中溶解氧含量最低至5ppb。

5.本发明的所有监测与控制都集成在计算机软件面板上，操作简便快捷。计算机软件按照设定格式实时保存实验数据，并显示各参数随时间的变化曲线，保证装置能够在无人值守情况下长时间安全可靠运行。

针对现有技术的技术问题，本发明加热效率高、能耗低、体积小的高温高压水气流体效应模拟装置，模拟在不同压力、不同加热功率、不同流速、不同温度下水/气相态沿加热梯度的变化规律、换热效率及换热稳定性。解决了现有技术中装置效率低下、体积庞大、智能化不足、安全可靠性差、忽略高温蒸汽的流速等问题；针对水/气相态沿加热梯度的变化规律、水气换热效率、传热稳定性的研究提供模拟实验装置，可以方便设置调整蒸汽流速、压力、加热功率等条件，能够实时在线监测、采集实验数据，并能远程操作控制。

综上所述，本发明的高温高压水气流体效应模拟装置通过新的加热方式极大地提高了加热效率，显著降低了能耗，缩小了装置体积；雾化喷嘴、湿度计、热电偶、观察窗的配合使用，实现了对水/水蒸气相变过程与状态的研究，以及在此过程中伴随的传热效率、传热恶化规律的研究。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高温高压水气流体效应模拟装置结构示意图；

图中：1、水源；2、去离子水制备装置；3、pH计；4、电导率仪；5、氮气瓶；6、气体质量流量控制器；7、溶氧仪表；8、真空泵；9、去离子水箱； 10、溶氧电极；11、高压柱塞泵；12、换热器；13、预热器；14、入口压力传感器；15、试验段加热环腔管；16、入口温度测温探头；17、中间段测温探头； 18、出口压力传感器；19、出口测温探头；20、试验段末端测温探头；21、冷水机；22、低温浴槽；23、二级冷凝器；24、冷却水测温探头；25、冷却水压力传感器；26、冷却水流量计；27、安全阀；28、背压阀；29、过滤器；30、雾化喷嘴；31、控制机柜；32、计算机；33、脱气膜组件；34、试验段入口湿度计；35、观察窗；36、试验段中间段湿度计；37、试验段末端湿度计；38、去离子水制备及氧控系统；39、加热与实验系统；40、数据采集与控制系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的高温高压水气流体效应模拟装置包括：水源1、去离子水制备装置2、pH计3、电导率仪4、氮气瓶5、气体质量流量控制器6、溶氧仪表7、真空泵8、去离子水箱9、溶氧电极10、高压柱塞泵11、换热器12、预热器13、入口压力传感器14、试验段加热环腔管15、入口温度测温探头16、中间段测温探头17、出口压力传感器18、出口测温探头19、试验段末端测温探头20、冷水机21、低温浴槽22、二级冷凝器23、冷却水测温探头24、冷却水压力传感器25、冷却水流量计26、安全阀27、背压阀28、过滤器29、雾化喷嘴30、控制机柜31、计算机32、脱气膜组件33、试验段入口湿度计34、观察窗35、试验段中间段湿度计36、试验段末端湿度计37。

水源1设置在去离子水制备装置2的入口端，去离子水制备装置2通过管道连接去离子水箱9，去离子水制备装置2与去离子水箱9的管道上安装有pH 计3、电导率仪4，去离子水箱9上安装有真空泵8、氮气瓶5、气体质量流量控制器6，气体质量流量控制器6通过溶氧仪表7连接溶氧电极10，溶氧电极 10通过管道连接高压柱塞泵11。

去离子水制备装置2通过过滤器29连接背压阀28，背压阀28通过管道连接冷却水流量计26，背压阀28与冷却水流量计26之间的管道上安装有安全阀 27，冷却水流量计26通过管道连接二级冷凝器23，冷却水流量计26与二级冷凝器23之间的管道上安装有冷却水测温探头24、冷却水压力传感器25，二级冷凝器23通过管道与低温浴槽22连接，二级冷凝器23通过管道与冷水机21 连接。

控制机柜31、计算机32与背压阀28和过滤器29之间的管道连接。

高压柱塞泵11和冷水机21通过管道连接换热器12，换热器12通过管道连接预热器13，预热器13通过雾化喷嘴30连接试验段加热环腔管15，试验段加热环腔管15的顶端安装有入口压力传感器14，试验段加热环腔管15安装有入口温度测温探头16、中间段测温探头17、出口压力传感器18、出口测温探头 19、试验段末端测温探头20、观察窗35、试验段中间段湿度计36、试验段末端湿度计37。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图1所示，本发明高温高压水气流体效应模拟装置，包括去离子水制备及氧控系统38、加热与实验系统39、数据采集与控制系统40。其中，去离子水制备及氧控系统38与加热与实验系统39通过不锈钢管件、管接头、阀门连通，形成介质循环流动回路。数据采集与控制系统40通过通讯转接卡将布置在回路各处的测试仪表、探头采集的数据信号汇集至计算机32，实现对回路的监测与控制。具体结构如下：

去离子水制备及氧控系统38包括：去离子水制备装置2，能够把提供的自来水源1和试验后冷却的水经过滤器29净化，过滤水中杂质(如脱落的腐蚀样品)和去除水中离子，制备去离子水。去离子水制备装置选用增压泵及反渗透组件，配有液位自控及高低水位报警系统，配有在线高阻仪表，可连续监测水质；密闭式不锈钢水箱9，用以贮存制备的去离子水，有通气口接氮气瓶5通入氮气除氧，水箱外接脱气膜组件33进行循环除氧，脱气膜连接真空泵8；通过软件反馈溶解氧的含量，用气体质量流量控制器6调节打入氮气的流量值以控氧；溶氧电极10和溶氧仪表7置于氧控处理后的水末端；pH计3、电导率仪4 置于去离子水箱9；高压柱塞泵11将制备的去离子水注入加热与实验系统进行实验。

加热与实验系统包括：预热器13，对管路中的水进行初步加热，使达到要求的入口温度值，预热器采用螺旋盘管加电磁感应加热炉结构，螺旋盘管为哈氏合金盘管；试验段加热腔体15，采用镍基合金制成，内置电加热棒，外包裹电加热丝加热，置有超温超压报警系统以及安全阀27；入口压力传感器14；入口温度测温探头16；中间段测温探头17；出口压力传感器18；出口测温探头19；试验段末端测温探头20；试验段入口湿度计34；观察窗35；试验段中间段湿度计36；试验段末端湿度计37；试验段加热环腔管15入口管内置雾化喷嘴 30；加热保温层，采用保温性能好的硅酸铝填充材料；换热器12，试验段出口水与试验段前去离子水进行热交换；冷水机21，将经过换热器12的高温水进行冷却；低温浴槽22；二级冷凝器23；冷却水测温探头24；冷却水压力传感器 25；冷却水流量计26；安全阀27；背压阀28。

数据采集与控制系统包括：计算机32；通讯转接卡，实现压力、温度、功率、流量等信号的形成以及与计算机32的接口，结合采集软件实现适时采集并自动保存记录各数据；控制操作在Windows界面下，可以实现远程操作控制。根据基本功能的要求，控制软件采用按键、编辑框等界面元素，分为封面、主界面、子界面。功能子界面分为基础参数，分别实时显示各参数曲线；系统运行压力、温度设有极限值，确保试验安全可靠，操作提示以防误操作；控制机柜31，上面集成各加热组件开关和温度、压力、流量显示仪表。

本发明实施例的氧控是利用脱气膜与氮气除氧联合作用实现的。用接在水箱外的脱气膜组件33对去离子水进行循环除氧，同时氮气瓶5接到去离子水箱 9，中间接气体质量流量控制器6，由计算机32软件通过反馈氧含量值调节氮气流量进行控氧。

本发明在正常运行状态的工作过程为：去离子水制备设备2制得的去离子水进入去离子水箱9，然后氮气经气体质量流量控制器6进入去离子水箱开始除氧，通过反馈溶氧值调节氮气流量进行氧控，在水箱外接脱气膜进行辅助除氧。高压柱塞泵11将水打入预热器12，背压阀28与高压柱塞泵之间形成压力，旋钮背压阀控制回来压力，若压力超过安全阀27的设定压力，安全阀将自动开启泄压。经换热器初步换热后进入预热器13，用电磁感应加热炉预加热至290℃，然后经雾化喷嘴30将水雾化成均匀液滴进入试验段加热环腔管15，环腔管由镍基合金做成的管道与置于管道中间的电加热棒组成，管壁与加热棒之间的缝隙为2mm，这种窄缝隙结构能使产生高的蒸气流速，雾化的均匀水液滴在进入加热环腔管后被加热变成蒸气，在由水相变成蒸气的过程中，均匀水液滴→液滴/ 蒸气混合态→干蒸气沿加热环腔呈阶梯分布，在管壁外安置热电偶与压力传感器监测该过程中的温度、压力变化情况，为研究传热恶化、传热效率及高流速下高温高压水气的相变流体效应积累实验数据。加热环腔末端的高温干蒸气经出口进入换热器12与来自去离子水箱的水进行热交换，将去离子水初步预热，高温蒸气也经热交换被冷却至液态水，再经冷水机21循环冷却，温度进一步降低。然后进入低温浴槽22，二级冷凝器23冷却至室温，再经背压阀28降为低压水返回去离子水箱。

装置工作前的准备工作主要是去离子水的制备和氧控。用去离子水制备机2 循环制备去离子水，然后用气体质量流量控制器6反馈氧含量调节氮气流量控氧。待水质和氧含量达到实验要求时打开柱塞泵11开始水循环。

实验结束后，停止加热炉加热，循环水持续循环，防止预热器螺旋盘管干烧，待回路各监测点温度降至100℃以下时关闭柱塞泵。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高温高压水气流体效应模拟装置，其特征在于，所述高温高压水气流体效应模拟装置设置有：

去离子水制备及氧控系统，用于为实验制备去离子水，并对去离子水进行氧控；

加热与实验系统，用于将室温去离子水加热至设定温度，在不同压力、不同流速下测试换热效率与水/气相变规律；

数据采集与控制系统，用于利用探头采集实验数据，利用软件与物理键结合的方式控制装置的运行参数；

所述去离子水制备及氧控系统与所述加热与实验系统通过不锈钢管件、管接头、阀门连通，形成介质循环流动回路；

所述数据采集与控制系统通过通讯转接卡将布置在回路各处的测试仪表、探头采集的数据信号汇集至计算机，实现对回路的监测与控制。

2.如权利要求1所述的高温高压水气流体效应模拟装置，其特征在于，所述去离子水制备及氧控系统包括：去离子水制备装置；

水源设置在去离子水制备装置的入口端，去离子水制备装置通过管道连接去离子水箱，去离子水制备装置与去离子水箱的管道上安装有pH计、电导率仪，去离子水箱上安装有真空泵、氮气瓶、气体质量流量控制器，气体质量流量控制器通过溶氧仪表连接溶氧电极，溶氧电极通过管道连接高压柱塞泵。

3.如权利要求1所述的高温高压水气流体效应模拟装置，其特征在于，所述加热与实验系统包括：预热器；

高压柱塞泵和冷水机通过管道连接换热器，换热器通过管道连接预热器，预热器通过雾化喷嘴连接试验段加热环腔管，试验段加热环腔管的顶端安装有入口压力传感器，试验段加热环腔管安装有入口温度测温探头、中间段测温探头、出口压力传感器、出口测温探头、试验段末端测温探头、观察窗、试验段中间段湿度计、试验段末端湿度计。

4.如权利要求3所述的高温高压水气流体效应模拟装置，其特征在于，所述预热器采用螺旋盘管加电磁感应加热炉结构，螺旋盘管为哈氏合金盘管；

所述试验段加热腔体，采用镍基合金制成，内置电加热棒，外包裹电加热丝加热，置有超温超压报警系统以及安全阀；

所述试验段加热环腔管入口管内置雾化喷嘴，加热保温层。

5.如权利要求1所述的高温高压水气流体效应模拟装置，其特征在于，所述数据采集与控制系统包括：计算机；

控制机柜、计算机与背压阀和过滤器之间的管道连接。

6.如权利要求5所述的高温高压水气流体效应模拟装置，其特征在于，所述控制机柜集成各加热组件开关和温度、压力、流量显示仪表。

7.一种使用权利要求1～6任意一项所述高温高压水气流体效应模拟装置的电动力装置。