CN110411898A - 一种超临界水颗粒物可视化测量实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超临界水颗粒物可视化测量实验装置和方法，该装置包括对管道中流体初步加热的预热段、对管道中流体二次加热的加热段、观测颗粒物的可视段、对管道内流体降温的冷却段、调节回路压力的稳压段和回路加水与颗粒物的进料段。该实验装置可以通过可视化测量的方式研究管道内部流体的流动情况及流体中颗粒物杂质的沉积运动情况，观测直观，能够准确、有效测量相关数据，满足实验需求及工程应用。

Description

一种超临界水颗粒物可视化测量实验装置和方法

技术领域

本发明属于包括核能在内的能源领域、环境保护领域及机械设备领域，适用于高温水、超临界水、超超临界水、超临界二氧化碳等高温高压流体，尤其适用于反应堆中超临界水流动特性研究及其中细颗粒沉积运动规律研究。

背景技术

超临界水冷堆(SCWR)是第四代核能系统提出的六种堆型中唯一的水冷堆，它是在现有水冷反应堆技术和超临界火电技术基础上发展起来的革新设计。与目前运行的水冷堆相比，它具有系统简单、装置尺寸小、热效率高、经济性和安全性更好的特点。

由于水处于超临界条件下，其对管道、包壳及结构材料有着更严苛的要求，必须要有极好的耐高温耐腐蚀特性及强度。超临界水在管道流动的过程当中，会对管道产生一定程度的腐蚀，并且由于水本身的纯净度难以保证，最终导致流体中带有细颗粒物杂质。而颗粒物的存在对于超临界水的流动特性及设备运行的安全性有着重要影响，严重时甚至可能产生重大事故。因此对超临界水堆来说，研究分析超临界水在管道中的流动特性及其中颗粒物的运动沉积规律对于保证反应堆安全性有着重要意义。

现阶段国内外均对超临界水的流动特性进行了大量的研究，且普遍采用测量流量、温度、压力等参数来研究其传热换热特性及自然循环中的流量漂移情况。但对超临界水中的细颗粒杂质研究较少，且大多为模拟计算研究。

目前采用实验研究的方式较少，已知有西安交通大学超临界水换热装置、清华大学超临界水自然循环回路及中国核动力研究设计院双通道超临界水实验台等，但实验研究对象均为超临界水，而并未对超临界水中的颗粒物有所研究，且其检测方式也并未采用可视化测量的方式。

因此，有必要研究一种实验装置和方法，能够以可视化测量的方式直接观测到水在临界区域的流动情况，得到其流动特性，同时也可直接观测到其中的细颗粒杂质的沉积运动情况，分析其运动规律。

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：由预热段、加热段、可视段、冷却段、稳压段、进料段通过主管道依次连通的超临界水颗粒物可视化测量实验装置，可以通过可视化测量的方式研究管道内部流体的流动情况及流体中颗粒物杂质的沉积运动情况，观测直观，能够准确、有效测量相关数据，满足实验需求及工程应用，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水颗粒物可视化测量实验装置，该装置包括对管道中流体初步加热的预热段、对管道中流体二次加热的加热段、观测颗粒物的可视段、对管道内流体降温的冷却段、调节回路压力的稳压段和回路加水与颗粒物的进料段。

其中，所述预热段水平设置，加热段竖直设置；

预热段和加热段绕设于管道外周以电加热的方式进行加热；

预热段和加热段内部分段串联设置热电偶，外部包裹有保温材料，最外层包裹有隔热铝合金。

其中，所述可视段包括显示器、摄像机、可视窗、计算机和射线发生器；

其中，在加热段后的竖直管道部位开设相邻通孔，使用透明耐压材料封闭所述通孔后形成的透视窗口为可视窗。

进一步地，所述可视段还包括外侧设有铅保护层的可视窗基座，其上下端和回路管道可拆卸密接，在其竖直面上相邻两侧设有光孔；

所述可视窗中，靠近流体一侧为叠放的蓝宝石玻璃和石英玻璃，远离流体一侧设置有压板，通过所述压板将蓝宝石玻璃和石英玻璃与可视窗基座的光孔固定。

其中，所述进料段包括进料泵以及并联的储料罐和储水罐，储料罐内设置有多个填充有待加入回路颗粒物的装料柱，装料柱内的颗粒物和储水罐内的液体通过进料泵进入回路中。

在装料柱上设有带有刻度的透明观测窗，透过该观测窗可以观测装料柱内颗粒物的流动状态；

在装料柱内中设有旋转叶轮，以防止颗粒物阻塞进料泵。

其中，所述稳压段包括，两端分别连接稳压罐和氮气罐的增压泵；单独与增压泵连接的压缩机；与管道回路连接的稳压罐；稳压罐密闭，通过与氮气罐配合调节回路内的压力。

其中，所述冷却段包括冷凝器、冷却水箱和给水泵；

给水泵抽取冷却水箱中的冷却水通入冷凝器中使其与管道内流体流向相反，冷却水在冷凝器中和管道内的流体热交换，冷却水吸热后流出冷凝器并回流至冷却水箱中；

管道内的流体冷却后流回至预热段。

优选地，在可视段一侧增加设置有蓄能器的分支回路，以存储部分超临界流体和补充回路压力。

第二方面，本发明还提供了一种上述超临界水颗粒物可视化测量实验装置进行观测颗粒物运动的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、将回路阀门打开，使闭合回路内部处于连通状态，启动预热段和加热段；

步骤2、启动冷却段；

步骤3、启动进料段；

步骤4、流体充满整个回路后，启动稳压段。

步骤5、观察实验现象，采集相关数据，结束后关闭总电源，并卸掉稳压段的压力。

根据本发明提供的超临界水颗粒物可视化测量实验装置及其观测方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的实验装置可适用于包括超临界水在内的高温高压流体，既可以观察研究流体的运动情况，分析流动状态，也可测量研究流体中颗粒物的沉积运动情况，得到其研究规律。本装置的提出能够有效解决超临界水流体运动难以观测的问题，对于提高超临界水冷反应堆运行效率及安全性具有重要意义；

(2)本发明提供的实验装置可以通过可视化测量的方式研究管道内部流体的流动情况及流体中颗粒物杂质的沉积运动情况，观测直观，能够准确、有效测量相关数据，满足实验需求及工程应用。

(3)本发明提供的实验装置还可根据实验要求更换回路管道截面形状，也可更换成多段并联的可视段，以观测水在临界区域的流动情况及细颗粒杂质的沉积运动情况，得到水的流动特性及细颗粒的运动规律。

附图说明

图1示出一种优选实施方式的超临界水颗粒物可视化测量实验装置示意图；

图2示出一种优选实施方式的可视段测量示意图；

图3示出一种优选实施方式的可视窗截面示意图；

图4示出一种优选实施方式的可视窗示意图；

图5示出图4中可视窗基座俯视示意图；

图6示出一种优选实施方式的可视段剖视示意图；

图7示出一种优选实施方式的可视段并联可视窗的示意图；

图8示出一种优选实施方式的储料罐的俯视示意图；

图9示出一种优选实施方式的装料柱的示意图。

附图标号说明：

12-流量计

2-预热段

3-加热段

41-显示器

42-摄像机

43-可视窗

44-计算机

45-射线发生器

46-可视窗基座

461-光孔

462-压板

463-蓄能器

51-冷凝器

52-冷却水箱

53-给水泵

61-增压泵

62-阀门

63-压缩机

64-稳压罐

65-氮气瓶

71-进料泵

72-储料罐

73-储水罐

74-装料柱

75-叶轮

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。

本发明提供了一种超临界水颗粒物可视化测量实验装置，如图1所示，该装置由预热段2、加热段3、可视段、冷却段、稳压段和进料段组成，并通过管道顺次相连。

在本发明中，所述实验装置适用高温水(300～400℃)、超临界水、超超临界水、超临界二氧化碳等高温高压流体，优选所述流体为水，特别指去离子水。本实验装置用于研究超临界水冷堆中颗粒物的运动状态。

其中，所述预热段2对管道中的流体进行初步加热，以促进实验装置回路中流体的循环。

优选所述预热段2绕设于管道外周以电加热的方式进行加热，更优选在所述预热段2内部分段串联设置热电偶，流体受热后内部循环加剧，分段加热可以使流体受热更为均匀。

所述预热段2外部包裹有保温材料，优选由泡沫包裹起保温作用；更优选在预热段2最外层包裹有隔热铝合金，以便减少热量散失。

在一种优选的实施方式中，所述预热段2由三段热电偶串联组成，沿轴向排列分布并整合密封，使热电偶包裹管道。

较好地，在预热段2前设有温度计及压力计，用于观测流体的流动情况及管道内部的压力情况。

在预热段2中，热电偶通电一段时间后才能使热电偶达到设定温度，在此过程中，管道内部的流体仍是液体状态并被逐步加热，整个实验装置回路并未发生循环，仍处于停滞状态，直至加热至设定温度。

为了实现实验装置内流体在回路中的循环，优选所述预热段2水平设置，由于该预热段2内流体的温度低，流体密度大，有利于提高和加热段3内流体的密度差。

其中，所述加热段3用于二次加热管道中的流体，进一步提高温度以便使流体逐渐达到超临界状态。

优选所述加热段3绕设于管道外周以电加热的方式进行加热，更优选在所述加热段3内部分段串联设置热电偶，可以使加热段3内流体存在明显温差，以便实现流体在回路中的循环。

较好地，加热段3同预热段2一样，在外部包裹有保温材料，优选由泡沫包裹起保温作用；更优选在加热段3最外层包裹有隔热铝合金，以便减少热量散失。

在一种优选的实施方式中，所述加热段3同样由三段热电偶串联组成，沿轴向排列分布并整合密封，使热电偶包裹管道。

较好地，在加热段3前后均设有温度计和压力计，通过观测流体在加热段3内的流动情况及管道内的压力情况，便于及时调整实验装置的相关实验参数。

所述加热段3优选竖直设置，预热段2内液体状态的流体受热后变成的气体并沿管道进入加热段3内，由于加热段3内热电偶串联，加热段3对进入该工作段的气体继续加热使其体积急剧膨胀，增加了加热段3和预热段2内流体的密度差。同时，水平设置的预热段2的流体进入加热段3时还需克服重力，进一步增加了加热段3内的流体和预热段2内流体的密度差。

当加热段3内流体的温度达到设定温度时或足够时，竖直的加热段3内的流体和预热段2内流体的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。

较好地，进料段设置在预热段之前，所述进料段用于向回路中加入流体(水)及选定的颗粒物，以便观测该颗粒物在整个管道回路中随流体进行的沉积运动。

其中，所述进料段包括进料泵71以及并联的储料罐72和储水罐73。储料罐72内存储待加入管道回路的颗粒物，储水罐73内存储干净的不带有颗粒物的流体，通过储料罐72和储水罐73阀门的开启和闭合分别控制颗粒物流体进入进料泵71内。进料泵71通过阀门启动和闭合控制混合有颗粒物的流体进入管道回路中，当回路中充满水时即可关闭相应阀门，之后，颗粒物在回路中随流体进行沉积运动。

一般来说，在反应堆冷却系统中存在的颗粒物不溶于水，在超临界状态下也依然是颗粒物的状态。储料罐72内的颗粒物在往往也是不溶的固体物，很容易沉积或者漂浮于液面。

所述储料罐72内可贮存不同种类和尺寸的细小颗粒物，可通过设置可打开和关闭的进料口或阀门向储料罐72内添加单一或者多种不同的颗粒物。

优选地，在所述储料罐72内设置有装料柱74，在所述装料柱74内填充有待加入回路的颗粒物；更优选设置有多个装料柱74，以便于填充不同种类和粒径的颗粒物，如图8所示。

最好在各个装料柱74的下部设置进料口或阀门，以便于将其中的颗粒物释放到储料罐72内，并沿管道进入进料泵71中。

为了保证颗粒物进入回路的用量准确和防止颗粒物堵塞进料泵71，避免发生颗粒物无法加至管道的问题，可以在装料柱74内设置有叶轮75，使颗粒物在罐内处于均匀分布的状态，通过流量计控制装料柱74内颗粒物的加入量，从而保证了颗粒物加入的准确性。

在一种优选的实施方式中，如图9所示，在每个装料柱74中设有螺旋式叶轮，用于搅拌及加速颗粒物的流出。

储料罐72还可以这样设置，向装料柱74内加入设定量的颗粒物，一次性全部加入管道回路中，也保证了颗粒物加入的准确性。

在一种优选的实施方式中，所述储料罐72还可以这样设置，在装料柱74上设有带有刻度的透明观测窗，以观测颗粒物的添加情况，根据实验需求添加指定量的颗粒物；同时，透过该观测窗可以观测装料柱74内颗粒物的状态。

为防止颗粒物阻塞进料泵71，在装料柱74内中设置的搅拌桨根据需求搅拌颗粒物。向回路中加入带颗粒物的液体时，根据刻度确定加入量。

优选在进料泵71打开后向装置管道内添加颗粒物时，可从装料柱74透明观测窗的刻度处观测其添加情况，若颗粒物聚集堵塞无法加入到回路中，开启装料柱74中的叶轮75旋转，搅拌使颗粒物正常流出。更优选在每个颗粒物的装料柱74上设有透明刻度。

当储料罐72内设定用量和种类的颗粒物和储水罐73内设定体积的液体通过进料泵71进入回路后，即可关闭进料泵71，使颗粒物在回路中随流体进行沉积运动。

为了使管道回路中的流体，水，达到稳定的超临界状态，在所述实验装置中还设置有稳压段，以调整/稳定闭环回路中的压力。

优选通过高压气体调节回路中的压力。

在一种优选的实施方式中，所述稳压段包括增压泵61、压缩机63、稳压罐64和氮气罐65，各部件通过带有阀门62的管道连接。

其中，增压泵61两端分别连接稳压罐64和氮气罐65，压缩机63单独与增压泵61连接，稳压罐64与管道回路连接。稳压罐64密闭，通过稳压导管与管道连接，与氮气罐65配合调节闭环回路内的压力。

当回路中的压力低于设定压力时，启动压缩机63，开启氮气罐65，增压泵61将氮气罐65内的氮气充入稳压罐64内，提高稳压罐64的压力，稳压罐64进而增加对回路的压力。

当回路中的压力高于设定压力时，启动压缩机63，增压泵61对稳压罐64负吸，降低稳压罐64的压力，吸入的气体进入氮气罐65内，从而降低了回路的压力。

研究发现，在超临界水冷堆的安全壳内部，冷却水在反应堆加热和高压条件下达到超临界状态，但由于存在加热不均匀性，以及冷却水和设备壁面等低温物体发生热交换，使整个流体存在热段和冷段。冷热段之间的密度差作为驱动压力，很可能使超临界水在安全壳内发生自然循环。

为了实现回路中流体的循环，优选在可视段之后设置冷却段，将从加热段2中流出的超临界状态的流体冷却，使其密度增大，通过流体的重力作用沿管道再次流回至预热段2中。

因此，所述冷却段的设置位置优选高于水平的预热段2，以便于利用冷却后流体的重力作用自然回流至预热段2，从而实现自然循环。

其中，所述冷却段包括冷凝器51、冷却水箱52和给水泵53，给水泵53通电后抽取冷却水箱52中的冷却水并通入冷凝器51中，冷却水在冷凝器51中和实验装置管道内的超临界流体进行热交换，实验装置管道内的超临界流体冷却降温后沿管道流回至预热段2中。冷却水吸收热量后变热，流出冷凝器51并沿管道回流至冷却水箱52中。

优选所述冷凝器51采用逆向冷却的方式使实验装置管道内的流体充分冷却；也就是说，管道内流体的流向和冷凝器中冷却水的流向相反。

更优选冷却水由给水泵53加压从冷凝器51下端流入，在冷凝器51内与管道充分接触冷却后，从冷凝器51上端流出，并重新流入至冷却水箱52中。

更优选地，还可以在冷却段中设置流量计，例如，在冷凝器51冷却水进出口设置有阀门，并用流量计测量冷却水流量。

本发明提供的超临界水颗粒物可视化测量实验装置，流体(水)及颗粒物加入并充满整个回路，经过预热段2和加热段3逐步加热至设定温度，随后经冷却段冷却，如此反复形成稳定循环。在整个实验过程中，管道内部压力由稳压段持续调节，在形成稳定循环之后，由可视段4进行观察与检测。

当各个工作段的温度和压力稳定时，实验装置回路中的流体逐渐达到超临界状态，进入回路的颗粒物随着流体流动而移动。为了保证管道的安全和耐压耐热性能，最好使用强度足够的金属制备管道，例如不锈钢。

优选在加热段2之后冷却段之前设置可视段，通过所述可视段对回路中颗粒物的运动状态进行观测。

在本发明中，所述可视段包括显示器41、摄像机42、可视窗43、计算机44和射线发生器45。

在一种优选的实施方式中，如图3所示，在加热段2后的竖直管道部位，特别是竖直管道上开设有相邻的两个通孔，并使用透明耐压材料封闭所述通孔，形成透视窗口即可视窗43。

所述可视窗43应当能够耐受超临界水的温度和压力，优选可视窗43选用石英玻璃、蓝宝石、红宝石或透明陶瓷制备。

为了提高可视窗43和管道的密闭性，防止管道内的流体和压力外泄，优选将金属垫片放置于管道和可视窗43之间并通过紧固螺栓固定，通过提高紧固压力达到密闭状态。

所述可视窗43还可以这样设置，可视窗43由多层透明材料依次叠加组成，并通过固定装置固定于管道的开孔上。

在一种更优选的实施方式中，如图4所示，所述可视段包括可视窗基座46和可视窗43，所述可视窗基座46呈多面立体状，其上下端和回路管道密接，在其竖直面上相邻两侧设有光孔461。

在一种更优选的实施方式中，可视段上下端和回路管道可拆卸连接，所述可视段可以整体拆卸和更换安装。

进一步地，如图5所示，在可视窗基座46的相邻两侧设置有可视窗43。优选两个可视窗43垂直相交，更便于设置观测设备和观察实验现象。

所述可视窗43中靠近流体一侧为蓝宝石玻璃，石英玻璃叠放在蓝宝石玻璃之上，作为二次防护。在石英玻璃与蓝宝石玻璃相反的一侧还设置有压板462，用于将可视窗43和可视窗基座46固定。优选将可视窗43和可视窗基座46的光孔461固定。

优选地，在压板462和石英玻璃、蓝宝石玻璃和观察窗基座46之间安装密封垫片，并涂抹高温密封胶，通过螺钉将压板压紧。

在一种优选的实施方式中，如图7所示，所述可视段中并联设置有多个可视窗43，可以采用不同的观测位置观测不同可视窗43内颗粒物的沉积运动。

根据需要，所述并联的可视窗43还可以采用不同截面形状的管道进行测试，例如管道截面为方形、窄矩形、圆形等，尽可能多的观测不同流体状态下颗粒物的沉积运动。

更优选地，本发明提供的实验装置中，当可视窗43的管道更换后，实验装置回路中的管道也相应改变，从而实现不同流体状态下颗粒物沉积规律的研究。

所述观察窗基座46根据需要可以设置不同的厚度，增加了可视段的安全性，有利于对可视段的检测设备起到防护作用。

所述实验装置中，在一种优选的实施方式中，在可视窗基座46的外部还装设有重金属铅防护层，该防护层加强了整个可视段的结构强度，使得可视段容器能够承受不超过30MPa的超临界压力，从而保持整个实验装置的完整性；同时重金属铅防护层可以有效地避免辐射射线照射到外部环境中，还保护了实验人员的人身安全。

所述重金属铅防护层的厚度为2～5cm，优选为3.5～4.5cm。

在一种优选的实施方式中，在对实验装置回路反复加热条件下，可以在可视窗43一侧增加设置有蓄能器463的分支回路，如图4所示，所述回路可以存储部分超临界流体，特别是超临界水汽混合物；当回路泄露引起回路压力下降时可以补充管道回路的压力能力，适当解除泄漏引起的压力下降问题。

所述蓄能器463为带有入口和出口的封闭容器，入口和出口分别通过管道与回路连接。

这样，在实验启动及预热加热阶段，蓄能器463随管道回路一起充满水，并在预热加热的过程中随之循环，直至最后充满超临界水。当管道回路因泄露等问题引起压力下降时，短时间内蓄能池中的压力高于回路管道的压力，在压力作用下，可沿管道重新进入回路，一定程度地提高了管道回路压力，适当解除泄露引起的回路压力下降。

在本发明中，可视段最容易泄漏，优选地，如图6所示，入口通过管道与可视段前的管道连接，出口通过管道与可视段后面的管道连接。这样，当可视段泄漏时，蓄能器463中的超临界流体可由下部管道重新通入到主管道，部分缓解了可视段压力下降。

在一种优选的实施方式中，在可视段顶部装设有机械安全调整阀。该机械调整阀内部设置有机械可调弹簧垫片，可以调整机械安全阀动作压力，在可视段内部容器压力超过该机械阀设置压力之后，机械阀门会自动打开，泄压后维持容器内超临界压力的稳定。所述

在一种更优选的实施方式中，在可视段顶部装设有机械安全调整阀和电动压力调节阀，当机械安全阀出现机械故障时，可以同时使用电动安全阀进行操作，通过开启或关闭泄压阀门控制系统压力稳定。

所述机械安全调整阀和电动压力调节阀可以选用现有技术中惯常使用的满足超临界压力的调节阀。

所述可视窗43根据需要可以设置为各种形状，为了便于观测，优选设置为窄矩形。

采用观测设备透过可视窗43观测流体的流动情况及其中颗粒物的沉积运动情况，优选将射线发生器45和摄像机42分别设置于不同的可视窗43前，最好正对可视窗43以提高拍摄面积。

在可视段4中，当流体开始循环至到达稳定状态，使用观测设备透过可视窗43对流体进行观察和检测。

所述观测设备包括显示器41、摄像机42、计算机44和射线发生器45。其中，所述摄像机42具有较高分辨率及极短的曝光时间，以满足实验需要求，所述摄像机可选用满足实验需求的任一种现有设备，例如pco.dimax HS4，pco.pixelfly usb及LaVision Imager等，在设定的拍摄速度下透过可视窗43对颗粒物连续拍照/摄像。射线发生器45发射出光束照亮粒径微小的颗粒物，以便于摄像机42进行拍照；较好地，所述射线发射器45还具有粒子计数和/或测速的作用。计算机44为数据接收和处理单元，与摄像机42和射线发生器45电连接后可以接收摄像机42和射线发生器45传送的检测数据。显示器41与摄像机42和计算机44电连接，可以显示摄像机42拍照/摄像画面，以及计算机44处理的数据结果。

在一种优选的实施方式中，如图2所示，射线发生器45将射线从可视窗43上一侧射入管道中进行照射和计数，并将结果发送至计算机44进行数据处理；摄像机42从可视窗43上另一侧进行连续拍照，将得到的图像发送到计算机44中进行数据处理。显示器41显示数据处理结果。

更优选地，优选射线发生器45和摄像机42透过可视窗43和光孔461，对可视窗基座46内的颗粒物进行照射、计数和拍照。

在本发明中，所述观测设备可以选用具有显示器41、摄像机42、计算机44和射线发生器45多种功能的集成设备，例如，PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速)设备、PDA(Phase Doppler Anemometer，相位多普勒粒子测量仪)设备及超声波检测仪等，优选采用PIV设备，所述设备可以透过可视窗43观测颗粒物的沉积运动情况。

在可视段中，摄像机42的拍摄面积对数据量大小有影响，根据需要，可以调节射线发生器45和摄像机42的拍摄面积。射线发生器45能够照亮管道中的全部测量部位即可。

优选地，使用摄像机42拍摄并经计算机44处理后，可得到颗粒横向与纵向的速度。

当更改拍摄角度后，计算机44内设置的坐标与实际不符合，可能会导致相应横向/纵向速度改变，可根据实验需要选取相应拍摄角度并设定相应坐标。

在一种优选的实施方式中，于颗粒物的速度是通过位移与时间之商来计算得到，摄像机42在固定间隔进行不断拍照，得到成像结果传送到计算机44中，计算机44根据成像结果，跟踪各个颗粒的运动轨迹，从而得到其在各方向上的相对位移，最后与时间相除得到各个颗粒的运动情况；同时也通过成像结果来计算某一时刻回路管道中颗粒物的浓度，从而得到颗粒物的运动沉积情况。

在一种优选的实施方式中，在本发明提供的超临界水颗粒物可视化测量实验装置中的管道上还可以设置多个流量计12，例如，设置于进料泵71和冷凝器51之前。

在本发明提供的超临界水颗粒物可视化测量实验装置中，必要处可以根据需要设置单个或多个阀门、流量计、温度计或压力计。

在另一种优选的实施方式中，在本发明提供的超临界水颗粒物可视化测量实验装置中的管道上还可以设置加压泵，例如，在预热段2和调压段之间设置加压泵，在实验装置没有达到循环状态前启动加压泵，使回路中的流体进行强迫循环；当管路中的流体达到自然循环状态后，停止加压泵。使得所述实验装置能适用于含颗粒物超临界水的自然循环及强迫循环。

由于本发明提供的实验装置需要耐受超临界水的温度和压力，优选该装置使用不锈钢、铝合金或耐热钢等制备。金属管道的厚度根据工程应用的要求按照本领域的一般知识进行调节，一般来说，当实验条件越苛刻时管道厚度和强度越大，以耐受超临界、甚至超超临界水的实验条件。

本发明提供的实验装置中，颗粒物在管道中随流体进行沉积运动，利用检测设备透过可视窗对其沉积运动情况进行直接测量，实验现象直观，能够准确、有效地测量相关数据。

通过本发明提供的实验装置，以可视化测量的方式研究管道内流体的流动情况及流体中颗粒物的沉积情况，通过数据分析可以得到颗粒物在超临界水中的沉积运动规律，使得该装置满足实验需求及工程应用。

本发明还提供了使用上述超临界水颗粒物可视化测量实验装置进行观测颗粒物运动的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、将回路阀门打开，使闭合回路内部处于连通状态，启动预热段2和加热段3；

步骤2、启动冷却段；

步骤3、启动进料段；

步骤4、流体充满整个回路后，启动稳压段。

步骤5、观察实验现象，采集相关数据，结束后关闭总电源，并卸掉稳压段的压力。

进一步地，

在步骤2中，打开相应阀门及给水泵53，使冷却水充满冷凝器51，流体发生循环后对其进行冷却。

在步骤3中，打开进料段的相关阀门，启用进料泵71，使储料罐72中带颗粒物的水及储水罐73中的水进入回路中，当流体充满整个回路时关闭进料泵71。

在步骤4中，打开相应阀门、增压泵61及压缩机63，流体受加热压力升高时调节管道中的压力，使压力满足需求并保证实验装置的安全性。

在步骤5中，当流体循环至稳定状态时，利用可视段的可视窗43对流体进行观察和检测。其中，射线发生器45将射线从可视窗43一侧射入管道中，摄像机42从可视窗43另一侧进行连续拍照，二者将检测数据发送到计算机44中进行数据处理，由显示器41显示数据处理结果。

利用本发明提供的实验装置可以通过可视化的方法测定颗粒物的运动沉积状态，尤其适用于反应堆中超临界水流动特性研究及其中细颗粒沉积运动规律研究。

实施例

实施例1

一种超临界水颗粒可视化测量实验装置，如图1所示，包括通过不锈钢管道依次连接的预热段、加热段、可视段、冷却段、稳压段和进料段。不锈钢管道的厚度为3mm；内部直径为4mm。

预热段水平设置，其前面设有温度计及压力计，用于观测流体的流动情况及管道内部的压力情况；预热段采用电加热，沿轴向三段热电偶排列分布，并整合密封，热电偶包裹管道，其外部由泡沫包裹起保温作用，并在最外层包裹有隔热铝合金，减少热量散失。每段热电偶的功率为200kw。

加热段竖直设置，前后设有温度计及压力计，用于观测流体的流动情况及管道内部的压力情况；其加热构件和预热段结构相同。

在可视段中，如图4所示，可视窗基座开设有相邻的两个可视窗，可视窗靠近流体一侧为叠放的1cm蓝宝石玻璃和0.5cm石英玻璃，压板放置于外侧，通过螺栓紧固于可视窗基座。可视窗基座外侧包裹有4cm铅保护层；可视窗基座顶端设置有机械安全调整阀和电动压力调节阀，使得可视段的压力不超过30MPa。

可视段中设置有并联的两个可视窗，射线发生器和摄像机分别设置于不同的可视窗正前方，将获得的检测数据传输给计算机进行数据处理；显示器与摄像机和计算机电连接，可以显示摄像机拍照/摄像画面，以及计算机处理的数据结果。

冷却段包括冷凝器、冷却水箱和给水泵，给水泵通电后抽取冷却水箱中的冷却水并通入冷凝器中，冷却水在冷凝器中和实验装置管道内的超临界流体进行热交换，实验装置管道内的超临界流体冷却降温后沿管道流回至预热段中。

所述稳压段包括增压泵、压缩机、稳压罐和氮气罐，及时对回路压力进行调节，使回路压力在设定的范围内。

进料段包括进料泵以及并联的储料罐和储水罐。储料罐内存储带有颗粒物的液体流体，储水罐内存储干净的水，通过阀门的开启进入进料泵内，并由进料泵控制进入回路中。

在实验装置回路中设有流量计，以观测回路中流体的流量。实验装置回路还可以根据需要设置为不同截面形状的管道。

使用该实验装置观测时，首先启动预热段和加热段加热，使加热段后温度计测定的温度为250～350℃；

启动冷却段的给水泵，使冷却水充满冷凝器，流体发生循环后对其进行冷却；

启动进料段的进料泵，使储料罐中带颗粒物的水及储水罐中的水进入回路中，当充满整个回路时停止进料；

启动稳压段的增压泵及压缩机，流体受加热压力升高时调节管道中的压力，使压力维持在22～26MPa。

当超临界水气混合流体循环至稳定状态时，利用可视段的可视窗对流体进行观察和检测。其中，射线发生器将射线从可视窗一侧射入管道中，摄像机从可视窗另一侧进行连续拍照。根据显示器的数据结果分析颗粒物的运动情况。

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 (10)

1.一种超临界水颗粒物可视化测量实验装置，其特征在于，该装置包括对管道中流体初步加热的预热段(2)、对管道中流体二次加热的加热段(3)、观测颗粒物的可视段、对管道内流体降温的冷却段、调节回路压力的稳压段和回路加水与颗粒物的进料段。

2.根据权利要求1所述的超临界水颗粒物可视化测量实验装置，其特征在于，所述预热段(2)水平设置，加热段(3)竖直设置；

预热段(2)和加热段(3)绕设于管道外周以电加热的方式进行加热；

预热段(2)和加热段(3)内部分段串联设置热电偶，外部包裹有保温材料，最外层包裹有隔热铝合金。

3.根据权利要求1所述的超临界水颗粒物可视化测量实验装置，其特征在于，所述可视段包括显示器(41)、摄像机(42)、可视窗(43)、计算机(44)和射线发生器(45)；

其中，在加热段(2)后的竖直管道部位开设相邻通孔，使用透明耐压材料封闭所述通孔后形成的透视窗口为可视窗(43)。

4.根据权利要求3所述的超临界水颗粒物可视化测量实验装置，其特征在于，所述可视段还包括外侧设有铅保护层的可视窗基座(46)，其上下端和回路管道可拆卸密接，在其竖直面上相邻两侧设有光孔(461)；

所述可视窗(43)中，靠近流体一侧为叠放的蓝宝石玻璃和石英玻璃，远离流体一侧设置有压板(462)，通过所述压板(462)将蓝宝石玻璃和石英玻璃与可视窗基座(46)的光孔(461)固定。

5.根据权利要求1或2所述的超临界水颗粒物可视化测量实验装置，其特征在于，所述进料段包括进料泵(71)以及并联的储料罐(72)和储水罐(73)，储料罐(72)内设置有多个填充有待加入回路颗粒物的装料柱(74)，装料柱(74)内的颗粒物和储水罐(73)内的液体通过进料泵(71)进入回路中。

6.根据权利要求5所述的超临界水颗粒物可视化测量实验装置，其特征在于，在装料柱(74)上设有带有刻度的透明观测窗，透过该观测窗可以观测装料柱(74)内颗粒物的状态；

在装料柱(74)内中设有旋转叶轮(75)，以防止颗粒物阻塞进料泵(71)。

7.根据权利要求1所述的超临界水颗粒物可视化测量实验装置，其特征在于，所述稳压段包括，

两端分别连接稳压罐(64)和氮气罐(65)的增压泵(61)；

单独与增压泵(61)连接的压缩机(63)；

与管道回路连接的稳压罐(64)；

稳压罐(64)密闭，通过与氮气罐(65)配合调节回路内的压力。

8.根据权利要求1所述的超临界水颗粒物可视化测量实验装置，其特征在于，

所述冷却段包括冷凝器(51)、冷却水箱(52)和给水泵(53)；

给水泵(53)抽取冷却水箱(52)中的冷却水通入冷凝器(51)中使其与管道内流体流向相反，冷却水在冷凝器(51)中和管道内的流体热交换，冷却水吸热后流出冷凝器(51)并回流至冷却水箱(52)中；

管道内的流体冷却后流回至预热段(2)。

9.根据权利要求1所述的超临界水颗粒物可视化测量实验装置，其特征在于，

在可视段一侧增加设置有蓄能器(463)的分支回路，以存储部分超临界流体和补充回路压力。

10.一种使用权利要求1～9之一所述超临界水颗粒物可视化测量实验装置进行观测颗粒物运动的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、将回路阀门打开，使闭合回路内部处于连通状态，启动预热段和加热段；

步骤2、启动冷却段；

步骤3、启动进料段；

步骤4、流体充满整个回路后，启动稳压段。

步骤5、观察实验现象，采集相关数据，结束后关闭总电源，并卸掉稳压段的压力。