CN109920564B - 一种超临界双螺旋自然循环系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超临界双螺旋自然循环系统和方法，该循环系统包括顺次连接的预热段、工作段、可视化窗口、冷却段、稳压段和供水段，形成循环回路。该系统在工作段采用双螺旋结构，并在双螺旋结构之后安装可视化窗口，通过控制双螺旋通道的流量，避免了换热恶化的出现，可以观测不同流量状态下管道内流体的运动状态。

Description

一种超临界双螺旋自然循环系统和方法

技术领域

本发明涉及能源发电和机械设备领域，特别涉及一种用于核电工业、利用自然循环实现核工业冷却的自然循环系统和方法。

背景技术

能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展、能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。核电以其独有的优势也受到了世界各国的重视与欢迎，其中反应堆是核电站的关键设计。

超临界水冷反应堆是国际上选中的六种四代堆中唯一的水冷堆。国际上广泛认为其具有热效率高、系统紧凑、系统简化、经济性好、可模块化设计等优点，能实现小体积内的大功率输出，设备表现出了非常好的潜在经济性。

在核电站出现事故，特别是厂用电丧失时，造成堆芯内衰变余热无法正常导出，导致堆芯熔融、核物质泄漏。非能动余热排出系统无需外力推动，在事故情况下，依靠自然循环完成堆芯热量的导出，保证核电安全。第三代先进非能动压水堆技术AP1000安全性能比二代核电站高100倍，其特征之一是安全系统多处采用非能动自然循环原理。非能动的自然循环研究是实现新概念反应堆的重要途径。通用公司的SBWR反应堆以及瑞典的PIUS堆等均采用自然循环特性确保反应堆安全。

现阶段国内外对超临界水自然循环研究处于起步阶段。印 度的巴巴原子研究中心采用两个加热器，两个冷却段，工作段内径为13.8mm，采用44个经过校准的K-型热电偶，用来测量流体、加热表面以及二次侧流体的进出口温度。清华大学工程物理系建造的超临界自然循环试验回路正是为我国973计划项目“超临界水堆关键科学问题的基础研究”而建造的，其自然循环回路类似巴巴原子研究中心，为具有两个冷凝器的不锈钢环路。华北电力大学核热工安全与标准化研究所团队搭建的自然循环实验装置，由主回路、冷却系统、数据储存系统等组成，工作压力在25Mpa以下。

以上与自然循环相关的诸多装置中，加热段都采用单通道直管。由于核反应堆的堆芯通道是由许多子通道组成的，每个通道有自己不同的水力特性，通道与通道之间，通道与外回路之间总是存在不同程度的相互影响与耦合关系。例如，各通道入口流量与总流量之间有相互相影响，两相区与单相区压降有相互影响等。因此在燃料组件中应用单通道的换热设备，不能很好的完成换热工作。而加热段采用直管，占用的体积较大，同时换热系数较小，换热效率较低，容易发生传热恶化现象。而且现有的诸多装置中，对于加热板多采用不锈钢、镍铬合金等材料，热传导率较小，导致换热效率较低。

由于上述问题的存在，本发明人对现有的自然循环系统进行研究和分析，对现今的核电工业的换热设备进行观察和试验，研究出一种结构简单、换热效果好、安全系数高、操作简单，并且有利于实验数据观察的自然循环系统和方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：通过主管道顺次相连将预热段、工作段、冷却段、稳压段和供水段构成闭环回路。在工作段采用双螺旋结构，并在双螺旋结构之后安装可视化窗口，通过控制双螺旋通道的流量，可以观测不同流量状态下管道内流体的运动状态，从而完成了本发明。

本发明的目的在于提供以下方面：

第一方面，本发明提供一种超临界双螺旋自然循环系统，该循环系统包括顺次连接的预热段8、工作段6、可视化窗口5a、冷却段4、稳压段和供水段，形成循环回路。

其中，所述预热段8用于加热回路中流经其的工质，使其达到设定的温度；所述工质为去离子水；

所述工作段6继续加热流出预热段8的工质，使其达到工作温度并形成超临界状态；

所述可视化窗口5a紧邻工作段6之后，以观测流出工作段6 的超临界水的流体状态；

所述冷却段4通过热交换使流经该段的工质冷却和密度增大，在回路内自然流动形成自然循环；

所述稳压段用于调整并稳定循环系统回路中的压力；

所述供水段用于向回路中注入和回收工质。

进一步地，

所述工作段6为双螺旋管道，包括环绕螺旋通道20设置的电加热管18和加热板19；电加热管18绕设于加热板19外周；

所述电加热管18通电后对加热板19加热；

加热板19加热螺旋通道20内的工质。

其中，双螺旋管道中，螺旋的圈数设置为1～3圈，优选为1 圈；所述螺旋的节距为2m。

所述工作段6中，螺旋通道20的内径是2～8mm，优选为 2～6mm。

其中，所述预热段8为双通道，在预热段8的任意/全部通道上设置有阀门9，可以控制通道内工质的流量。

所述工作段6基本竖直设置，其底部优选双螺旋管道底部分别与第一子管道相连17c，其顶部与上联箱16相连；

紧靠上联箱16的上端，在上升管道17b下部的直管段，设置可视化窗口5a。

其中，可视化窗口5a中包括石英玻璃板24，以及与石英玻璃板24相接的密封垫片22，通过紧固螺栓23将石英玻璃板24和密封垫片22固定于上升管道17b的侧壁。

所述循环系统中，工质经预热段8预热后进入工作段6，工质在工作段6内继续受热至工作温度，形成超临界水，与下降管道中的工质产生密度差；当密度差足以克服循环系统流动的压降损失时，形成自然循环；

工质经可视窗口观测现象后进入冷却段4，在冷却段4中工质和冷却介质热交换结束后温度降低，密度增大，由下降管道 17a流回预热段8，完成自然循环。

第二方面，本发明还提供了一种上述循环系统实现工质换热的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，开启水箱1，将水箱1中的工质充满循环系统的所有管道，优选使用柱塞泵向循环系统中充入工质；

任选地，对循环系统进行排气处理，排除工质中掺杂的气体；优选通过循环系统设置的排气阀排气；

步骤2，调节稳压段压力，使循环系统回路的压力达到设定压力并维持该压力；

步骤3，调节预热段8的功率，设定工作段6入口处的温度，预热段8对工质进行预热；

步骤4，待工作段6入口处的温度达到设定值后，稳定预热段8的功率，提高工作段6的功率，记录并储存探测到的测量值数据；

步骤5，关闭电源，停止测量，卸掉稳压罐3中压力。

根据本发明提供的超临界双螺旋自然循环系统和方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的超临界双螺旋自然循环系统结构简单、操作简便、安全系数高，与超临界水冷反应堆的模拟程度高，实现了以自然循环回路回收热能和对工质冷却的作用；

(2)本发明提供的超临界双螺旋自然循环系统通过设置可分别控制的双螺旋管道工作段，避免了换热恶化的出现，还有利于实现多种流体状态的观测；

(3)本发明提供的超临界双螺旋自然循环系统中工作段设置为螺旋管，因热偏差导致的热应力较小，有利于提高设备的安全性和稳定性。

(4)本发明提供的超临界双螺旋自然循环系统中，工作段设置为螺旋管，结构紧凑，有利于节省空间，还不易结垢及自由膨胀。

附图说明

图1示出一种优选实施方式的超临界双螺旋自然循环系统的结构示意图；

图2示出一种优选实施方式的工作段的横截面示意图；

图3示出一种优选实施方式的可视化管道的横截面示意图；

图4示出超临界水冷反应堆循环系统的结构示意图。

附图标号说明：

1-水箱；1a-水箱管道；2-氮气瓶；3-稳压罐；4-冷却段； 5a-可视化窗口；5b-摄像设备；6-工作段；7-水位探头；8-预热段；9-阀门；10-水泵；11-第一进水管道；13-涡轮流量计；14a- 进气管道；14b-充水管道；15-浮子流量计；16-上联箱；17a- 下降管道；17b-上升管道；17c-第一子管道；17d-第二子管道； 18-电加热管；19-加热板；20-螺旋通道；21-直管通道；22-密封垫片；23-紧固螺栓；24-石英玻璃板；25-换料水箱；26-非能动余热排出换热器；27-稳压器；28-堆芯

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些示例性说明而变得更为清楚、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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”、“左”和“右”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。

以下详述本发明。

在超临界水冷反应堆中，堆芯28外周使用去离子水作为压力容器内的冷却剂。去离子水在压力容器内表现为超临界状态，由于压力容器的特殊性质，无法可视化地观测其内超临界流体的运行状态，也很难获取超临界流体的运行参数和超临界流体运行规律的探索，更无法研究超临界流体对压力容器管道产生的冲击作用。

为了提高反应堆的安全性，特别是在反应堆发生失水事故或全厂断电主泵失效时，反应堆主冷却剂依靠自然循环将堆芯 28的余热带到非能动余热排出系统的换热器，并依靠换热管的换热和换料水箱25内过冷水或饱和水的对流换热和沸腾换热将热量排出。

基于此，本发明提供了一种超临界双螺旋自然循环系统，以模拟核超临界水冷反应堆运行系统中超临界水的流动状态。其中，所述装置包括顺次连接的预热段8、工作段6、可视化窗口5a、冷却段4、稳压段和供水段，形成循环回路。

其中，如图4所示，所述预热段8和工作段6相当于超临界水冷反应堆中的堆芯28部分；冷却段4相当于超临界水冷反应堆中的非能动余热排出换热器26，冷却段4中的冷却水循环系统相当于非能动余热排出换热器26的换料水箱25；稳压段相当于超临界水冷反应堆中的稳压器27。

其中，所述预热段8用于加热回路中流经该预热段8的工质(去离子水)，使其达到设定的温度。

所述工作段6采用双螺旋管道继续加热流出预热段8的工质，使其达到工作温度并形成超临界状态；回路中的超临界水在呈双螺旋状的回路管道中螺旋上升流动，由离心力导致二次流和热力产生的浮升力相互作用，使工作段中的超临界水产生不同的流体状态。

所述可视化窗口5a紧邻工作段6之后，能够可视化地观测流出工作段6的超临界水的流体状态。

所述冷却段4通过热交换使流经该段回路中的工质冷却，使其密度增大，在回路内自然流动形成自然循环。

所述稳压段用于调整并稳定闭环回路中的压力。

所述供水段用于向回路中注入和回收去离子水。

在本发明提供的超临界双螺旋自然循环系统中，所述预热段8的安装高度低于冷却段4的安装高度；所述工作段6直立或基本直立设置，以便在工作时形成自然循环。所述自然循环是指流体在回路中不需要借助泵的推力而实现循环。

在一种优选的实施方式中，如图1所示，所述预热段8通过第一子管道17c与工作段6连接；在工作段6的上端设置有上联箱16，通过上升管道17b与冷却段4连接；而冷却段4通过下降管道17a与稳压段、供水段连接，并通过第二子管道17d 再次流回预热段8内。

优选地，预热段8对工质进行预热，使回路中的工质产生热量，并能够将工质送到工作段6。通过设置预热段8可以提高热交换效率，减少了工作段6的加热压力，节约了热能。

优选所述预热段8的加热功率是可调的，根据工质或工况的不同，调节不同的功率。

为了避免回路中工质的传热恶化，进入工作段6的工质需要有一定的过冷度。通过预热段8的加热可以使工质达到运动所需的过冷度。随着加热功率的增加，工质的过冷度逐渐减小。因此，应当根据工质的过冷度调节预热段8的功率。例如，当工质过冷度低时，预热段8设置为低功率，当工质的过冷度高时，预热段8设置为符合应用的高功率。

所述预热段8可以选用常规的预热器，例如带有热电偶的加热器，此处并无特殊限制，只要满足上述加热要求即可。

特别地，在本发明中，所述预热段8采用双通道，如图1 所示，可以分别加热回路中的工质。通过控制任意一个通道的加热功率可以充分研究预热段8对工作段6的影响。还可以通过对比两个通道的工作状态，筛选出预热段8工作的最佳功率范围。

优选地，在预热段8的任意/全部通道上设置有阀门9，可以控制通道内工质的流量，以观测不同流量下的流体混合时产生的流体状态；也可以选择性地使用其中任意一个通道进行工作。

在一种优选的实施方式中，在所述自然循环系统中，在预热段8的流出端通过第一子管道17c与工作段6连接，在预热段8的进入端与第二子管道17d相连。

更优选地，在预热段8流出端的第一子管道17c上设置有与预热段8相连的涡轮流量计13，以便检测出自然循环中工质的流量。

在本发明提供的循环系统中，所述工作段6为该系统的核心部分，其对工质进一步加热并使工质沿螺旋管道流动，从而产生多种流体状态，更好地实现实验目的。

本发明中，将工作段6设置为双螺旋结构，螺旋管内的流体由于离心力的作用会产生二次流。二次流使得螺旋管截面上的速度分布明显异于直管，使整个截面上速度呈对称分布，最大速度靠近外侧壁面；同时，由于离心力导致的二次流的存在，螺旋管截面径向速度增大。而截面径向速度提高进而加强了二次流动，从而提高壁面换热效率。因此，螺旋管中总体换热性能是高于直管的，螺旋管的综合换热系数比直管的高出28％左右。

研究还发现，在螺旋管中流体的换热效率受到流体离心力和浮升力的共同作用，而直管内流体的换热效率仅受到浮升力的作用。同时还发现，流体在管中出现换热恶化的现象主要是由于浮升力引起的，故直管很容易发生传热恶化现象；而在螺旋管中的换热效率主要受到离心力的作用，浮升力对其流场分布影响很小，使用螺旋管能够有效地延迟换热恶化的出现。

此外，螺旋管因热偏差导致的热应力较小，有利于提高设备的安全性和稳定性。

另外，螺旋管由于结构较为紧凑，有利于节省空间，还具有不易结垢及自由膨胀等优点。

将工作段6设置为双通道，每个通道都有自己不同的水力特性，通道与通道之间，通道与外回路之间总是存在不同程度的相互影响与耦合关系。采用双通道进行实验现象的观测，可以使得到的实验参数与真实值之间的差异更小，应用价值更大。

在工作段6中，考虑到过多的螺旋会增加工质上升的阻力，优选螺旋的圈数设置为1～3圈，更优选为1圈。

较好地，在工作段6的任意或全部螺旋通道上装有阀门9，用以控制流量。根据阀门9的关合程度，可实现两通道流量不同的配比。若其阀门9全关，可实现单通道下工作，故可充分分析双通道相互影响及耦合之间的关系。

在工作段6中，所述螺旋管道的结构如图1所示，包括环绕螺旋通道20设置的电加热管18和加热板19。优选所述加热板19呈环状，内部形成螺旋通道20。

电加热管18在通电后产生热量，对加热板19产生加热作用；加热板19继而加热螺旋通道20内的工质，使其达到工作温度。因此，加热板19的热传导率会直接影响工质的受热，而加热板19的膨胀系数也会影响螺旋通道20的形状，使实验观测的不可控因素增多，影响实验研究。

为了提高热传导率和降低加热板19的膨胀系数，优选所述加热板19采用新型材料钼制备。钼熔点很高，在自然界单质中名列第六，被称作难熔金属。钼的密度为10.23g/cm³，约为钨的一半(钨密度19.36g/cm³)，制得的工作段的质量相对较轻。钼的热膨胀系数很低，20～100℃时为4.9×10^^-6/℃；同时钼的热传导率较高，为142.35w/(m·k)，有利于提高传热效率。

当工质流经工作段6时，由于钼有很高的热传导效率，在很短的时间就可以使工质达到预定的工作温度，缩短了实验过程所需的时间，又节约了能源。

在一种优选的实施方式中，如图2所示，在加热板19外周均匀绕设电加热管18，用于对工质进行加热。在电加热管18 的外周最好还绕设有保温材料，避免电加热管18热量的散失。

通过预热段8和工作段6对工质的连续加热，使得工质的温度升高并达到设定的工作温度，形成超临界水，进而使得工质的密度降低，和未加热/冷却后的工质产生密度差，当密度差足以克服整个回路流动过程中的压降损失时，流体在回路中开始循环并迅速到达稳定状态，形成自然循环。

较好地，在工作段6中设置温控装置，以控制工作段6的温度变化和提高工作段的安全系数。所述温控装置可以选用现有技术中常用的温控装置。

所述温控装置可以设置于任意合适的位置，例如，设置在加热板19外周，并与电加热管18相邻。

更优选地，在加热板19外壁，沿工质流动的方向均匀设有多个热电偶，热电偶可以随时检测工作段6的温度。当检测到工作段6升温速率达到15℃/s以上时，在温控装置控制下电加热管18停止向加热板19加热。

在一种优选的实施方式中，在循环回路中的第一子管道 17c、上升管道17b和下降管道17a上均设有压力表和温度仪，用于对循环系统的实时监控。

在本发明提供的循环系统中，所述工作段的螺旋通道20 的内径是2～8mm，优选为2～6mm，更有选为4mm。

更优选地，在工作段中，螺旋的圈数为1圈，节距为2m。可适用于压力为22Mpa～25Mpa，温度为300～400℃的工作环境。

为了更好地保证循环回路的加热效果，优选在第一子管道 17c、上升管道17b、下降管道17a和第二子管道17d的外壁上均套设保温材料。

在一种优选的实施方式中，在预热段8和工作段6中还安装有安全控制电路，并在第一子管道17c中安装有水位探头7。

其中，所述安全控制电路包括水位检测电路、加热电路和报警电路，优选水位检测电路中继电器的常开开关与加热电路及电源形成串联电路，控制着加热回路的闭合。所述安全控制电路可以选用惯常使用的现有技术，例如电加热或锅炉加热中常用的防烧干装置。

此时，当进水管堵塞或者断开等其它原因导致水流量不足时，管道中会出现空气，当水位探头7检测到空气时，安全控制电路会立刻反应，停止对预热段8和工作段6加热。

通过设置安全控制电路，可以根据管道内液面的情况，控制循环系统的预热段8和工作段6是否工作。防止因过热造成电路烧坏、短路引发的触电事故及火灾事故，有利于保护财产安全与人身安全。

本发明中，优选所述工作段6基本竖直设置，工作段6的底部，特别是双螺旋工作段底部分别与第一子管道相连17c，其顶部与上联箱16相连。

所述上联箱16内部中空，其下端与工作段6的双螺旋管道密接，上端与上升管道17b密接。

在实际工程中，在工作段的螺旋管上安装可视化窗口5a 存在困难，并且工作时螺旋管可能会产生晃动，影响观测。优选紧靠上联箱16的上端，在上升管道17b下端的直管段，设置可视化窗口5a，如图1所示。另外，在紧靠上联箱16上端处设置可视化窗口5a也有利于观察和记录工作段6中双螺旋通道耦合的实验现象和数据。

所述可视化窗口5a中具有可视窗口，其个数并无特殊限制，本发明中优选为一个。通过在可视化窗口5a的外部设置摄像设备5b，可以记录管道内工质的流动情况。

所述摄像设备5b优选为高速摄像仪，可以对快速变化的流体状态进行清晰拍摄。摄像设备5b可以选用市售的高速摄像仪，只要能拍清楚流体状态即可。

优选地，如图3所示，所述可视化窗口5a开设于上升管道 17b下部，在上升管道17b的一侧开设有缺口，并使用石英玻璃板24密封。上升管道17b侧壁和石英玻璃板24形成直管通道21。

在一种优选的实施方式中，所述石英玻璃板24为平板或圆弧板，在可视化窗口5a的石英玻璃板24外部安设摄像装置5b 以记录管道内部工质的流动情况。

更优选地，所述可视化窗口5a还包括与石英玻璃板24相接的密封垫片22，通过紧固螺栓23将石英玻璃板24和密封垫片22固定于上升管道17b的侧壁。

所述密封垫片22的形状优选与石英玻璃板24的平面形状相同，这样可以使石英玻璃板24周圈与上升管道17b侧壁紧密连接，实现密封效果。

优选所述密封垫片22设置为两个，最好所述密封垫片22 由金属例如黄铜制成。

所述可视化窗口5a的截面形状(平面形状)根据需求可以任意设定，优选为工程难度更低的窄矩形。摄像设备5b通过所述窄矩形拍摄回路中流体的运动状态，进行实验观测。

从可视化窗口5a的直管通道21中流出的工质沿上升管道 17b进入冷却段4，所述冷却段4中包括管壳式换热器，通过和管壳式换热器内的冷却介质进行热交换实现回路中工质的降温。

通过热交换可以使在预热段和工作段获得的热量得到利用，以模拟在超临界水冷反应堆堆芯中获得热量并提取利用。

在一种优选的实施方式中，所述冷却段还包括水泵10，冷却介质源，例如，冷却水源，在水泵10的作用下经由第一进水管道11进入冷却段4的管壳式换热器内，吸收工质释放的热量后，再次流回到第一进水管道11中，完成冷却水循环。

优选地，还可以在水泵10之后，在进入管壳式换热器前设置浮子流量计15，以检测冷却介质的流量情况。

热交换后，回路中的工质(水)相对于超临界水而言，密度增加，沿下降管道17a在回路内自然流动，形为自然循环。

优选在冷却段4的流出端、在下降管道17a上设置有涡轮流量计13，以检测流出冷却段4的工质的流量。

从冷却段4流出的工质沿下降管道17a依次流经稳压段和供水段。其中，所述稳压部包括稳压罐3和氮气瓶2。

在稳压罐3中设置有水室和气室，并以可形变隔膜隔开；在水室中储存有去离子水，气室中存储有氮气。在稳压罐3底部通过充水管道14b与下降管道17a相连。在氮气瓶2内存储有氮气，其通过设有阀门9的进气管道14a与稳压罐3的上部相连通。

考虑到可视化窗口5a的压力极限，该循环系统的工作压力最大为25MPa。通过调节氮气瓶2中氮气的压力调节稳压罐3中气室和水室的体积，当气室体积变大时，可形变隔膜向水室一侧膨胀，水室体积减小，进而将水室内的工质通过充水管道14b 压到下降管道17a内；当气室内部压强变小时，可形变隔膜向气室一侧膨胀，工质由下降管道17a流入到水室。

通过氮气瓶2内压力的调节对整个循环系统的压力进行调节，以满足不同工况对压力的要求。

在进一步优选的实施方式中，稳压罐3中设置有液位指示器、卸压阀、增压进气阀和压力计，可以使稳压罐3使用更方便，也提高了稳压段调节循环回路压力的灵活性。

所述供水段用于向回路中注入去离子水，包括容纳有工质去离子水的水箱1和与下降管道17a连接的水箱管道1a。

优选地，还可以在水箱管道1a上设置柱塞泵，以加速水箱 1中的去离子水快速进入回路中，或从回路中快速回收去离子水。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，水箱1中存储有工质，当该循环系统启动时，水箱1向该循环系统中提供工质；当该循环系统闭合时，将循环系统中的工质回收到水箱1 中。

任选地，还可以在水箱管道1a上设置过滤塞，滤除工质中的不溶杂质。

任选地，在本发明提供的循环系统中还可以设置有排气阀，在工质充满回路、工质加热前首先进行排气处理，排出回路中的气体。

任选地，该循环系统的所有管道上均设有压力表和温度仪，以提高安全性，也便于观测不同实验段的实验参数。

流经水箱1或由水箱1进入回路的工质沿第二子管道17d 进入预热段8，工质在预热段8预热后经由第一子管道17c进入工作段6，在工作段6内受电加热管18加热至工作温度，通过预热段8和工作段6对工质的连续加热，使得工质的温度升高，形成超临界水，进而使得工质的密度降低，与冷却段后下降管道中的工质产生密度差，当密度差足以克服循环系统流动的压降损失时，形成自然循环；工质依次经由上联箱16和上升管道17b进入冷却段4，在冷却段4中工质和冷却介质热交换结束后温度降低，密度增大，经由下降管道17a、涡轮流量计 13和第二子管道17d流回预热段8，完成自然循环。

本发明还提供了一种使用上述超临界双螺旋自然循环系统实现工质换热的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，开启水箱1，将水箱1中的工质充满循环系统的所有管道，优选使用柱塞泵向循环系统中充入工质；

任选地，对循环系统进行排气处理，排除工质中掺杂的气体；优选通过循环系统设置的排气阀排气；

步骤2，调节稳压段压力，使循环系统回路的压力达到设定压力并维持该压力；

步骤3，调节预热段8的功率，设定工作段6入口处的温度，预热段8对工质进行预热；

步骤4，待工作段6入口处的温度达到设定值后，稳定预热段8的功率，提高工作段6的功率，记录并储存探测到的测量值数据；

步骤5，关闭电源，停止测量，卸掉稳压罐3中压力。

本发明提供的一种超临界双螺旋自然循环系统，结构简单、操作简便、安全系数高，与超临界水冷反应堆的模拟程度高，实现了以自然循环回路回收热能和对工质冷却的作用；通过设置可分别控制的双螺旋管道工作段，避免了换热恶化的出现，还有利于实现多种流体状态的观测。该循环系统既可以应用于核工业中，又可以应用于科研中，作为实践和科研用研究超临界水冷反应堆流体状态的工具。

实施例

实施例1

一种超临界双螺旋自然循环系统，如图1所示，该循环系统包括通过不锈钢管道顺次连接的预热段8、工作段6、可视化窗口5a、冷却段4、稳压段和供水段，形成循环回路。

其中，预热段8为双通道，可分别对管道内的工质加热，加热功率可调，范围为0～20KW。预热段8通过第一子管道17c与工作段6连接，在第一子管道17c上设置有水位探头，当进水管堵塞或者断开等其它原因导致水流量不足时，管道中会出现空气，当水位探头7检测到空气时，安全控制电路会立刻反应，停止对预热段8和工作段6加热。

工作段为双螺旋通道，螺旋的圈数为1圈，节距为2m；螺旋通道的内径是4mm。螺旋通道由不锈钢制成，压力为30Mpa，正常工作压力在22-26Mpa；周围设有电加热管，加热功率可调，范围为0～50KW。

通过预热段和工作段的加热，工质达到超临界状态，密度降低，能够克服循环压降，形成自然循环。

工作段通过上升管道与冷却段连接，在上升管道下部直管处设置有可视化窗口5a，其透明视窗为石英玻璃板，摄像设备通过该石英玻璃板进行摄像。

冷却段4使用管壳式换热器进行换热处理，通过水泵抽取冷却介质水进行热交换，使工质冷却密度增大，并沿下降管道17a 依次流经稳压段和供水段。

稳压段使用稳压管3和氮气瓶2调节循环系统的压力为 22～25Mpa；供水段包括水箱1，存储有去离子水，在实验开始前向循环系统注入去离子水或结束时回收去离子水。

冷却后的工质再次回流到预热段，完成自然循环。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种超临界双螺旋自然循环系统，其特征在于，该循环系统包括顺次连接的预热段(8)、工作段(6)、可视化窗口(5a)、冷却段(4)、稳压段和供水段，形成循环回路；

所述工作段(6)为双螺旋管道，包括环绕螺旋通道(20)设置的电加热管(18)和加热板(19)；

加热板(19)采用钼制备；

双螺旋管道中，螺旋的圈数设置为1圈，所述螺旋的节距为2m；

所述预热段(8)用于加热回路中流经其的工质，使其达到设定的温度；所述工质为去离子水；

所述工作段(6)继续加热流出预热段(8)的工质，使其达到工作温度并形成超临界状态；

在预热段(8)和工作段(6)中安装有安全控制电路，控制循环系统的预热段(8)和工作段(6)是否工作；

所述可视化窗口(5a)紧邻工作段(6)之后，以观测流出工作段(6)的超临界水的流体状态；

所述冷却段(4)通过热交换使流经该段的工质冷却和密度增大，在回路内自然流动形成自然循环；

所述稳压段用于调整并稳定循环系统回路中的压力；

所述供水段用于向回路中注入和回收工质；

所述工作段(6)基本竖直设置，其底部双螺旋管道底部分别与第一子管道相连(17c)，其顶部与上联箱(16)相连；

紧靠上联箱(16)的上端，在上升管道(17b)下部的直管段，设置可视化窗口(5a)；

可视化窗口(5a)中包括石英玻璃板(24)，以及与石英玻璃板(24)相接的密封垫片(22)，通过紧固螺栓(23)将石英玻璃板(24)和密封垫片(22)固定于上升管道(17b)的侧壁；

所述预热段(8)为双通道，在预热段(8)的任意/全部通道上设置有阀门(9)，可以控制通道内工质的流量。

2.根据权利要求1所述的循环系统，其特征在于，

电加热管(18)绕设于加热板(19)外周；

所述电加热管(18)通电后对加热板(19)加热；

加热板(19)加热螺旋通道(20)内的工质。

3.根据权利要求2所述的循环系统，其特征在于，所述工作段(6)中，螺旋通道(20)的内径是2～8mm。

4.根据权利要求1～3之一所述的循环系统，其特征在于，

工质经预热段(8)预热后进入工作段(6)，工质在工作段(6)内继续受热至工作温度，形成超临界水，与冷却段后下降管道中的工质产生密度差；当密度差足以克服循环系统流动的压降损失时，形成自然循环；

工质经可视窗口观测现象后进入冷却段(4)，在冷却段(4)中工质和冷却介质热交换结束后温度降低，密度增大，由下降管道(17a)流回预热段(8)，完成自然循环。

5.一种如权利要求1～4之一所述循环系统实现工质换热的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，开启水箱(1)，将水箱(1)中的工质充满循环系统的所有管道；

任选地，对循环系统进行排气处理，排除工质中掺杂的气体；

步骤2，调节稳压段压力，使循环系统回路的压力达到设定压力并维持该压力；

步骤3，调节预热段(8)的功率，设定工作段(6)入口处的温度，预热段(8)对工质进行预热；

步骤4，待工作段(6)入口处的温度达到设定值后，稳定预热段(8)的功率，提高工作段(6)的功率，记录并储存探测到的测量值数据；

步骤5，关闭电源，停止测量，卸掉稳压罐(3)中压力。

6.根据权利要求5所述的工质换热的方法，其特征在于，步骤1中，使用柱塞泵向循环系统中充入工质，通过循环系统设置的排气阀排气。

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