CN109521052A - 一种变管束排布换热实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变管束排布换热实验装置，自然循环单元、强迫循环单元、对流换热冷却单元和管束排布加热平台通过管路依次串联连接成循环回路，管路中设有多个用于采集压力、温度及流量的压力表、温度传感器及电磁流量计，自然循环单元和强迫循环单元两端分别并联设置旁通管路，管束排布加热平台包括管束排布支架、设于管束排布支架下部的加热电源以及上部的透明加热实验段。本装置可对不同管束排列方式的传热流动机理的研究，以及两种循环条件下加热段沸腾传热机制以及局部传热特性的研究。有助于对于传热机理的理解和深入研究。此外，整个系统的数据实现实时检测，保证对实验数据全过程的数据记录。

Description

一种变管束排布换热实验装置

技术领域

本发明涉及一种换热实验装置，尤其是涉及一种变管束排布换热实验装置。

背景技术

在核电厂设计过程中，为了提高设备的安全性，增强对事故工况下的处理能力，非能动原理在工程设备建设中运用广泛。自然循环是非能动手段中的一种，在核电事故工况中扮演重要角色。自然循环是指在封闭系统，仅仅依靠冷热流体间的密度差形成的浮升力驱动流体循环流动的一种能量传输方式，不借助任何外力，靠上升管和下降管的密度差产生的压力差推动自然循环流动循环。

自然循环流动存在不稳定显现，会制约自然循环原理的应用。国内外对流量振荡条件下的传热特性研究，大多数集中在强迫循环下，自然循环下的研究不完善。而目前换热器设计中，仍以单管换热的经验关系式为依据，而管束沸腾传热的换热机理、影响因素与单管是不同的。针对自然循环和强迫循环两种换热方式对单管、管束换热机理有什么影响，影响因素有哪些、对于冷却水流过不同管束排布的换热管，换热现象、换热机理是否不同、不同换热管束排布在自然循环和强迫循环中，单相流、两相流动现象是怎么样等问题，都需要深入研究。

现有的可实现自热循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置，如中国专利CN103196945A公开的装置，主要是研究蒸汽与低温饱和温度壁面换热的装置，通过加热不凝气体改变气体成分，研究自然循环和强迫循环下冷凝换热的特性，但该装置没有对管束换热的机理进行研究，目前没有对不同管束排布样式进行设计自然循环和强迫循环耦合的实验台，且该装置换热方式复杂，使用过程，调整繁琐。

发明内容

本发明的目的是提供一种变管束排布换热实验装置，可用于研究不同管束排布，可实现自然循环与强迫循环耦合的变管束排布实验。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种变管束排布换热实验装置，包括自然循环单元和强迫循环单元，还包括对流换热冷却单元和管束排布加热平台，所述自然循环单元、强迫循环单元、对流换热冷却单元和管束排布加热平台通过管路依次串联连接成循环回路，管路中设有多个用于采集压力、温度及流量的压力表、温度传感器及电磁流量计，所述自然循环单元和强迫循环单元两端分别并联设置旁通管路，所述管束排布加热平台包括管束排布支架、设于管束排布支架下部的加热电源以及上部的透明加热实验段。

进一步地，所述自然循环单元包括自然循环水箱，所述自然循环水箱的下部设有上行接口和下行接口，所述上行接口和下行接口通过设有流量调节阀的管路接入装置的循环回路中。

进一步地，所述自然循环水箱内部设有电加热器和测温热电偶。

进一步地，所述强迫循环单元包括通过管路依次连接的流量调节阀、强迫循环水箱和强迫循环泵。

进一步地，所述对流换热冷却单元包括通过管路依次连接的冷却水池、冷却水循环泵、流量调节阀、电磁流量计和换热管道。

进一步地，所述对流换热冷却单元根据需要在装置的循环回路中设有多个。

进一步地，该装置的循环回路中设有稳压罐。

进一步地，该装置的循环回路中设有自动排气阀。

进一步地，所述透明加热实验段采用耐热玻璃制得。

进一步地，所述管束排布加热平台设有可更换管束排布方式的围板，所述围板的形状根据需要进行设置。

更具体地，本发明包括：

1.自然循环单元与加热段、顶部换热段、下降换热段的连接管路上设有自然循环管路阀门，强迫循环单元与加热段、顶部换热段、下降换热段的连接管路上设有强迫循环管路阀门，通过自然循环管路阀门与强迫循环管路阀门的切换可实现加热段加热功率相同、管束排布相同情况下自然循环与强迫循环换热特性的比较。

2.自然循环水箱设有电加热装置，可实现对自然循环单元冷却水初始温度的控制。

3.加热实验段采用耐热玻璃，便于对加热段实验现象的观察、分析。

4.加热实验段内不同高度位置布置温度采样点，用于观测管束换热不同位置的温度分布情况。

5.管束排布加热平台可以安装单根加热管或者多根加热管束，实现对不同数量加热管束的实验研究。

6.管束排布加热平台是可更换管束排布围板，研究不同管束排布方式对换热能力的影响。

7.自然循环单元、强迫循环单元、对流换热冷却单元管路外侧设置保温层，减少向外界环境换热，提高实验数据的准确性。

8.功率控制系统能够对加热实验段中的电加热棒功率进行控制。

9.数据测量系统包括温度测量系统、压力测量系统。

温度测量系统的温度测量是由下列各处位置的热电偶组成的。温度测量系统主要测量：加热实验段进出口温度、加热实验段内温度分布、顶部换热段进出口温度、自热循环水箱温度、下降换热段进出口温度、自然循环管路温度、强迫循环泵出口温度。压力测量系统的压力测量是由下列各处位置的压力表组成的。压力测量系统主要测量：加热实验段进出口压力、顶部换热段进出口压力、下降换热段进出口温度、自然循环管路压力、稳压罐压力。

本装置的具体工作过程为：

所述实验装置包括自然循环单元、强迫循环单元、对流换热冷却单元、管束排布加热平台、功率控制系统和数据测量采集仪表。自然循环单元在冷热段密度差的驱动下，循环水箱内的冷却水沿自然循环管路向下流经下降换热段依次进入流量调节阀、稳压罐、电磁流量计向上流经加热实验段后，进入顶部换热段完成换热，最后回到循环水箱；循环泵从强迫循环水箱中抽取冷却水，经过流量调节阀、稳压罐、电磁流量计、可视化加热段、顶部换热段、下降换热段完成换热后回到强迫循环水箱；对流换热冷却单元由冷却水循环泵、冷却水池、流量调节阀、电磁流量计、换热管道组成，由循环泵将水抽出后流经流量调节阀、流量计、换热管道，最后流回冷却水池。

与现有技术相比，本发明提供的可实现自然循环与强迫循环耦合的变管束排布实验装置，能够实现自然循环和强迫循环条件下，对于单管传热流动机理的研究；不同管束排布样式，在自然循环和强迫循环条件下加热段沸腾传热机制以及局部传热特性的研究；能够实现对加热实验段实验现象的可视化观测，对温度分布的测量，有助于对实验方案的理解；能够实现自然循环不同冷却水初始温度对管束换热特性的影响。本装置设有对流换热冷却单元，包括顶部换热段和下降换热段，对于水温的控制更加准确，有利于实现自然循环和强迫循环稳态运行。如当顶部换热达到控温要求时，下降换热段可以当成下降段，不参与换热。当顶部换热段水温没有达到实验要求，下降换热段循环泵开启，实现下降换热段对水温的控制，到达温度控制要求。

附图说明

图1为本实验装置的流程示意图；

图2为自然循环水箱内部结构示意图；

图3a为第一种可更换管束排布加热平台内部结构示意图；

图3b为第二种可更换管束排布加热平台内部结构示意图；

图3c为第三种可更换管束排布加热平台内部结构示意图；

图中：高精度稳压稳流电源1、管束排布支架2、加热实验段3、顶部换热段4、顶部换热管路5、电磁流量计6、流量调节阀7、冷却水循环泵8、冷却水池9、自然循环管路阀门10、自然循环水箱11、强迫循环管路阀门12、自动排气阀13、下降段换热管路14、下降段15、电磁流量计16、流量调节阀17、冷却水循环泵18、水池19、强迫循环水箱20、强迫循环泵21、主管路流量调节阀22、稳压罐控制阀门23、稳压罐24、电磁流量计25、电加热器26、上行接口27、下行接口28、热电偶测温接口29、加热平台30、管束围板31、加热管束32、管束围板33、加热平台34、加热管束35、加热平台36、管束围板37、加热管束38。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

结合图1，本实验主体结构主要包括高精度稳压稳流电源1、管束排布支架2、加热实验段3、顶部换热段4、顶部换热管路5、电磁流量计6、流量调节阀7、冷却水循环泵8、冷却水池9、自然循环管路阀门10、自然循环水箱11、强迫循环管路阀门12、自动排气阀13、下降段换热管路14、下降段15、电磁流量计16、流量调节阀17、冷却水循环泵18、水池19、强迫循环水箱20、强迫循环泵21、主管路流量调节阀22、稳压罐控制阀门23、稳压罐24、电磁流量计25以及压力测量仪表和温度测量元件。

结合图2，自然循环水箱主要由电加热器26、自然循环管路上行接口27、自然循环管路下行接口28、热电偶测温接口29组成。

结合图3a，第一种可更换管束排布加热平台由加热平台30、管束围板31、加热管束32组成。结合图3b，第二种可更换管束排布加热平台由管束围板33、加热平台34、加热管束35组成。结合图3c，第三种可更换管束排布加热平台由加热平台36、管束围板37、加热管束38组成。

用于单一换热管自然循环换热实验，其技术方案是：对于自然循环换热实验，首先将自然循环水箱11的冷却水控制到实验要求温度，对实验装置充水，关闭强迫循环管路阀门12，打开自然循环管路阀门10，关闭稳压罐控制阀门23，打开自动排气阀13，通过排气阀将管路中的空气排出，观察各个测试点位置的压力，当压力稳定时，打开稳压罐控制阀门23，利用稳压罐24控制自然循环回路压力稳定。实验阶段，启动功率控制系统1，加热放置于管束排布加热平台2上的换热管，自然循环水箱11中的冷却水在冷热段密度差的驱动下，流经下降段15、稳压罐24、电磁流量计25、向上流经可视化加热实验段3、顶部换热段4，最终流回自热循环水箱11。冷却水循环泵8从冷却水池9中抽水，流经流量调节阀7、电磁流量计6、在顶部换热管路5与顶部换热段实现换热，最后流回冷却水池9。通过调节流量调节阀7，实现对顶部换热段温度的控制。当顶部换热段温度没有达到控制要求时，启动冷却循环水泵18，将水池19中的冷却水抽出流经电磁流量计、下降段换热管路15，最后流回水池19。当系统参数温度压力稳定、实验现象稳定，通过数据测量采集仪表，对所测数据读入并分析。

用于单一换热管强迫循环换热实验，其技术方案是：首先对实验装置充水，关闭自然循环管路阀门10，打开强迫循环管路阀门12，关闭稳压罐控制阀门23，打开自动排气阀13，通过排气阀将管路中的空气排出，打开强迫循环泵21，将冷却水从强迫循环水箱20中抽出，流经流量调节阀22、电磁流量计25，向上流经可视化加热实验段3、顶部换热段4、自动排气阀13、下降段14最后流回强迫循环水箱20。观察各个测试点位置的压力，当压力稳定时，打开稳压罐控制阀门23，利用稳压罐24控制强迫循环回路压力稳定。实验阶段，启动功率控制系统1，加热放置于管束排布加热平台2上的换热管，加热管对加热试验段3进行加热。将冷却水从强迫循环水箱20中抽出，流经流量调节阀22、电磁流量计25，向上流经可视化加热实验段3、顶部换热段4、自动排气阀13、下降段14最后流回强迫循环水箱20。强迫循环单元的冷却水质量流量由电磁流量计25及时反馈，并由流量调节阀22，对流量进行调整控制。冷却水循环泵8从冷却水池9中抽水，流经流量调节阀7、电磁流量计6、在顶部换热管路5与顶部换热段实现换热，最后流回冷却水池9。通过调节流量调节阀7，实现对顶部换热段温度的控制。当顶部换热段温度没有达到控制要求时，启动冷却循环水泵18，将水池19中的冷却水抽出流经电磁流量计、下降段换热管路15，最后流回水池19。当系统参数温度压力稳定、实验现象稳定，通过数据测量采集仪表，对所测数据读入并分析。

用于变管束排布换热实验，其技术方案是：变管束排布换热实验自然循环实验同方案1，强迫循环实验方案同方案2。通过更换管束排布支架2，改变管束布置方式，本发明设计了三种不同样式的管束围板，管束围板31、管束围板33、管束围板37，通过对管束围板的更换，运用技术方案，可以实现对不同管束排布样式的管束换热特性的研究。

以上所述仅是本发明的优选方案，本发明的保护范围不限于上述的实施例。另外应当指出，实验装置需要根据具体要求，进行完善和调整。本领域技术人员，在不脱离本发明原理和范围的情况下，可对本发明的技术方案进行改进，这些改进也应视为本发明的的保护范围。

Claims (10)

1.一种变管束排布换热实验装置，包括自然循环单元和强迫循环单元，其特征在于，还包括对流换热冷却单元和管束排布加热平台，所述自然循环单元、强迫循环单元、对流换热冷却单元和管束排布加热平台通过管路依次串联连接成循环回路，管路中设有多个用于采集压力、温度及流量的压力表、温度传感器及电磁流量计，所述自然循环单元和强迫循环单元两端分别并联设置旁通管路，所述管束排布加热平台包括管束排布支架、设于管束排布支架下部的加热电源以及上部的透明加热实验段。

2.根据权利要求1所述的一种变管束排布换热实验装置，其特征在于，所述自然循环单元包括自然循环水箱，所述自然循环水箱的下部设有上行接口和下行接口，所述上行接口和下行接口通过设有流量调节阀的管路接入装置的循环回路中。

3.根据权利要求2所述的一种变管束排布换热实验装置，其特征在于，所述自然循环水箱内部设有电加热器和测温热电偶。

4.根据权利要求1所述的一种变管束排布换热实验装置，其特征在于，所述强迫循环单元包括通过管路依次连接的流量调节阀、强迫循环水箱和强迫循环泵。

5.根据权利要求1所述的一种变管束排布换热实验装置，其特征在于，所述对流换热冷却单元包括通过管路依次连接的冷却水池、冷却水循环泵、流量调节阀、电磁流量计和换热管道。

6.根据权利要求5所述的一种变管束排布换热实验装置，其特征在于，所述对流换热冷却单元根据需要在装置的循环回路中设有多个。

7.根据权利要求1所述的一种变管束排布换热实验装置，其特征在于，该装置的循环回路中设有稳压罐。

8.根据权利要求1所述的一种变管束排布换热实验装置，其特征在于，该装置的循环回路中设有自动排气阀。

9.根据权利要求1所述的一种变管束排布换热实验装置，其特征在于，所述透明加热实验段采用耐热玻璃制得。

10.根据权利要求1所述的一种变管束排布换热实验装置，其特征在于，所述管束排布加热平台设有可更换管束排布方式的围板，所述围板的形状根据需要进行设置。