CN112763279A - 一种取样头结构、风管结构和取样头、风管选型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种取样头结构、风管结构和取样头、风管选型方法，涉及辐射监测系统领域，其中取样头、风管选型方法包括以下步骤：获取取样头的结构；获取取样参数，根据取样参数，确定取样管的锥形段最小直径；得到取样头的基础设计参数；根据基础设计参数，成型取样头的各个部件，通过各个部件进行取样头的装配，得到取样头；根据取样参数，调整该取样头的取样管的直管段输出的流速及风管取样端的直径，确保取样头的取样管的直管段输出的流速恒定，使得取样流量恒定；根据取样流量，获取并验证该取样头的传输比，确保传输比通过认证标准，本发明可以更好地进行取样头结构、风管结构的选型确定，该取样头结构的传输比能满足规定的要求。
Description
技术领域
本发明涉及辐射监测系统领域，具体涉及一种取样头结构、风管结构和取样头、风管选型方法。
背景技术
在核电站及相关核工业中，核电厂核设施运行过程中不可避免会向工作场所、环境等放出或泄露放射性气溶胶，无论是核设施异常或核设施还是正常运行，都无可避免的均有这些放射性物质，且这些物质通常是公众和环境辐射危害的主要源项，因而这些物质需要快捷合理的给予监测，以便根据法规和厂区管理情况为人员安全、核设施安全措施等考虑采取措施。辐射监测系统中取样头是用于排风风道中放射性微尘空气样品的取样，现有的取样头结构导致其传输比交底，取样效率交底，影响到了辐射监测效果。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种取样头结构、风管结构和取样头、风管选型方法，本发明可以更好地进行取样头结构、风管结构的选型确定，取样头结构的传输比随风管气体流速先小幅减小，然后随气体流速增大呈现增大趋势，在绝大多数应用场景中，该取样头结构的传输比能满足规定的要求。
本发明提供一种取样头结构，包括：
取样管，包括一体化成型的直管段和锥形段，所述直管段具有轴向延伸方向，并在直管段轴向方向的一端同轴成型有所述锥形段；
第一取样管，其一端与所述取样管的直管段同轴固定连接；
套管，同轴套设在取样管的直管段上，所述套管的内壁与直管段的外壁间存在一定间隙，套管没过取样管的锥形段，所述套管远离直管段的一端端部设有向外扩张设置的喇叭口。
可选的，所述喇叭口与所述套管之间的张角度数为12-20°。
可选的，喇叭口与套管之间的张角度数为15°。
可选的，所述取样管的直管段延伸至所述套管外，套管远离所述喇叭口的一端端部设有密封部，套管通过所述密封部套设在直管段上。
可选的，所述第一取样管的一端与所述取样管的直管段固定连接，第一取样管的另一端固定连接有第二取样管，所述第二取样管的一端与第一取样管固定连接，第二取样管的另一端固定连接有第三取样管，第三取样管的一端与第二取样管固定连接，第三取样管的另一端可拆卸连接有导出样管，第三取样管上设有角度调节器，所述角度调节器位于第二取样管和所述导出样管之间。
可选的，第二取样管的一端端部设有安装垫，第三取样管的一端端部设有与所述安装垫相配合的安装圆盘，导出样管的一端端部设有紧固螺母，第三取样管在角度调节器的一侧设有与所述紧固螺母螺纹配合的螺纹段。
进一步的，本发明还提供一种风管结构，包括风管，所述风管具有取样端，所述取样端为等径的圆管，取样端的直径与如上述的所述锥形段的最小直径之间的最小比例为20：3。
进一步的，本发明还提供一种取样头、风管选型方法，包括以下步骤：
获取取样头的结构，所述取样头的结构采用如上述的取样头结构进行设计；
获取取样参数，根据所述取样参数，确定取样管的锥形段最小直径；
根据锥形段最小直径，确定取样管直管段内外径及取样管壁厚、套管内外径及壁厚、喇叭口最大直径、壁厚及喇叭口相对于套管之间的张角度数，得到取样头的基础设计参数；
根据所述基础设计参数，成型取样头的各个部件，通过各个所述部件进行取样头的装配，得到取样头；
根据取样参数，调整该取样头的取样管的直管段输出的流速及风管取样端的直径，确保取样头的取样管的直管段输出的流速恒定，使得取样流量恒定；
根据所述取样流量，获取并验证该取样头的传输比，确保传输比通过认证标准。
可选的，所述取样参数包括取样温度、取样气压值、风管进口流速、风管出口背压、气溶胶颗粒直径、气溶胶颗粒速度和气溶胶颗粒浓度。
可选的，取样流量为57L/min，通过认证标准的取样头的传输比为0.80-1.30。
本发明的优点在于：
附图说明
图1为本发明的一种形式下取样头结构的结构示意图；
图2为本发明的一种形式下取样头结构的剖面图；
图3为本发明的另种形式下取样头结构的结构示意图；
图4为本发明的另种形式下取样头结构的正视图；
图5为本发明的另种形式下取样头结构的剖面图；
图6为本发明的取样头、风管选型方法的流程示意图；
图7为验证取样头、风管选型方法时风管直径为100mm时速度云图；
图8为验证取样头、风管选型方法时风管直径为200mm时速度云图；
图9为验证取样头、风管选型方法时风管直径为300mm时速度云图；
图10为验证取样头、风管选型方法时取样头传输比随风管中气体流速的变化图；
图11为护套式取样头壁面损失随风管流体速度变化图(Chandra，1992)；
图12为验证取样头、风管选型方法时考虑壁面损失修正后的传输比随风管中气体流速的变化图；
图13为验证取样头、风管选型方法时风管气体流速1m/s时流场速度云图；
图14为验证取样头、风管选型方法时风管气体流速2m/s时流场速度云图；
图15为验证取样头、风管选型方法时风管气体流速5m/s时流场速度云图；
图16为验证取样头、风管选型方法时风管气体流速15m/s时流场速度云图；
图17为验证取样头、风管选型方法时风管气体流速25m/s时流场速度云图；
图18为验证取样头、风管选型方法时风管入口流速1m/s时流场流线分布图；
图19为验证取样头、风管选型方法时风管入口流速5m/s时流场流线分布图；
图20为验证取样头、风管选型方法时风管入口流速15m/s时流场流线分布图；
图21为验证取样头、风管选型方法时风管入口流速2m/s时气溶胶颗粒轨迹图；
图22为验证取样头、风管选型方法时风管入口流速15m/s时气溶胶颗粒轨迹图。
图中标号为：
1-导出样管；2-紧固螺母；3-角度调节器；4-第三取样管；5-安装垫；6-安装圆盘；7-安装孔；8-第二取样管；9-第一取样管；10-取样管；11-密封部；12-套管；13-喇叭头。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
作为本发明的一个实施例，本发明提供一种取样头结构，包括：
取样管，包括一体化成型的直管段和锥形段，所述直管段具有轴向延伸方向，并在直管段轴向方向的一端同轴成型有所述锥形段；
第一取样管，其一端与所述取样管的直管段同轴固定连接；
套管，同轴套设在取样管的直管段上，所述套管的内壁与直管段的外壁间存在一定间隙，套管没过取样管的锥形段，所述套管远离直管段的一端端部设有向外扩张设置的喇叭口。
进一步的，本发明还提供一种风管结构，所述风管具有取样端，所述取样端为等径的圆管，取样端的直径与如上述的所述锥形段的最小直径之间的最小比例为20：3。
进一步的，本发明还提供一种取样头、风管选型方法，包括以下步骤：
获取取样头的结构，所述取样头的结构采用如上述的取样头结构进行设计；
获取取样参数，根据所述取样参数，确定取样管的锥形段最小直径；
根据锥形段最小直径，确定取样管直管段内外径及取样管壁厚、套管内外径及壁厚、喇叭口最大直径、壁厚及喇叭口相对于套管之间的张角度数，得到取样头的基础设计参数；
根据所述基础设计参数，成型取样头的各个部件，通过各个所述部件进行取样头的装配，得到取样头；
根据取样参数，调整该取样头的取样管的直管段输出的流速及风管取样端的直径，确保取样头的取样管的直管段输出的流速恒定，使得取样流量恒定；
根据所述取样流量，获取并验证该取样头的传输比，确保传输比通过认证标准。
通过该取样头结构、风管结构和取样头、风管选型方法的设计，可以更好地进行取样头结构、风管结构的选型确定，在辐射监测系统中可以有广泛的应用，该取样头结构的传输比随风管气体流速先小幅减小，然后随气体流速增大呈现增大趋势，在绝大多数应用场景中，该取样头结构的传输比能满足规定的要求。
下面结合本发明的较佳实施例对该接线端子进行说明。
请参阅图1和图2，该取样头结构包括：
取样管10，包括一体化成型的直管段和锥形段，直管段具有轴向延伸方向，并在直管段轴向方向的一端同轴成型有锥形段，锥形段的设计可以更加针对性地对后述的套管12内的样品进行取样。
第一取样管9，其一端与取样管10的直管段同轴固定连接，该取样头结构中的第一取样管9可以为直管、弯管等等设计方式，在第一取样管9选用弯管时，可以让该取样头结构适应各种取样环境，减少了操作难度，方便操作人员的工作。
套管12，同轴套设在取样管10的直管段上，套管12的内壁与直管段的外壁间存在一定间隙，在本实施例中，取样管10和套管12的内壁均具有一定的粗糙度。套管12没过取样管10的锥形段，套管12远离直管段的一端端部设有向外扩张设置的喇叭口13，喇叭口13对其附近流场有显著影响，尤其在取样区域例如风管内流速较高的时候，会导致其侧后的流通面积缩小，流速升高且影响区域较大，同时在喇叭口13后侧形成低速涡流区。具体，请参阅图3，在本实施例中，取样管10的直管段延伸至套管12外，套管12远离喇叭口13的一端端部设有密封部11，套管12通过密封部11套设在直管段上，通过密封部11使得套管12与取样管11之间为可拆卸式设计，即取样管10与套管12之间可拆卸，方便对核心的取样管10进行维护保养，同时密封部11的设计，使得套管12与取样管10之间可以预留设计间隙，避免套管12与取样管10直接接触，同时在套管12的内腔形成一个流体的循环空间，使目标流体样品能够更好地进入取样管10。
请参阅图2，喇叭口13与套管12之间的张角度数为12-20°，在一种优选方案中，喇叭口13与套管12之间的张角度数为15°，喇叭口13与套管12之间的张角的设置使得流体更好的进入套管12，能够对取样区域内的目标样品进行更大范围的吸取，提高了取样时的整体效率。
请参阅图3、图4和图5，在另一种设计形式中，该取样头结构还包括第二取样管8、第三取样管4、角度调节器3和导出样管1，第一取样管9的一端与取样管10的直管段固定连接，第一取样管9的另一端固定连接有第二取样管8，第二取样管8的一端与第一取样管9固定连接，第二取样管8的另一端固定连接有第三取样管4，第三取样管4的一端与第二取样管8固定连接，第三取样管4的另一端可拆卸连接有导出样管1，第三取样管4上设有角度调节器3，角度调节器3位于第二取样管6和导出样管1之间。
第二取样管8的一端端部设有安装垫5，第三取样管4的一端端部设有与安装垫相配合的安装圆盘6，导出样管1的一端端部设有紧固螺母2，第三取样管4在角度调节器3的一侧设有与紧固螺母2螺纹配合的螺纹段。
在安装圆盘6和安装垫5上均可以设置多个安装孔7，通过安装孔将安装圆盘6和安装垫5固定在预定位置、安装装置上，安装垫5用于避免安装圆盘6在安装过程中与预定位置、安装装置出现打滑情况，从而使安装不牢靠不紧固。角度调节器3用于调节套管12的朝向角度，使该取样头结构的应用场景更加丰富，具有很高的实用性，紧固螺母2用于将导出样管1与第一取样管4螺纹连接，便于拆卸维修，导出样管1另一端与下一工序装置进行连接。
进一步的，该风管结构包括风管，该风管具有取样端，取样端在多数情况下为风管的出口，取样端为等径的圆管，取样端的直径与上述取样头结构的锥形段的最小直径之间的最小比例为20：3，按照ANSI N13.1-1999标准中规定，取样口的前端面积即锥形段的最小直径不应该大于风管或烟横截面积的15％，使得风管和取样头结构满足标准规定。
进一步的，请参阅图6，该取样头、风管选型方法,包括以下步骤：
S100)获取取样头的结构，取样头的结构采用上述的取样头结构进行设计，即取样头的结构至少包括第一取样管9、取样管10、密封部11、套管12以及喇叭口13，根据实际要求，可以增加选配件，如导出样管1、紧固螺母2、角度调节器3、第三取样管4、安装垫5、安装圆盘6、安装孔7和第二取样管8。
S200)获取取样参数，根据取样参数，确定取样管10的锥形段最小直径，锥形段最小直径即取样口的前端面积。
S300)根据锥形段最小直径，确定取样管10直管段内外径及取样管10壁厚、套管12内外径及壁厚、喇叭口13最大直径、壁厚及喇叭口13相对于套管12之间的张角度数，得到取样头的基础设计参数，可以理解的是，通过基础设计参数，也能够得到其他设计参数，例如第一取样管9、取样管10、密封部11、套管12以及喇叭口13的长度、选配件的长度、内外径参数、壁厚参数、孔数等等。
S400)根据基础设计参数，成型取样头的各个部件，通过各个部件进行取样头的装配，得到取样头。
S500)根据取样参数，调整该取样头的取样管10的直管段输出的流速及风管取样端的直径，确保取样头的取样管10的直管段输出的流速恒定，使得取样流量恒定，取样参数包括取样温度、取样气压值、风管进口流速、风管出口背压、气溶胶颗粒直径、气溶胶颗粒速度和气溶胶颗粒浓度等等。
S600)根据取样流量，获取并验证该取样头的传输比，确保传输比通过认证标准，在本实施例中，取样流量为57L/min，通过认证标准的取样头的传输比为0.80-1.30，即传输比能够通过ISO2889-2010的标准。
下面对该取样头、风管选型方法进行验证：
选取一个上述取样头结构进行验证，具体的，该待验证取样头中，取样管10外径为25.4mm，内径22.1mm，前端入口即锥形段的最小直径为14mm；套管12外径37mm，内径32mm；喇叭口13相对于套管12之间的张角度数为15°，喇叭口的最大口径处为44.3mm，套管12和取样管10之间还预留了2.3mm间隙。
取样参数确定：取样温度为25℃，取样气压值为1atm即1个标准大气压，气溶胶颗粒为均一直径10μm，风管的进口给定流速，气溶胶颗粒速度与给定流速相同，风管出口给定背压，风管入口的气溶胶浓度均为50mg/m3，由于需要保证取样流量为57L/min，可以反推出取样管出口给定恒定流速1.935m/s。
由于气溶胶颗粒受力复杂，包括重力、气动力、颗粒湍流力、热泳力、光泳力、电泳力等中的多项，导致气溶胶颗粒受力均衡，可以长时间稳定悬浮，所以在验证中可以简化受力，此处只是简单设置气动阻力而忽略其他。风管内的流动认为是湍流，尤其是取样管10尺寸较小，其附近流场可认为是发展的湍流，湍流模型采用标准k-e模型，壁面函数采用scalable形式。
在验证中需要确定风管的几何尺寸，即对风管进行选型。风管直径过小时，虽然流量影响小，但取样头会对流场形成强烈干扰，导致取样头传输比计算误差大；风管直径过大时取样头虽然对流场影响小，但是会大幅增加计算量，而且由于取样流量小，会导致计算误差增大。因此选择合适风管直径进行计算是非常重要的。ANSI N13.1-1999标准中规定，取样口的前端面积不应该大于风管或烟横截面积的15％，即风管的取样端直径需要不小于93.3mm。
请参阅图7、图8和图9，从风管内速度场看，套管12上的喇叭口13形式对其附近流场有显著影响，尤其在风管内流速较高的时候，会导致其侧后的流通面积缩小，流速升高且影响区域较大，同时在喇叭口背后形成低速涡流区，但从不同风管直径来看，风管直径100mm时，即便风速只有2m/s，取样头仍然对流场造成了强烈的影响，流场紊乱，不利于取样；风管直径200mm时，风速达到15m/s，流场受到影响，但不会对取样造成严重影响；风管直径300mm时，风速达到25m/s，流场受到影响，但不会对取样造成严重影响。
由于取样管10直径较小，而风管相对较大，流量波动会对取样效率产生巨大的影响主要是误差传递影响准确性，在验证计算时也会大幅增加计算量，因此模拟计算可以选择风管直径200mm作为边界条件，在实际工程中该计算结果在≥200mm的风管中都适用。
接下来开始计算并验证该取样头的传输比，请参阅表1，表1为不同风管速度下，取样头传输比计算结果。
表1
ISO2889-2010中，对取样头的性能要求如下：对于空气动力学直径10μm的气溶胶粒子，在正常运行和事故条件下，取样头传输比应该在0.80-1.30之间。
请参阅图10，可见在气体流速在1m/-14m/s时，传输比满足要求。需要指出的是，由于无法确定气溶胶在不同速度下在管壁上的沉积损失率，因此在计算时未考虑气溶胶沉积，导致传输比计算结果比实际偏高。参考国外的文献Mcfarland(1993)、Chandra(1992)，Chandra等人对护套式取样头的运行特性进行了实验研究，请参阅图11，实验研究表明，在取样流量为57L/min条件下，当风管气体流速在8-22m/s时，护套式取样头的壁面损失在10-20％之间。
由图10可以看出，当气体速度大于15m/s时，计算所得传输比已经高于标准要求的上限1.30。因此保守考虑壁面损失为在10％，考虑壁面损失后的传输比随气体流速趋势如图12所示，此时风管气体流速在1-17.7m/s时，即该取样头传输比满足0.80-1.30的要求。
综合考虑该取样头的应用场景，实际运行中，风管气体流速不超过17.7m/s，可以认为该取样头满足实际应用中传输比的要求。
请参阅图13至图17，对比各组速度云图发现如下结果：
1)在风管内流速1m/s时，取样管10附近流场影响很小，只是套管12张角后方有较小范围的低速区。在风管内流速2m/s时，套管12张角后方的低速区扩大，套管12头部即喇叭口13外围会形成流动速度较高区域。在风管内流速5m/s时，由于取样管10内部流速较低，取样管10截面对来流形成阻碍，导致风管内部流场不均匀。在风管内流速15m/s时，由于取样管10内部的较低流速，取样管10截面对来流形成较大的阻碍。在风管内流速25m/s时，流场速度分布与15m/s时相似，取样管10对流场形成了较强的阻碍作用；
2)对于取样管10进口收缩(即锥形段)的结构，在风管内流速1m/s时，取样管10入口有明显的气流降压加速，形成一个高速流区，然后再减速。在风管内流速2m/s时，取样管10入口气流降压加速区加速效应减弱，流场在套管12周围形成较为明显的低速区。在风管内流速5m/s时，取样管10已有对气流明显的阻碍，入口气流加速效应很弱。在风管内流速15m/s和25m/s时，取样管10对气流阻碍作用明显。取样管10进口收缩对其内流场显著影响就是在风管内流速较低时会有降压加速效应。
请参阅图18至图20，对比流场流线分布图，在1m/s时，由于取样管10内流速高于主流，进入套管12的气流基本都进入取样管10，取样管10与套管12间隙流速较低。在5m/s时，其后部的低速区增大，形成的漩涡也越来越大，漩涡区是流动死区，对风管内流动形成阻碍。在15m/s时，由于取样管内流速相对较低，从套管12进入的气流会从套管12与取样管10之间的缝隙流出更多，从流线分布可以明显看出这种趋势。
请参阅图21和图22，并结合速度云图以及流线图，颗粒会比较好地跟随气流运动，在2m/s时，进入套管12的颗粒绝大部分会从取样头进入取样管10，而在15m/s时，由于进入取样管10的气流量相对减少，从而进入的颗粒量也相对减少。
综上，该取样头传输比随风管气体流速先小幅减小，然后随气体流速增大呈现增大趋势，在取样流量为57L/min的条件下，当风管气体流速在1m-7.7m/s时(满足绝大多数应用场景)，该取样头的传输比能满足0.80-1.30的要求，即该取样头、风管选型方法能够进行更加合理的选型。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种取样头结构，其特征在于，包括：
取样管(10)，包括一体化成型的直管段和锥形段，所述直管段具有轴向延伸方向，并在直管段轴向方向的一端同轴成型有所述锥形段；
第一取样管(9)，其一端与所述取样管(10)的直管段同轴固定连接；
套管(12)，同轴套设在取样管(10)的直管段上，所述套管(12)的内壁与直管段的外壁间存在一定间隙，套管(12)没过取样管(10)的锥形段，所述套管(12)远离直管段的一端端部设有向外扩张设置的喇叭口(13)。
2.根据权利要求1所述的一种取样头结构，其特征在于，所述喇叭口(13)与所述套管(12)之间的张角度数为12-20°。
3.根据权利要求2所述的一种取样头结构，其特征在于，喇叭口(13)与套管(12)之间的张角度数为15°。
4.根据权利要求1所述的一种取样头结构，其特征在于，所述取样管(10)的直管段延伸至所述套管(12)外，套管(12)远离所述喇叭口(13)的一端端部设有密封部(11)，套管(12)通过所述密封部(11)套设在直管段上。
5.根据权利要求1所述的一种取样头结构，其特征在于，所述第一取样管(9)的一端与所述取样管(10)的直管段固定连接，第一取样管(9)的另一端固定连接有第二取样管(8)，所述第二取样管(8)的一端与第一取样管(9)固定连接，第二取样管(8)的另一端固定连接有第三取样管(4)，第三取样管(4)的一端与第二取样管(8)固定连接，第三取样管(4)的另一端可拆卸连接有导出样管(1)，第三取样管(4)上设有角度调节器(3)，所述角度调节器(3)位于第二取样管(6)和所述导出样管(1)之间。
6.根据权利要求1所述的一种取样头结构，其特征在于，第二取样管(8)的一端端部设有安装垫(5)，第三取样管(4)的一端端部设有与所述安装垫相配合的安装圆盘(6)，导出样管(1)的一端端部设有紧固螺母(2)，第三取样管(4)在角度调节器(3)的一侧设有与所述紧固螺母(2)螺纹配合的螺纹段。
7.一种风管结构，其特征在于，包括风管，所述风管具有取样端，所述取样端为等径的圆管，取样端的直径与如权利要求1-6任一项所述的一种取样头结构的所述锥形段的最小直径之间的最小比例为20：3。
8.一种取样头、风管选型方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取取样头的结构，所述取样头的结构采用如权利要求1-6任一项所述的一种取样头结构进行设计；
获取取样参数，根据所述取样参数，确定取样管(10)的锥形段最小直径；
根据锥形段最小直径，确定取样管(10)直管段内外径及取样管(10)壁厚、套管(12)内外径及壁厚、喇叭口(13)最大直径、壁厚及喇叭口(13)相对于套管(12)之间的张角度数，得到取样头的基础设计参数；
根据所述基础设计参数，成型取样头的各个部件，通过各个所述部件进行取样头的装配，得到取样头；
根据取样参数，调整该取样头的取样管(10)的直管段输出的流速及风管取样端的直径，确保取样头的取样管(10)的直管段输出的流速恒定，使得取样流量恒定；
根据所述取样流量，获取并验证该取样头的传输比，确保传输比通过认证标准。
9.根据权利要求8所述的一种取样头、风管选型方法，其特征在于，所述取样参数包括取样温度、取样气压值、风管进口流速、风管出口背压、气溶胶颗粒直径、气溶胶颗粒速度和气溶胶颗粒浓度。
10.根据权利要求9所述的一种取样头、风管选型方法，其特征在于，取样流量为57L/min，通过认证标准的取样头的传输比为0.80-1.30。
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