CN113884418B - 安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统及方法，气溶胶配送系统向模拟容器内定量输送气溶胶，蒸汽供应系统向模拟容器内定量输送蒸汽，模拟容器、微通道结构和气溶胶浓度测量系统依次相连，模拟容器将气溶胶和蒸汽混合，并维持一定的温度和压力，以模拟严重事故下的安全壳内环境，微通道结构用于模拟安全壳缝隙环境，气溶胶和蒸汽混合所形成的混合气经微通道结构滞留后泄漏至气溶胶浓度测量系统中，气溶胶浓度测量系统用于检测混合气中的气溶胶浓度。本发明通过设计全新的安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，能够重现严重事故工况下安全壳上气溶胶在微小缝隙中的滞留特性研究，为滞留特性模型研究提供基础。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统及方法。
背景技术
安全壳是防止放射性物质泄漏到环境的最后一道屏障，保持安全壳完整性对于维护公众安全具有重要意义。因此，在核电站设计中采用了纵多防御措施来确保安全壳的完整性，以避免放射性物质的大量释放。然而，安全壳不可避免地存在一些缝隙(包括各类贯穿件、人员闸门、设备闸门、隔离阀和混凝土缝隙等)，一旦发生严重事故，安全壳内气体的压力和温度升高，在大压差的作用下，安全壳内气体将从这些缝隙泄漏到环境中。由于气体中混有大量的放射性气溶胶，因此这些气溶胶也可能随着气体从缝隙泄漏出来，对工作人员及环境造成危害。目前在进行事故源项分析时，假定放射性气溶胶的释放量等于泄漏出来的气体的量与安全壳内气溶胶浓度的乘积，并未考虑气溶胶粒子在缝隙内的滞留现象。但相关研究表明安全壳缝隙会对气溶胶产生很强的滞留作用，大量的气溶胶会沉积在安全壳缝隙的内壁面上，沉积下来的气溶胶颗粒会作为一种“过滤网”继续增加缝隙对气溶胶的滞留作用，最后甚至会完全堵塞微通道(即在裂缝出口处无法检测的气溶胶颗粒)。这种机制的“过滤作用”是很明显的，有时缝隙出口处的气溶胶浓度与安全壳内气溶胶浓度甚至有着数量级上的差别，因此目前源项分析中放射性气溶胶释放量的估算是过于保守的。
目前，世界范围内对微通道内气溶胶粒子的滞留作用进行了一些实验研究，大部分研究所模拟的热工环境均为低温低压状态，与真实事故后安全壳的高温高压高湿的环境不符合，同时无法考虑安全壳内泄漏的高湿气体在微通道结构中的冷凝，因此研究成果无法应用于工程实践中；少部分实验研究考虑了事故后安全壳内高温高压高湿的热工环境，但这些实验未能实现热工条件的精确控制和气溶胶浓度的精确测量，不利于缝隙内气溶胶滞留效率理论模型的开发。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，可准确模拟及测量安全壳各种工况下气溶胶在微小缝隙中滞留效果，同时，还相应提供一种安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究方法。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，包括：
气溶胶配送系统、蒸汽供应系统、模拟容器、微通道结构和气溶胶浓度测量系统，
所述气溶胶配送系统与模拟容器相连，用于向模拟容器内定量输送气溶胶，
所述蒸汽供应系统与模拟容器相连，用于向模拟容器内定量输送蒸汽，
所述模拟容器、微通道结构和气溶胶浓度测量系统依次相连，
所述模拟容器用于将气溶胶和蒸汽混合，并维持一定的温度和压力，以模拟严重事故下的安全壳内环境，
所述微通道结构用于模拟安全壳缝隙环境，气溶胶和蒸汽混合所形成的第一混合气经微通道结构滞留后泄漏至气溶胶浓度测量系统中，
所述气溶胶浓度测量系统用于检测经微通道结构滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度。
可选地，所述气溶胶浓度测量系统包括第一测量支路和第二测量支路，第一测量支路和第二测量支路分别用于与微通道结构相连，且第一测量支路与微通道结构连通时，第二测量支路与微通道结构断开连接，
所述第一测量支路上设有流量测量装置，用于检测进入其内的第一混合气的流量，
所述第二测量支路上设有混合结构和粒径谱仪，所述混合结构与一补气源相连，补气源用于向混合结构中输入补充气体，以使补充气体和经微通道结构滞留后的第一混合气混合形成的第二混合气的流量达到粒径谱仪的采样流量要求，
所述混合结构用于将经微通道结构滞留后的第一混合气，以及补气源传输的补充气体混合，且将所形成的第二混合气输入粒径谱仪中，
所述粒径谱仪用于检测进入其内的第二混合气中的气溶胶浓度。
可选地，所述气溶胶配送系统包括空压机和气溶胶发生器，所述空压机、气溶胶发生器和模拟容器依次相连，
所述空压机用于产生压缩空气，所述压缩空气进入气溶胶发生器中，并在气溶胶发生器内产生低压，以将气溶胶发生器中的介质卷入压缩空气中并将其粉碎成雾滴，雾滴分散在压缩空气中所形成的气溶胶进入模拟容器中。
可选地，所述气溶胶配送系统还包括空气供应支管，所述空气供应支管连接于所述空压机和模拟容器之间，所述空压机产生的部分压缩空气通过所述空气供应支管进入模拟容器中。
可选地，所述气溶胶配送系统还包括空压主管和气溶胶供应支管，所述空压主管的一端与空压机相连，另一端与空气供应支管和气溶胶供应支管分别相连，
所述空压主管上设有冷干机和过滤器，分别对空压机产生的压缩空气进行冷却和过滤，
所述气溶胶发生器设于气溶胶供应支管上，所述气溶胶供应支管上还设有分子筛干燥器、第一截止阀、第一气体测量组件、第一调节阀和第二截止阀，分子筛干燥器、第一截止阀、第一气体测量组件、第一调节阀、气溶胶发生器和第二截止阀沿气体流动方向依次布置，所述分子筛干燥器用于干燥气溶胶供应支管中的压缩空气，第一气体测量组件用于检测气溶胶供应支管中的压缩空气的压力和流量，
所述空气供应支管上沿压缩空气流动方向依次设有第三截止阀、第二气体测量组件、第二调节阀和第一加热器，第二气体测量组件用于检测空气供应支管中的压缩空气的温度、压力和流量，第一加热器用于对空气供应支管中的压缩空气进行加热。
可选地，所述蒸汽供应系统包括蒸汽发生装置和蒸汽供应支管，
所述蒸汽发生装置用于产生蒸汽，
所述蒸汽供应支管连接于蒸汽发生装置和模拟容器之间，
所述蒸汽发生装置产生的蒸汽通过所述空气供应支管进入模拟容器中，
所述蒸汽供应支管上沿蒸汽流动方向依次设有分气缸、第四截止阀、第三气体测量组件、第三调节阀和第二加热器，分气缸用于将蒸汽发生装置产生的蒸汽部分分配至蒸汽供应支管中，第三气体测量组件用于检测蒸汽供应支管中的蒸汽的温度、压力和流量，第二加热器用于对蒸汽供应支管中的蒸汽进行加热。
可选地，还包括壁温控制系统，
所述壁温控制系统包括保温夹套、冷却装置和加热装置，
所述保温夹套设于模拟容器的外壁上，其内设有用于对模拟容器进行保温的保温介质，
所述保温夹套的顶部和底部通过循环管相连，所述冷却装置和加热装置均设于循环管上，分别用于冷却和加热循环管中的保温介质，以使模拟容器内维持稳定的温度。
可选地，所述微通道结构通过一连接管与模拟容器相连，所述连接管与微通道结构相连的一端封闭，
所述微通道结构包括毛细管和固定件，所述毛细管的一端伸入连接管中且与连接管密封相连，另一端穿过固定件后用于伸入混合结构或流量测量装置中，所述固定件用于与混合结构或流量测量装置可拆卸相连。
可选地，所述微通道结构还包括冷凝套管，所述冷凝套管套设于毛细管外，用于冷却毛细管中的第一混合气。
可选地，所述混合结构包括混合腔体、混合管和补气管，
所述混合腔体具有密闭腔，且其两端分设有法兰，分别用于与固定件和粒径谱仪可拆卸相连，
所述混合管的一端伸入密闭腔内，其另一端与粒径谱仪连接，
所述毛细管的一端穿过混合腔体后伸入混合管中，
所述补气管的一端与补气源相连，另一端与密闭腔相连通。
本发明还提供一种安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究方法，包括：
气溶胶配送系统向模拟容器内定量输送气溶胶，
蒸汽供应系统向模拟容器内定量输送蒸汽，
模拟容器将气溶胶和蒸汽混合，并维持一定的温度和压力，以模拟严重事故下的安全壳内环境，
气溶胶和蒸汽混合所形成的第一混合气经模拟安全壳缝隙环境的微通道结构滞留后泄漏至气溶胶浓度测量系统中，
气溶胶浓度测量系统检测经微通道结构滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度，
将气溶胶浓度测量系统检测的气溶胶浓度与模拟容器内的第一混合气中的气溶胶浓度进行分析比对，从而得出气溶胶在微通道结构中的滞留效果。
可选地，所述气溶胶浓度测量系统包括第一测量支路和第二测量支路，所述第一测量支路上设有流量测量装置，所述第二测量支路上设有混合结构和粒径谱仪，
所述气溶胶浓度测量系统检测经微通道结构滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度，包括：
将第一测量支路与微通道结构连通，第一混合气经微通道结构滞留后泄漏至第一测量支路上的流量测量装置中，流量测量装置检测进入其内的第一混合气的流量，
将第一测量支路与微通道结构断开连通，将第二测量支路上的混合结构与微通道结构和补气源分别连通，
第一混合气经微通道结构滞留后泄漏至混合结构中，
补气源向混合结构中输入补充气体，以使补充气体和经微通道结构滞留后的第一混合气混合形成的第二混合气的流量达到粒径谱仪的采样流量要求，
混合结构将微通道结构传输的混合气，以及补气源传输的气体混合，且将所形成的第二混合气输入粒径谱仪中，
所述粒径谱仪检测进入其内的第二混合气中的气溶胶浓度，
根据粒径谱仪检测得到的第二混合气中的气溶胶浓度值，以及流量测量装置检测到的第一混合气的流量值，计算得到经微通道机构滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度值。
本发明中，通过设计全新的安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，主要由模拟严重事故下的安全壳内环境的模拟容器、为模拟容器提供高温高湿高压的气溶胶环境的气体供应系统、与模拟容器连通的模拟安全壳缝隙环境的微通道结构，以及与微通道结构连通的气溶胶浓度测量系统组成，微通道结构的上游利用模拟容器来模拟安全壳，模拟容器内压力和气体组分可以通过气体供应系统来控制，微通道结构下游为大气压，从而可以实现微通道结构两端压差和气体组分的改变。在不同的自变量组合下，模拟容器中的气体通过微通道结构滞留后泄漏至气溶胶浓度测量系统中，实现对不同情况下气溶胶在微通道滞留的模拟，以重现严重事故工况下安全壳上气溶胶在微小缝隙中的滞留特性研究，并通过气溶胶浓度测量系统对气溶胶的滞留行为进行测量，为滞留特性模型研究提供基础。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统的结构示意图；
图2为微通道结构的一种结构示意图；
图3为微通道结构的另一种结构示意图；
图4为混合结构的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、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。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，包括：
气溶胶配送系统、蒸汽供应系统、模拟容器、微通道结构和气溶胶浓度测量系统，
所述气溶胶配送系统与模拟容器相连，用于向模拟容器内定量输送气溶胶，
所述蒸汽供应系统与模拟容器相连，用于向模拟容器内定量输送蒸汽，
所述模拟容器、微通道结构和气溶胶浓度测量系统依次相连，
所述模拟容器用于将气溶胶和蒸汽混合，并维持一定的温度和压力，以模拟严重事故下的安全壳内环境，
所述微通道结构用于模拟安全壳缝隙环境，气溶胶和蒸汽混合所形成的第一混合气经微通道结构滞留后泄漏至气溶胶浓度测量系统中，
所述气溶胶浓度测量系统用于检测经微通道结构滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度。
本发明还提供一种安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究方法，包括：
气溶胶配送系统向模拟容器内定量输送气溶胶，
蒸汽供应系统向模拟容器内定量输送蒸汽，
模拟容器将气溶胶和蒸汽混合，并维持一定的温度和压力，以模拟严重事故下的安全壳内环境，
气溶胶和蒸汽混合所形成的第一混合气经模拟安全壳缝隙环境的微通道结构滞留后泄漏至气溶胶浓度测量系统中，
气溶胶浓度测量系统检测经微通道结构滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度，
将气溶胶浓度测量系统检测的气溶胶浓度与模拟容器内的第一混合气中的气溶胶浓度进行分析比对，从而得出气溶胶在微通道结构中的滞留效果。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，包括：
气溶胶配送系统、蒸汽供应系统、模拟容器45、微通道结构35和气溶胶浓度测量系统，
气溶胶配送系统与模拟容器45相连，用于向模拟容器45内定量输送气溶胶，
蒸汽供应系统与模拟容器45相连，用于向模拟容器45内定量输送蒸汽，
模拟容器45、微通道结构35和气溶胶浓度测量系统依次相连，
模拟容器45用于将气溶胶和蒸汽混合，并维持一定的温度和压力，以模拟严重事故下的安全壳内环境，
微通道结构35用于模拟安全壳缝隙环境，气溶胶和蒸汽混合所形成的第一混合气经微通道结构35滞留后泄漏至气溶胶浓度测量系统中，
气溶胶浓度测量系统用于检测经微通道结构35滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度。
由此，通过设计全新的安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，主要由模拟严重事故下的安全壳内环境的模拟容器45、为模拟容器提供高温高湿高压的气溶胶环境的气体供应系统、与模拟容器45连通的模拟安全壳缝隙环境的微通道结构35，以及与微通道结构35连通的气溶胶浓度测量系统组成，微通道结构35的上游利用模拟容器45来模拟安全壳，模拟容器45内压力和气体组分可以通过气体供应系统来控制，微通道结构35下游为大气压，从而可以实现微通道结构35两端压差和气体组分的改变。微通道结构35并联有一压差传感器36，用于检测微通道结构35上下游两端的压差。在不同的自变量组合下，模拟容器45中的气体通过微通道结构35泄漏至气溶胶浓度测量系统中，实现对不同情况下气溶胶在微通道滞留的模拟，以重现严重事故工况下安全壳上气溶胶在微小缝隙中的滞留特性研究，并通过气溶胶浓度测量系统对气溶胶的滞留行为进行测量，为滞留特性模型研究提供基础。
本实施例中，气溶胶浓度测量系统包括第一测量支路和第二测量支路，第一测量支路和第二测量支路分别用于与微通道结构35相连，且第一测量支路与微通道结构35连通时，第二测量支路与微通道结构35断开连接，
第一测量支路上设有流量测量装置43和第一球阀42，流量测量装置43用于检测进入其内的混合气的流量，
第二测量支路上设有混合结构40和粒径谱仪41，混合结构40与一补气源相连，补气源用于向混合结构40中输入补充气体，以使补充气体和经微通道结构35滞留后的第一混合气混合形成的第二混合气的流量达到粒径谱仪41的采样流量要求，
混合结构40用于将经微通道结构35滞留后的第一混合气，以及补气源传输的补充气体混合，且将所形成的第二混合气输入粒径谱仪41中，
粒径谱仪41用于检测进入其内的第二混合气中的气溶胶浓度。
对于模拟大型安全壳内气溶胶泄漏的试验来说，其存在的技术难点之一在于，现有的测量气溶胶浓度的粒径谱仪对采样流量有要求，无法测量低于采样气体流量的低气体流量中的气溶胶浓度，本发明通过设计两条支路，先采用第一测量支路与微通道结构35相连，以测量泄漏气体的流量，再断开第一测量支路，采用第二测量支路与微通道结构35相连，同时，在第二测量支路中补入一定量的气体，以达到粒径谱仪要求的流量采样流量要求，通过粒径谱仪测量的气溶胶浓度，以及第一测量支路测量的流量，即可计算得到泄漏气体中的气溶胶浓度。
本实施例中，气溶胶配送系统主要包括空压机1和气溶胶发生器10，空压机1、气溶胶发生器10和模拟容器45依次相连，
空压机1用于产生压缩空气，压缩空气进入气溶胶发生器10中，并在气溶胶发生器10内产生低压，以将气溶胶发生器10中的介质卷入压缩空气中并将其粉碎成雾滴，雾滴分散在压缩空气中所形成的气溶胶进入模拟容器45中。
本实施例中，气溶胶配送系统还包括空气供应支管，空气供应支管连接于空压机1和模拟容器45之间，空压机1产生的部分压缩空气通过空气供应支管进入模拟容器45中，以确保模拟容器45内的混合气组分符合发生事故后的安全壳内的气体环境。
本实施例中，气溶胶配送系统还包括空压主管和气溶胶供应支管，空压主管的一端与空压机1相连，另一端与空气供应支管和气溶胶供应支管分别相连，
空压主管上沿压缩空气流动方向依次设有冷干机2、储气罐3和过滤器4，分别对空压机1产生的压缩空气进行冷却、暂存和过滤，
气溶胶发生器10设于气溶胶供应支管上，气溶胶供应支管上还设有分子筛干燥器5、第一截止阀6、第一气体测量组件、第一调节阀9和第二截止阀11，分子筛干燥器5、第一截止阀6、第一气体测量组件、第一调节阀9、气溶胶发生器10和第二截止阀11沿气体流动方向依次布置，分子筛干燥器5用于干燥气溶胶供应支管中的压缩空气，第一气体测量组件用于检测气溶胶供应支管中的压缩空气的压力和流量，
空气供应支管上沿压缩空气流动方向依次设有第三截止阀13、第二气体测量组件、第二调节阀16和第一加热器18，第二气体测量组件用于检测空气供应支管中的压缩空气的温度、压力和流量，第一加热器18用于对空气供应支管中的压缩空气进行加热。
具体地，第一气体测量组件包括第一压力传感器7和第一流量计8。
第二气体测量组件包括第二压力传感器15、第二流量计14、第一温度计17。
此外，气溶胶供应支管的末端还旁连有第一针型阀12，以实现气溶胶流量的精确调整。
本实施例中，蒸汽供应系统包括蒸汽发生装置32和蒸汽供应支管，
蒸汽发生装置32用于产生蒸汽，
蒸汽供应支管连接于蒸汽发生装置32和模拟容器45之间，
蒸汽发生装置32产生的蒸汽通过蒸汽供应支管进入模拟容器45中，
蒸汽供应支管上沿蒸汽流动方向依次设有第五截止阀31、分气缸30、第四截止阀29、第三气体测量组件、第三调节阀25和第二加热器24，分气缸30用于将蒸汽发生装置32产生的蒸汽部分分配至蒸汽供应支管中，第三气体测量组件用于检测蒸汽供应支管中的蒸汽的温度、压力和流量，第二加热器24用于对蒸汽供应支管中的蒸汽进行加热。
具体地，第三气体测量组件包括第三压力传感器26、第三流量计28、第二温度计27。
空气供应支管和蒸汽供应支管的末端与一混气主管相连，混气主管的末端与模拟容器45相连，空气供应支管中的空气和蒸汽供应支管的蒸汽在混气主管中混合后进入模拟容器45中。混气主管上设有第四气体测量组件和第五截止阀21，第四气体测量组件用于检测混气主管中的混合气体的温度和压力，其包括第四温度计23和第四压力传感器22。此外，混气主管的末端还旁连有第二针型阀20，以实现蒸汽和空气组成的混合气流量的精确调整。
本实施例中，还包括壁温控制系统，
壁温控制系统主要包括第三温度计48、保温夹套47、冷却装置、加热装置53和相应的仪表和阀门。
保温夹套47设于模拟容器45的外壁上，其内设有用于对模拟容器45进行保温的保温介质，
保温夹套47的顶部和底部通过循环管相连，冷却装置和加热装置53均设于循环管上，分别用于冷却和加热循环管中的保温介质，以使模拟容器45内维持稳定的温度。
此外，循环管上还旁连有稳压器49，其内内充入一定的氦气，以维持壁温控制系统恒定的运行压力。
具体地，冷却装置主要包括冷却器50、空冷塔51、冷却水箱52和相应的仪表和阀门。冷却器50、空冷塔51、冷却水箱52通过管道连接形成循环回路，冷却水箱52中的冷却水通过空冷塔51输入冷却器50中，以带走冷却器50冷却保温介质放出的热量，升温后的冷却水进入冷却水箱中，空冷塔51中的冷却水与空气进行热交换，冷却后的环境水返回至冷却器50中。
本系统还包括数据采集系统33，其与系统中的压力传感器、流量计和温度计均电连接，根据数据采集系统33采集到的温度、压力和流量数据，调整相应的调节阀和加热器的参数，从而控制进入模拟容器45中的气体的温度、压力和流量，以及控制进入保温夹套47中的保温介质的温度和流量。
本实施例中，微通道结构35通过一连接管与模拟容器45相连，连接管与微通道结构35相连的一端封闭，其上设有第三球阀34。
微通道结构35包括毛细管351和固定件352，毛细管351的一端伸入连接管中且与连接管密封相连，另一端穿过固定件352后用于伸入混合结构40或流量测量装置43中，固定件352用于与混合结构40或流量测量装置43可拆卸相连。
上述微通道结构35适宜非冷凝条件下的安全壳缝隙对放射性气溶胶滞留的特性研究。
本实施例中，微通道结构35还包括冷凝套管353，冷凝套管353套设于毛细管351外，用于冷却毛细管351中的第一混合气。
上述微通道结构35适宜冷凝条件下的安全壳缝隙对放射性气溶胶滞留的特性研究。实验过程中在冷凝套管353中充入冷水以冷凝毛细管351内的混合气。
如图4所示，本实施例中，混合结构40包括混合腔体401、混合管402和补气管403，
混合腔体401具有密闭腔，且其两端分设有法兰404，分别用于与固定件352和粒径谱仪41可拆卸相连，
混合管402的一端伸入密闭腔内，其另一端与粒径谱仪41连接，
毛细管351的一端穿过混合腔体401后伸入混合管402中，
补气管403的一端与补气源相连，另一端与密闭腔相连通。
如图1所示，补气管403上沿补充气体流动方向依次设有第二球阀39、第四流量计38和第四调节阀37。
从毛细管351泄漏出来的气溶胶直接进入混合管402内，由于补气管403补入的气体压力较从毛细管351泄漏出来的气溶胶压力大，从而补气管403补入的补充气体会推动气溶胶从混合管402进入粒径谱仪41中，且补充气体在推动过程中与气溶胶充分混合。此过程能够避免气溶胶扩散至腔体中，造成气溶胶损失而导致测量结果误差大的现象。
混合管402并不贯穿整个腔体，而是与腔体的内壁留出一定距离以便于补气，从而上述结构实现了低气流量下的气溶胶浓度的精准测量。
以下对本实施例的模拟事故后安全壳内气溶胶滞留特性的实验研究系统做进一步补充说明：
该系统由模拟容器45、缝隙测量实验段(标号34～40)、粒径谱仪41、缝隙内气体泄漏率测量系统(标号42～43)、微通道结构35、壁温控制系统(标号48～53)以及连接管道组成，管道相关部分设置有压力传感器(7、15、22、26、36)和流量计(8、14、28、38)，管道还布置有温度计(17、23、27)并与数据采集系统33电相连。模拟容器45外围整体设置保温夹套47，保证在实验过程中上游容器内温度的恒定。
所述模拟容器45由筒体、底座46、保温夹套47、上封头44以及一些法兰接口组成。上封头44通过法兰与筒体直段相连接，这样设计便于模拟容器45内大型实验件的安装和拆卸，以及实验前的测点布置和实验后容器内部气溶胶的清洗等工作。底座46与直筒段下端通过焊接相连，底座46固定在一地坑中，确保设备的承压要求，底座46末端设有第六截止阀19，地坑可收集壁面凝液，而且可以利用可控功率的加热器对地坑中的水进行加热，通过沸腾汽化来补充蒸汽泄漏。直筒段壁面外侧采用双层夹套结构，夹套内部利用壁温控制系统内的恒温水来控制壁面温度的恒定。此外，在气溶胶模拟容器45的壁面设置有一些贯穿件，可用于装配不同的缝隙实验件。气溶胶模拟容器45是整个实验系统的核心设备，模拟严重事故后安全壳高温、高压、高湿环境的场所。通过该设备与外部气体供应系统、壁温控制系统的连接，可以实现稳定热工环境的模拟，同时与气溶胶配送系统(标号1～11)连接，可以实现气溶胶和供应气体的混合，为缝隙滞留试验段提供稳定的源项环境。
实验系统基本原理如下：在实验开始前将一定浓度和粒径的气溶胶与空气充入模拟容器45内，且在模拟容器45内保持一定的压力，下游缝隙测量实验段的压力维持在常压，容器内的气溶胶就会在压差的作用下通过毛细管(缝隙)进入到粒径谱仪41中，进而测量得到通过毛细管泄漏到下游的气溶胶浓度。
同时由于气溶胶通过毛细管(缝隙)泄漏流量非常小，达不到粒径谱仪41的采样流量要求，故而先通过缝隙内气体泄漏率测量系统测量(缝隙)泄漏率。再通过补气使得进入粒径谱仪41的混合气流量达到粒径谱仪41的采样流量要求，在测量混合气中气溶胶浓度后，根据(缝隙)泄漏率和混合气中气溶胶浓度即可计算得到泄漏气体中的气溶胶浓度。
从而缝隙测量实验段包括空气流动特征实验段(测量泄漏率)、气溶胶滞留特性实验段(测量气溶胶浓度)两部分。首先空气流动特征实验段由球阀(34～42)，微通道结构35(毛细管试验件)、流量测量装置43以及相连管道组成。毛细管的上游利用气溶胶模拟容器45来模拟安全壳，气溶胶模拟容器45内压力和气体组分可以通过气体供应系统来控制，毛细管下游为大气压，从而可以实现毛细管两端压差和气体组分的改变。在实验开始前向模拟容器45内充入一定压力的高温高压高湿的第一混合气，下游流量测量装置43的集气腔保持常压，在压差的作用下空气就会通过毛细管进入到下游集气腔内，通过测量集气腔内压力的增加，以得到毛细管内空气的泄漏率。气溶胶滞留特性实验段由球阀(34～40)、微通道结构35(毛细管试验件)、混合结构37、粒径谱仪41、压力传感器以及相关管路阀门组成。跟空气流动特征实验类似，气溶胶在上、下游压差的作用下通过毛细管组件进入混合结构37内，其混合腔与补气源通过一补气管403相连，补气源对进入粒径谱仪41的气流进行补充以满足粒径谱仪的采样流量要求。
上述毛细管组件根据实验工况可分为在非冷凝条件下的毛细管组件(图2)和在冷凝条件下的毛细管组件(图3)。
在非冷凝条件下，毛细管组件由毛细管351和固定件352组成，空气可直接通过毛细管进入并泄漏到下游的测量系统内。在冷凝条件下，毛细管351外套设有冷凝套管353，实验过程中在冷凝套管353中充入冷水以冷凝毛细管351内的混合气。
如图4所示，混合结构40由混合腔体401、混合管402和补气管403组成。混合腔体401通过法兰404以螺纹连接的方式与毛细管组件相连。从毛细管泄漏出来的气体直接进入混合管402内，补气管403补入腔体的气体在其自身压力作用下进入混合管402中，进而与从毛细管泄漏出来的气体充分混合并进入粒径谱仪41中。混合管402并不贯穿整个腔体，而是与腔体的腔壁留出一点距离以便于补气。
所述测量系统由粒径谱仪41、数据采集系统33组成。粒径谱仪41用于测量从毛细管中泄漏出来的气溶胶的浓度；数据采集系统33包括温度信号、压力信号和流量信号的采集。温度主要设有以下三个测点：1、模拟容器45顶部，模拟容器45顶部预留测点用于测量源容器内温度，并观测其内部温度是否保持恒定，可以直接采用K型热电偶进行测量，通过侧壁面引出。2、缝隙实验段，在进行气溶胶在毛细管内冷凝实验时在缝隙测量实验段加设热电偶测点，用于测量通过毛细管流体的温度。3、气体供应系统。压力传感器设有四个测点：1、模拟容器45顶部，实验时监测容器内部压力，并用于维持容器内压力的稳定。2、集气腔上，用于测量集气腔内的压力。3、混合腔上，用于测量混合腔内的压力，以便于调节流量。4、缝隙测量实验段，用于观测毛细管上下游压差。
本发明具有以下优点：
1、通过设计全新的安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，微通道结构的上游利用模拟容器来模拟安全壳，模拟容器内压力和气体组分可以通过气体供应系统来控制，微通道结构下游为大气压，从而可以实现微通道结构两端压差和气体组分的改变。在不同的自变量组合下，模拟容器中的气体通过微通道结构泄漏至气溶胶浓度测量系统中，实现对不同情况下气溶胶在微通道滞留的模拟，以重现严重事故工况下安全壳上气溶胶在微小缝隙中的滞留特性研究，并通过气溶胶浓度测量系统对气溶胶的滞留行为进行测量，为滞留特性模型研究提供基础。
2、本发明采用流量测量装置+混合结构实现了低流量下气溶胶浓度的测量。由于通过毛细管的气体流速太低，无法满足粒子计数器的标称流速，因此必须引入清洁空气。进一步地，为了有效地让泄漏的颗粒进入计数器，设计了同心圆筒结构用于样品采集。
3、结合控温型集气腔以及理想气体状态方程实现了严重事故情况下双组分气体泄漏率的测量，通过该装置的实验可以填补混合气体缝隙泄漏的空白。
4、设计了冷凝条件下的毛细管组件。设计了冷凝毛细管组件，采用在毛细管外侧加设冷凝套管的方式，套管中充入冷凝水在实验过程中对毛细管内部气体进行冷凝，套管可采用焊接的方式与固定件上的法兰相连。
5、微通道结构的毛细管采用贯穿方式与上下游结构相连通，固定毛细管的固定件采用螺纹连接方式与下游混合结构相连，由于毛细管材质机械性能较差，毛细管装配过程中可能会造成毛细管的折断，所以采用固定件的方式卡住毛细管，再将固定件连接到混合结构上，以将固定微通道结构在管路中。综上，通过各个实验组件相互配合的方式实现了实验件灵活的更换，从而可通过设计多种类型的毛细管组件，模拟各种工况下气溶胶在微小缝隙中的滞留效率。并且可以通过气溶胶在毛细管内的滞留作用较为准确的模拟安全壳上的微小缝隙对于气溶胶的滞留效果。
6、模拟容器45外部采用保温夹套，使内部温度场保持均匀，在制备气溶胶时，气溶胶浓度在容器内部的分布更加均匀。
实施例2：
本实施例的安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究方法，包括：
气溶胶配送系统向模拟容器45内定量输送气溶胶，
蒸汽供应系统向模拟容器45内定量输送蒸汽，
模拟容器45将气溶胶和蒸汽混合，并维持一定的温度和压力，以模拟严重事故下的安全壳内环境，
气溶胶和蒸汽混合所形成的第一混合气经模拟安全壳缝隙环境的微通道结构35滞留后泄漏至气溶胶浓度测量系统中，
气溶胶浓度测量系统检测经微通道结构35滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度，
将气溶胶浓度测量系统检测的气溶胶浓度与模拟容器45内的第一混合气中的气溶胶浓度进行分析比对，从而得出气溶胶在微通道结构35中的滞留效果。
本实施例中，气溶胶浓度测量系统包括第一测量支路和第二测量支路，第一测量支路上设有流量测量装置43，第二测量支路上设有混合结构40和粒径谱仪41，
气溶胶浓度测量系统检测经微通道结构35滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度，包括：
将第一测量支路与微通道结构35连通，第一混合气经微通道结构35滞留后泄漏至第一测量支路上的流量测量装置43中，流量测量装置43检测进入其内的混合气的流量，
将第一测量支路与微通道结构35断开连通，将第二测量支路上的混合结构40与微通道结构35和补气源分别连通，
补气源将流量测量装置43所测流量值的气体输入混合结构40中，
第一混合气经微通道结构35滞留后泄漏至混合结构40中，
混合结构40将经微通道结构35滞留后的第一混合气，以及补气源传输的气体混合，且将所形成的第二混合气输入粒径谱仪41中，
粒径谱仪41检测进入其内的第二混合气中的气溶胶浓度。
以下对本实施例的模拟事故后安全壳内气溶胶滞留特性的实验研究方法做进一步补充说明：
实验方法基本流程如下：
1、实验准备阶段：此阶段模拟容器45与粒径谱仪41直接相连(不经过微通道结构)。将筛分好的气溶胶颗粒放置在气溶胶发生器10内，对气溶胶配送系统(1～11)进行调试。打开气溶胶发生器10使其预热，打开产生空气的空压机1，在空气的温度和压力达到实验要求后，打开分子筛干燥器5、下游的第一截止阀6，使压缩空气通入气溶胶发生器10，打开数据采集系统33，监测实验系统内各测点示数是否正常。依次打开冷干机2、空压机1向储气罐3内充气，使储气罐3内压力达到一定压力，打开壁温控制系统(48～53)回路内的电加热装置53，并将加热器出口温度设定为目标值，使气溶胶模拟容器45壁温保持恒定，且壁面温度略高于实验工况下模拟容器45内的饱和温度，打开空气供应系统(1～18)和蒸汽供应系统内的第四截止阀，调节调节阀使系统内的流量达到实验要求。打开管道加热器，加热气体至需要的温度后，将其充入模拟容器45。同时打开气溶胶发生器下游的第二截止阀11，产生一定浓度的气溶胶颗粒，使颗粒与空气同时充入模拟容器45，打开粒径谱仪41，观察模拟容器45内部气溶胶的浓度，待浓度到达试验需要的浓度后，关闭气溶胶配送系统与模拟容器45相连的第二截止阀11。
2.实验阶段：此阶段模拟容器45与粒径谱仪41通过微通道结构35相连。实验阶段分为气溶胶泄漏率实验和气体泄漏率实验。在进行气溶胶泄漏率实验时，通过数据采集系统33观察模拟容器45上的仪表，当模拟容器45内的压力和温度达到实验需要后关闭气体供应系统(1～18)、(25～32)内的截止阀(13和29)并静置一段时间，使模拟容器45的气溶胶保持均匀，打开缝隙试验段的控温系统，设定温度至略高于容器内气体的饱和温度，等待一段时间至整个系统温度达到稳定状态，利用数据采集系统33存储模拟容器45内的温度、压力，混合结构37内的压力，以及气溶胶模拟容器45内气溶胶浓度、毛细管下游混合结构37内的气溶胶浓度，打开缝隙试验段前的第三球阀34，使模拟容器45内气体和气溶胶通过毛细管泄漏到混合结构37内，打开缝隙滞留实验系统中补气回路中的第二球阀39，使补气进入到混合腔内，通过混合结构37内的压力控制系统，控制补气回路的流量达到实验要求，在混合结构内的气体流量满足粒径谱仪的要求后，使其流入取样系统，进行毛细管下游气溶胶浓度的测量，利用数据采集系统33记录此时的模拟容器45内的温度、压力，混合腔内的温度、压力。
在进行缝隙内气体泄漏特性实验时，通过数据采集系统33观察模拟容器45上的仪表，当模拟容器45内的压力和温度达到实验需要后关闭气体供应系统内的截止阀(13和29)并静置一段时间，使模拟容器45内的压力和气体组分达到恒定，模拟容器45内的温度略高于容器内气体的饱和温度，打开缝隙试验段的控温系统，设定温度至略高于容器内气体的饱和温度，等待一段时间至整个系统温度达到稳定状态，打开第一球阀42，利用数据采集系统33存储模拟容器45内的温度、压力，流量测量装置43的集气腔内的压力，打开缝隙试验段前的第三球阀34，使模拟容器45内气体通过毛细管泄漏到流量测量装置43的集气腔内，利用数据采集系统33记录集气腔内的压力变化速率，可以测量得到通过毛细管的气体泄漏率。
3.实验结束：停止空压机1和蒸汽发生装置32(锅炉)，使用相关设备对模拟容器45内部气体与外部气体进行质换，对模拟容器45内部进行清理，关闭数据采集系统，拷贝实验过程中的数据，分析不同参数对缝隙内气溶胶滞留特性的影响。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，其特征在于，包括：
气溶胶配送系统、蒸汽供应系统、模拟容器（45）、微通道结构（35）和气溶胶浓度测量系统，
所述气溶胶配送系统与模拟容器（45）相连，用于向模拟容器（45）内定量输送气溶胶，
所述蒸汽供应系统与模拟容器（45）相连，用于向模拟容器（45）内定量输送蒸汽，
所述模拟容器（45）、微通道结构（35）和气溶胶浓度测量系统依次相连，
所述模拟容器（45）用于将气溶胶和蒸汽混合，并维持一定的温度和压力，以模拟严重事故下的安全壳内环境，
所述微通道结构（35）用于模拟安全壳缝隙环境，气溶胶和蒸汽混合所形成的第一混合气经微通道结构（35）滞留后泄漏至气溶胶浓度测量系统中，
所述气溶胶浓度测量系统用于检测经微通道结构（35）滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度；
所述气溶胶浓度测量系统包括第一测量支路和第二测量支路，第一测量支路和第二测量支路分别用于与微通道结构（35）相连，且第一测量支路与微通道结构（35）连通时，第二测量支路与微通道结构（35）断开连接，
所述第一测量支路上设有流量测量装置（43），用于检测进入其内的混合气的流量，
所述第二测量支路上设有混合结构（40）和粒径谱仪（41），所述混合结构（40）与一补气源相连，补气源用于向混合结构（40）中输入补充气体，以使补充气体和经微通道结构（35）滞留后的第一混合气混合形成的第二混合气的流量达到粒径谱仪（41）的采样流量要求，
所述混合结构（40）用于将经微通道结构（35）滞留后的第一混合气，以及补气源传输的补充气体混合，且将所形成的第二混合气输入粒径谱仪（41）中，
所述粒径谱仪（41）用于检测进入其内的第二混合气中的气溶胶浓度；
所述气溶胶配送系统包括空压机（1）和气溶胶发生器（10），所述空压机（1）、气溶胶发生器（10）和模拟容器（45）依次相连，
所述空压机（1）用于产生压缩空气，所述压缩空气进入气溶胶发生器（10）中，并在气溶胶发生器（10）内产生低压，以将气溶胶发生器（10）中的介质卷入压缩空气中并将其粉碎成雾滴，雾滴分散在压缩空气中所形成的气溶胶进入模拟容器（45）中；
所述气溶胶配送系统还包括空气供应支管，所述空气供应支管连接于所述空压机（1）和模拟容器（45）之间，所述空压机（1）产生的部分压缩空气通过所述空气供应支管进入模拟容器（45）中；
所述蒸汽供应系统包括蒸汽发生装置（32）和蒸汽供应支管，
所述蒸汽发生装置（32）用于产生蒸汽，
所述蒸汽供应支管连接于蒸汽发生装置（32）和模拟容器（45）之间，
所述蒸汽发生装置（32）产生的蒸汽通过所述空气供应支管进入模拟容器（45）中，
所述蒸汽供应支管上沿蒸汽流动方向依次设有分气缸（30）、第四截止阀（29）、第三气体测量组件、第三调节阀（25）和第二加热器（24），分气缸（30）用于将蒸汽发生装置（32）产生的蒸汽部分分配至蒸汽供应支管中，第三气体测量组件用于检测蒸汽供应支管中的蒸汽的温度、压力和流量，第二加热器（24）用于对蒸汽供应支管中的蒸汽进行加热；
所述微通道结构（35）通过一连接管与模拟容器（45）相连，所述连接管与微通道结构（35）相连的一端封闭，
所述微通道结构（35）包括毛细管（351）和固定件（352），所述毛细管（351）的一端伸入连接管中且与连接管密封相连，另一端穿过固定件（352）后用于伸入混合结构（40）或流量测量装置（43）中，所述固定件（352）用于与混合结构（40）或流量测量装置（43）可拆卸相连；
所述混合结构（40）包括混合腔体（401）、混合管（402）和补气管（403），
所述混合腔体（401）具有密闭腔，且其两端分设有法兰（404），分别用于与固定件（352）和粒径谱仪（41）可拆卸相连，
所述混合管（402）的一端伸入密闭腔内，其另一端与粒径谱仪（41）连接，
所述毛细管（351）的一端穿过混合腔体（401）后伸入混合管（402）中，
所述补气管（403）的一端与补气源相连，另一端与密闭腔相连通。
2.根据权利要求1所述的安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，其特征在于，所述气溶胶配送系统还包括空压主管和气溶胶供应支管，所述空压主管的一端与空压机（1）相连，另一端与空气供应支管和气溶胶供应支管分别相连，
所述空压主管上设有冷干机（2）和过滤器（4），分别对空压机（1）产生的压缩空气进行冷却和过滤，
所述气溶胶发生器（10）设于气溶胶供应支管上，所述气溶胶供应支管上还设有分子筛干燥器（5）、第一截止阀（6）、第一气体测量组件、第一调节阀（9）和第二截止阀（11），分子筛干燥器（5）、第一截止阀（6）、第一气体测量组件、第一调节阀（9）、气溶胶发生器（10）和第二截止阀（11）沿气体流动方向依次布置，所述分子筛干燥器（5）用于干燥气溶胶供应支管中的压缩空气，第一气体测量组件用于检测气溶胶供应支管中的压缩空气的压力和流量，
所述空气供应支管上沿压缩空气流动方向依次设有第三截止阀（13）、第二气体测量组件、第二调节阀（16）和第一加热器（18），第二气体测量组件用于检测空气供应支管中的压缩空气的温度、压力和流量，第一加热器（18）用于对空气供应支管中的压缩空气进行加热。
3.根据权利要求1所述的安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，其特征在于，还包括壁温控制系统，
所述壁温控制系统包括保温夹套（47）、冷却装置和加热装置（53），
所述保温夹套（47）设于模拟容器（45）的外壁上，其内设有用于对模拟容器（45）进行保温的保温介质，
所述保温夹套（47）的顶部和底部通过循环管相连，所述冷却装置和加热装置（53）均设于循环管上，分别用于冷却和加热循环管中的保温介质，以使模拟容器（45）内维持稳定的温度。
4.根据权利要求1所述的安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，其特征在于，所述微通道结构（35）还包括冷凝套管（353），所述冷凝套管（353）套设于毛细管（351）外，用于冷却毛细管（351）中的第一混合气。
5.一种安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究系统，所述方法包括：
气溶胶配送系统向模拟容器（45）内定量输送气溶胶，
蒸汽供应系统向模拟容器（45）内定量输送蒸汽，
模拟容器（45）将气溶胶和蒸汽混合，并维持一定的温度和压力，以模拟严重事故下的安全壳内环境，
气溶胶和蒸汽混合所形成的第一混合气经模拟安全壳缝隙环境的微通道结构（35）滞留后泄漏至气溶胶浓度测量系统中，
气溶胶浓度测量系统检测经微通道结构（35）滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度，
将气溶胶浓度测量系统检测的气溶胶浓度与模拟容器（45）内的第一混合气中的气溶胶浓度进行分析比对，从而得出气溶胶在微通道结构（35）中的滞留效果。
6.根据权利要求5所述的安全壳内气溶胶在微通道滞留的实验研究方法，其特征在于，所述气溶胶浓度测量系统包括第一测量支路和第二测量支路，所述第一测量支路上设有流量测量装置（43），所述第二测量支路上设有混合结构（40）和粒径谱仪（41），
所述气溶胶浓度测量系统检测经微通道结构（35）滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度，包括：
将第一测量支路与微通道结构（35）连通，第一混合气经微通道结构（35）滞留后泄漏至第一测量支路上的流量测量装置（43）中，流量测量装置（43）检测进入其内的第一混合气的流量，
将第一测量支路与微通道结构（35）断开连通，将第二测量支路上的混合结构（40）与微通道结构（35）和补气源分别连通，
第一混合气经微通道结构（35）滞留后泄漏至混合结构（40）中，
补气源向混合结构（40）中输入补充气体，以使补充气体和经微通道结构（35）滞留后的第一混合气混合形成的第二混合气的流量达到粒径谱仪（41）的采样流量要求，
混合结构（40）将经微通道结构（35）滞留后的第一混合气，以及补气源传输的气体混合，且将所形成的第二混合气输入粒径谱仪（41）中，
所述粒径谱仪（41）检测进入其内的第二混合气中的气溶胶浓度，
根据粒径谱仪（41）检测得到的第二混合气中的气溶胶浓度值，以及流量测量装置（43）检测到的第一混合气的流量值，计算得到经微通道结构（35）滞留后的第一混合气中的气溶胶浓度值。
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