CN109520915A - 一种低压低高差自然循环试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无绝热上升段的低压低高差自然循环试验装置，包括电加热器、可视化系统、下水平段、数据测量与采集系统、水箱及控温系统。本发明用于在低压低高差条件下，研究功率、过冷度、阻力、可视化段倾角和长径比等热工水力参数和几何结构参数对自然循环系统影响。

Description

一种低压低高差自然循环试验装置

技术领域

本发明属于传热学和流体力学领域，具体涉及一种低压低高差自然循环试验装置。

背景技术

非能动系统具有简化系统结构、减少人员干预而产生的误操作、固有安全性和经济性好等特点。将非能动技术应用到核电站安全系统设计中是先进反应堆安全快速发展的趋势之一。自然循环作为非能动理念的重要应用，其主要优点是热量从热源到热阱的热传递过程中，不需要借助其他任何流体机械。因此基于自然循环的系统结构简单没有能动部件，不易发生故障，具有较高的可靠性。在自然循环系统的应用中，由于空间限制，对自然循环系统提出了更高的要求，即无绝热上升段的低高差自然循环系统。

自然循环系统具有结构简单，多参数相互耦合的特点，尤其是在两相自然循环流动中，系统的流动特性和排热能力会受到多重机制共同影响。对于低压低高差条件自然循环系统，具有汽水的密度差较大，驱动压头低，自然循环流量小的特点。当加热段出口的高温蒸汽与低温冷却水接触，容易出现由于蒸汽冷凝而诱发水锤和流量振荡的问题，这不仅会冲击和破坏管道及管道中的设备，严重影响系统的安全运行，还会影响其综合传热流动特性。

现有对自然循环系统流动不稳定性研究大多侧重于高压、低压、具有一定高度差的自然循环系统。而对于低高差自然循环系统的研究很少，大多侧重于理论分析。因此，设计低压低高差自然循环试验系统，研究各个参数对其运行特性的影响，以及对于研究该系统下的复杂物理机制，并实现消除水锤等问题具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供在低压低高差条件下，研究功率、过冷度、阻力、可视化段倾角和长径比等热工水力参数和几何结构参数对自然循环系统影响的一种低压低高差自然循环试验装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种低压低高差自然循环试验装置，包括电加热器、可视化系统、下水平段、数据测量与采集系统、水箱及控温系统，所述的可视化系统包括可视化管段和高速摄影仪，高速摄影仪设置在拍摄可视化管段的位置；所述的电加热器、可视化管段、水箱和下水平段构成闭合回路；所述的电加热器的加热长度为电加热器的进出口管心距，其余部分绝热；所述的可视化管段上布置有温度、压力和空泡份额测点；所述的控温系统与水箱相连。

本发明还可以包括：

所述的水箱的中间位置从水箱底部至顶部安装有支撑棒，支撑棒上布置有温度传感器，水箱外部安装有可视化窗口和液位计，水箱内部设有溢流管线和补水口。

所述的控温系统包括空冷塔，空冷塔与水箱通过抽水管线与回水管线连接；所述的抽水管线上设有管道泵；所述的回水管线上布置有过滤器；所述的抽水管线与回水管线上均布置有温度传感器和流量计。

所述的控温系统包括旁通管线，旁通管线连接在水箱与抽水管线的流量计之间；所述的空冷塔和水箱均设置有排污口。

所述的可视化管段包括耐高温的PC管，PC管两端安装具有内凹槽的不锈钢法兰，PC管和不锈钢法兰之间安装有密封环，PC管两端的不锈钢法兰通过拉杆拉紧。

所述的可视化管段上布置的温度测点采用热电偶，压力测点采用高频动态压力传感器，空泡份额测点采用Wire-mesh。

试验装置还包括控制系统，控制系统包括功率表，功率表与电加热器相连；所述的电加热器采用电加热棒加热，所述的电加热器出口位置处，电加热棒氧化镁层上安装有温度传感器；所述的电加热棒内安装有与控制系统相连的热电偶或热电阻；所述的电加热器的入口与出口两端并联有第一差压变送器；所述的第一差压变送器的高低压测点均并联两条引压管线，并在各引压管线上安装有阀门。

所述的水箱壁面上垂向设置有一排可视化段接口。

所述的下水平段包括调节阀与强迫循环系统；所述的调节阀两端并联有第二差压变送器；所述的下水平段上布置有温度、压力和流量测点。

本发明的有益效果在于：

本发明设计了一种低压低高差自然循环试验装置，可以自定义设置高温保护限值，并采用两种水箱控温方式可以满足不同功率和不同流动方式下的试验工况需求，本发明采用自然循环和强迫循环相结合的试验方式，可以研究两种流动方式单独以及耦合条件下系统的运行特性。同时，强迫循环回路可以实现自然循环系统的快速初始化，便于试验操作。本发明可以研究不同功率、过冷度、阻力、空泡份额、可视化管倾角和长径比等因素对自然循环特性的影响

附图说明

图1是一种低压低高差自然循环试验装置的整体结构图。

图2是一种低压低高差自然循环试验装置的电加热器排布俯视图。

图3是一种低压低高差自然循环试验装置的支撑板结构俯视图。

图4是一种低压低高差自然循环试验装置的电加热器本体结构图。

图5是一种低压低高差自然循环试验装置的抽水管和回水管内接管结构图。

图6是一种低压低高差自然循环试验装置的可视化管拉杆式端面密封结构图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

按照图1试验装置流程图搭建试验平台，其中温度，压力，压差和功率信号均接入采集系统3，在试验过程中，进行实时记录。图2和图3给出了电加热棒32布置和支撑板33的结构示意图，电加热棒32采用3×3正方形排列；支撑板33采用阻力系数较小的栅格式结构。图4为电加热器1本体结构图，从图中可以看出，电加热棒的加热区域34位于加热段入口36和出口35管心区域，防止滞留区加热而引起加热棒烧毁；电加热器1上部设置排气口4和排污口8；电加热器1进出口管安装有第一差压变送器11，用于研究电加热器1的阻力特性。图5为抽水管和回水管内接管结构图，采用渐扩管作为取水口，可以减小抽水口对水箱内流体的扰动，尽可能确保水箱热分层。同时，内接管的长度可以根据试验需求进行调整，可以通过上法兰40和下法兰41取下中间接管，在水箱外部将所需长度的中间接管和法兰焊接完成，然后在水箱内部通过上下法兰安装即可，因此通过该方式也可以研究不同液位条件下该试验装置的运行特性。

一种低压低高差自然循环试验装置，该装置为低高差自然循环回路，主要包括：电加热及控制系统，可视化系统、下水平段，水箱及控温系统和数据测量与采集系统，所述的电加热及控制系统包括电加热器1和由控制器和功率表组成的控制系统2；所述的可视化系统包括可视化管段5和高速摄影仪7；所述的下水平段包括强迫循环回路、电磁流量计10和调节阀9；所述的水箱及控温系统主要由水箱15、空冷塔26、抽水管线20和回水管线21以及溢流管线19等组成；所述的数据测量及采集系统主要包括压力、空泡份额、压差、温度、流量和功率测量元件，用于研究功率、温度、压力和空泡份额等参数对自然循环系统的影响。

电加热器采用电加热棒加热，加热长度为加热器进出口管心距，其余部分绝热。支撑板采用栅格式支撑板结构，减小加热器的阻力系数。在加热器出口位置处，将温度传感器安装至加热棒氧化镁层，用于实时显示加热棒壁面温度，并且可以作为控制系统限值保护的反馈信号，并可实时显示和记录加热棒内壁面的表面温度，用于试验研究。单根电加热棒的额定电压为220-380V，总功率最高为400kW。电加热器1的功率由可控硅控制，可以实现400kW范围内的任意功率调节；电加热棒1内安装有热电偶或热电阻，可以通过控制器自定义设置高温保护，防止电加热器超温烧毁，也可用于电加热棒表面内壁面温度测量，用于实验研究。电加热器采用变频器控制，可以实现功率400kW以内任意功率调节。控制系统中采用功率表对加热功率进行实时监测和信号输出

可视化管段5材料采用耐高温PC，将PC管安置于不锈钢法兰43内，端部加密封环，PC管两段不锈钢法兰采用拉杆42拉紧，实现端面密封在可视化管不同位置处，垂直均匀布置压力和温度传感器。将可视化管段安装在具有内凹槽的不锈钢法兰上，所述的可视化管段，其特征还包括：安装有用于记录水平管内流体温度，压力传和空泡份额的传感器。由于水锤发生具有随机性强，持续时间短的特点。因此采用高频动态压力传感器对压力进行高频数据采集；温度传感器采用具有较快响应速度的热电偶进行测量；采用Wire-mesh对可视化管中的空泡份额进行测量，有利于研究水平段内复杂的物理现象。

在低高差条件下，驱动压头低且自然循环流量较小，高温流体上浮至水箱顶部，水箱15内具有明显的热分层现象。根据上述现象采用混合式控温方式进行水箱控温，即通过补水口30持续补水，使高温流体从溢流管线19排出水箱外部，达到自然循环条件下水箱控温的目的。

抽水管与回水管结构相同，取水口39通过内接管延伸至水箱15内部，并可以根据试验需求，通过调整上法兰40和下法兰41之间的管段长度，实现自定义调整抽水高度。

水箱15设有试验进出口接管，内部采用拉筋加固，水箱15中心自上而下安装支撑杆16，用于安装温度传感器；水箱15设置不同倾角的入口接管14，用于研究不同倾角下对自然循环的影响；水箱15接管面相邻的两个对立面的相同位置，设置尺寸相同的可视化窗口17，一侧可视化窗用于打光，另一侧用于观察流体流入水箱中物理现象。水箱底部设有排污和补水口，其内部设有溢流管，用于控制水箱液位和温度控制。

控温管线，控温管线有两条，分别为抽水管线和回水管线。其中抽水管线主要由水箱内部取水口，管道泵，涡轮流量计，温度传感器组成，回水管线主要由过滤器、涡轮流量计、温度传感器以及相应的连接管路。

所述的控温系统，控温方式有两种，第一种是空冷式控温，即将水箱内的高温水通过控温管线到空冷塔，经空冷塔冷却后的水在积水盘中收集，并在重力的作用下，通过回水管线自流至水箱底部。第二种是混合式控温，也就是在水箱底部不断补水，水箱中的高温水通过溢流管排出水箱。

所述的强迫循环旁路，包括强迫循环泵，三通以及相应的阀门。在下水平段通过三通建立旁路，旁路中安装强迫循环泵，强迫循环和自然循环采用阀门通断实现切换。主要用于研究不同；流动方式下试验装置的流动阻力和传热特性。同时，可以通过强迫循环旁路使系统快速回到初始状态。

空冷式控温是通过管道泵23将水箱15上部的高温流体沿控温管线抽至空冷塔26，控温管线主要有旁通回路24，回水涡轮流量计22和抽水涡轮流量计25和过滤器27。空冷塔26安装位置距水箱15上部1.5m，冷却后的回水可以在重力的作用下自流至水箱15。

强迫循环回路由强迫循环泵13及阀门组成，用于研究强迫循环条件下，试验装置的传热和阻力特性以及强迫循环和自然循环相互切换的系统特性。对于自然循环研究，可以使系统快速回到初始状态。

所述的调节阀，具有开度标尺。调节阀9安装在下水平段，阀门前后安装引压管，并用第二压力变送器12测量调节阀9的压差，实验过程中，通过改变调节阀门开度实时改变系统阻力，研究阻力对自然循环特性的影响。

第一差压变送器11的高低压测点均并联两条引压管线，并在各引压管线上安装有阀门，可以调节旁通阀门的开闭，实现既可以测量电加热器1进出口的压差，也可以测量电加热器1及上下水平段阀门组件的压差。

本发明目的在于提供一种在低压低高差条件下，研究功率、过冷度、阻力，可视化段倾角和长径比等热工水力参数和几何结构参数对自然循环系统影响的试验装置。

实施例1：

研究功率和阻力耦合条件下对该低压低高差自然循环装置水锤边界，其技术方案为：首先检查试验装置各个回路的阀门开闭是否正常，其中调节阀保持全开；关闭强迫循环泵13及其旁路阀门，并建立自然循环回路；打开数据采集系统3，并进行实时数据采集；从补水口30给水箱补水，直到溢流管线19有水持续排出；启动管道泵23，通过调节旁通管线24，使抽水涡轮流量计25和回水涡轮流量计22达到动态平衡；在控制系统2中设置壁面温度高温限值，以及功率输出；在保证调节阀开度和入口流体温度不变的前提下，启动电加热器1，通过电磁流量计10观察系统的自然循环流量，当其示数稳定时，逐渐减小调节阀9的开度，同时观察可视化水平段5，当出现汽液两相流动，流量发生较大振荡，且有较大声响时，用数据采集系统3记录当前系统的温度、压力、流量计和压差信号；采用高速摄影仪7对可视化管内的流型进行实时图像采集；根据调节阀9的开度和阻力对应曲线，可以求得调节阀引入的阻力系数，进而可以得到功率和阻力耦合条件下水锤发生边界。

实施例2：

强迫循环条件下电加热器和调节阀阻力特性试验研究，其技术方案为：打开强迫循环回路阀门，并建立强迫循环回路。控温系统投入运行方式与技术方案1相同。打开强迫循环泵13，根据电磁流量计10，调节强迫循环泵13前的阀门，改变系统流量，根据第一差压变送器11和第二差压变送器12的示数，分别计算出不同流量下的电加热器1和调节阀9的阻力特性，进而获取雷诺数从层流区、过渡区和紊流区范围内，阻力系数随雷诺数的变化。

本发明设计了一种低压低高差自然循环试验装置，可以研究不同功率、过冷度、阻力、空泡份额、可视化管倾角和长径比等因素对自然循环特性的影响。

本发明的加热棒采用壁面温度作为控制系统的反馈信号，可以自定义设置高温保护限值，进而满足在不同流动方式下的试验需求。

本发明的控温系统采用空冷式控温和混合式两种控温方式，两种水箱控温方式可以满足不同功率和不同流动方式下的试验工况需求。

本发明的可视化PC管采用拉杆式端面密封方案，既能保证强度，又可以防止水锤导致管路振荡而出现漏水。

本发明采用自然循环和强迫循环相结合的试验方式，可以研究两种流动方式单独以及耦合条件下系统的运行特性。同时，强迫循环回路可以实现自然循环系统的快速初始化，便于试验操作。

本发明的溢流管线和抽水管线的溢流口和抽水口置于水箱内部，水箱内接管采用法兰连接，拆卸安装方便，并可以根据试验需求自定义选择溢流口和抽水口的高度。

本发明的压差传感器高低压测点均并联两条引压管线，可以实现采用单台压差传感器对不同位置处的压差测量，并且操作方便简单

本发明并不局限于上面例子中所描述的具体实施方式，应当指出，通过调整阻力，功率过冷度，以及倾角等参数，可以得到多种不同因素耦合条件下的试验结果，在此并未一一列举。此外，对本发明的一些改进和润饰也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低压低高差自然循环试验装置，包括电加热器、可视化系统、下水平段、数据测量与采集系统、水箱及控温系统，其特征在于：所述的可视化系统包括可视化管段和高速摄影仪，高速摄影仪设置在拍摄可视化管段的位置；所述的电加热器、可视化管段、水箱和下水平段构成闭合回路；所述的电加热器的加热长度为电加热器的进出口管心距，其余部分绝热；所述的可视化管段上布置有温度、压力和空泡份额测点；所述的控温系统与水箱相连。

2.根据权利要求1所述的一种低压低高差自然循环试验装置，其特征在于：所述的水箱的中间位置从水箱底部至顶部安装有支撑棒，支撑棒上布置有温度传感器，水箱外部安装有可视化窗口和液位计，水箱内部设有溢流管线和补水口。

3.根据权利要求1或2所述的一种低压低高差自然循环试验装置，其特征在于：所述的控温系统包括空冷塔，空冷塔与水箱通过抽水管线与回水管线连接；所述的抽水管线上设有管道泵；所述的回水管线上布置有过滤器；所述的抽水管线与回水管线上均布置有温度传感器和流量计。

4.根据权利要求3所述的一种低压低高差自然循环试验装置，其特征在于：所述的控温系统包括旁通管线，旁通管线连接在水箱与抽水管线的流量计之间；所述的空冷塔和水箱均设置有排污口。

5.根据权利要求1或2所述的一种低压低高差自然循环试验装置，其特征在于：所述的可视化管段包括耐高温的PC管，PC管两端安装具有内凹槽的不锈钢法兰，PC管和不锈钢法兰之间安装有密封环，PC管两端的不锈钢法兰通过拉杆拉紧。

6.根据权利要求4所述的一种低压低高差自然循环试验装置，其特征在于：所述的可视化管段包括耐高温的PC管，PC管两端安装具有内凹槽的不锈钢法兰，PC管和不锈钢法兰之间安装有密封环，PC管两端的不锈钢法兰通过拉杆拉紧。

7.根据权利要求6所述的一种低压低高差自然循环试验装置，其特征在于：所述的可视化管段上布置的温度测点采用热电偶，压力测点采用高频动态压力传感器，空泡份额测点采用Wire-mesh。

8.根据权利要求7所述的一种低压低高差自然循环试验装置，其特征在于：试验装置还包括控制系统，控制系统包括功率表，功率表与电加热器相连；所述的电加热器采用电加热棒加热，所述的电加热器出口位置处，电加热棒氧化镁层上安装有温度传感器；所述的电加热棒内安装有与控制系统相连的热电偶或热电阻；所述的电加热器的入口与出口两端并联有第一差压变送器；所述的第一差压变送器的高低压测点均并联两条引压管线，并在各引压管线上安装有阀门。

9.根据权利要求8所述的一种低压低高差自然循环试验装置，其特征在于：所述的水箱壁面上垂向设置有一排可视化段接口。

10.根据权利要求9所述的一种低压低高差自然循环试验装置，其特征在于：所述的下水平段包括调节阀与强迫循环系统；所述的调节阀两端并联有第二差压变送器；所述的下水平段上布置有温度、压力和流量测点。