CN108109708B - 氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，该系统可以进行Dowtherm A导热油流动、换热两种实验，可以在低温工况下模拟高温氟盐的流动换热特性。该实验系统能够进行高普朗特数导热油在球床通道内的流动实验与传热实验，可以实现氟盐冷却球床高温堆堆芯FLiBe的流动与换热模拟；实验系统具有安全性高、实验数据精度高、运行成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于实验装置技术领域，具体涉及一种氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统。
背景技术
氟盐冷却球床高温堆为第四代核反应堆候选堆型，其综合了高温气冷堆球型燃料元件、熔盐堆熔盐冷却剂、布雷顿循环等多种先进技术，在经济性、固有安全性、防核扩散等方面具备独特的优势。氟盐冷却球床高温堆堆芯通过冷却剂FLiBe带走球形燃料元件产生的热量。FLiBe属于高普朗特数流体(600-700℃时，普朗特数为12-20)，其在球床堆芯内的流动换热特性与水、氦气等低普朗特数流体有较大区别。氟盐冷却球床高温堆的设计、运行及安全评估均需对FLibe流经球床的流动换热特性有很深的理解，相关程序开发需要有相应的流动换热模型。因而开展高普朗特数流经球床的流动换热特性研究具有十分重要的意义。
目前针对球床通道的流动关系式有Ergun公式、Handley and Heggs公式等；换热关系式主要由Wakao公式、Gnielinski以及KTA公式。上述公式经水、氦气、空气等低普朗特数介质验证，能否适用于FLiBe等高普朗特数介质没有获得证明。近些年美国橡树岭国家实验室、中国科学院上海应用物理研究所建立了熔盐FLiNaK实验回路，但是未获得较好的实验结果。氟盐运行温度过高，且熔点也高于400℃，高温氟盐对管道腐蚀性很强，开展氟盐实验的难度大，成本高昂。
道氏化学公司生产的Dowtherm A型导热油在较低温度(45-105℃)范围内普朗特数同为(12-20)，与高温FLiBe在600-700℃十分相似，该特性使Dowtherm A具备在低温条件下模拟高温氟盐的可行性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，该回路能揭示高普朗特数流体球床通道流动换热特性，为氟盐冷却球床高温堆的设计、安全评估及相应的程序开发提供实验支撑。
为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，由主回路及冷凝回路构成；主回路包括导热油预热段、膨胀槽、膨胀管、传热实验段、流动阻力实验段和管壳式换热器；冷凝回路包括冷却塔、冷却水箱和离心泵；导热油预热段出口管路分为两路，一路同时与传热实验段和流动阻力实验段进口连通，另一路与传热实验段和流动阻力实验段出口连通后接入管壳式换热器热液体入口，管壳式换热器热液体出口通过管路依次与冷却塔、冷却水箱连通，冷却水箱通过管路与管壳式换热器冷液体入口连通，离心泵安装在冷却水箱和管壳式换热器之间，管壳式换热器冷液体出口通过管路与导热油预热段入口连通，管壳式换热器冷液体出口与导热油预热段入口管路上安装有导热油高温循环泵并连接有排油管，膨胀槽出口通过膨胀管与导热油预热段进口连通，导热油预热段出口管路通过排气管再与膨胀槽连通；
传热实验段包括竖直设置两端开口的聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管内由下至上分别填充玻璃球、碳钢球以及玻璃球，电磁感应加热系统的电磁感应线圈紧贴缠绕在聚四氟乙烯管外壁，线圈产生的交变磁场在碳钢球内产生感应电流，从而在球体内产生热量，模拟堆芯球型燃料元件释热，聚四氟乙烯管内设置有测温元件；
流动阻力实验段包括不锈钢管，不锈钢管通过上下不锈钢法兰与主回路管路连通衔接，不锈钢管内填充不锈钢球，以模拟氟盐冷却球床高温堆的球型燃料元件，不锈钢管距离底部及顶部一定距离分别开设有引压孔，通过压力变送器及压差变送器测量实验段内的压力以及上下侧引压孔间的压差；
主回路及冷凝回路中各连接管路上均安装有流量计、阀门、压力传感器和热电偶。
进一步，传热实验段的测温元件由铠装热电偶及聚四氟乙烯空心球构成，聚四氟乙烯空心球顶部及前后左右四个方向开孔，五个孔在空心球中心连通，一只热电偶穿过空心球固定在空心球内，另一只热电偶从顶部开孔插入空心球，热电偶头部则伸入空心球体内固定。
进一步，传热实验段靠近上下端各设置一只测温元件，聚四氟乙烯空心球与传热实验段内的碳钢球直径相同，测温热电偶紧贴聚四氟乙烯管内表面从实验段顶部引出。
进一步，不锈钢管和聚四氟乙烯管顶部与底部分别均设置螺纹孔板及不锈钢滤网。
进一步，电磁感应线圈采用水冷螺旋式结构，与冷水机内空冷换热器形成闭式冷却回路，空冷换热器管侧设置有风扇对感应线圈进行冷却。
进一步，导热油预热段由导热油炉本体以及法兰式电加热器构成，法兰式电加热器由不锈钢管焊接而成，并绕制有高电阻电热丝。
进一步，导热油预热段上设有温度测点，通过温控仪对导热油预热段温度进行控制；导热油预热段上同时设有压力表，导热油预热段压力低于设定值时，通过信号采集系统输出报警信号。
进一步，管壳式换热器管侧壳侧进出口端、流动阻力实验段以及传热实验段进出口均设置T型热电偶。
进一步，导热油预热段入口管路上设有Y型过滤装置。
进一步，碳钢球表面经过发黑处理，镀有薄氧化层。
本发明具有以下优点和有益效果：
本发明的氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，电磁感应加热系统的电磁感应线圈紧贴缠绕在聚四氟乙烯管外壁，线圈产生的交变磁场在碳钢球内产生感应电流，从而在球体内产生热量，模拟堆芯球型燃料元件释热；流动阻力实验段不锈钢管内填充不锈钢球，以模拟氟盐冷却球床高温堆的球型燃料元件，不锈钢管距离底部及顶部一定距离分别开设有引压孔，通过压力变送器及压差变送器测量实验段内的压力以及上下侧引压孔间的压差；模拟氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热特性实验系统，该系统可以进行Dowtherm A导热油流动、换热两种实验，可以在低温工况下模拟高温氟盐的流动换热特性。该实验系统能够进行高普朗特数导热油在球床通道内的流动实验与传热实验，可以实现氟盐冷却球床高温堆堆芯FLiBe的流动与换热模拟；实验系统具有安全性高、实验数据精度高、运行成本低等优点。
传热实验段采用聚四氟乙烯管，流动阻力实验段采用不锈钢管，系统能够实现关键部位实验现象的可视，实验时对传热实验段、导热油预热段独立加热，可以有效降低主回路电负荷。
进一步，电磁感应加热系统中的水冷螺旋线圈、中频感应电源超温保护设计。
采用Dowtherm A导热油，运行温低，价格相对低廉，模拟氟盐流动换热特性难度及成本大大降低；采用导热油预热段和传热实验段独立加热的设计方法可以有效降低回路电负荷。
附图说明
图1实验系统示意图；
图2电磁感应线圈冷却回路示意图；
图3聚四氟乙烯空心测量示意图；
图4传热实验段示意图；
图5螺纹孔板结构示意图；
图6流动阻力实验段示意图；
图中：1-导热油预热段；2-导热油高温循环泵；3-过滤器；4-排油管；5-膨胀管；6-排气管；7-传热实验段；8-流动阻力实验段；9-管壳式换热器；10-膨胀槽；11-冷却塔；12-冷却水箱；13-离心泵；14-玻璃球；15-碳钢球；16-电磁感应线圈；17-引压孔；18-不锈钢球。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
参见图1-2，本发明的氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，由主回路及冷凝回路构成。主回路主要包含导热油预热段1、导热油高温循环泵2、过滤器3、排油管4、膨胀管5、排气管6、传热实验段7、流动阻力实验段8、管壳式换热器9、膨胀槽10、电磁感应加热系统等设备构成；冷凝回路则由冷却塔11、冷却水箱12，离心泵13等构成。
导热油预热段1出口管路分为两路，一路同时与传热实验段7和流动阻力实验段8进口连通，另一路与传热实验段7和流动阻力实验段8出口连通后接入管壳式换热器9热液体入口，管壳式换热器9热液体出口通过管路依次与冷却塔11、冷却水箱12连通，冷却水箱12通过管路与管壳式换热器9冷液体入口连通，离心泵13安装在冷却水箱12和管壳式换热器9之间，管壳式换热器9冷液体出口通过管路与导热油预热段1入口连通，管壳式换热器9冷液体出口与导热油预热段1入口管路上安装有导热油高温循环泵2并连接有排油管4，膨胀槽10出口通过膨胀管5与导热油预热段1进口连通，导热油预热段1出口管路通过排气管6再与膨胀槽10连通；
如图4所示，传热实验段7包括竖直设置两端开口的聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管内由下至上分别填充玻璃球14、碳钢球15以及玻璃球14，电磁感应加热系统的电磁感应线圈16紧贴缠绕在聚四氟乙烯管外壁，线圈产生的交变磁场在碳钢球15内产生感应电流，从而在球体内产生热量，模拟堆芯球型燃料元件释热，聚四氟乙烯管内设置有测温元件；
如图6所示，流动阻力实验段8包括不锈钢管，不锈钢管通过上下不锈钢法兰与主回路管路连通衔接，不锈钢管内填充不锈钢球18，以模拟氟盐冷却球床高温堆的球型燃料元件，不锈钢管距离底部及顶部一定距离分别开设有引压孔17，通过压力变送器及压差变送器测量实验段内的压力以及上下侧引压孔17间的压差；主回路及冷凝回路中各连接管路上均安装有流量计、阀门、压力传感器和热电偶。
如图3所示，传热实验段7的测温元件由铠装热电偶及聚四氟乙烯空心球构成，聚四氟乙烯空心球顶部及前后左右四个方向开孔，五个孔在空心球中心连通，一只热电偶穿过空心球固定在空心球内，另一只热电偶从顶部开孔插入空心球，热电偶头部则伸入空心球体内固定。
传热实验段7靠近上下端各设置一只测温元件，聚四氟乙烯空心球与传热实验段7内的碳钢球15直径相同，测温热电偶紧贴聚四氟乙烯管内表面从实验段顶部引出。
不锈钢管和聚四氟乙烯管顶部与底部分别均设置螺纹孔板及不锈钢滤网，如图5所示。
电磁感应线圈16采用水冷螺旋式结构，与冷水机内空冷换热器形成闭式冷却回路，空冷换热器管侧设置有风扇对感应线圈进行冷却。
导热油预热段1由导热油炉本体以及法兰式电加热器构成，法兰式电加热器由不锈钢管焊接而成，并绕制有高电阻电热丝。
导热油预热段1上设有温度测点，通过温控仪对导热油预热段1温度进行控制；导热油预热段1上同时设有压力表，导热油预热段1压力低于设定值时，通过信号采集系统输出报警信号。
管壳式换热器9管侧壳侧进出口端、流动阻力实验段8以及传热实验段7进出口均设置T型热电偶。
导热油预热段1入口管路上设有Y型过滤装置。
实验开始前，关闭排油管4阀门，打开主回路上其他所有阀门，向膨胀槽10内缓慢添加Dowtherm A导热油，待膨胀槽10液位计显示膨胀槽10内油已占膨胀槽10一半时停止注油。
开启导热油高温循环泵2，视听导热油高温循环泵2，并监测实验回路压力表，保证其在规定范围内，如有异常立即停止泵的运行，将故障排除后重新启动导热油高温循环泵2，进行常温下排气操作，直至回路压力表及膨胀槽10液位稳定，然后关闭排气管6路阀门。
进行流动实验时，关闭传热实验段7上下球阀，保持流动实验段上下球阀全开状态。开启导热油预热段1加热装置，将导热油升温至额定工况温度后，进行保温控制。通过调节主回路旁通管路阀门及科里奥利质量流量计前调节阀调节流经实验段的Dowtherm A导热油流量至额定实验工况。实验进行时，数据采集系统记录实验回路压力及流动实验段部分压力压差数据。流动实验停止前，关闭导热油预热段1加热装置，开启冷凝回路离心泵13及冷却塔11风机，通过调节冷凝回路旁通管路球阀开度，调节通过管壳式换热器9壳侧冷凝水流量，从而将主回路导热油进行冷却。当主回路导热油冷却至常温时，关闭主回路导热油高温循环泵2，并停止运行冷凝回路离心泵13及冷却塔11风机。
进行换热实验时，关闭流动实验段上下球阀，打开传热实验段7上下球阀至全开。开启导热油预热段1加热装置，将导热油升温至额定工况温度后，进行保温控制。通过调节主回路旁通管路阀门及调节阀，调节流经传热实验段7的Dowtherm A导热油流量至实验工况流量。打开电磁加热系统工业冷水机，然后开启中频感应加热电源，保持电磁感应加热电源为零功率。开启冷凝回路离心泵13及冷却塔11风机。调节中频感应加热电源功率至实验工况功率值。调节冷凝回路旁通管路阀门，从而调节管壳换热器冷凝功率与电磁感应加热系统功率及导热油预热段1功率匹配，以保证某一实验工况中传热实验段7进出口温度稳定。待传热实验段7进出口温度稳定后，数据采集系统记录主回路温度、压力、流量及传热实验段7内碳钢球15表面温度及导热油温度。传热实验结束后，将中频感应加热电源功率降至零功率后关闭；关闭导热油预热段1加热装置。待主回路导热油温度降至常温时，关闭主回路导热油高温循环泵2，然后关闭冷凝回路离心泵13及冷却塔11风机。实验结束后，关闭电磁感应加热系统工业冷水机。
氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统可以进行利用Dowtherm A导热油开展换热及流动阻力特性实验，实验压力范围为0.1-0.3MPa，台架最高运行温度可达100℃。在Dowtherm A导热油实验中，膨胀槽10内导热油通过膨胀管5注满主回路。膨胀管5与主回路接点位于高温导热油泵入口前0.5m处，设置膨胀管5可以吸收导热油受热膨胀多余的体积。导热油在高温导热油泵作用下，在主回路中循环。
主回路高温循环泵入口前设有Y型过滤装置，以使导热油进入导热油预热段1加热前除去杂质，保证主回路安全稳定运行。主回路中导热油在导热油预热段1内加热至设定工况温度。导热油预热段1由导热油炉本体以及法兰式电加热器构成。法兰式电加热器则由不锈钢管焊接而成，并绕制高电阻电热丝。导热油预热段1上设有温度测点，通过温控仪对导热油预热段1温度进行控制；导热油预热段1上同时设有压力表，导热油预热段1压力低于设定值时，通过信号采集系统输出报警信号，同时导热油预热段1停止加热。
氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统主回路同时设有流动阻力实验段8与传热实验段7，可以通过调节实验段进出口处球阀开启或者关闭对应的实验段。
导热油在球床通道的流动阻力实验中，经过预热的导热油进入流动阻力实验段8。为了使实验现象可视，流动阻力实验段8由不锈钢加工而成。实验段通过上下不锈钢法兰与主回路衔接。不锈钢内填充不锈钢球18，以模拟氟盐冷却球床高温堆的球型燃料元件。实验段顶端与底部分别放置了两个螺纹孔板和不锈钢滤网，以固定实验段内小球的位置。孔板的孔径选择考虑了孔板的面孔隙率与球床实验通道内孔隙率的相似性，以减小入口效应以及出口效应的影响。实验段距离底部及顶部280mm处开分别有引压孔17，通过压力变送器及压差变送器测量实验段内的压力以及上下测压孔间的压差。
导热油流经球床通道的传热实验中，预热后的导热油进入传热实验段7。传热实验段7采用聚四氟乙烯加工而成，与流动阻力实验段8相似，在顶部与底部分别设有螺纹孔板及不锈钢滤网。传热实验段7与电磁感应加热系统相连。频率40KHz的中频感应加热电源控制分离式变压器箱以及与变压器箱连接的电磁感应线圈16，线圈紧贴传热实验段7外壁。传热实验段7内由下至上分别填充玻璃球14、碳钢球15以及玻璃球14。顶部与底部玻璃球14用来分别消除导热油的出口、进口效应。线圈产生的交变磁场在碳钢球15内产生感应电流，从而在球体内产生热量，模拟堆芯球型燃料元件释热。中频感应电源最大功率为80KW，逆变效率可达95％，实验段内钢球感应加热效率可达90％。碳钢球15表面经过发黑处理，镀有薄氧化层，从而避免电磁感应加热过程中可能出现的“打火”现象导致钢球结块。电磁感应线圈16采用水冷螺旋式结构，与冷水机内空冷换热器形成闭式冷却回路，空冷换热器管侧水被风扇冷却，进而冷却感应线圈，防止温度过高造成线圈损坏。传热实验段7需要同时测量碳钢球15表面温度与球表面附近水温。测温点由两只直径0.5mmK型铠装热电偶及辅助聚四氟乙烯空心球构成，一只热电偶穿过五面开孔的空心球，通过助焊剂及焊锡与碳钢球15表面焊接；另一只热电偶头部则伸入空心球体内，两只热电偶通过高温胶与空心球固定，防止实验期间因导热油冲击造成热电偶位置改变而影响测温结果。为减少对实验段内流场分布的影响，聚四氟乙烯空心球与传热实验段7内碳钢球15直径相同，测温热电偶紧贴聚四氟乙烯管内表面从实验段顶部引出图3。
导热油自实验段流出后进入管壳式换热器9进行冷却。管壳式换热器9管侧为导热油，壳侧为冷凝水。导热油从管壳式换热器9流出后则回到高温导热油泵入口，在泵的作用下继续在主回路循环。冷凝回路则由冷水箱、离心泵13以及冷却塔11构成。冷水箱冷却水由离心泵13驱动进入管壳式换热器9壳侧，从管侧导热油吸入热量升温后，进入冷却塔11，在风扇作用下冷却，最终回到冷水箱。
实验系统中有多处流体流量控制装置。导热油流量通过调节导热油预热段1出口旁路上的球阀开度以及科里奥利流量计后的阀门实现控制。冷凝回路流量则通过离心泵13出口后旁路上的球阀开度实现。通过实验段的质量流量由导热油回路中科里奥利质量流量计测量，冷凝回路流量则由电磁流量计测量。管壳式换热器9管侧壳侧进出口温度、流动实验段以及传热实验段7进出口温度均由T型热电偶测量。
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，对于本发明所属技术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或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (8)
1.氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，其特征在于：由主回路及冷凝回路构成；
主回路包括导热油预热段(1)、膨胀槽(10)、膨胀管(5)、传热实验段(7)、流动阻力实验段(8)和管壳式换热器(9)；冷凝回路包括冷却塔(11)、冷却水箱(12)和离心泵(13)；导热油预热段(1)出口管路分为两路，一路同时与传热实验段(7)和流动阻力实验段(8)进口连通，另一路与传热实验段(7)和流动阻力实验段(8)出口连通后接入管壳式换热器(9)热液体入口，管壳式换热器(9)热液体出口通过管路依次与冷却塔(11)、冷却水箱(12)连通，冷却水箱(12)通过管路与管壳式换热器(9)冷液体入口连通，离心泵(13)安装在冷却水箱(12)和管壳式换热器(9)之间，管壳式换热器(9)冷液体出口通过管路与导热油预热段(1)入口连通，管壳式换热器(9)冷液体出口与导热油预热段(1)入口管路上安装有导热油高温循环泵(2)并连接有排油管(4)，膨胀槽(10)出口通过膨胀管(5)与导热油预热段(1)进口连通，导热油预热段(1)出口管路通过排气管(6)再与膨胀槽(10)连通；
传热实验段(7)包括竖直设置两端开口的聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管内由下至上分别填充玻璃球(14)、碳钢球(15)以及玻璃球(14)，电磁感应加热系统的电磁感应线圈(16)紧贴缠绕在聚四氟乙烯管外壁，线圈产生的交变磁场在碳钢球(15)内产生感应电流，从而在球体内产生热量，模拟堆芯球型燃料元件释热，聚四氟乙烯管内设置有测温元件；
流动阻力实验段(8)包括不锈钢管，不锈钢管通过上下不锈钢法兰与主回路管路连通衔接，不锈钢管内填充不锈钢球(18)，以模拟氟盐冷却球床高温堆的球型燃料元件，不锈钢管距离底部及顶部一定距离分别开设有引压孔(17)，通过压力变送器及压差变送器测量实验段内的压力以及上下侧引压孔(17)间的压差；
主回路及冷凝回路中各连接管路上均安装有流量计、阀门、压力传感器和热电偶；
不锈钢管和聚四氟乙烯管顶部与底部分别均设置螺纹孔板及不锈钢滤网；
电磁感应线圈(16)采用水冷螺旋式结构，与冷水机内空冷换热器形成闭式冷却回路，空冷换热器管侧设置有风扇对感应线圈进行冷却。
2.根据权利要求1所述的氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，其特征在于：传热实验段(7)的测温元件由铠装热电偶及聚四氟乙烯空心球构成，聚四氟乙烯空心球顶部及前后左右四个方向开孔，五个孔在空心球中心连通，一只热电偶穿过空心球固定在空心球内，另一只热电偶从顶部开孔插入空心球，热电偶头部则伸入空心球体内固定。
3.根据权利要求2所述的氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，其特征在于：传热实验段(7)靠近上下端各设置一只测温元件，聚四氟乙烯空心球与传热实验段(7)内的碳钢球(15)直径相同，测温热电偶紧贴聚四氟乙烯管内表面从实验段顶部引出。
4.根据权利要求1-3任一项所述的氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，其特征在于：导热油预热段(1)由导热油炉本体以及法兰式电加热器构成，法兰式电加热器由不锈钢管焊接而成，并绕制有高电阻电热丝。
5.根据权利要求1所述的氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，其特征在于：导热油预热段(1)上设有温度测点，通过温控仪对导热油预热段(1)温度进行控制；导热油预热段(1)上同时设有压力表，导热油预热段(1)压力低于设定值时，通过信号采集系统输出报警信号。
6.根据权利要求1-3任一项所述的氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，其特征在于：管壳式换热器(9)管侧壳侧进出口端、流动阻力实验段(8)以及传热实验段(7)进出口均设置T型热电偶。
7.根据权利要求1-3任一项所述的氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，其特征在于：导热油预热段(1)入口管路上设有Y型过滤装置。
8.根据权利要求1-3任一项所述的氟盐冷却球床高温堆堆芯流动换热模拟实验系统，其特征在于：碳钢球(15)表面经过发黑处理，镀有薄氧化层。
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