CN113295379B - 一种用于螺旋管换热器特性研究的实验系统 - Google Patents

一种用于螺旋管换热器特性研究的实验系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种螺旋管换热器特性研究的实验系统，包括高温高压回路及冷却回路；冷却回路包括依次连通设置的冷却水泵、冷却水箱和冷却塔；高温高压回路包括去离子水箱、柱塞泵、回热器、预热组件、实验段、直流加热铜排组件、混合器、换热器；去离子水箱、柱塞泵、回热器、预热组件及实验段依次连通设置；直流加热铜排组件分别设置在实验段的两端；实验段远离预热组件的一端连通设置在回热器上；混合器的两端分别连通设置在回热器和换热器上；冷却水泵和冷却塔均连通设置在换热器上。本发明采用该集成化的实验系统，降低了实验成本，扩大了实验工况所能达到的范围，具有实验数据精度高、安全性好、操作方便等优点。

Description

一种用于螺旋管换热器特性研究的实验系统
技术领域
本发明涉及实验装置技术领域，具体地，涉及一种用于螺旋管换热器特性研究的实验系统。
背景技术
随着全球的能源和环保问题逐渐突出，全世界对清洁能源的需求不断增加。小型模块化反应堆(Small modular reactors,SMRs)，又称先进小型模块化反应堆，具有固有安全性、初期投资少、选址灵活、装机量选择性高等特点。
螺旋管式直流蒸汽发生器(Helical-Coiled Once Through Steam Generator,H-OTSG)以换热效率高、结构紧凑、安全性高的特点而适用于小型模块化反应堆。然而，若螺旋管蒸汽发生器中的并联管设计不当，则容易发生动态流动不稳定性，这种流动不稳定性会引起系统控制问题甚至导致螺旋管烧毁。
各研究机构和高校针对这一现象也尝试对其理论分析和试验，通常采用单管受热的实验段并联上一根不受热的旁路管构成试验系统来模拟并联管的运行特性，但这种试验系统所得的实验结果往往与实际的并联受热管情况有所差异，目前还鲜有用螺旋管作为实验段进行并联通道流动不稳定性的试验。
因此，通过试验获得准确的并联螺旋管流动稳定边界是设计新堆型中螺旋管蒸汽发生器的关键。
在螺旋管换热器的管侧，流体将经历单相流动、过冷沸腾流动、饱和沸腾流动、干涸后流动到过热蒸汽流动。由于离心力的作用，螺旋管中会产生明显的二次流现象。二次流的存在显著增强了换热器的传热性能，二次流的强度会受到管道直径、螺旋直径、螺距、压力和质量流量等几何参数和系统参数的影响。自20世纪以来，许多学者进行了螺旋管流动传热和阻力特性的研究，并开发了大量经验关系式来预测螺旋管管侧的传热系数和摩擦因子。
然而，目前针对螺旋管换热器管侧流动传热行为和阻力特性的研究，仍具有工况参数覆盖范围不足的问题，无法对低流量和高压力工况进行完整覆盖。因此，有必要采用先进的实验系统对难以达到的工况条件进行补充研究。
公开号为CN103471810A的专利公开了一种甩负荷扰动下管束间两相流不稳定性与交变热应力研究试验装置，预热器和汽水分离器分别安装在实验段的两端，储水箱通过管路分别与冷凝器和预热器相连，预热器通过高压泵与实验段相连，实验段出口安装自力式压力流量组合阀。实验段上安装有双头电导探针、压力传感器、孔板流量计、应力应变片以及铠装热电偶。本发明采用一次侧高温、高压流体加热二次侧流体的方法，实验段U型管束采用正方形布置，能更好的反映实际蒸汽发生器汽液两相流的特点，通过对同一位置温度和应力的测量，研究传热管在外力、温度共同作用下，应力应变的变化规律，揭示甩负荷引起的特定扰动下蒸汽发生器传热管破损机制。上述发明所得的实验结果精准度不佳。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种螺旋管换热器特性研究的实验系统。
根据本发明提供的一种螺旋管换热器特性研究的实验系统，包括高温高压回路及冷却回路；
所述冷却回路包括依次连通设置的冷却水泵、冷却水箱和冷却塔；
所述高温高压回路包括去离子水箱、柱塞泵、回热器、预热组件、带有螺旋管的实验段、直流加热铜排组件、混合器、换热器；
所述去离子水箱、所述柱塞泵、所述回热器、所述预热组件及所述实验段依次连通设置；
所述直流加热铜排组件分别设置在所述实验段的两端；
所述实验段远离所述预热组件的一端连通设置在所述回热器上；
所述混合器的两端分别连通设置在所述回热器和所述换热器上；
所述冷却水泵和所述冷却塔均连通设置在所述换热器上。
优选的，所述柱塞泵与所述回热器之间并联设置有小流量支路和大流量支路。
优选的，所述柱塞泵与所述回热器之间还设置有旁通支路；
所述旁通支路、所述小流量支路及所述大流量支路并联设置。
优选的，所述小流量支路、所述大流量支路及所述旁通支路上沿去离子水流动方向均依次设置有手动截止阀、文丘里流量计及电动调节阀。
优选的，所述高温高压回路和所述冷却回路中各连接管路上均安装有热电偶。
优选的，所述热电偶在管长方向沿去离子水流动方向均匀布置。
优选的，所述热电偶在管周方向的同一高度截面的0°、90°、180°及270°分布设置。
优选的，所述换热器和所述去离子水箱之间设置有背压阀。
优选的，所述预热组件包括第一预热器和第二预热器；
所述回热器、所述第一预热器、所述第二预热器及所述实验段依次连通设置。
优选的，所述高温高压回路和所述冷却回路的整体管路材料为不锈钢。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用该集成化的实验系统，降低了实验成本，扩大了实验工况所能达到的范围，具有实验数据精度高、安全性好、操作方便等优点；
2、本发明能揭示并联螺旋管中发生流动不稳定性的机理和特性，获得准确的螺旋管流动稳定边界，为螺旋管换热器的设计和安全分析提供支撑；
3、本发明通过调整预热器功率、大小支路的流量、背压阀的开度和实验段的直流电功率，可以进行不同工况范围的并联螺旋管流动不稳定性实验；
4、采用该集成化的实验系统，降低了实验成本，扩大了实验工况所能达到的范围，解决了现有的低参数和高参数实验工况难以进行的问题，具有实验数据精度高、安全性好、操作方便等优点；
5、本发明能揭示螺旋管中单相流动、过冷沸腾起始点、过冷沸腾流动、饱和沸腾流动、干涸点、干涸后流动和过热蒸汽流动的机理和特性，总结流动传热和阻力特性随含气率和雷诺数(Re)的变化规律，为螺旋管换热器的设计和安全分析提供支撑。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明流动不稳定性研究的系统图；
图2为本发明流动不稳定性研究的实验段的系统图；
图3为本发明螺旋管上管向方向热电偶的分布示意图；
图4为本发明螺旋管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所述，本发明提供一种螺旋管换热器特性研究的实验系统，包括高温高压回路及冷却回路。
冷却回路包括依次连通设置的冷却水泵、冷却水箱和冷却塔。高温高压回路包括去离子水箱、柱塞泵、回热器、预热组件、实验段、直流加热铜排组件、混合器及换热器。
去离子水箱、柱塞泵、回热器、预热组件及实验段通过连接管依次连通设置，实验段远离预热组件的一端通过连接管路连通设置在回热器上，混合器的两端分别通过连接管路连通设置在回热器和换热器上，冷却水泵和冷却塔均通过连接管路连通设置在换热器上。
如图2所述，直流加热铜排组件分别设置在实验段的两端，通过控制直流加热铜排组件的功率来控制螺旋管出口的工质温度和含气率。
高温高压回路的整体管路材料为不锈钢，通过法兰将螺旋管本体连接到回路系统中的实验段，螺旋管本体的材料没有特殊限制。
如图1所述，换热器和去离子水箱之间设置有背压阀，通过水箱上游的背压阀来控制实验段的入口压力。
柱塞泵与回热器之间并联设置有小流量支路、大流量支路及旁通支路，小流量支路、大流量支路及旁通支路上沿去离子水流动方向均依次设置有手动截止阀、文丘里流量计及电动调节阀，通过支路上的调节阀门来控制通过实验段的流量。
旁通支路的流量并不经过实验段，但可以与实验段出口的高温高压流体在混合器中进行交混，达到初步冷却的目的。大流量支路可以满足大流量实验工况下的流量条件。在进行小流量实验工况时，可将大流量支路的手动截止阀关死，同时将电动调节阀的开度调节至最小，此时流体将只经过小流量支路进入实验段，通过调节小流量支路上的电动调节阀的开度，可以达到工况要求的最小流量。
预热组件包括第一预热器(即图1中的预热器1)和第二预热器(即图1中的预热器2)，回热器、第一预热器、第二预热器及实验段依次连通设置，通过控制第一预热器和第二预热器的加热功率来控制螺旋管入口的工质温度和含气率。
高温高压回路和冷却回路中各连接管路上均安装有热电偶。热电偶在管长方向沿去离子水流动方向均匀布置。热电偶在管周方向的同一高度截面的0°、90°、180°及270°分布设置，通过螺旋管外壁面设置的热电偶来测得外壁面温度。
实验系统的流程：
造水系统生产的去离子水存储在去离子水箱中，回路系统通过两台并联的柱塞泵驱动离子水并升压，系统的最大设计流量为12t/h，最高设计压力为35MPa；
流出柱塞泵的去离子水一路经过并联的大流量支路和小流量支路，经过流量调节和文丘里流量计的计量，回热器吸收一部分实验段流出流体的热量，并通过第一预热器和第二预热器的加热升温到预定温度或含气率条件，之后进入实验段，实验段出口的高温水与旁通支路的低温水在混合器内混合进行一定的降温，再流经换热器降温后流回去离子水箱；
实验系统的压力通过出口背压阀的开度调节控制；
实验段采用直流电源进行加热，最大加热功率为0.9MW；
预热器段采用低电压大电流交流加热，第一预热器最大加热功率为0.5MW，第二预热器最大加热功率为0.2MW。
实验段出口焓的确定：
在第一预热器、第二预热器和实验段的出口，均布置有一个热电偶和一个压力计，用于测量当地的流体温度和压力，以确定实验段出入口流体的状态；
若出口流体为过冷的工况，则进出口温度以热电偶测温为准，热效率由进出口焓升除以实验段功率获得；
若实验段进口过冷而出口两相的工况，则进口温度以热电偶测温为准，热效率由标定结果推算得到，出口流体焓由焓升算得；
若实验段进口为两相，则以第二预热器入口温度为基准，根据第二预热器所标定的热效率与所给功率，由焓升推算得到第二预热器出口即实验段入口的流体焓，出口流体焓由实验段焓升算得。
实验段加热方法：
螺旋管实验本体在进口与出口位置分别安装固定铜排，采用低电压大电流直接通电的方式进行加热。根据测量获得的电流和电压，可得到试验本体的加热功率，有：
Q＝UI
式中Q为加热功率，W；
U为通过实验段的电压，V；
I为通过实验段的电流，A；
设螺旋管的电阻均为R，内径均为D，长度均为L，则热流密度为：
Figure BDA0003069741150000061
式中q为热流密度，W/m2；
为试验本体热效率η，由每次试验前的热平衡测试获得，根据下式计算：
Figure BDA0003069741150000062
式中，hout为热平衡测试时试验本体出口流体焓值，由水物性查得，J/kg；
hin为热平衡测试时试验本体入口流体焓值，由水物性查得，J/kg；
Gm为流体质量流量，kg/s。
由于实验段均匀加热，沿管长方向流体焓值呈线性分布，故位于管长Li处(以加热段起始点为基准)的流体焓值hfi为：
Figure BDA0003069741150000063
式中，hin，试验本体入口流体焓值，由水物性查得，J/kg；
Δh为流体总焓升(Δh＝q/Gm)，J/kg；
Lh为试验本体加热段长度，m。
在进行流动不稳定性研究时，实验段处的螺旋管并联设置两个：
管长方向热电偶布置：
沿管长方向布置的热电偶将直接决定最终试验的效果和精度，若热电偶布置稀疏，则对于各个换热区段和关键热工转变点的捕捉将十分困难，若热电偶布置过密，则对整体的试验件安装造成麻烦和不便，因此，需合理选取轴向位置对热电偶进行排布。本实验系统中建议按照实际螺旋管管长度，在流动方向上均匀布置热电偶测温截面。
周向热电偶布置：
由于螺旋管内的二次流现象，会导致螺旋管横截面上的壁温存在明显的不均匀性，因此，在螺旋管同一高度截面上布置四支热电偶，角度为0°、90°、180°、270°，如图3所示。
压差测量：
根据实验要求，可在实验段等距设置压差采集点，采用压差变送器测量，如图2所示。通过压差计来测得螺旋管特定区段内的压差。
操作方法，如图1和图2所示：
(1)开启冷却水泵，开启回路和电源冷却系统；
(2)将系统压力与流量调节至工况预定值；
(3)调节并联螺旋管入口前的手动调节阀，使DP0-1,DP0-2到预定值；
(4)微调并联螺旋管入口前的手动调节阀，使得并联通道内流量相等；
(5)根据需要的实验段过冷度，分步投入预热器功率，回路升温；
(6)实验段入口温度将要达到工况预定值时，再次微调调节阀使得并联通道内流量相等，分步投入实验段功率至一个较小的稳定值，并通过调节预热器功率控制实验段入口温度参数，直至试验所需入口温度，严密监视实验段最高壁温；
(7)实验段入口参数稳定在预定值，实验段功率稳定在一个比预定值略小的值后，逐渐以微小的步长(每次增加1kW以内)增加加热功率，直至试验观测到流量、壁温等产生周期性震荡(同时检查系统压力是否保持恒定)，可采集数据。
相对于流动不稳定性研究，在进行管侧热工水力特性研究时，只需将实验段的螺旋管设置为单个，如图4所示为单个螺旋管的结构示意图，同时改变管长方向上的热电偶：
管长方向热电偶布置：
沿管长方向布置的热电偶将直接决定最终试验的效果和精度，若热电偶布置稀疏，则对于各个换热区段和关键热工转变点的捕捉将十分困难，若热电偶布置过密，则对整体的试验件安装造成麻烦和不便，因此，需合理选取轴向位置对热电偶进行排布。本发明根据以下原则对其进行布置：
(1)根据各个试验工况的安排和已有的相关经验，估算出所关注的关键点(主要是过冷沸腾起始点和干涸点)位置，汇总其位置在管长方向上的主要分布区段来进行加密；
(2)考虑入口段效应的影响，实际数据处理过程中将主要对入口段后的试验段进行分析，因此，在试验段入口位置布置热电偶较稀疏。
本发明采用该集成化的实验系统，降低了实验成本，扩大了实验工况所能达到的范围，具有实验数据精度高、安全性好、操作方便等优点。本发明通过调整预热器功率、大小支路的流量、背压阀的开度和实验段的直流电功率，可以进行不同工况范围的并联螺旋管流动不稳定性实验。
本发明能揭示螺旋管中单相流动、过冷沸腾起始点、过冷沸腾流动、饱和沸腾流动、干涸点、干涸后流动和过热蒸汽流动的机理和特性，总结流动传热和阻力特性随含气率和雷诺数(Re)的变化规律，为螺旋管换热器的设计和安全分析提供支撑。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种螺旋管换热器特性研究的实验系统，其特征在于，包括高温高压回路及冷却回路；
所述冷却回路包括依次连通设置的冷却水泵、冷却水箱和冷却塔；
所述高温高压回路包括去离子水箱、柱塞泵、回热器、预热组件、带有螺旋管的实验段、直流加热铜排组件、混合器及换热器；
所述去离子水箱、所述柱塞泵、所述回热器、所述预热组件及所述实验段依次连通设置；
所述直流加热铜排组件分别设置在所述实验段的两端；
所述实验段远离所述预热组件的一端连通设置在所述回热器上；
所述混合器的两端分别连通设置在所述回热器和所述换热器上；
所述冷却水泵和所述冷却塔均连通设置在所述换热器上；
所述实验段的加热方法：
螺旋管实验本体在进口与出口位置分别安装固定铜排，采用低电压大电流直接通电的方式进行加热，根据测量获得的电流和电压，得到试验本体的加热功率，有：
Q＝UI
式中Q为加热功率，W；
U为通过实验段的电压，V；
I为通过实验段的电流，A；
设螺旋管的电阻均为R，内径均为D，长度均为L，则热流密度为：
Figure FDA0003610436320000011
式中q为热流密度，W/m2；
η为试验本体热效率，由每次试验前的热平衡测试获得，根据下式计算：
Figure FDA0003610436320000012
式中，hout为热平衡测试时试验本体出口流体焓值，由水物性查得，J/kg；
hin为热平衡测试时试验本体入口流体焓值，由水物性查得，J/kg；
Gm为流体质量流量，kg/s。
由于实验段均匀加热，沿管长方向流体焓值呈线性分布，故位于管长Li处的流体焓值hfi为：
Figure FDA0003610436320000021
式中，hin，试验本体入口流体焓值，由水物性查得，J/kg；
Δh为流体总焓升，Δh＝q/Gm，J/kg；
Lh为试验本体加热段长度，m。
2.根据权利要求1所述的螺旋管换热器特性研究的实验系统，其特征在于，所述柱塞泵与所述回热器之间并联设置有小流量支路和大流量支路。
3.根据权利要求2所述的螺旋管换热器特性研究的实验系统，其特征在于，所述柱塞泵与所述回热器之间还设置有旁通支路；
所述旁通支路、所述小流量支路及所述大流量支路并联设置。
4.根据权利要求3所述的螺旋管换热器特性研究的实验系统，其特征在于，所述小流量支路、所述大流量支路及所述旁通支路上沿去离子水流动方向均依次设置有手动截止阀、文丘里流量计及电动调节阀。
5.根据权利要求1所述的螺旋管换热器特性研究的实验系统，其特征在于，所述高温高压回路和所述冷却回路中各连接管路上均安装有热电偶。
6.根据权利要求5所述的螺旋管换热器特性研究的实验系统，其特征在于，所述热电偶在管长方向沿去离子水流动方向均匀布置。
7.根据权利要求5所述的螺旋管换热器特性研究的实验系统，其特征在于，所述热电偶在管周方向的同一高度截面的0°、90°、180°及270°分布设置。
8.根据权利要求1所述的螺旋管换热器特性研究的实验系统，其特征在于，所述换热器和所述去离子水箱之间设置有背压阀。
9.根据权利要求1所述的螺旋管换热器特性研究的实验系统，其特征在于，所述预热组件包括第一预热器和第二预热器；
所述回热器、所述第一预热器、所述第二预热器及所述实验段依次连通设置。
10.根据权利要求1所述的螺旋管换热器特性研究的实验系统，其特征在于，所述高温高压回路和所述冷却回路的整体管路材料为不锈钢。
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