CN113865904A - 一种多功能流动换热的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种多功能流动换热的试验装置，包括水池，水池里安装池水换热器，池水换热器的上部出口通过上升段管路连接空气冷却器的入口，空气冷却器的出口通过下降段管路连接池水换热器的底部入口，上升段管路上设置第一阀门、第二阀门、排气阀，下降段管路上设置第七阀门、电磁流量计、稳压器、第六阀门，离心风机通过空气冷却管路连接空气冷却器，第二阀门两侧的上升段管路支出上升支路，第六阀门两侧的下降段管路支出下降支路，蒸汽管道上设置第八阀门。本发明可以通过回路的切换，在相同边界条件的情况下完成系统的单相换热试验、分离式热管试验、自然循环试验、强迫循环试验等，确定系统和设备的稳态换热特性和瞬态换热特性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种换热试验装置，具体地说是余热排出系统换热试验装置。
背景技术
余热排出系统广泛应用于核能、动力、石油、化工等多个工业领域，对于余热排出系统来说，换热器的换热能力、换热器之间的匹配程度、系统的流动阻力、外界环境条件等因素都是非常重要的。
目前的余热排出系统可以划分为很多不同的类型，如按照有无相变过程可分为单相循环系统和两相循环系统，按照驱动力型式可分为自然循环系统和强迫循环系统、按照运行压力可分为正压系统和负压系统等等。对于不同型式的余热排出系统来说，其热工水力性能存在着很大的差别，因此有必要在相同条件下对不同的余热排出系统开展相关的研究，通过对比不同系统的性能筛选出最优的方案。
由于余热排出系统的影响因素很多，且有些因素之间存在着复杂的耦合关系，因此往往需要通过实验研究的方法来最终确定系统的排热能力和流动特性。目前，针对余热排出系统开展的试验研究较多，在专利和文献中也公开了一些流动换热试验装置，但主要以单一形式的试验装置为主(例如专利号：CN202110030578.1)，而在公开的极少具备多功能的流动换热试验装置中(例如专利号：CN201610388107.7)，其适用的对象往往不同于余热排出系统，二者的运行特性之间存在着很大的差别。因此有必要针对余热排出系统提出一种多功能的试验装置，为不同型式的余热排出系统的筛选和设计优化提供准确、可靠的数据支持。
发明内容
本发明的目的在于提供可在相同边界条件的情况下完成系统的单相换热试验、分离式热管试验、自然循环试验、强迫循环试验等试验的一种多功能流动换热的试验装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种多功能流动换热的试验装置，其特征是：包括水池、蒸汽锅炉、空气冷却器、离心风机，蒸汽锅炉通过蒸汽管道连通水池，水池里安装池水换热器，池水换热器的上部出口通过上升段管路连接空气冷却器的入口，空气冷却器的出口通过下降段管路连接池水换热器的底部入口，上升段管路上设置第一阀门、第二阀门、排气阀，下降段管路上设置第七阀门、电磁流量计、稳压器、第六阀门，离心风机通过空气冷却管路连接空气冷却器，第二阀门两侧的上升段管路支出上升支路，上升至路上设置第三阀门、涡街流量计、第四阀门，第六阀门两侧的下降段管路支出下降支路，下降支路上设置第五阀门、循环泵，蒸汽管道上设置第八阀门。
本发明还可以包括：
1、第七阀门和电磁流量计之间的下降段管路上设置真空泵。
2、水池中竖直设置池水热电偶，池水热电偶与蒸汽管道之间分开设置。
3、循环泵和稳压器的位置高于池水换热器并低于空气冷却器。
4、池水换热器采用列管式换热器，列管式换热器的传热管采用三角形排列或方形排列。
5、空气冷却器为翅片管式换热器。
6、空气冷却器的出口高度高于其入口高度。
本发明的优势在于：
(1)可实现不同结构型式的池水换热器和空冷器的流动与传热特性的实验研究，充分模拟不同工况条件下两种换热器的排热能力和匹配特性。
(2)可实现常压条件下系统的单相自然循环和单相强迫循环实验研究，用于模拟单相条件下能动和非能动余热排出系统的流动特性和传热特性。
(3)可实现负压条件下两相自然循环的实验研究，用于模拟分离式热管的流动与传热特性。
(4)可实现大空间条件下管束通道外自然对流传热特性的机理研究。
(5)可分别研究空气流量、空气温度、池水温度、回路流量、回路阻力等诸多因素对系统和设备热工水力性能的影响。
(6)可分别研究池水换热器与空气冷却器中心高度差、换热器布置方式、管束尺度等结构参数对系统和设备热工水力性能的影响。
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，本发明一种多功能的流动换热试验装置，主要由池水换热器1、空气冷却器13、真空泵16、稳压器18、循环泵20、离心风机26、水池35、蒸汽锅炉36，及温度测量系统、流量测量系统、压力测量系统和数据采集系统组成。试验装置分为上升段和下降段，其中上升段由池水换热器1上部出口开始，通过管道依次连接阀门4、阀门5和空气冷却器13的入口，下降段由空气冷却器13的出口开始，通过管道依次连接电磁流量计17、稳压器18、阀门21和池水换热器1底部入口。所述的试验装置上升段存在另外一条支路，即由池水换热器1上部出口开始，通过管道依次连接阀门4、阀门6、涡街流量计7、阀门8和空气冷却器13的入口；所述的试验装置下降段存在另外一条支路，即由空气冷却器13的出口开始，通过管道依次连接电磁流量计17、稳压器18、阀门19、循环泵20和池水换热器1底部入口。所述的池水换热器1放置于水池之中，池水由蒸汽锅炉36提供的蒸汽加热；所述的空气冷却器13外部由离心风机26提供的空气进行冷却，空气由离心风机26从环境中抽取，并通过风道依次流经压差流量计27、空气冷却器13外侧、百叶窗31，最终排入大气环境；所述的回路管道均由保温材料包裹，防止散热损失。
池水换热器1采用列管式换热器，传热管采用三角形排列或正方形排列，可根据应用背景调整管束的结构参数，管内工质通过与池水换热升温，在池水换热器上封头处汇流。
空气冷却器13为翅片管式换热器，低温的空气通过外掠翅片管管束来冷却管内工质，并通过调节离心风机26的转速及百叶窗31的开度来调节空气流量。
循环泵20用于在回路进行强迫循环实验研究时提供循环驱动压头，或在回路自然循环的启动阶段提供循环流量，帮助系统快速建立自然循环，并通过阀门19和阀门21调节系统循环流量。
在进行负压试验时，可在回路上多个位置设置抽气点，由真空泵16抽出主回路内部的不凝性气体，并由阀门控制各抽气点的开启和关闭。
该试验装置采用竖直布置方式，空气冷却器13位于整个回路的最高点，池水换热器1位于回路最低点，循环泵20和稳压器18的位置高于池水换热器1，低于空气冷却器13，且二者位于回路的下降段。
回路管道上设有排气阀9，在进行单相循环试验时利用排气阀9进行排气。
在空气冷却器13出口与循环泵20之间设有稳压器18，用于单相试验时稳定回路压力。
空气流量由压差流量计27测量，空气流经空气冷却器13前的温度由空气温度热电偶29测出，空气流经空气冷却器13后的温度由空气温度热电偶30测量。空气垂直向上流经空气冷却器13的翅片换热管，并通过压力传感器28测量其压力。
试验回路管道中工质流量的大小由阀门21进行调节，试验前通过阀门15给回路注入工质，检修前通过阀门33排出回路内工质；工质流经池水换热器1的温度由回路热电偶25、回路热电偶2测量，工质流经空气冷却器13的温度由回路热电偶12、回路热电偶14测量，回路管道向自然环境的热损失由回路热电偶2、回路热电偶12、回路热电偶14、回路热电偶23测量。
水池内不同高度的温度由池水热电偶组32测量，池水热电偶在水池35内竖直排列，与池水换热器1及蒸汽管道之间具有一定的距离。
池水换热器1完全淹没于水池35中，试验时池水换热器1列管式换热管内的工质被水池加热而向上流动。空气冷却器13的出口高度略微低于其入口高度，以便进行分离式热管试验时空气冷却器13中冷凝后的工质及时排出。
阀门21两侧设有压差传感器22，可以根据压差传感器22的数据调节试验回路的阻力。
在进行分离式热管两相试验时，池水换热器内的水位高度由液位计37进行测量。
试验中的温度、流量、压力和压差数据均由NI数据采集系统输入PC机，采用专门编制的软件对试验数据进行采集、计算、显示、保存的操作，实现对试验工况的实时监测。
在进行单相自然循环换热试验时，其技术方案是：试验前先检查各个阀门，通过阀门15向回路内注满工质并从阀门9排出气体，注水完成后关闭阀门9和阀门15。依据试验内容确定水池温度，并打开阀门34，利用蒸汽锅炉36将水池35内的水加热至指定温度，打开NI数据采集系统实时测量和保存数据。试验开始时打开阀门4、阀门5、阀门21，关闭阀门6、阀门8、阀门19，关闭液位计37，运行离心风机26使环境空气经风机驱动后对空气冷却器13的管外进行冷却，空气流量由压差流量计27进行测量，压力由压力传感器28进行测量，空气的进、出口温度分别由空气温度热电偶29和空气温度热电偶组30进行测量，空气流量由离心风机26和百叶窗31进行联合调节。池水换热器1管内工质与水池35内的热水换热升温，空气冷却器13翅片管内工质被空气冷却，工质在温差导致的密度差异的驱动下开始流动，池水换热器1内的工质被加热而向上流动，池水换热器1的出口温度利用回路热电偶2进行测量，压力由压力传感器3进行测量，池水换热器1的进出口压差由压差传感器24进行测量，工质流经阀门4和阀门5后进入空气冷却剂13，由外部环境的空气进行冷却，空气冷却器的进出口温度分别由回路热电偶12和14进行测量，进口压力由压力传感器10进行测量，进出口压差有压差传感器11进行测量，回路工质被冷却后向下流经电磁流量计17测量回路流量，流经阀门22后经回路热电偶23和25测量温度后返回池水换热器1。循环过程中，可由阀门22调节回路阻力，研究不同回路阻力对系统流动和传热特性的影响，回路压力由稳压器18进行调节，换热器的壁面温度和水池温度可由池水热电偶组32进行测量，用于研究池水换热器1的设备性能和管外自然对流的传热过程。
在进行单相强迫循环换热试验时，其技术方案是：试验前先检查各个阀门，通过阀门15向回路内注满工质并从阀门9排出气体，注水完成后关闭阀门9和阀门15。依据试验内容确定水池温度，并打开阀门34，利用蒸汽锅炉36将水池35内的水加热至指定温度，打开NI数据采集系统实时测量和保存数据。试验开始时打开阀门4、阀门5、阀门19，关闭阀门6、阀门8、阀门21，关闭液位计37，运行离心风机26使环境空气经风机驱动后对空气冷却器13的管外进行冷却，空气流量由压差流量计27进行测量，压力由压力传感器28进行测量，空气的进、出口温度分别由空气温度热电偶29和空气温度热电偶组30进行测量，空气流量由离心风机26和百叶窗31进行联合调节。打开循环泵20，使池水换热器1管内工质在水泵的驱动下进行回路内的循环和换热，具体测量参数和测量方法与单相自然循环换热试验时相同，但回路内的流量将由阀门19进行调节。
在进行分离式热管的换热实验时，其技术方案是：试验前先检查各个阀门，通过阀门15向回路内注入一定量的工质，并从阀门9排出气体，注水完成后关闭阀门9和阀门15。依据试验内容确定水池温度，并打开阀门34，利用蒸汽锅炉36将水池35内的水加热至指定温度，打开NI数据采集系统实时测量和保存数据。试验开始时打开阀门4、阀门6、阀门8和阀门21，关闭阀门5和阀门19，运行真空泵16，由回路上的多个抽气点分别抽气，将回路的压力降低至实验的制定压力，并通过空气冷却器13的进口温度和压力测点确定空气是否被全部抽出，压力降低后，池水换热器1内的工质将发生闪蒸，空气被抽出后由加热产生的蒸汽占据系统内的空间。抽气完成后，由液位计37确定池水换热器1内的液位高度，用于计算系统的实际注液率。运行离心风机26使环境空气经风机驱动后对空气冷却器13的管外进行冷却，空气流量由压差流量计27进行测量，压力由压力传感器28进行测量，空气的进、出口温度分别由空气温度热电偶29和空气温度热电偶组30进行测量，空气流量由离心风机26和百叶窗31进行联合调节。回路的流量将由涡街流量计7进行测量，关闭电磁流量计17和稳压器18。回路工质在池水换热器1内被加热而蒸发，并在空气冷却器13内部进行冷凝，流经下降通道返回池水换热器1的内部，循环过程中的温度、压力测量与单相自然循环换热试验时相同。
Claims (7)
1.一种多功能流动换热的试验装置，其特征是：包括水池、蒸汽锅炉、空气冷却器、离心风机，蒸汽锅炉通过蒸汽管道连通水池，水池里安装池水换热器，池水换热器的上部出口通过上升段管路连接空气冷却器的入口，空气冷却器的出口通过下降段管路连接池水换热器的底部入口，上升段管路上设置第一阀门、第二阀门、排气阀，下降段管路上设置第七阀门、电磁流量计、稳压器、第六阀门，离心风机通过空气冷却管路连接空气冷却器，第二阀门两侧的上升段管路支出上升支路，上升至路上设置第三阀门、涡街流量计、第四阀门，第六阀门两侧的下降段管路支出下降支路，下降支路上设置第五阀门、循环泵，蒸汽管道上设置第八阀门。
2.根据权利要求1所述的一种多功能流动换热的试验装置，其特征是：第七阀门和电磁流量计之间的下降段管路上设置真空泵。
3.根据权利要求1所述的一种多功能流动换热的试验装置，其特征是：水池中竖直设置池水热电偶，池水热电偶与蒸汽管道之间分开设置。
4.根据权利要求1所述的一种多功能流动换热的试验装置，其特征是：循环泵和稳压器的位置高于池水换热器并低于空气冷却器。
5.根据权利要求1所述的一种多功能流动换热的试验装置，其特征是：池水换热器采用列管式换热器，列管式换热器的传热管采用三角形排列或方形排列。
6.根据权利要求1所述的一种多功能流动换热的试验装置，其特征是：空气冷却器为翅片管式换热器。
7.根据权利要求1所述的一种多功能流动换热的试验装置，其特征是：空气冷却器的出口高度高于其入口高度。
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| 王明路 等: "以R134a为工质的乏燃料池非能动冷却热管实验研究", 原子能科学技术, vol. 48, no. 12, 20 December 2014 (2014-12-20), pages 60 - 65 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113865904B (zh) | 2024-07-19 |
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