CN115359933A - 小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统及方法，该实验系统采用导热油Dowtherm A作为高温氟盐FLiBe的模化工质，能够开展不同温度和流量条件下的流动传热特性实验，可以获得小型氟盐冷却高温堆螺旋十字型燃料组件在高普朗特数流体中的流动传热关系式；实验系统的实验段可被更换代替，既能对螺旋十字型单棒和棒束通道开展实验研究，也能为包括圆柱型、球型和板型等燃料组件形式的流动传热实验提供选择。本发明能为程序开发、堆芯设计和安全分析提供数据支撑，有利于小型氟盐冷却高温堆的未来发展，助力碳达峰和碳中和。

Description

小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统及方法
技术领域
本发明涉及小型氟盐冷却高温堆技术领域，具体涉及一种小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统及方法。
背景技术
小型氟盐冷却高温堆作为第四代反应堆堆型之一，其具有固有安全性高、经济性高、环境适应性强和防核扩散等特点，其采用高温氟盐FLiBe作为冷却剂，运行温度范围是600-700℃，普朗特数范围是12-19。高普朗特数流体与水、钠等低普朗特数流体流动换热特性具有较大区别，低普朗特数流体的流动传热关系式没有明确证明可以完全应用在高普朗特数流体，因此需要对高普朗特数流体开展实验研究，从而获得适用的流动传热关系式。
实验研究采用高温氟盐作为工质具有难度大、管路腐蚀严重、成本高等缺点，仅有极少数的研究机构采用高温氟盐完成了氟盐冷却球床高温堆堆芯和系统流动传热特性实验，但所获实验结果并不理想。目前，采用模化工质Dowtherm A代替高温氟盐开展实验研究备受关注，橡树岭国家实验室、加利福尼亚大学伯克利分校和西安交通大学等已经开展了高温氟盐模化实验研究，但对小型氟盐冷却高温堆的螺旋十字型燃料组件流动传热特性还没有相关研究。因此，研究高普朗特数流体在螺旋十字型燃料组件内的流动传热特性有助于开发数值计算程序，对小型氟盐冷却高温堆设计、安全分析和方案优化具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统及方法，采用低温导热油Dowtherm A作为模化工质，开展小型氟盐冷却高温堆的模化实验研究，获得在不同流量和温度条件下的螺旋十字型燃料组件流动传热实验数据，拟合流动与传热实验关系式，为堆芯设计、数值模型验证以及系统安全分析提供数据支撑。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统，包括主回路系统1、排气系统2、冷却系统3、充排油系统4和充气系统5；
所述主回路系统1包括第一主回路三通管1-1、第二主回路三通管1-2、第三主回路三通管1-3、第四主回路三通管1-4、第一手动球阀1-5、泵用过滤器1-6、导热油泵1-7、第二手动球阀1-8、第三手动球阀1-9、第五主回路三通管1-10、导热油加热器1-11、第六主回路三通管1-12、第四手动球阀1-13、第一电动阀1-14、第一质量流量计1-15、第五手动球阀1-16、第二电动阀1-17、第二质量流量计1-18、第七主回路三通管1-19、第八主回路三通管1-20、第六手动球阀1-21、实验段1-22、第七手动球阀1-23、第八手动球阀1-24、第九主回路三通管1-25、第十主回路三通管1-26、热交换器1-27、第九手动球阀1-28以及相连管道；导热油加热器1-11出口与第六主回路三通管入口1-12-2相连，第六主回路三通管第一出口1-12-1与第四手动球阀1-13入口相连，第四手动球阀1-13出口与第一电动阀1-14入口相连，第一电动阀1-14出口与第一质量流量计1-15入口相连；第六主回路三通管第二出口1-12-3与第五手动球阀1-16入口相连，第五手动球阀1-16出口与第二电动阀1-17入口相连，第二电动阀1-17出口与第二质量流量计1-18入口相连；第一质量流量计1-15出口与第二质量流量计1-18出口汇流后通过第七主回路三通管1-19与第八主回路三通管入口1-20-3相连；第八主回路三通管第一出口1-20-1与第六手动球阀1-21入口相连，第六手动球阀1-21出口与实验段1-22入口相连，实验段1-22出口与第七手动球阀1-23入口相连；第八主回路三通管第二出口1-20-2与第八手动球阀1-24入口相连；第七手动球阀1-23出口和第八手动球阀1-24出口汇流后通过第九主回路三通管1-25与第十主回路三通管入口1-26-1相连，第十主回路三通管第一出口1-26-3与热交换器1-27油侧入口相连，热交换器1-27油侧出口与第一主回路三通管入口1-1-2相连，第一主回路三通管第二出口1-1-3与第二主回路三通管入口1-2-2，第二主回路三通管出口1-2-1与第三主回路三通管第一入口1-3-2相连，第三主回路三通管出口1-3-1与第四主回路三通管入口1-4-2相连，第四主回路三通管出口1-4-1与第一手动球阀1-5入口相连，第一手动球阀1-5出口与泵用过滤器1-6入口相连，泵用过滤器1-6出口与导热油泵1-7入口相连，导热油泵1-7出口与第三手动球阀1-9入口相连；第三主回路三通管第二入口1-3-3与第二手动球阀1-8出口相连；第二手动球阀1-8入口和第三手动球阀1-9出口通过第五主回路三通管1-10与导热油加热器1-11入口相连；第一主回路三通管第一出口1-1-1与第九手动球阀1-28入口相连；
所述排气系统2包括第十手动球阀2-1、高位槽2-2、第一排气系统三通管2-3、第二排气系统三通管2-4、第十一手动球阀2-5、第十二手动球阀2-6以及相连管道；第十手动球阀2-1入口与第四主回路三通管接口1-4-3相连，第十手动球阀2-1出口与高位槽膨胀口2-2-1相连，高位槽溢流口2-2-2与第一排气系统三通管第一接口2-3-1相连，高位槽排气口2-2-3与第一排气系统三通管第三接口2-3-3相连，高位槽系统排气口2-2-4与第十二手动球阀2-6出口相连，第十二手动球阀2-6入口与第十主回路三通管第二出口1-26-2相连；第一排气系统三通管第二接口2-3-2与第二排气系统三通管第三接口2-4-3相连，第二排气系统三通管第二接口2-4-2与第十一手动球阀2-5入口相连，第十一手动球阀2-5出口与大气环境相通；第二排气系统三通管第一接口2-4-1与充气系统5中的第三充气系统手动球阀5-5出口相连；
所述冷却系统3包括涡轮流量计3-1、第一冷却系统三通管3-2、冷却水箱3-3、水泵3-4、第二冷却系统三通管3-5、第一冷却系统手动球阀3-6、第二冷却系统手动球阀3-7以及相连管道；涡轮流量计3-1出口与第一冷却系统三通管一入口3-2-1相连，第一冷却系统三通管第出口3-2-2与冷却水箱3-3入口相连，冷却水箱3-3出口与水泵3-4入口相连，水泵3-4出口与第二冷却系统三通管入口3-5-2相连，第二冷却系统三通管出第一出口3-5-1与热交换器1-27水侧入口相连，热交换器1-27水侧出口与涡轮流量计3-1入口相连；第一冷却系统三通管第二入口3-2-3通过第二冷却系统手动球阀3-7与第二冷却系统三通管第二出口3-5-3相连；
所述充排油系统4包括储油罐4-1、第十三手动球阀4-2以及相连管道；第二主回路三通管接口1-2-3与第十三手动球阀4-2出口相连，第十三手动球阀4-2入口与储油罐4-1底部接口相连；储油罐4-1顶部充气口与充气系统5的第二充气系统手动球阀出口5-3相连；
所述充气系统5包括氩气罐5-1、第一充气系统手动球阀5-2、第二充气系统手动球阀5-3、第一充气系统三通管5-4、第三充气系统手动球阀5-5以及相连管道；氩气罐5-1出口与第一充气系统手动球阀5-2入口相连，第一充气系统手动球阀5-2出口与第一充气系统三通管入口5-4-2相连，第一充气系统三通管第一出口5-4-1与第二充气系统手动球阀5-3入口相连，第二充气系统手动球阀5-3出口与充排油系统4中的储油罐4-1顶部充气口相连；第一充气系统三通管第二出口5-4-3与第三充气系统手动球阀5-5入口相连，第三充气系统手动球阀5-5出口与排气系统2的第二排气系统三通管2-4相连。
所述导热油工质为Dowtherm A。
所述实验段1-22可拆卸更换，包括螺旋十字型单棒和棒束通道实验段。
所述导热油加热器1-11为实验段1-22的预热段，设定导热油加热器1-11的出口温度，通过自动控温系统调节后达到设定温度；导热油加热器1-11也可以切换为手动功率控制模式。
所述主回路系统1中，在实验段1-22进出口、导热油加热器1-11进出口、导热油泵1-7出口和第八手动球阀1-24入口设置铠装K型热电偶，在导热油加热器1-11进出口分别设置压力变送器；所述冷却系统3中，在热交换器1-27水侧进出口设置铠装K型热电偶；所述充排油系统4中，在储油罐4-1顶部设置铠装K型热电偶和压力变送器。
所述第一电动阀1-14和第二电动阀1-17均为电动调节阀门，通过现场表盘控制阀门开度百分比。
所述主回路系统1工作流程如下：导热油工质经导热油加热器1-11加热后，在低流量工况下，关闭第五手动球阀1-16，导热油工质经过第一电动阀1-14调节流量大小，经第一质量流量计1-15测量导热油的体积流量；在高流量工况下，关闭第四手动球阀1-13，导热油工质经过第二电动阀1-17调节流量大小，经第二质量流量计1-18测量导热油的体积流量；在实验调试阶段，关闭第六手动球阀1-21和第七手动球阀1-23，导热油工质经实验段旁通管线上的第八手动球阀1-24流入热交换器1-27；在正式实验阶段，关闭第八手动球阀1-24，开启第六手动球阀1-21和第七手动球阀1-23，导热油工质经实验段1-22后流入热交换器1-27；导热油工质在热交换器1-27中被冷却后，一部分导热油工质经泵用过滤器1-6过滤杂质后进入导热油泵1-7，经导热油泵1-7升压后，一部分导热油工质经旁通管线流回导热油泵1-7入口，通过改变旁通管线上第二手动球阀1-8开度调节旁通流量；另一部份导热油工质进入导热油加热器1-11被加热，形成循环；
所述排气系统2的工作流程如下：主回路系统1内的混合气体经过第十二手动球阀2-6和系统排气管路进入高位槽2-2中，高温槽2-2中的混合气体经高位槽排气口2-2-3和第十一手动球阀2-5进入大气环境；通过高位槽膨胀口2-2-1和第四主回路三通管接口1-4-3之间的膨胀管，高位槽2-2与主回路系统1之间相互交换导热油工质，高位槽2-2作为吸收主回路系统1导热油工质体积变化和维持系统压力的设备，位置高于整个导热油循环回路；
所述冷却系统3工作流程如下：冷却水箱3-3的冷却水经水泵3-4加压后，一部分冷却水进入热交换器1-27，被热交换器1-27油侧导热油加热，升温后的冷却水流量经涡轮流量计3-1测量；另一部分冷却水经第二冷却系统手动球阀3-7所在旁通管线与升温的冷却水汇合后流回冷却水箱3-3，形成循环；
所述充排油系统4工作流程如下：在导热油工质充入主回路系统1时，来自充气系统5的氩气充入储油罐4-1，储油罐4-1气空间压力增加，储油罐4-1内的导热油工质依靠压差流入主回路系统1；在导热油工质从主回路系统1排出时，来自充气系统5的氩气充入高位槽2-2，高位槽2-2气空间压力增加，主回路系统1内的导热油工质依靠压差流回储油罐4-1；
所述充气系统5工作流程如下：在充排油系统4中的导热油工质充入主回路系统1时，关闭第三充气系统手动球阀5-5，开启第二充气系统手动球阀5-3，氩气罐5-1中的氩气流入储油罐4-1气空间；在主回路系统1中的导热油工质排入充排油系统4中时，关闭第二充气系统手动球阀5-3，开启第三充气系统手动球阀5-5，氩气罐5-1中的氩气流入高位槽2-2气空间。
所述低流量工况的体积流量范围是0.1-1.05m3/h；所述高流量工况的体积流量范围是1.05-4.5m3/h。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明实验系统预热段采用自动温控系统，通过设定指定温度，可以自动达到实验工况条件，操作简单方便，温度控制精度高，温度变化小于±0.5℃。
2、本发明实验系统采用电动阀门控制实验段流量，控制精度高，操作方便。
3、本发明实验系统的实验参数条件宽泛，流量范围为0.1-11m3/h，温度范围为20-150℃。
4、本发明实验系统的实验段可被更换，能够完成包括螺旋十字型等多种燃料组件形式的流动阻力和传热特性实验。
5、本发明采用模化工质开展实验，在低温工况下模拟高温工况的流动传热特性，可以节约成本，降低实验难度，提高安全性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，包括三通管和高温槽的示意图；
图中：
1：主回路系统
1-1：第一主回路三通管(1-1-1为第一主回路三通管第一出口，1-1-2为第一主回路三通管入口，1-1-3为第一主回路三通管第二出口)；1-2：第二主回路三通管(1-2-1为第二主回路三通管出口，1-2-2为第二主回路三通管入口，1-2-3为第二主回路三通管接口)；1-3：第三主回路三通管(1-3-1为第三主回路三通管出口，1-3-2为第三主回路三通管第一入口，1-3-3为第三主回路三通管第二入口)；1-4：第四主回路三通管(1-4-1为第四主回路三通管出口，1-4-2为第四主回路三通管入口，1-4-3为第四主回路三通管接口)；1-5：第一手动球阀；1-6：泵用过滤器；1-7：导热油泵；1-8：第二手动球阀；1-9：第三手动球阀；1-10：第五主回路三通管(1-10-1为第五主回路三通管第一出口，1-10-2为第五主回路三通管入口，1-10-3为第五主回路三通管第二出口)；1-11：导热油加热器；1-12：第六主回路三通管(1-12-1为第六主回路三通管第一出口，1-12-2为第六主回路三通管入口，1-12-3为第六主回路三通管第二出口)；1-13：第四手动球阀；1-14：第一电动阀；1-15：第一质量流量计；1-16：第五手动球阀；1-17：第二电动阀；1-18：第二质量流量计；1-19：第七主回路三通管(1-19-1为第七主回路三通管第一入口，1-19-2为第七主回路三通管出口，1-19-3为第七主回路三通管第二入口)；1-20：第八主回路三通管(1-20-1为第八主回路三通管第一出口，1-20-2为第八主回路三通管第二出口，1-20-3为第八主回路三通管入口)；1-21：第六手动球阀；1-22：实验段；1-23：第七手动球阀；1-24：第八手动球阀；1-25：第九主回路三通管(1-25-1为第九主回路三通管第一入口，1-25-2为第九主回路三通管出口，1-25-3为第九主回路三通管第二入口)；1-26：第十主回路三通管(1-26-1为第十主回路三通管入口，1-26-2为第十主回路三通管第二出口，1-26-3为第十主回路三通管第一出口)；1-27：热交换器；1-28：第九手动球阀
2：排气系统
2-1：第十手动球阀；2-2：高位槽(2-2-1为高位槽膨胀口，2-2-2为高位槽溢流口，2-2-3为高位槽排气口，2-2-4为高位槽系统排气口)；2-3：第一排气系统三通管(2-3-1为第一排气系统三通管第一接口，2-3-2为第一排气系统三通管第二接口，2-3-3为第一排气系统三通管第三接口)；2-4：第二排气系统三通管(2-4-1为第二排气系统三通管第一接口，2-4-2为第二排气系统三通管第二接口，2-4-3为第二排气系统三通管第三接口)；2-5：第十一手动球阀；2-6：第十二手动球阀
3：冷却系统
3-1：涡轮流量计；3-2：第一冷却系统三通管(3-2-1为第一冷却系统三通管第一入口，3-2-2为第一冷却系统三通管出口，3-2-3为第一冷却系统三通管第二入口)；3-3：冷却水箱；3-4：水泵；3-5：第二冷却系统三通管(3-5-1为第二冷却系统三通管第一出口，3-5-2为第二冷却系统三通管入口，3-5-3为第二冷却系统三通管第二出口)；3-6：第一冷却系统手动球阀；3-7：第二冷却系统手动球阀4：充排油系统
4-1：储油罐；4-2：第十三手动球阀
5：充气系统
5-1：氩气罐；5-2：第一充气系统手动球阀；5-3：第二充气系统手动球阀；5-4：第一充气系统三通管(5-4-1为第一充气系统三通管第一出口，5-4-2为第一充气系统三通管入口，5-4-3第一充气系统三通管第二出口)；5-5：第三充气系统手动球阀。
具体实施方式
本发明提供了小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统及方法，现结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统，包括主回路系统1、排气系统2、冷却系统3、充排油系统4和充气系统5。
主回路系统1包括第一主回路三通管1-1、第二主回路三通管1-2、第三主回路三通管1-3、第四主回路三通管1-4、第一手动球阀1-5、泵用过滤器1-6、导热油泵1-7、第二手动球阀1-8、第三手动球阀1-9、第五主回路三通管1-10、导热油加热器1-11、第六主回路三通管1-12、第四手动球阀1-13、第一电动阀1-14、第一质量流量计1-15、第五手动球阀1-16、第二电动阀1-17、第二质量流量计1-18、第七主回路三通管1-19、第八主回路三通管1-20、第六手动球阀1-21、实验段1-22、第七手动球阀1-23、第八手动球阀1-24、第九主回路三通管1-25、第十主回路三通管1-26、热交换器1-27、第九手动球阀1-28以及相连管道；导热油加热器1-11出口与第六主回路三通管入口1-12-2相连，第六主回路三通管第一出口1-12-1与第四手动球阀1-13入口相连，第四手动球阀1-13出口与第一电动阀1-14入口相连，第一电动阀1-14出口与第一质量流量计1-15入口相连；第六主回路三通管第二出口1-12-3与第五手动球阀1-16入口相连，第五手动球阀1-16出口与第二电动阀1-17入口相连，第二电动阀1-17出口与第二质量流量计1-18入口相连；第一质量流量计1-15出口与第二质量流量计1-18出口汇流后通过第七主回路三通管1-19与第八主回路三通管入口1-20-3相连；第八主回路三通管第一出口1-20-1与第六手动球阀1-21入口相连，第六手动球阀1-21出口与实验段1-22入口相连，实验段1-22出口与第七手动球阀1-23入口相连；第八主回路三通管第二出口1-20-2与第八手动球阀1-24入口相连；第七手动球阀1-23出口和第八手动球阀1-24出口汇流后通过第九主回路三通管1-25与第十主回路三通管入口1-26-1相连，第十主回路三通管第一出口1-26-3与热交换器1-27油侧入口相连，热交换器1-27油侧出口与第一主回路三通管入口1-1-2相连，第一主回路三通管第二出口1-1-3与第二主回路三通管入口1-2-2，第二主回路三通管出口1-2-1与第三主回路三通管第一入口1-3-2相连，第三主回路三通管出口1-3-1与第四主回路三通管入口1-4-2相连，第四主回路三通管出口1-4-1与第一手动球阀1-5入口相连，第一手动球阀1-5出口与泵用过滤器1-6入口相连，泵用过滤器1-6出口与导热油泵1-7入口相连，导热油泵1-7出口与第三手动球阀1-9入口相连；第三主回路三通管第二入口1-3-3与第二手动球阀1-8出口相连；第二手动球阀1-8入口和第三手动球阀1-9出口通过第五主回路三通管1-10与导热油加热器1-11入口相连；第一主回路三通管第一出口1-1-1与第九手动球阀1-28入口相连。
排气系统2包括第十手动球阀2-1、高位槽2-2、第一排气系统三通管2-3、第二排气系统三通管2-4、第十一手动球阀2-5、第十二手动球阀2-6以及相连管道；第十手动球阀2-1入口与第四主回路三通管接口1-4-3相连，第十手动球阀2-1出口与高位槽膨胀口2-2-1相连，高位槽溢流口2-2-2与第一排气系统三通管第一接口2-3-1相连，高位槽排气口2-2-3与第一排气系统三通管第三接口2-3-3相连，高位槽系统排气口2-2-4与第十二手动球阀2-6出口相连，第十二手动球阀2-6入口与第十主回路三通管第二出口1-26-2相连；第一排气系统三通管第二接口2-3-2与第二排气系统三通管第三接口2-4-3相连，第二排气系统三通管第二接口2-4-2与第十一手动球阀2-5入口相连，第十一手动球阀2-5出口与大气环境相通；第二排气系统三通管第一接口2-4-1与充气系统5中的第三充气系统手动球阀5-5出口相连。
冷却系统3包括涡轮流量计3-1、第一冷却系统三通管3-2、冷却水箱3-3、水泵3-4、第二冷却系统三通管3-5、第一冷却系统手动球阀3-6、第二冷却系统手动球阀3-7以及相连管道；涡轮流量计3-1出口与第一冷却系统三通管第一入口3-2-1相连，第一冷却系统三通管出口3-2-2与冷却水箱3-3入口相连，冷却水箱3-3出口与水泵3-4入口相连，水泵3-4出口与第二冷却系统三通管入口3-5-2相连，第二冷却系统三通管出第一出口3-5-1与热交换器1-27水侧入口相连，热交换器1-27水侧出口与涡轮流量计3-1入口相连；第一冷却系统三通管第二入口3-2-3通过第二冷却系统手动球阀3-7与第二冷却系统三通管第二出口3-5-3相连。
充排油系统4包括储油罐4-1、第十三手动球阀4-2以及相连管道；第二主回路三通管接口1-2-3与第十三手动球阀4-2出口相连，第十三手动球阀4-2入口与储油罐4-1底部接口相连；储油罐4-1顶部充气口与充气系统5的第二充气系统手动球阀出口5-3相连。
充气系统5包括氩气罐5-1、第一充气系统手动球阀5-2、第二充气系统手动球阀5-3、第一充气系统三通管5-4、第三充气系统手动球阀5-5以及相连管道；氩气罐5-1出口与第一充气系统手动球阀5-2入口相连，第一充气系统手动球阀5-2出口与第一充气系统三通管入口5-4-2相连，第一充气系统三通管第一出口5-4-1与第二充气系统手动球阀5-3入口相连，第二充气系统手动球阀5-3出口与充排油系统4中的储油罐4-1顶部充气口相连；第一充气系统三通管第二出口5-4-3与第三充气系统手动球阀5-5入口相连，第三充气系统手动球阀5-5出口与排气系统2的第二排气系统三通管2-4相连。
作为本发明的优选实施方式，导热油工质为Dowtherm A。
作为本发明的优选实施方式，实验段1-22可拆卸更换，包括螺旋十字型单棒和棒束通道实验段。也能为包括圆柱型、球型和板型等燃料组件形式的流动传热实验提供选择。
作为本发明的优选实施方式，导热油加热器1-11为实验段1-22的预热段，设定导热油加热器1-11的出口温度，通过自动控温系统调节后达到设定温度；导热油加热器1-11也可以切换为手动功率控制模式。
作为本发明的优选实施方式，主回路系统1中，在实验段1-22进出口、导热油加热器1-11进出口、导热油泵1-7出口和第八手动球阀1-24入口设置铠装K型热电偶，在导热油加热器1-11进出口分别设置压力变送器；所述冷却系统3中，在热交换器1-27水侧进出口设置铠装K型热电偶；所述充排油系统4中，在储油罐4-1顶部设置铠装K型热电偶和压力变送器。
作为本发明的优选实施方式，第一电动阀1-14和第二电动阀1-17均为电动调节阀门，通过现场表盘控制阀门开度百分比。
作为本发明的优选实施方式，第一质量流量计1-15和第二质量流量计1-18均采用科里奥质量流量计。
作为本发明的优选实施方式，热交换器1-27采用缠绕管式热交换器，导热油工质在壳侧流动，冷却水在管侧流动。
作为本发明的优选实施方式，第九手动球阀1-28位于整个回路的最低点，能够将回路的导热油工质基本排净。
作为本发明的优选实施方式，第一电动阀1-14和第二电动阀1-17水平布置，实验段1-22竖直布置，热交换器1-27立式布置。
小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统的工作方法，包含以下内容：导热油工质经导热油加热器1-11加热后，在低流量工况下(体积流量范围是0.1-1.05m3/h)，关闭第五手动球阀1-16，导热油工质经过第一电动阀1-14调节流量大小，经第一质量流量计1-15测量导热油的体积流量；在高流量工况下(体积流量范围是1.05-4.5m3/h)，关闭第四手动球阀1-13，导热油工质经过第二电动阀1-17调节流量大小，经第二质量流量计1-18测量导热油的体积流量；在实验调试阶段，关闭第六手动球阀1-21和第七手动球阀1-23，导热油工质经实验段旁通管线上的第八手动球阀1-24流入热交换器1-27；在正式实验阶段，关闭第八手动球阀1-24，开启第六手动球阀1-21和第七手动球阀1-23，导热油工质经实验段1-22后流入热交换器1-27；导热油工质在热交换器1-27中被冷却后，一部分导热油工质经泵用过滤器1-6过滤杂质后进入导热油泵1-7，经导热油泵1-7升压后，一部分导热油工质经旁通管线流回导热油泵1-7入口，通过改变旁通管线上第二手动球阀1-8开度调节旁通流量；另一部份导热油工质进入导热油加热器1-11被加热，形成循环；
主回路系统1内的混合气体经过第十二手动球阀2-6和系统排气管路进入高位槽2-2中，高温槽2-2中的混合气体经高位槽排气口2-2-3和第十一手动球阀2-5进入大气环境；通过高位槽膨胀口2-2-1和第四主回路三通管接口1-4-3之间的膨胀管，高位槽2-2与主回路系统1之间相互交换导热油工质，高位槽2-2作为吸收主回路系统1导热油工质体积变化和维持系统压力的设备，位置高于整个导热油循环回路；
冷却水箱3-3的冷却水经水泵3-4加压后，一部分冷却水进入热交换器1-27，被热交换器1-27油侧导热油加热，升温后的冷却水流量经涡轮流量计3-1测量；另一部分冷却水经第二冷却系统手动球阀3-7所在旁通管线与升温的冷却水汇合后流回冷却水箱3-3，形成循环；
在导热油工质充入主回路系统1时，来自充气系统5的氩气充入储油罐4-1，储油罐4-1气空间压力增加，储油罐4-1内的导热油工质依靠压差流入主回路系统1；在导热油工质从主回路系统1排出时，来自充气系统5的氩气充入高位槽2-2，高位槽2-2气空间压力增加，主回路系统1内的导热油工质依靠压差流回储油罐4-1；
在充排油系统4中的导热油工质充入主回路系统1时，关闭第三充气系统手动5-5，开启第二充气系统手动球阀5-3，氩气罐5-1中的氩气流入储油罐4-1气空间；在主回路系统1中的导热油工质排入充排油系统4中时，关闭第二充气系统手动球阀5-3，开启第三充气系统手动球阀5-5，氩气罐5-1中的氩气流入高位槽2-2气空间。
本发明实验系统采用导热油Dowtherm A作为高温氟盐FLiBe的模化工质，能够开展不同温度和流量条件下的流动传热特性实验，可以获得小型氟盐冷却高温堆螺旋十字型燃料组件在高普朗特数流体中的流动传热关系式；实验系统的实验段可被更换代替，既能对螺旋十字型单棒和棒束通道开展实验研究，也能为包括圆柱型、球型和板型等燃料组件形式的流动传热实验提供选择。本发明能为程序开发、堆芯设计和安全分析提供数据支撑，有利于小型氟盐冷却高温堆的未来发展，助力碳达峰和碳中和。

Claims (8)

1.一种小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统，其特征在于：包括主回路系统(1)、排气系统(2)、冷却系统(3)、充排油系统(4)和充气系统(5)；
所述主回路系统(1)包括第一主回路三通管(1-1)、第二主回路三通管(1-2)、第三主回路三通管(1-3)、第四主回路三通管(1-4)、第一手动球阀(1-5)、泵用过滤器(1-6)、导热油泵(1-7)、第二手动球阀(1-8)、第三手动球阀(1-9)、第五主回路三通管(1-10)、导热油加热器(1-11)、第六主回路三通管(1-12)、第四手动球阀(1-13)、第一电动阀(1-14)、第一质量流量计(1-15)、第五手动球阀(1-16)、第二电动阀(1-17)、第二质量流量计(1-18)、第七主回路三通管(1-19)、第八主回路三通管(1-20)、第六手动球阀(1-21)、实验段(1-22)、第七手动球阀(1-23)、第八手动球阀(1-24)、第九主回路三通管(1-25)、第十主回路三通管(1-26)、热交换器(1-27)、第九手动球阀(1-28)以及相连管道；导热油加热器(1-11)出口与第六主回路三通管入口(1-12-2)相连，第六主回路三通管第一出口(1-12-1)与第四手动球阀(1-13)入口相连，第四手动球阀(1-13)出口与第一电动阀(1-14)入口相连，第一电动阀(1-14)出口与第一质量流量计(1-15)入口相连；第六主回路三通管第二出口(1-12-3)与第五手动球阀(1-16)入口相连，第五手动球阀(1-16)出口与第二电动阀(1-17)入口相连，第二电动阀(1-17)出口与第二质量流量计(1-18)入口相连；第一质量流量计(1-15)出口与第二质量流量计(1-18)出口汇流后通过第七主回路三通管(1-19)与第八主回路三通管入口(1-20-3)相连；第八主回路三通管第一出口(1-20-1)与第六手动球阀(1-21)入口相连，第六手动球阀(1-21)出口与实验段(1-22)入口相连，实验段(1-22)出口与第七手动球阀(1-23)入口相连；第八主回路三通管第二出口(1-20-2)与第八手动球阀(1-24)入口相连；第七手动球阀(1-23)出口和第八手动球阀(1-24)出口汇流后通过第九主回路三通管(1-25)与第十主回路三通管入口(1-26-1)相连，第十主回路三通管第一出口(1-26-3)与热交换器(1-27)油侧入口相连，热交换器(1-27)油侧出口与第一主回路三通管入口(1-1-2)相连，第一主回路三通管第二出口(1-1-3)与第二主回路三通管入口(1-2-2)，第二主回路三通管出口(1-2-1)与第三主回路三通管第一入口(1-3-2)相连，第三主回路三通管出口(1-3-1)与第四主回路三通管入口(1-4-2)相连，第四主回路三通管出口(1-4-1)与第一手动球阀(1-5)入口相连，第一手动球阀(1-5)出口与泵用过滤器(1-6)入口相连，泵用过滤器(1-6)出口与导热油泵(1-7)入口相连，导热油泵(1-7)出口与第三手动球阀(1-9)入口相连；第三主回路三通管第二入口(1-3-3)与第二手动球阀(1-8)出口相连；第二手动球阀(1-8)入口和第三手动球阀(1-9)出口通过第五主回路三通管(1-10)与导热油加热器(1-11)入口相连；第一主回路三通管第一出口(1-1-1)与第九手动球阀(1-28)入口相连；
所述排气系统(2)包括第十手动球阀(2-1)、高位槽(2-2)、第一排气系统三通管(2-3)、第二排气系统三通管(2-4)、第十一手动球阀(2-5)、第十二手动球阀(2-6)以及相连管道；第十手动球阀(2-1)入口与第四主回路三通管接口(1-4-3)相连，第十手动球阀(2-1)出口与高位槽膨胀口(2-2-1)相连，高位槽溢流口(2-2-2)与第一排气系统三通管第一接口(2-3-1)相连，高位槽排气口(2-2-3)与第一排气系统三通管第三接口(2-3-3)相连，高位槽系统排气口(2-2-4)与第十二手动球阀(2-6)出口相连，第十二手动球阀(2-6)入口与第十主回路三通管第二出口(1-26-2)相连；第一排气系统三通管第二接口(2-3-2)与第二排气系统三通管第三接口(2-4-3)相连，第二排气系统三通管第二接口(2-4-2)与第十一手动球阀(2-5)入口相连，第十一手动球阀(2-5)出口与大气环境相通；第二排气系统三通管第一接口(2-4-1)与充气系统(5)中的第三充气系统手动球阀(5-5)出口相连；
所述冷却系统(3)包括涡轮流量计(3-1)、第一冷却系统三通管(3-2)、冷却水箱(3-3)、水泵(3-4)、第二冷却系统三通管(3-5)、第一冷却系统手动球阀(3-6)、第二冷却系统手动球阀(3-7)以及相连管道；涡轮流量计(3-1)出口与第一冷却系统三通管第一入口(3-2-1)相连，第一冷却系统三通管出口(3-2-2)与冷却水箱(3-3)入口相连，冷却水箱(3-3)出口与水泵(3-4)入口相连，水泵(3-4)出口与第二冷却系统三通管入口(3-5-2)相连，第二冷却系统三通管出第一出口(3-5-1)与热交换器(1-27)水侧入口相连，热交换器(1-27)水侧出口与涡轮流量计(3-1)入口相连；第一冷却系统三通管第二入口(3-2-3)通过第二冷却系统手动球阀(3-7)与第二冷却系统三通管第二出口(3-5-3)相连；
所述充排油系统(4)包括储油罐(4-1)、第十三手动球阀(4-2)以及相连管道；第二主回路三通管接口(1-2-3)与第十三手动球阀(4-2)出口相连，第十三手动球阀(4-2)入口与储油罐(4-1)底部接口相连；储油罐(4-1)顶部充气口与充气系统(5)的第二充气系统手动球阀出口(5-3)相连；
所述充气系统(5)包括氩气罐(5-1)、第一充气系统手动球阀(5-2)、第二充气系统手动球阀(5-3)、第一充气系统三通管(5-4)、第三充气系统手动球阀(5-5)以及相连管道；氩气罐(5-1)出口与第一充气系统手动球阀(5-2)入口相连，第一充气系统手动球阀(5-2)出口与第一充气系统三通管入口(5-4-2)相连，第一充气系统三通管第一出口(5-4-1)与第二充气系统手动球阀(5-3)入口相连，第二充气系统手动球阀(5-3)出口与充排油系统(4)中的储油罐(4-1)顶部充气口相连；第一充气系统三通管第二出口(5-4-3)与第三充气系统手动球阀(5-5)入口相连，第三充气系统手动球阀(5-5)出口与排气系统(2)的第二排气系统三通管(2-4)相连。
2.根据权利要求1所述的一种小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统，其特征在于：所述导热油工质为Dowtherm A。
3.根据权利要求1所述的一种小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统，其特征在于：所述实验段(1-22)可拆卸更换，包括螺旋十字型单棒和棒束通道实验段。
4.根据权利要求1所述的一种小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统，其特征在于：所述导热油加热器(1-11)为实验段(1-22)的预热段，设定导热油加热器(1-11)的出口温度，通过自动控温系统调节后达到设定温度；导热油加热器(1-11)也能够切换为手动功率控制模式。
5.根据权利要求1所述的一种小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统，其特征在于：所述主回路系统(1)中，在实验段(1-22)进出口、导热油加热器(1-11)进出口、导热油泵(1-7)出口和第八手动球阀(1-24)入口设置铠装K型热电偶，在导热油加热器(1-11)进出口分别设置压力变送器；所述冷却系统(3)中，在热交换器(1-27)水侧进出口设置铠装K型热电偶；所述充排油系统(4)中，在储油罐(4-1)顶部设置铠装K型热电偶和压力变送器。
6.根据权利要求1所述的一种小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统，其特征在于：所述第一电动阀(1-14)和第二电动阀(1-17)均为电动调节阀门，通过现场表盘控制阀门开度百分比。
7.权利要求1至6任一项所述的一种小型氟盐冷却高温堆燃料组件流动换热实验系统的工作方法，其特征在于：所述主回路系统(1)工作流程如下：导热油工质经导热油加热器(1-11)加热后，在低流量工况下，关闭第五手动球阀(1-16)，导热油工质经过第一电动阀(1-14)调节流量大小，经第一质量流量计(1-15)测量导热油的体积流量；在高流量工况下，关闭第四手动球阀(1-13)，导热油工质经过第二电动阀(1-17)调节流量大小，经第二质量流量计(1-18)测量导热油的体积流量；在实验调试阶段，关闭第六手动球阀(1-21)和第七手动球阀(1-23)，导热油工质经实验段旁通管线上的第八手动球阀(1-24)流入热交换器(1-27)；在正式实验阶段，关闭第八手动球阀(1-24)，开启第六手动球阀(1-21)和第七手动球阀(1-23)，导热油工质经实验段(1-22)后流入热交换器(1-27)；导热油工质在热交换器(1-27)中被冷却后，一部分导热油工质经泵用过滤器(1-6)过滤杂质后进入导热油泵(1-7)，经导热油泵(1-7)升压后，一部分导热油工质经旁通管线流回导热油泵(1-7)入口，通过改变旁通管线上第二手动球阀(1-8)开度调节旁通流量；另一部份导热油工质进入导热油加热器(1-11)被加热，形成循环；
所述排气系统(2)的工作流程如下：主回路系统(1)内的混合气体经过第十二手动球阀(2-6)和系统排气管路进入高位槽(2-2)中，高温槽(2-2)中的混合气体经高位槽排气口(2-2-3)和第十一手动球阀(2-5)进入大气环境；通过高位槽膨胀口(2-2-1)和第四主回路三通管接口(1-4-3)之间的膨胀管，高位槽(2-2)与主回路系统(1)之间相互交换导热油工质，高位槽(2-2)作为吸收主回路系统(1)导热油工质体积变化和维持系统压力的设备，位置高于整个导热油循环回路；
所述冷却系统(3)工作流程如下：冷却水箱(3-3)的冷却水经水泵(3-4)加压后，一部分冷却水进入热交换器(1-27)，被热交换器(1-27)油侧导热油加热，升温后的冷却水流量经涡轮流量计(3-1)测量；另一部分冷却水经第二冷却系统手动球阀(3-7)所在旁通管线与升温的冷却水汇合后流回冷却水箱(3-3)，形成循环；
所述充排油系统(4)工作流程如下：在导热油工质充入主回路系统(1)时，来自充气系统(5)的氩气充入储油罐(4-1)，储油罐(4-1)气空间压力增加，储油罐(4-1)内的导热油工质依靠压差流入主回路系统(1)；在导热油工质从主回路系统(1)排出时，来自充气系统(5)的氩气充入高位槽(2-2)，高位槽(2-2)气空间压力增加，主回路系统(1)内的导热油工质依靠压差流回储油罐(4-1)；
所述充气系统(5)工作流程如下：在充排油系统(4)中的导热油工质充入主回路系统(1)时，关闭第三充气系统手动(5-5)，开启第二充气系统手动球阀(5-3)，氩气罐(5-1)中的氩气流入储油罐(4-1)气空间；在主回路系统(1)中的导热油工质排入充排油系统(4)中时，关闭第二充气系统手动球阀(5-3)，开启第三充气系统手动球阀(5-5)，氩气罐(5-1)中的氩气流入高位槽(2-2)气空间。
8.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于：所述低流量工况的体积流量范围是0.1-1.05m3/h；所述高流量工况的体积流量范围是1.05-4.5m3/h。
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