CN110057865B - 船用蒸汽发生器二次侧沸腾传热分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供船用蒸汽发生器二次侧沸腾传热分析装置，包括试验段、水箱、循环水泵、预热器、汽水分离器，试验段的入口依次连接第一软管段、流量调节阀、电磁流量计、预热器、过滤器、循环水泵和水箱，试验段的出口依次连接第二软管段、流量控制阀、汽水分离器、水位控制阀、水箱，试验段的材料为透明材料，试验段的侧面设置光源和摄影仪，循环水泵和水箱之间设有旁通回路，旁通回路上设置旁通阀，试验段入口与第一软管段之间设置用于分流入口工质的均流孔板，试验段里安装支撑板，支撑板支撑电加热元件，试验段的侧壁上安装热电偶和压力传感器。本发明能够模拟蒸汽发生器二次侧的非均匀加热管束通道并满足单相对流传热和沸腾传热的要求。

Description

船用蒸汽发生器二次侧沸腾传热分析装置

技术领域

本发明涉及的是一种蒸汽发生器，具体地说是蒸汽发生器的分析装置。

背景技术

蒸汽发生器是压水堆核动力装置一、二回路之间的枢纽，其内部流动和传热过程的稳定性直接关系到整个核动力系统的安全性和经济性。

蒸汽发生器在设计中通常采用纵向冲刷管束的经验公式来计算二次侧的沸腾传热系数，但事实上，由于一次侧冷却剂流经U型管时会产生几十摄氏度的温降，按照热负荷的差别，通常将U型管的二次侧区分为热侧和冷侧，由于热侧和冷侧加热功率的不同，会使两侧流体产生密度差，进而引起压力差，冷侧流体会在压差的驱动下向热侧流动，使管束间产生流体的横向位移。在船用蒸汽发生器中，由于摇摆的影响，横向流动会更加严重。因此，为了进一步开展更为精细化的研究，有必要设计和开发相应的可视化试验装置，为深入研究奠定基础。

目前的研究主要集中在两个方面：一是以防止传热管腐蚀以及高功率蒸汽发生器设计为目标的工业化或半工业化试验研究，这类研究的试验装置往往尺度较大，重点关注宏观热工参数的测量和经验公式的适用性，对蒸汽发生器二次侧的流动和传热特性研究很少，不适合精细化的基础研究S.Tieszen,H.Merte,V.S.Arpaci.Crevice boiling insteam generators.Journal of Heat Transfer,1987,109:761-767；I.C.Chu,H.J.Chung,S.Lee.Flow-induced vibration of nuclear steam generator U-tubes in two-phaseflow.Nuclear Engineering and Design,2011,241:1508-1515；二是以管束通道为对象进行的流动和传热研究，这类研究重点关注单通道内的试验现象和传热过程，并不考虑通道间流体存在横向流动时沸腾传热特性的变化，也无法同时研究摇摆、起伏、倾斜、竖直等运动对非均匀加热管束间流动和传热特性的影响“单管换热管测试装置”，CN202101956U；H.Kumamaru,Y.Koizumi,K.Tasaka.Investigation of pre-and post-dryout heattransfer of steam-water two-phase flow in a rod bundle.Nuclear Engineeringand Design,1987,102(1):71-84；一种蒸汽发生器倾斜管束换热实验装置及方法”，CN108872304A。

发明内容

本发明的目的在于提供能够模拟蒸汽发生器二次侧的非均匀加热管束通道并满足单相对流传热和沸腾传热要求的船用蒸汽发生器二次侧沸腾传热分析装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明船用蒸汽发生器二次侧沸腾传热分析装置，其特征是：包括试验段、水箱、循环水泵、预热器、汽水分离器，试验段的入口依次连接第一软管段、流量调节阀、电磁流量计、预热器、过滤器、循环水泵和水箱，试验段的出口依次连接第二软管段、流量控制阀、汽水分离器、水位控制阀、水箱，试验段的材料为透明材料，试验段的侧面设置光源和摄影仪，循环水泵和水箱之间设有旁通回路，旁通回路上设置旁通阀，试验段入口与第一软管段之间设置用于分流入口工质的均流孔板，试验段里安装支撑板，支撑板支撑电加热元件，试验段的侧壁上安装热电偶和压力传感器。

本发明还可以包括：

1、试验段安装在可完成竖直、倾斜、摇摆、起伏、选装工况的摇摆台上。

2、水箱下方设置带有排污阀的排放支路，水箱里设置浮球阀、电加热器以及温控器。

3、预热器的进口设置预热器进口温度测点，预热器的出口设置预热器出口温度测点。

本发明的优势在于：

1可实现竖直、倾斜、摇摆、起伏、旋转等多种工况下的实验研究以及组合工况下的实验研究，充分模拟船用蒸汽发生器可能出现的各种运行情况。

2可实现不同流量条件下均匀和非均匀加热管束通道内单相对流传热和沸腾传热特性的研究，用于模拟船用蒸汽发生器的单相段和两相段的实际传热情况。

3试验段整体采用可视化设计，满足观察和高速摄影同步拍摄的需求，使实验过程更加直观，便于分析。

4可实现单排管束和多排管束的传热实验研究，用于分析管束效应对船用蒸汽发生器传热过程的影响。

5可实现管排非均匀布置方式，模拟蒸汽发生器内部的实际情况，用于分析竖直、倾斜、摇摆、起伏等工况下管束间流体的横向流动对传热特性的影响。

6可通过改变试验段内支撑板的数量和摆放的高低位置来调节管束通道内的流动阻力，分析支撑板对流动和传热过程的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明一种船用蒸汽发生器二次侧沸腾传热分析装置，主要由水箱1、浮球阀2、电加热器3、排污阀4、温控器5、旁通阀6、循环水泵7、过滤器8、预热器进口温度测点9、预热器10、预热器出口温度测点11、电磁流量计12、流量调节阀13、软管段14、摇摆台15、试验段16、支撑板17、电加热元件18、压力传感器19、19’、流量分配孔板20、热电偶21、21’、软管段22、流量控制阀23、汽水分离器24、水位控制阀25、光源26、高速摄影仪27连接组成。试验段16入口通过管线依次连接软管段14、流量调节阀13、电磁流量计12、预热器10、过滤器8、循环水泵7和水箱1。所述的试验段16出口经管线依次连接软管段22、流量控制阀23、汽水分离器24、水位控制阀25和水箱1。所述的试验段16通过连接结构与下端的摇摆台15连接，用于完成竖直、倾斜、摇摆、起伏、旋转等多种工况下的实验研究。试验段16采用透明耐高温材料制成，以满足可视化试验的需要；内装电加热元件18来加热流动工质，完成单相对流实验和沸腾传热实验；下部设有均流孔板20用于分流入口工质；中部设有支撑板17来支撑电加热器防止振动；在侧壁不同高度安装热电偶21、21’和压力传感器19、19'用于实时测量实验过程中的温度和压力数据；在实验过程中采用光源26提供照明，并利用高速摄影仪27对实验现象进行同步拍摄。

在水箱1下方设有排放支路，利用排污阀4进行排污和将水箱彻底疏干；在水箱1内部设有浮球阀2用于调节注水流量并保持水箱水位；在水箱1内部设有电加热器3和温控器5用于控制水箱水温保持恒定。

循环水泵7和水箱1之间设有旁通回路，利用旁通阀6调节主回路流量和压力。

预热器10的进出口分别设置预热器进口温度测点9和预热器出口温度测点11用于测量预热器的进出口温度，并反馈给温度控制系统，实时调节预热器的加热功率，保证出口温度恒定。

试验段16内部的电加热元件18可采用单排或多排布置并由专门的控制系统控制，通过调节电加热元件的开启个数和功率来调节沸腾起始点出现的位置，并研究不平衡加热时单相对流传热和沸腾传热特性。

电加热元件18的两个不同截面分别均布了4对热电偶用于测量加热面温度，热电偶埋于电加热元件外壁面内部，避免对流场产生干扰，保证实验准确度。

在试验段内布置支撑板17，用于固定电加热元件18，并可以通过改变支撑板的数量和摆放的高低位置来研究支撑板对流动和传热过程的影响。

汽水分离器24采用重力和离心力相结合的分离方法，分离后的蒸汽直接通过上端的通道排入大气，分离出的液体在重力的作用下流入水箱1中，通过水位控制阀25控制汽水分离器内部的液位高度。

该实验装置可用于船用蒸汽发生器二次侧单相段和沸腾段的传热特性研究，在进行竖直试验时其技术方案是：依据实验内容首先装配好试验段16，即确定试验段16内所需电加热元件18的数量和布置方式；然后打开回路上的阀门，启动循环水泵7，检查回路的密封性；检查完毕后，关闭循环水泵7，打开水箱1内的电加热器3对水箱1内的工质进行加热，利用温控器5控制加热温度到达指定值；启动循环水泵7，设定预热器10的加热温度，并由预热器进口温度测点9和预热器出口温度测点11反馈温控系统对预热器10的加热功率进行实时调节。当水由水箱1经循环水泵7流入预热器10后，被加热至指定温度，并经流量调节阀13调节流量，电磁流量计12测量流量后进入试验段16，依据不同的入口流量可以开展不同工况的实验研究。水在试验段16内经均流孔板20分配流量后向上流过电加热元件18表面被加热至单相或沸腾状态，通过调节电加热元件18的整体功率来完成单相对流传热和沸腾传热的实验研究，通过调节不同位置上电加热元件的功率来进行均匀和非均匀加热状态下单相和沸腾传热的研究，利用光源26和高速摄影仪27进行打光和拍摄，记录下沸腾起始点的位置和试验段16内的气泡运动规律，利用试验段16内不同高度上布置的支撑板17来调节试验段16内的压力变化，并研究支撑板位置和数量对沸腾传热特性和阻力特性的影响规律，利用热电偶21和21’测量试验段16内不同高度上的流体温度变化，利用压力变送器19和19’测量试验段16内不同高度上的压力变化，并将采集到的所有数据输入数据采集系统进行记录和保存。汽水混合物经试验段16出口的流量控制阀23和相应管线流入汽水分离器24，蒸汽排入大气环境，水经过汽水分离器24的下部的水位控制阀25和相应的管线流回水箱1完成循环。

在进行倾斜试验时，完成试验段16的安装后先调节摇摆台15使试验段16处于倾斜状态，再重复竖直实验时的操作过程来完成倾斜状态下的单相和沸腾传热的实验研究。通过调节摇摆台15可以使试验段16处于不同的倾斜角度，由此完成倾斜角度对单相和沸腾传热特性的影响实验。

在进行摇摆试验时，完成试验段16的安装后先调节摇摆台15的摇摆周期和摇摆角度，使试验段16处于摇摆运动状态，再重复竖直实验时的操作过程来完成摇摆条件下的单相和沸腾传热的实验研究。通过调节摇摆台15可以使试验段16处于不同的摇摆周期和摇摆角度，由此完成摇摆运动对单相和沸腾传热特性的影响实验。

在进行起伏试验时，完成试验段16的安装后先调节摇摆台15的起伏高度和周期，使试验段16处于起伏运动状态，再重复竖直实验时的操作过程来完成起伏条件下的单相和沸腾传热的实验研究。通过调节摇摆台15可以使试验段16处于不同的起伏高度和起伏周期，由此完成起伏运动对单相和沸腾传热特性的影响实验。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，根据运动状态的不同，可通过调节多自由度摇摆台来实现；根据研究对象的不同可通过调整电加热元件在试验段内的排列方式来实现，由此可进行船用蒸汽发生器在不同运动状态和不同管束排布方式条件下的全部组合试验，在此并未一一列举。

Claims (3)

1.船用蒸汽发生器二次侧沸腾传热分析装置，用来模拟蒸汽发生器二次侧的非均匀加热管束通道单相对流传热和沸腾传热，其特征是：包括试验段、水箱、循环水泵、预热器、汽水分离器，试验段的入口依次连接第一软管段、流量调节阀、电磁流量计、预热器、过滤器、循环水泵和水箱，试验段的出口依次连接第二软管段、流量控制阀、汽水分离器、水位控制阀、水箱，试验段通过连接结构与下端的摇摆台连接，用于完成竖直、倾斜、摇摆、起伏、旋转多种工况下的实验研究，试验段的材料为透明材料，试验段的侧面设置光源和摄影仪，循环水泵和水箱之间设有旁通回路，旁通回路上设置旁通阀，试验段入口与第一软管段之间设置用于分流入口工质的均流孔板，试验段里安装支撑板，用于固定电加热元件，并可以通过改变支撑板的数量和摆放的高低位置来研究支撑板对流动和传热过程的影响，电加热元件采用单排或多排布置并由控制系统控制，通过调节不同位置上电加热元件的功率来进行均匀和非均匀加热状态下单相和沸腾传热的研究,电加热元件的两个不同截面分别均布了4对热电偶用于测量加热面温度，热电偶埋于电加热元件外壁面内部，避免对流场产生干扰，保证实验准确度,试验段的侧壁上安装热电偶和压力传感器，利用热电偶测量试验段内不同高度上的流体温度变化；

试验段内部的电加热元件采用单排或多排布置，通过调节电加热元件的开启个数和功率来调节沸腾起始点出现的位置；

试验段安装在可完成竖直、倾斜、摇摆、起伏、选装工况的摇摆台上。

2.根据权利要求1所述的船用蒸汽发生器二次侧沸腾传热分析装置，其特征是：水箱下方设置带有排污阀的排放支路，水箱里设置浮球阀、电加热器以及温控器。

3.根据权利要求1或2所述的船用蒸汽发生器二次侧沸腾传热分析装置，其特征是：预热器的进口设置预热器进口温度测点，预热器的出口设置预热器出口温度测点。

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