CN114235888B - 一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架及实验方法，该实验台架包括主实验回路、冷却回路以及温度和压力测点；该实验方法包括：S1：实验开始前需对整个实验台架进行捡漏，确保高压下无泄漏，实验台架采用充氮气的方式进行充压检漏；S2：确保无漏点后，对台架进行抽真空处理，保证台架无其他不凝性气体；S3：使用氟利昂加注模块对台架进行加注，直到台架中氟利昂全部液化；S4：使用氮气加压模块对稳压器进行充压，直至达到所需的压力；S5：打开气动阀，启动磁力变频泵后，启动水冷机、直流电源和交流电源；S6：调节主实验回路的压力、流量和实验段进口温度至所需值开始进行实验。本发明实验台架具有宽范围和多架构的特点。

Description

一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架及实验方法

技术领域

本发明属于核反应堆热工水力实验技术领域，具体涉及一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架及实验方法。

背景技术

核能目前已被公认为是一种安全、清洁、可持续发展的能源，在世界范围内获得了广泛应用。压水堆是世界上在运行的核电站中采用的主要堆型，装机总容量约占所有核电站各类反应堆总和的60％以上。所谓压水堆，是指反应堆中冷却剂采用高压水的反应堆。高压水冷却剂能否安全高效的将堆芯释热导出，对反应堆的安全运行起着至关重要的作用。再者，反应堆的瞬态运行特性和事故工况的安全性都与反应堆的热工水力特性密切相关，因此，要想充分了解反应堆堆芯的热工水力学特性，需开展大量的热工水力实验研究。

然而正常运行工况下压水堆中冷却水的压力大约在15.5MPa，饱和温度在350℃。由于水的高汽化潜热和高临界压力，直接在水中进行热工水力实验费用非常昂贵，且规模有限。由于这种高成本和高复杂性，实验研究通常局限于简化的几何结构。如果存在适当的模化流体，可在汽化潜热低、临界压力低的情况下，也能模拟高压水的单相或两相现象，这样就可以大大降低实验成本。相关文献表明，在流动传热实验中各种制冷剂可作为高温高压水的模化工质。氟利昂R-134a因其汽化潜热和临界压力低以及不破坏臭氧层而被广泛用于模拟水的热工水力特性的替代品。

现有的流动沸腾传热实验台架往往通用性较差，实验台架设计时仅依照特定的某一个实验段形式进行预热段等其他管道的匹配，通用性较差，更换其他形式的实验段时台架往往不能够与之相匹配。此外，实验回路流量调节方法单一，无法满足宽范围流量工况下的稳定运行。

发明内容

为了解决上述问题，满足实验需要，本发明的目的是提供一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架及实验方法。本发明实验台架具有宽范围和多架构的特点。宽范围是指实验温度可以从低温覆盖到较高温；实验压力可以从低压覆盖到超临界；实验流量可以从小流量到大流量，已满足不同流动面积的实验段形式。多架构是指可以进行简单通道如圆管和环管以及复杂通道如五棒束或九棒束等形式的流动沸腾实验。实验台架布有大量的温度及压力测点，能够对氟利昂的单相及两相流动换热特性进行深入研究。

本发明采用以下技术方案来实现的：

一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架，包括主实验回路、冷却回路以及温度和压力测点；

主实验回路包括氟利昂储存罐，氟利昂储存罐的出口依次通过过滤器和磁力变频泵连接至第一三通的进口，第一三通的第一出口连接至第二三通的第一进口，第二三通的出口连接至冷凝器的进口，冷凝器的出口连接至氟利昂储存罐的进口；

主实验回路还包括氮气稳压器和加注机或真空泵，氮气瓶的出口连接至氮气稳压器的进口，氮气稳压器的出口连接至第三三通的第一进口，第三三通的第二进口连接至第一三通的第二出口，第三三通的出口连接至质量流量计的进口，质量流量计的出口连接至并联设置的第一预热段和第二预热段的进口，第一预热段和第二预热段的出口和加注机或真空泵的出口分别连接至第四三通的两个进口，第四三通的出口连接至并联设置的圆管实验段、环管实验段和棒束实验段的进口，圆管实验段、环管实验段和棒束实验段的出口连接至第二三通的第二进口；

冷却回路包括冷凝器以及与冷凝器并联设置的水冷机；

实验台架布置多个温度和压力测点，配合数据采集系统可对实验台架各个重要位置进行实时监测和记录。

本发明进一步的改进在于，在氟利昂储存罐布置第一压力测点和第一温度测点；在磁力变频泵出口布置第二压力测点；在稳压器下方和氮气瓶出口布置第三压力测点和第四压力测点；在第一预热段和第二预热段进口交汇处布置第二温度测点；在第一预热段和第二预热段出口交汇处布置第三温度测点；在三个实验段的进口处分别布置第五压力测点、第六压力测点、第七压力测点和第四温度测点、第五温度测点、第六温度测点；在三个实验段的出口处分别布置第八压力测点、第九、第十压力测点和第七温度测点、第八温度测点、第九温度测点；在冷凝器的进出口的氟利昂管道内布置第十温度测点、第十一温度测点。

本发明进一步的改进在于，从第一预热段和第二预热段的进口处到圆管实验段、环管实验段和棒束实验段出口处之间的管道表面用玻璃纤维的保温棉包裹，以确保热损失足够小。

本发明进一步的改进在于，主实验回路以氟利昂R-134a为工质。

本发明进一步的改进在于，冷却回路以水为工质。

本发明进一步的改进在于，主实验回路的氟利昂储存罐1放置于距地面上方两米处。

本发明进一步的改进在于，过滤器的进出口处分别设置有第一球阀和第二球阀，第一三通的第一出口处设置有第一调节阀，第一三通的第二出口处设置有气动阀，氟利昂储存罐的进口处设置有第三球阀，第一预热段的进出口处分别设置有第四球阀和第五球阀，第二预热段的进出口处分别设置有第六球阀和第七球阀，加注机或真空泵的出口处设置有第八球阀，圆管实验段的进出口处分别设置有第二调节阀和第九球阀，环管实验段的进出口处分别设置有第三调节阀和第十球阀，棒束实验段的进出口处分别设置有第四调节阀和第十一球阀。

一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架的实验方法，包括以下步骤：

S1：实验开始前需对整个实验台架进行捡漏，确保高压下无泄漏，实验台架采用充氮气的方式进行充压检漏；

S2：确保无漏点后，对台架进行抽真空处理，保证台架无其他不凝性气体；

S3：使用氟利昂加注模块对台架进行加注，直到台架中氟利昂全部液化；

S4：使用氮气加压模块对稳压器进行充压，直至达到所需的压力；

S5：打开气动阀，启动磁力变频泵后，启动水冷机、直流电源和交流电源；

S6：调节主实验回路的压力、流量和实验段进口温度至所需值开始进行实验。

和现有技术相比较，本发明提供的一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架及实验方法，至少具有如下有益的技术效果：

(1)实验台架设计压力为5MPa，加压模块可以简单方便的调节主实验回路的压力，可以覆盖低压到超临界压力范围；

(2)磁力变频泵扬程为50m，配合旁路回路、气动阀以及进口调节阀可以更灵活的调节主实验回路流量以覆盖更大范围工况，这种更灵活的调节流量的方式可以是主实验回路有不同的阻力特性，可开展流动稳定或流动不稳定下的热工水力实验研究；

(3)主实验回路配有两个不同管径的预热段，可在低流量工况下切换成小管径的预热段，以防止流动分层；

(4)实验段包含圆管、环管、棒束三种类型的实验段，在只改变调节阀开关状态的情况下就可按需求切换想要开展的实验，切换操作简便，系统可靠性高；

(5)实验台架布有多个温度、压力测点，可进行各种单相、两相的热工水力实验，如不同通道的单相或两相换热实验、沿程阻力实验以及临界热流密度实验。

本发明以一个实验台架实现了可以宽范围多架构的进行热工水力实验的实验系统，克服了传统热工水力实验装置工况范围小可进行实验段单一的不足，为复杂条件下热工水力实验研究提供新的技术支持，具有重要的工程实用价值。

附图说明

图1为本发明一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架的结构示意图。

附图标记说明：

氟利昂储存罐1，第一球阀2，过滤器3，第二球阀4，磁力变频泵5，第一三通6，第一调节阀7，第二三通8，冷凝器9，第三球阀10，气动阀11，第三三通12，氮气稳压器13，氮气瓶14，质量流量计15，第四球阀16，第一预热段17，第五球阀18，第六球阀19，第二预热段20，第七球阀21，第四三通22，第八球阀23，加注机或真空泵24，第二调节阀25，第三调节阀26，第四调节阀27，圆管实验段28，环管实验段29，棒束实验段30，第九球阀31，第十球阀32，第十一球阀33，水冷机34；

第一压力测点P1，第二压力测点P2，第三压力测点P3，第四压力测点P4，第五压力测点P5，第六压力测点P6，第七压力测点P7，第八压力测点P8，第九压力测点P9，第十压力测点P10，第一温度测点T1，第二温度测点T2，T3，第四温度测点T4，第五温度测点T5，第六温度测点T6，第七温度测点T7，第八温度测点T8，第九温度测点T9，第十温度测点T10，第十一温度测点T11。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对氟利昂流动沸腾传热通用实验台架的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架，包括主实验回路、冷却回路以及该外接的数据采集系统和控制系统。主实验回路以氟利昂R-134a为工质，冷却回路以水为工质。

主实验回路的氟利昂储存罐1放置于距地面上方两米处，氟利昂储存罐1上方布有第一压力测点P1，第一压力测点P1是通过引压管连接至压力变送器的。氟利昂储存罐1的下方布置第一温度测点T1，采用的是T型铠装热电偶。氟利昂储存罐1的上下管道中装有第三球阀10和第一球阀2，起到在需要的时候对氟利昂储存罐1隔离的作用。氟利昂储存罐1的作用是用来给磁力变频泵5提供一个稳定压头以及保证进到磁力变频泵5中的氟利昂工质为单相液防止气蚀。第一球阀2下方布有一个过滤器3，过滤器3的作用是用来过滤掉回路中的固态杂质。过滤器3布置在磁力变频泵5的上游是为了保证进到泵中的工质是干净且纯净的。过滤器3后面连接着的是第二球阀4，第一球阀2与第二球阀4可以对过滤器3进行隔离，便于更换滤芯。磁力变频泵5的扬程为50m，50m的扬程可以满足目前的圆管实验段28、环管实验段29、棒束实验段30的不同范围的流量需求，磁力变频泵5的转动频率可调。磁力变频泵5的出口布置了第二压力测点P2，用来监测磁力变频泵5的出口压力，第二压力测点P2是通过引压管连接至压力变送器的。第二压力测点P2的下游位置与第一三通6相连。第一三通6把整个主实验回路分成两个回路，第一三通6竖直方向的出口与管道相连并依次连接第一调节阀7、第二三通8、冷凝器9进口、第三球阀10、氟利昂储存罐1，此回路构成主实验回路中的旁路回路。旁路回路用来辅助磁力变频泵5调节流量以满足不同的流量要求。第一三通6水平方向的出口连接气动阀11，气动阀11在主实验回路中起主要调节流量的作用。气动阀11通过空气压缩机对其进行充放气从而改变其开度。在气动阀11的下游连接有一个第三三通12，第三三通12竖直方向的出口与氮气稳压器13相连。氮气稳压器13采用的是囊式稳压器，可通过氮气瓶14对其里面的胶囊进行充放气从而改变回路中的压力。采用囊式稳压器而不是活塞式稳压器的原因是因为囊式稳压器能更好的吸收波动，压力更稳定。氮气稳压器13的上下两端分别布有第四压力测点P4和第三压力测点P3，两测点通过引压管连接至压力变送器的。第四压力测点P4用来监测氮气稳压器13里胶囊内氮气的压力，第三压力测点P3用来监测氮气稳压器13出口氟利昂工质的压力。第三三通12水平方向的出口与质量流量计15相连接，质量流量计15起到测量主实验回路的质量流量。质量流量计15布置在第一预热段17和第二预热段20上游的原因是因为在第一预热段17和第二预热段20中的氟利昂工质可能会发生沸腾，而质量流量计15对两相流体的测量是不准确的，因此布置在第一预热段17和第二预热段20上游。在第一预热段17和第二预热段20的进口处布有第二温度测点T2用来监测预热段的进口温度，采用的是T型铠装热电偶。第一预热段17的进出口装有第四球阀16和第五球阀18，第二预热段20的进出口装有第六球阀19和第七球阀21。第一预热段17管道的内径为8mm，第二预热段20管道的内径为50mm，设计两个不同内径的预热段的好处是可以根据实验流量工况的不同选取不同的预热段。在流量较小的时候选取第一预热段17防止工质分层流动。在第一预热段17和第二预热段20出口的管子汇合在一起后与第四三通22连接，第四三通22竖直方向的出口与第八球阀23相连后连接氟利昂加注机或真空泵24连接组成氟利昂加注、抽真空模块。第四三通22水平方向的出口处分别连接三根管道构成圆管实验段28、环管实验段29、棒束实验段30的进口。圆管实验段28、环管实验段29、棒束实验段30的进口管道上装有第二调节阀25、第三调节阀26、第四调节阀27。通过改变调节阀的开度可配合旁路回路、气动阀11以及磁力变频泵5使主实验回路达到合适的流量。在实验段进口安装调节阀的目的是为了预防低流量下的流动不稳定性，通过给实验段进口施加更大的局部阻力使主实验回路可以在流量很低的工况下稳定运行，从而扩大主实验回路的流量范围。在圆管实验段28、环管实验段29、棒束实验段30的进口分别布有第五压力测点P5和第四温度测点T4、第六压力测点P6和第五温度测点T5、第七压力测点P7和第六温度测点T6；在圆管实验段28、环管实验段29、棒束实验段30的出口分别布有第八压力测点P8和第七温度测点T7、第九压力测点P9和第八温度测点T8、第十压力测点P10和第九温度测点T9。压力测点通过引压管连接至压力变送器，温度测点采用T型铠装热点偶用来监测实验段进出口温度。圆管实验段28、环管实验段29、棒束实验段30的进出口通过连接直流电源可对实验段进行直接通电加热。直流电源按照模块化设计，可多台并联组合以匹配不同实验段的不同电阻。圆管实验段28、环管实验段29、棒束实验段30出口的管道上分别装有第九球阀31、第十球阀32、第十一球阀33。这三个球阀可以根据进行实验的需求任意关闭其中两个，可简单灵活的切换实验所需的实验段。目前该宽范围多架构的进行热工水力实验台架可进行圆管实验段28、环管实验段29以及棒束实验段30的实验。第九球阀31、第十球阀32、第十一球阀33连接管道并汇合在一起与旁路出口相连并连接冷凝器9进口、氟利昂储存罐1，此回路构成主实验回路。冷凝器9的进出口分别布有第十温度测点T10和第十一温度测点T11，温度测点采用T型铠装热电偶用来监测冷凝器9氟利昂工质的进出口温度。

冷却回路与主实验回路在冷凝器9重合，冷凝器9布置在实验台架的最上方，冷凝器9是一个管壳式换热器。主实验回路中的氟利昂工质走管程，冷却回路中的水工质走壳程。管程的氟利昂工质通过与水工质的充分换热使氟利昂工质冷却到设定温度，换热量由水冷机34的功率决定。

从第一预热段17和第二预热段20的进口处到圆管实验段28、环管实验段29、棒束实验段30出口处之间的管道表面用玻璃纤维保温棉包裹，玻璃纤维保温棉的厚度不小于100mm，保温棉用扎带扎紧并固定使其完整的包裹加热表面，确保第一预热段17、第二预热段20、圆管实验段28、环管实验段29以及棒束实验段30满足热平衡要求。

本发明还提供一种上述氟利昂流动沸腾传热通用实验台架的实验方法，包括以下步骤：

S1：实验开始前需对整个台架进行检漏。打开所有阀门保证回路所有地方连通，打开第八球阀23与氮气瓶14相连接进行回路氮气充压并用肥皂水检漏；

S2：用氮气检漏完毕后排掉回路中的氮气并与真空泵24相连，对整个进行抽真空，确保回路中无不凝性气体。抽真空结束后先关闭第八球阀23，再关闭真空泵24；

S3：使用氟利昂加注机对回路进行加注，直至回路中氟利昂完全液化，关闭第八球阀23；

S4：使用氮气瓶14对氮气稳压器13进行充压至实验所需压力；

S5：使用氟利昂检漏仪对整个回路再次进行检漏；

S6：根据实验要求选取圆管实验段28或环管实验段29或棒束实验段30，若进行圆管实验则关闭第三调节阀26、第十球阀32、第四调节阀27以及第十一球阀33。若进行环管实验则关闭第二调节阀25、第九球阀31、第四调节阀27以及第十一球阀33。若进行棒束实验则关闭第二调节阀25、第九球阀31、第三调节阀26以及第十球阀32。然后根据实验流量工况需求，关闭第四球阀16和第五球阀18或关闭第六球阀19和第七球阀21。

S7：启动水冷机34并打开气动阀11后启动磁力变频泵5，通过调节第一调节阀7与实验段进口调节阀的阀门开度调节至实验所需的流量。

S8：待回路稳态运行半小时后开始正式进行实验，使用数据采集系统对实验的压力、流量、温度、加热功率进行采集。

本发明实施例以一个实验台架实现了可以宽范围多架构的进行热工水力实验的实验系统，克服了传统热工水力实验装置工况范围小可进行实验段单一的不足，为复杂条件下热工水力实验研究提供新的技术支持。

以上所述，仅为本发明的一个具体实例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架，其特征在于，包括主实验回路、冷却回路以及温度和压力测点；

主实验回路包括氟利昂储存罐，氟利昂储存罐的出口依次通过过滤器和磁力变频泵连接至第一三通的进口，第一三通的第一出口连接至第二三通的第一进口，第二三通的出口连接至冷凝器的进口，冷凝器的出口连接至氟利昂储存罐的进口；

主实验回路还包括氮气稳压器和加注机或真空泵，氮气瓶的出口连接至氮气稳压器的进口，氮气稳压器的出口连接至第三三通的第一进口，第三三通的第二进口连接至第一三通的第二出口，第三三通的出口连接至质量流量计的进口，质量流量计的出口连接至并联设置的第一预热段和第二预热段的进口，第一预热段和第二预热段的出口和加注机或真空泵的出口分别连接至第四三通的两个进口，第四三通的出口连接至并联设置的圆管实验段、环管实验段和棒束实验段的进口，圆管实验段、环管实验段和棒束实验段的出口连接至第二三通的第二进口；

冷却回路包括冷凝器以及与冷凝器并联设置的水冷机；

实验台架布置多个温度和压力测点，配合数据采集系统可对实验台架各个重要位置进行实时监测和记录。

2.根据权利要求1所述的一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架，其特征在于，在氟利昂储存罐布置第一压力测点和第一温度测点；在磁力变频泵出口布置第二压力测点；在稳压器下方和氮气瓶出口布置第三压力测点和第四压力测点；在第一预热段和第二预热段进口交汇处布置第二温度测点；在第一预热段和第二预热段出口交汇处布置第三温度测点；在三个实验段的进口处分别布置第五压力测点、第六压力测点、第七压力测点和第四温度测点、第五温度测点、第六温度测点；在三个实验段的出口处分别布置第八压力测点、第九、第十压力测点和第七温度测点、第八温度测点、第九温度测点；在冷凝器的进出口的氟利昂管道内布置第十温度测点、第十一温度测点。

3.根据权利要求1所述的一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架，其特征在于，从第一预热段和第二预热段的进口处到圆管实验段、环管实验段和棒束实验段出口处之间的管道表面用玻璃纤维的保温棉包裹，以确保热损失足够小。

4.根据权利要求1所述的一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架，其特征在于，主实验回路以氟利昂R-134a为工质。

5.根据权利要求1所述的一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架，其特征在于，冷却回路以水为工质。

6.根据权利要求1所述的一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架，其特征在于，主实验回路的氟利昂储存罐1放置于距地面上方两米处。

7.根据权利要求1所述的一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架，其特征在于，过滤器的进出口处分别设置有第一球阀和第二球阀，第一三通的第一出口处设置有第一调节阀，第一三通的第二出口处设置有气动阀，氟利昂储存罐的进口处设置有第三球阀，第一预热段的进出口处分别设置有第四球阀和第五球阀，第二预热段的进出口处分别设置有第六球阀和第七球阀，加注机或真空泵的出口处设置有第八球阀，圆管实验段的进出口处分别设置有第二调节阀和第九球阀，环管实验段的进出口处分别设置有第三调节阀和第十球阀，棒束实验段的进出口处分别设置有第四调节阀和第十一球阀。

8.权利要求1至7任一项所述的一种氟利昂流动沸腾传热通用实验台架的实验方法，包括以下步骤：

S1：实验开始前需对整个实验台架进行捡漏，确保高压下无泄漏，实验台架采用充氮气的方式进行充压检漏；

S2：确保无漏点后，对台架进行抽真空处理，保证台架无其他不凝性气体；

S3：使用氟利昂加注模块对台架进行加注，直到台架中氟利昂全部液化；

S4：使用氮气加压模块对稳压器进行充压，直至达到所需的压力；

S5：打开气动阀，启动磁力变频泵后，启动水冷机、直流电源和交流电源；

S6：调节主实验回路的压力、流量和实验段进口温度至所需值开始进行实验。

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