CN110931142A - 基于压差法的液态铅铋合金-惰性气体两相流空泡份额测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

基于压差法的液态铅铋合金‑惰性气体两相流空泡份额测量装置及方法，该装置包括气液两相流上升段、水平气液分离段、单相液体下降段和单相液体水平段依次连通形成的回路；气液两相流上升段布置有气体注入口、气液两相流上升段分为多个测量段，通过压差表测量每一段的压差；单相液体下降段设置有电磁流量计；水平气液分离段上部设置有气体排放阀；压缩惰性气体储存于高压气体储存罐中，控制其顶部气体减压阀调节充入气体注入口的气体流量，利用气体流量计记录惰性气体的流量；通过测量气液两相上升段的压差，再通过计算得到该段平均空泡份额。本发明测量测量对流动扰动小，测量精度高，整体结构简单，易于加工，成本低廉。

Description

基于压差法的液态铅铋合金-惰性气体两相流空泡份额测量 装置及方法
技术领域
本发明涉及液态金属测试技术领域，具体涉及一种液态铅铋合金回路中铅铋合金-气体两相流空泡份额测量装置及测量方法。
背景技术
铅冷快堆被认为是有望最先实现工业示范和商业应用的第四代核能系统。液态铅铋合金具有高沸点、大密度、化学惰性和优秀的传热性能和中子能谱，是铅冷快堆优选冷却剂之一。此外，液态铅铋合金由于具有良好的热膨胀性，其具有很强的自然循环能力。对于铅基反应堆，可以设计成事故状态下完全依靠自然循环的非能动余热排出系统。气泡泵装置被广泛应用于铅冷快堆概念设计和铅铋实验台架设计中，可以有效提高铅铋合金的自然循环能力，该装置采用一个部分浸没在液体中的竖直管道来提升液体，压缩气体充入竖直管道底部，由于密度低于混合流体密度，因此气体向上运动，同时又推动混合流体流动。因此铅铋合金和惰性气体两相流动特征直接影响系统的自然循环能力和安全性，而目前关于大密度比的液态金属-惰性气体两相流特征研究十分匮乏。虽然气(汽)-水两相流动的研究已经相当深入和广泛，但由于液态金属的热物理性质(密度、粘度、张力及润湿性等)与水有很大差别，其两相界面和流动特征也呈现出与气(汽)-水两相流很大的不同。因此很有必要对大密度比的液态金属-惰性气体两相流特征进行实验研究，进而深入分析气泡泵提升自然循环机理。而在两相流循环特性研究中，空泡份额是建立其理论模型的关键参数，需要从实验中获得。
空泡份额测量方式按测量内容分为两类：其一是管道截面平均空泡份额测量方法，包括快关阀门法、高速摄像法、电容层析成像法、射线法等；其二是管道截面上局部空泡份额测量方法，典型的有光纤探针法、电导探针法、微型热电偶法、热线(热膜)法等。液态铅铋合金熔点高(125℃)，因此运行温度高，并且具有不透明的特性，因此很难通过直接观测的方法测量。电容层析成像技术利用气液两相不同的介电常数和份额，将测量得到的信息用于两相流流场重建，可以在不干扰流场的情况下获得管道截面的相分布信息，但是现阶段其技术还难以用于精细的空泡份额测量。探针法具有测量精细、反应快等优点，还可用于气泡速度、相界面浓度等测量，但是需要将探针伸入流道中，难免会对流动产生影响。射线法是一种非接触式的测量方式，具有较高的稳定性，常用于高温高压下空泡份额的测量，但是射线具有放射性，其保存和使用条件限制较高，还有安全隐患，并且射线发射并不稳定，因此测量精度也有限。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明设计了一种适用于液态铅铋合金-气体两相流的空泡份额测量装置，通过测量液态铅铋合金的流量和气液上升段压差，由计算推导得出空泡份额。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于压差法的液态铅铋合金-惰性气体两相流空泡份额测量装置，其特征在于：用于铅铋合金回路中，包括气液两相流上升段1、水平气液分离段2、单相液体下降段4和单相液体水平段5依次连通形成的回路；其中气液两相流上升段1布置有气体注入口6、气液两相流上升段1分为多个测量段，每一段的进出口间连接有压差表，通过压差表测量每一段的压差；单相液体下降段4设置有电磁流量计11；水平气液分离段2上部设置有气体排放阀3；高压气体储存罐12和气体注入口6之间通过管道连接，管道上布置有气体流量计13；压缩惰性气体储存于高压气体储存罐12中，高压气体储存罐12顶部设有气体减压阀，控制该气体减压阀调节充入气体注入口6的气体流量，利用气体流量计13记录惰性气体的流量；惰性气体充入回路后由于密度差，在浮力作用下通过气液两相流上升段1向上运动，带动液态铅铋合金流动，惰性气体在水平气液分离段2后从气体排放阀3排出，液态铅铋合金的流量通过电磁流量计11记录。
所述气液两相流上升段1分为三个测量段，每一段的进出口间分别连接有第一差压表7、第二差压表8和第三差压表9。
基于压差法的液态铅铋合金-惰性气体两相流空泡份额测量方法，为提高测量精度，将气液上升段1的压差分为多个测量段分别进行测量，该压差包括重位压降、摩擦压降和加速压降，即：
ΔP＝ΔPf+ΔPacc+ΔPgrav
式中，ΔP——各测量段差压表测得压降/Pa，ΔPf——各测量段气液两相摩擦压降/Pa，ΔPacc——各测量段加速压降/Pa，ΔPgrav——各测量段重位压降/Pa；对于惰性气体-铅铋合金两相流系统，由于铅铋合金的密度非常大，加速压降和气液两相摩擦压降远小于重位压降，因此近似认为压差表测量结果为上升段气液两相重位压降，即：
Figure BDA0002312806000000041
式中，
Figure BDA0002312806000000042
——各段两相平均密度/kg·m-3，g——重力加速度/m·s-2，h——压差表两个引压管之间的距离/m；
由上式得到各测量段两相平均密度后，各测量段之间的平均空泡份额由下式计算：
Figure BDA0002312806000000043
式中，ρl,ρg——液相和气相的密度/kg·m-3。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明测量装置，可用于液态铅铋合金-惰性气体两相回路中测量两相平均空泡份额，整体结构简单，易于加工，成本低廉。
2、本发明采用压差法进行空泡份额测量，属于非侵入式测量，对流动影响较小，整体测量精度较高。
3、本发明的共设置有多段压差测量，一个气体注入口，差压测量数量和气体注入口位置均可以调整，以获得不同两相上升高度下的空泡份额。
附图说明
图1为本发明测量装置整体示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的说明：
如图1所示，本发明基于压差法的液态铅铋合金-惰性气体两相流空泡份额测量装置，用于铅铋合金回路中，包括气液两相流上升段1、水平气液分离段2、单相液体下降段4和单相液体水平段5依次连通形成的回路；其中气液两相流上升段1布置有气体注入口6、第一差压表7、第二差压表8、第三差压表9，单相液体下降段4设置有电磁流量计11。高压气体储存罐12和气体注入口6之间通过管道连接，管道上还布置有气体流量计13。还包括设置于水平气液分离段2上部的气体排放阀3。压缩惰性气体储存于高压气体储存罐12中，高压气体储存罐12顶部设有气体减压阀，控制该气体减压阀调节充入气体注入口6的气体流量，利用气体流量计13记录惰性气体的流量。惰性气体充入回路后由于密度差，在浮力作用下通过气液两相流上升段1向上运动，带动液态铅铋合金流动，惰性气体在水平气液分离段2后从气体排放阀10排出，液态铅铋合金的流量通过电磁流量计11记录。
本实例中，气体注入口6距离液面距离为3.0m，充入气体为氩气，三组压差表的引压管高度差均为1m。
基于压差法的液态铅铋合金-惰性气体两相流空泡份额测量方法，为提高测量精度，可将气液两相流上升段1的压差分为多段(两段及以上)分别进行测量，本实施例测量装置分为三段，分别通过第一差压表7、第二差压表8和第三差压表9测量，记为ΔP1、ΔP2和ΔP3，该压差包括重位压降、摩擦压降和加速压降，即：
ΔP＝ΔPf+ΔPacc+ΔPgrav
式中，ΔP——各测量段差压表测得压降/Pa，ΔPf——各测量段气液两相摩擦压降/Pa，ΔPacc——各测量段加速压降/Pa，ΔPgrav——各测量段重位压降/Pa。对于惰性气体-铅铋合金两相流系统，由于铅铋合金的密度非常大，加速压降和气液两相摩擦压降远小于重位压降，因此可以近似认为压差表测量结果为上升段气液两相重位压降，即：
Figure BDA0002312806000000061
式中，
Figure BDA0002312806000000062
——各段两相平均密度/kg·m-3，g——重力加速度/m·s-2，h——压差表两个引压管之间的距离/m。
由上式得到各测量段两相平均密度后，各测量段之间的平均空泡份额由下式计算：
Figure BDA0002312806000000063
式中，ρl,ρg——液相和气相的密度/kg·m-3。
本实例中，当氩气体积流量为4.228·10-4Nm3·s-1时，铅铋合金流速为0.53m·s-1，测得压差表1示数为75kPa，因此：
Figure BDA0002312806000000064
Figure BDA0002312806000000065
以上内容仅用来说明本发明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.基于压差法的液态铅铋合金-惰性气体两相流空泡份额测量装置，其特征在于：用于铅铋合金回路中，包括气液两相流上升段(1)、水平气液分离段(2)、单相液体下降段(4)和单相液体水平段(5)依次连通形成的回路；其中气液两相流上升段(1)布置有气体注入口(6)、气液两相流上升段(1)分为多个测量段，每一段的进出口间连接有压差表，通过压差表测量每一段的压差；单相液体下降段(4)设置有电磁流量计(11)；水平气液分离段(2)上部设置有气体排放阀(3)；高压气体储存罐(12)和气体注入口(6)之间通过管道连接，管道上布置有气体流量计(13)；压缩惰性气体储存于高压气体储存罐(12)中，高压气体储存罐(12)顶部设有气体减压阀，控制该气体减压阀调节充入气体注入口(6)的气体流量，利用气体流量计(13)记录惰性气体的流量；惰性气体充入回路后由于密度差，在浮力作用下通过气液两相流上升段(1)向上运动，带动液态铅铋合金流动，惰性气体在水平气液分离段(2)后从气体排放阀(3)排出，液态铅铋合金的流量通过电磁流量计(11)记录。
2.根据权利要求1所述的基于压差法的液态铅铋合金-惰性气体两相流空泡份额测量装置，其特征在于：所述气液两相流上升段(1)分为三个测量段，每一段的进出口间分别连接有第一差压表(7)、第二差压表(8)和第三差压表(9)。
3.基于压差法的液态铅铋合金-惰性气体两相流空泡份额测量方法，为提高测量精度，将气液上升段(1)的压差分为多个测量段分别进行测量，该压差包括重位压降、摩擦压降和加速压降，即：
ΔP＝ΔPf+ΔPacc+ΔPgrav
式中，ΔP——各测量段差压表测得压降/Pa，ΔPf——各测量段气液两相摩擦压降/Pa，ΔPacc——各测量段加速压降/Pa，ΔPgrav——各测量段重位压降/Pa；对于惰性气体-铅铋合金两相流系统，由于铅铋合金的密度非常大，加速压降和气液两相摩擦压降远小于重位压降，因此近似认为压差表测量结果为上升段气液两相重位压降，即：
Figure FDA0002312805990000021
式中，
Figure FDA0002312805990000022
——各段两相平均密度/kg·m-3，g——重力加速度/m·s-2，h——压差表两个引压管之间的距离/m；
由上式得到各测量段两相平均密度后，各测量段之间的平均空泡份额由下式计算：
Figure FDA0002312805990000023
式中，ρl,ρg——液相和气相的密度/kg·m-3。
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