CN108414406B - 一种超临界视窗实验系统 - Google Patents
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Classifications
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- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
Abstract
本发明公开了一种超临界视窗实验系统，包括顺序环状连接的冷凝器(1)、涡流流量计(2)、加热加压段(3)和工作段(4)，其中，涡流流量计(2)计量从冷凝器(1)中流出的水，该水流入加热加压段(3)后，经加热加压段(3)的加热加压作用转变为超临界状态，流入工作段(4)中进行颗粒模拟物质的运动观测，最终工作段中的水排放至冷凝器(1)冷凝后回收。本发明提供的超临界视窗实验系统可以用于研究超临界状态中的颗粒运动沉积规律，便于提出解决颗粒沉积的措施。该系统能够在工作条件下长期运行，有利于机械设备制造、热工水力方面的研究与应用。
Description
技术领域
本发明属于能源发电与机械设备领域，具体涉及一种超临界视窗实验系统。
背景技术
超临界水，是指当气压和温度达到一定值时，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同时的水。此时，水的液体和气体便没有区别，完全交融在一起，成为一种新的呈现高温高压状态的液体。
超临界火电技术由于参数本身的特点决定了超临界锅炉只能采用直流锅炉，在超临界锅炉内随着压力的提高，水的饱和温度也随之提高，汽化潜热减少，水和汽的密度差也随之减少。与超临界压力时的情况相同，当水被加热到相应压力下的相变点(临界温度)时即全部汽化。
变压运行的超临界直流锅炉在亚临界压力范围和超临界压力范围内工作时，都存在工质的热膨胀现象；并且在亚临界压力范围内可能出现膜态沸腾，在超临界压力范围内可能出现类膜态沸腾。蒸汽膜的绝缘性使热量交换变得很差，以致锅炉管壁壁面会达到很高的温度，而有烧毁的危险。
超临界直流锅炉要求汽水品质高，凝结水需进行100％除盐处理。因此，在汽包运行过程中，如果能够直观的看到加热管内发生的变化，有利于分析这些变化产生的原因，找出去除或减小这些不利影响因素的方法。
超临界水冷反应堆是六种第四代未来堆芯中唯一的水冷堆。超临界水冷反应堆通道独特而复杂，承受兆瓦级高热流密度和强核热反馈。清华大学、中国核动力院、华北电力大学等机构都曾搭建超临界水流动实验台架，但由于受到高温高压等实验技术的限制，只能采用数值模拟等非可视的方法，对超临界压力下的颗粒运动进行分析。
因此，超临界实验视窗系统对颗粒物运动的可视化，有利于研究颗粒物在超临界状态下的运动沉积规律，提出相应解决颗粒沉积的措施。
由于上述原因，本发明人对现有的技术进行改进，研究出一种超临界视窗实验系统。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种超临界视窗实验系统，包括依次连接的冷凝器、涡流流量计、加热加压段和工作段，通过加热加压将水变为超临界状态，利用高速摄像机拍摄工作段透明视窗内颗粒的运动状态，记录颗粒运动轨迹，从而完成了本发明。
具体来说，本发明的目的在于提供一种超临界视窗实验系统，该系统包括顺序环状连接的冷凝器、涡流流量计、加热加压段和工作段，其中，涡流流量计计量从冷凝器中流出的水，该水流入加热加压段后，经加热加压段的加热加压作用转变为超临界状态，流入工作段中进行颗粒模拟物质的运动观测，最终工作段中的水排放至冷凝器冷凝后回收。
其中，所述工作段包括圆环形的通道、入口管道和出口管道，入口管道的轴线与环形通道的对称轴平行，并设置于对称轴的任一侧；所述出口管道的轴线与通道的对称轴重合，并与入口管道的轴线平行。
在加热加压段中包括水压泵、稳压计和加热装置，水压泵与稳压计连接并向其泵水，稳压计将水压稳定在22.1-25MPa，水流入加热装置11；加热装置11加热流入其内的水，使水达到超临界状态。
所述冷凝器的出口管道与冷却水箱上端的入口管道连接，在冷却水箱下端的出口管道与冷却水泵的入口管道连接，冷却水泵的出口管道与冷凝器的入口管道连接；优选在冷凝器和冷却水泵之间还设置有涡流流量计，用以记录和调节冷却水的流量。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)本发明提供的超临界视窗实验系统可以用于研究超临界状态中的颗粒运动沉积规律，便于提出解决颗粒沉积的措施。该系统能够在工作条件下长期运行，有利于机械设备制造、热工水力方面的研究与应用；
(2)本发明提供的超临界视窗实验系统在超临界下为可透明，使得利用光学仪器对实验监测成为可能。
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视窗实验系统的连接示意图；
图2示出根据本发明一种优选实施方式的工作段的结构示意图；
图3示出根据本发明一种优选实施方式的工作段的剖视图；
图4示出根据本发明一种优选实施方式的加热加压段的连接示意图；
图5示出根据本发明一种优选实施方式超临界视窗实验系统的连接示意图。
附图标号说明：
1-冷凝器
2-涡流流量计
3-加热加压段
4-工作段
5-入口管道
6-出口管道
7-通道
8-筛网
9-水压泵
10-稳压计
11-加热装置
12-热电偶
13-储料罐
14-进料泵
15-氮气罐
16-压缩机
17-冷却水箱
18-冷却水泵
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明示例性进一步详细说明。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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明提供了一种超临界视窗实验系统，以模拟和观测超临界水冷反应堆一回路中冷却液(水)中颗粒的运动状态，研究颗粒的运动沉积规律。
如图1所示，该系统包括顺序环状连接的冷凝器1、涡流流量计2、加热加压段3和工作段4，其中，涡流流量计2计量从冷凝器1中流出的冷却水，该冷却水经加热加压段3的加热加压作用转变为超临界状态流入工作段4中，并从工作段4中流出至冷凝器1。
其中，所述工作段4为观测颗粒运动状态的视窗，优选工作段4中包括呈封闭形状的通道，还设有通道7的入口管道5和出口管道6，流动的介质从入口管道5中进入，在通道7中流动并从出口管道6流出。
其中，所述通道7优选为环形、矩形或菱形，更优选通道7为环形，如图2所示，使得流入的超临界水介质在通道内流动时平稳，不容易形成乱流，便于观测其内放置的颗粒模拟物质的运动状态，使模拟接近度更高。所述环形的通道7可以根据实验需要将环形面水平或竖直放置。
当通道7为圆形环时，优选圆形环的内径为10～50mm，更优选为10～40mm；外径为60～120mm，更优选为60～90mm。
为了便于观测，更优选所述通道7由耐温耐压的透明材料制成，例如由蓝宝石、红宝石、硼玻璃或锂辉石(Li2O-Al2O3-SiO2)制成。
更优选的，所述通道7一体成型，由透明材料制成。
其中，水介质在所述通道7内流动，优选通道7中流水的水流截面为圆形，所述截面的直径为10～60mm，优选为10～50mm，更优选为10～40mm。
为了使超临界水介质在工作段4中向单一方向流动，优选入口管道5的轴线与环形通道7的对称轴平行，并设置于对称轴的任一侧。
更优选的，所述出口管道6的轴线与通道7的对称轴重合，并与入口管道5的轴线平行。所述位置可以减少通道7内的超临界水介质对出口管道6的冲击力；同时，通道7内的颗粒模拟物质对出口管道6的冲击磨损最小。
最佳的，入口管道5和出口管道6设置于通道7的两侧，使环形通道7的入口和出口到通道中心的连线成100°～140°。
在一种优选的实施方式中，如图3所示，当左右方向为水平方向，上下方向为竖直方向时，入口管道5水平设置于环形通道7水平对称轴的上侧。当超临界水介质流入通道7时，由于入口管道5上方的通道和入口之间夹角更大，流动阻力小，更容易形成顺时针旋转的流动状态。
在另一种实施方式中，所述管道5还可以水平设置于环形通道7水平对称轴的下侧，当超临界水介质流入通道7时，入口管道5下方的通道和入口之间夹角更大，流动阻力小，更容易形成逆时针旋转的流动状态。
进一步的，如图3所示，所述出口管道6的轴线与通道7的水平对称轴重合，并优选与入口管道5分别设置于通道竖直对称轴的两侧。超临界水介质从入口管道5进入通道7，在通道7内沿环形通道流动或循环流动后从出口管道6流出。
优选所述入口管道5和出口管道6为金属管道，例如为由抗腐蚀、抗氧化性能优良的不锈钢制成。所述金属管道与通道7的透明主体螺栓连接
由于在通道7内放置有颗粒物质，因此，优选进行试验观测时在入口管道5和出口管道6中设置有筛网8，所述筛网8可以使超临界水介质自由流入或流出，而颗粒物质只能在通道7内随超临界水介质移动。
所述筛网8优选设置于入口管道5和出口管道6与通道7的连接处，此时，如图3所示，所述筛网8先焊接在入口管道5和出口管道6末端，再与通道7进行连接。
所述筛网8也可以设置于入口管道5和出口管道6的开口端，即远离通道7、没有与通道7连接的一端。此时，入口管道5的筛网8夹持于入口管道5与加热加压段3的管道之间，出口管道6的筛网8夹持于出口管道6与冷凝器1的管道之间。
其中，在通道7内放置的颗粒模拟物质为空心微珠，所述空心微珠是一种强度高、坚硬的、具有中空球体结构的微珠；空心微珠可以选用现有技术中任一种材料制成的、已经市售的产品，优选选用由硼硅酸盐制成的空心微珠。
较好的，所述空心微珠的粒径范围为10～250μm，壁厚为1～2μm，入口质量流量为1×10-9-1×10-11kg/s。
优选的，所述筛网目数为7000-9000，更优选筛网的孔径为1.4μm～2.0μm，使通道7内的颗粒模拟物质，即空心微珠无法通过筛网。
对于本发明提供的超临界视窗实验系统而言，优选在实验开始前，将带有筛网8的入口管道5替换为不带有筛网的管道，而出口管道6中始终带有筛网8。关闭加热加压段3的加热和加压功能，通过加热加压段3流入的常温常压的带有空心微珠的水，将空心微珠注入通道7内。当通道7中空心微珠的质量流量达到了设定范围时，停止加热加压段3的进料。再将不带有筛网的管道更换为带有筛网8的入口管道5。
进一步的，入口管道5和出口管道6的外径为10～15mm，内径3～6mm。
当工作段4运行时，即超临界水介质在通道7内流动时，将高速摄像仪设置于通道7环形面的上方或下方，获取环形界面中颗粒模拟物质的流动状态。
如图4所示，在加热加压段3中包括水压泵9、稳压计10和加热装置11，其中，水压泵9向稳压计10中不断泵水，稳压计10将水的压力稳定在22.1-25MPa后，高压水流向加热装置11；而加热装置11加热流过的水，使其逐渐达到超临界状态。
进一步的，加热装置11的两端分别连接涡流流量计2和工作段4，从加热装置11中流出的超临界状态的水沿管道流入工作段4中。在加热装置11连接有涡流流量计2的一端还连接有稳压计10。
在加热装置11的出口处中还设置有测量水温的热电偶12，测得的温度经过电气转换设备，反映输出在电脑屏幕上。
更优选的，在加热装置11和连接涡流流量计2之间还设置有储料罐13，所述储料罐13内储存有带有颗粒模拟物质的水，用于试验开始前向通道7内进料，使颗粒模拟物质达到设定的质量流量。
在另一种实施方式中，水压泵9和稳压计11将水压稳定在22.1-25MPa后，将高压水流入加热加压段3的管道内。在管道的外周设置有加热装置，对管道内的水周向均匀加热。优选所述加热装置为电加热装置，例如，所述加热装置可以为呈环形的加热板，通过电控进行加热。在该实施方式中，经过加热加压段3后，管道内流动的水同样转变为超临界状态。
优选的，加热加压段3中的管道由金属制成，例如由不锈钢材料制成。更优选的，所述管道的内径为3～6mm，管壁为10～15mm。
当超临界视窗实验系统启动的初期，加热加压段3内的水的压力和温度都还没有达到超临界点，其内的水沿管道流动至工作段4，并经出口管道6流出工作段4，流至冷凝器1中。
随着实验进程的持续，加热加压段3内的水的压力和温度逐渐达到超临界点，水变为超临界状态流入工作段4内，实验人员根据需要进行颗粒运动状态的观测。
当实验结束后逐步降低加热加压段3的功率，或停止加热和加压。实验系统中的水温和水压逐渐降低，将工作段4中的高温水排至冷凝器1中冷却回收。
较好的，如图5所示，冷凝器1的出口管道与冷却水箱17上端的入口管道连接，在冷却水箱17下端的出口管道与冷却水泵18的入口管道连接，冷却水泵18的出口管道与冷凝器1的入口管道连接；优选在冷凝器1和冷却水泵18之间还设置有涡流流量计2，用以记录和调节冷却水的流量。
优选的，冷凝器1的出口管道与涡流流量计2的入口管道连接，通过涡流流量计2计量水量可以监测流量大小，辅助控制颗粒模拟物质输入的质量流量。
涡流流量计2出口管道中流出的水流入加热加压段3中，再次开始循环实验。
本发明提供的超临界视窗实验系统可以用于研究超临界状态中的颗粒运动沉积规律，便于提出解决颗粒沉积的措施。该系统能够在工作条件下长期运行，有利于机械设备制造、热工水力方面的研究与应用。
实施例
实施例1
一种超临界视窗实验系统，如图1所示，工作段4的出口管道6与冷凝器1的入口管道连接，冷凝器1的出口管道与涡流流量计2的入口管道连接，涡流流量计2的出口管道与加热加压段3的入口管道连接，加热加压段3的出口管道与工作段4的入口管道5连接。
其中，如图5所示，冷凝器1的出口管道与冷却水箱17上端的入口管道连接，在冷却水箱17下端的出口管道与冷却水泵18的入口管道连接，冷却水泵18的出口管道与冷凝器1的入口管道连接；在冷凝器1和冷却水泵18之间还设置有涡流流量计2，用以记录和调节冷却水的流量。
在加热加压段3中，储液罐13的出口管道与进料泵14的入口管道连接，进料泵14的出口管道与加热装置11的入口管道连接，根据需要，将储液罐13中含有的空心微珠的水流入工作段4中。所述空心微珠的粒径范围为100～125μm，壁厚为2μm。
氮气罐15和压缩机16连接水压泵9，并为其提供压力动力；水压泵9向稳压计10中泵水，稳压计10的出口管道与加热装置11的入口管道连接；在加热装置11的出口端设置有热电偶12，用以测量水温。
其中，加热加压段3中的管道由不锈钢制成，内径为5mm、管壁为13mm。稳压计将水的压力稳定在23.7MPa。加热装置11为管道外周周向设置的电加热板，管道将热量传递给内部的水，使水升温至374.2℃后，流至工作段4。
所述工作段4中具有由蓝宝石制成的圆形环通道7，环内径为20mm，环外径为90mm；通道7的水流截面也是圆形，直径为50mm。
在通道7的入口管道5和出口管道6与通道7的连接处设置有8000目的筛网，入口管道5和出口管道6通过螺纹与通道7旋转连接。
试验开始前将入口管道5更换为不带有筛网的管道，关闭加热加压段3的加热和加压功能，通过加热加压段3流入的常温常压的带有空心微珠的水，将空心微珠注入通道7内，使工作段4中空心微珠的入口质量流量为1.1×10-10kg/s，再次将不带有筛网的管道更换为带有筛网8的入口管道5。
将工作段4的圆形环通道7水平放置，其上方设置有高速摄像机，当加热加压段3中的水变为超临界状态时，启动高速摄像机，对工作段内的颗粒运动状态进行拍照。
实验完成后，停止加热加压段3工作，工作段4的水流到冷凝器1中冷却回收。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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 (13)
1.一种超临界视窗实验系统，其特征在于，该系统包括顺序环状连接的冷凝器(1)、涡流流量计(2)、加热加压段(3)和工作段(4)，其中，
涡流流量计(2)计量从冷凝器(1)中流出的水，该水流入加热加压段(3)后，经加热加压段(3)的加热加压作用转变为超临界状态，流入工作段(4)中进行颗粒模拟物质的运动观测，最终工作段(4)中的水排放至冷凝器(1)冷凝后回收；
所述工作段(4)包括圆环形的通道(7)、入口管道(5)和出口管道(6)，入口管道(5)的轴线与环形通道(7)的对称轴平行，并设置于对称轴的任一侧；
所述出口管道(6)的轴线与通道(7)的对称轴重合，并与入口管道(5)的轴线平行；
通道(7)的入口和出口到通道中心的连线成100°～140°。
2.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述通道(7)由耐温耐压的透明材料制成。
3.根据权利要求2所述的实验系统，其特征在于，所述通道(7)由蓝宝石、红宝石、硼玻璃或锂辉石制成。
4.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，通道(7)的环状内径为10～50mm；环状外径为60～120mm；
通道(7)的水流截面为圆形，所述截面的直径为10～60mm。
5.根据权利要求4所述的实验系统，其特征在于，通道(7)的环状内径10～40mm；环状外径为60～90mm；
通道(7)的水流截面的直径为10～40mm。
6.根据权利要求2所述的实验系统，其特征在于，所述通道(7)内的颗粒模拟物质为空心微珠；
所述空心微珠的粒径范围为10～250μm；壁厚为1～2μm。
7.根据权利要求6所述的实验系统，其特征在于，空心微珠入口质量流量为1×10-9-1×10-11kg/s。
8.根据权利要求4所述的实验系统，其特征在于，在所述入口管道(5)的入口处和出口管道(6)的出口处设置有筛网，所述筛网的孔径为1.4μm～2.0μm。
9.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述加热加压段(3)与入口管道(5)连接；
在加热加压段(3)中包括水压泵(9)、稳压计(10)和加热装置(11)，其中，水压泵(9)与稳压计(10)连接并向其泵水，稳压计(10)将水压稳定在22.1-25MPa，水流入加热装置(11)；加热装置(11)加热流入其内的水，使水达到超临界状态。
10.根据权利要求9所述的实验系统，其特征在于，所述加热装置(11)为电加热装置。
11.根据权利要求10所述的实验系统，其特征在于，所述加热装置(11)为设置于管道外周的环形加热板，通过电控进行加热。
12.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述冷凝器(1)的出口管道与冷却水箱(17)上端的入口管道连接；
在冷却水箱(17)下端的出口管道与冷却水泵(18)的入口管道连接；
冷却水泵(18)的出口管道与冷凝器(1)的入口管道连接。
13.根据权利要求12所述的实验系统，其特征在于，在冷凝器(1)和冷却水泵(18)之间还设置有涡流流量计(2)，用以记录和调节冷却水的流量。
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