一种低压临界热流密度实验系统及实验方法与流程

本发明属于研究堆热工水力实验研究领域，具体涉及一种低压临界热流密度实验系统及实验方法。

背景技术：

自然循环在工业中应用较为广泛，在一些公开的专利及非专利文献中都有相关技术的公开。

例如，专利1：中国专利公开号cn102661845a公布了一种可视化窄矩形自然循环系统，在该系统中采用窄矩形通道，采用可视化方法研究了窄矩形通道流动现象。专利2：中国专利公开号cn106066235a公开了超临界水窄通道自然循环装置及方法，其实验装置用于超临界水堆的换热特性研究。

脉冲堆属于池式研究堆，堆芯热量由堆池轻水自然循环导出，脉冲堆额定运行工况稳态运行额定功率为2.0mw，脉冲堆堆芯入口压力为0.16mpa，堆芯冷却剂平均流速为0.204m/s。脉冲堆运行工况属于低压低流量工况，目前该领域还没有针对低压低流量下的流动换热特性，尤其是低压低流量下出现两相流动时可能出现流动不稳定性进行相关研究的文献或专利公开。由于低压低流量工况的自然循环、加热功率、实验系统压力、进口过冷度和质量流量对临界热流密度的影响具有相互叠加作用，因此十分有必要研究上述因素对临界热流密度的影响规律，获得适用于脉冲堆运行工况下冷却剂流动临界热流密度预测经验关系式。

上述专利1由于采用窄矩形通道与脉冲堆冷却剂流动通道特征不符，因此该装置不适用于脉冲堆热工水力研究。

上述专利2的超临界水堆运行工况属于高温高压，而脉冲堆运行工况属于低温低压，因此该装置不适用于脉冲堆循环流动换热特性研究。

技术实现要素：

本发明的目的是解决了现有循环系统都无法满足针对脉冲堆的循环临界热流密度进行研究的问题，提供了一种低压临界热流密度实验系统及实验方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种低压临界热流密度实验系统，包括介质流量测量管段、预热管段、实验加热管段、介质上升管段、冷凝器、介质下降管段、第一三通阀、连接管路、第二三通阀以及供水单元；

第一三通阀的出水口、介质流量测量管段、预热管段、实验加热管段、介质上升管段、冷凝器、介质下降管段、第二三通阀、连接管路、第一三通阀的一个进水口沿着介质的流向依次连通，从而形成一个循环回路；

供水单元与所述第一三通阀的另一个进水口连通用于向循环回路中提供循环介质；

实验加热管段包括第一热电偶、第二热电偶、测压仪、压差仪、加热组件以及筒体；

加热组件包括导热芯棒、螺塞、外导电管、陶瓷内管、陶瓷外管、连接管以及定位头；

外导电管同轴套设在导热芯棒的外部，导热芯棒位于外导电管内的部分外壁上设有陶瓷内管，相应外导电管的内壁上设有陶瓷外管，陶瓷内管和陶瓷外管之间形成一个环状腔室；

导热芯棒包括上部非加热段、中部加热段以及下部非加热段；

外导电管外壁上对应所述中部加热段的位置套设快速导热筒；

第一热电偶安装在所述中部加热段对应筒体上，其测头位于所述介质流通通道内，用于测量介质的温度；

测压仪对应所述中部加热段的加热起点安装，用于测量加热起点的压力；

压差仪对应所述中部加热段的加热终点安装，用于测量加热段的压差；

第二热电偶安装在所述中部加热段对应筒体上，其测头位于所述环状腔室内，用于测量快速导热筒的温度；

外导电管上端与所述螺塞螺纹连接，外导电管下端通过连接管与定位头连接，定位头与筒体配合用于将整个加热组件固定在筒体内；

导热芯棒和外导电管分别与外部电源的正负极连接；

所述介质流量测量管段出口、实验加热管段的进口和出口、介质上升管段、冷凝器的进口和出口以及冷凝回路的管道上均安装有第三热电偶；

所述介质上升管段末端安装敞口容器。

进一步地，上述供水单元包括水箱以及水泵；第二三通阀的一个进水口与所述水箱顶部连通，水箱底部通过水泵与所述第一三通阀的一个进水口连通。

进一步地，上述第一热电偶为四个，且沿着介质流向自下而上安装在所述中部加热段对应筒体上；第二热电偶为九个，且沿着介质流向依次自下而上安装在所述中部加热段对应筒体上，相邻第二热电偶之间间距自下而上逐渐减小。

进一步地，上述筒体包括进口管以及出口管；

进口管为两端均设有法兰的弯管结构；

出口管包括竖直段、膨胀段以及水平段；竖直段、膨胀段依次连通，水平段与所述膨胀段中部连通，竖直段的下端、膨胀段上端以及水平段的左端均设有法兰；竖直段的下端通过法兰与进口管连通；水平段的左端通过法兰与所述介质上升管段连通；

膨胀段下半部分管径由下自上逐渐增大，膨胀段上半部分管径相同。

进一步地，上述介质流量测量管段包括并联设置在预热管段与连接管路之间的大流量测量管路以及小流量测量管路；大流量测量管路和小流量测量管路上沿着介质流向依次设有截止阀、质量流量计以及调节阀；所述大流量测量管路中的质量流量计量程为2t/h-15t/h；所述小流量测量管路中的质量流量计量程为0.36t/h-2t/h。

进一步地，上述系统还包括稳压装置；稳压装置包括氮气瓶、调节阀、稳压容器、压力表、背压阀、泄水阀和液位显示仪；氮气瓶通过调节阀与所述稳压容器顶部连通，稳压容器与所述介质流量测量管段连通，稳压容器顶部还设有压力表、背压阀，稳压容器底部设有泄水阀，稳压容器身部安装液位计。

进一步地，上述系统还包括冷凝泵以及冷却塔；冷凝泵、冷却塔以及冷凝器通过相应的管道和阀门连接形成冷凝回路。

进一步地，上述预热管段是通过在管道表面缠绕三根加热丝，通过相应的调压器控制功率输入，同时在缠有加热丝的管道表面覆有保温层；预热段采用220v交流电加热。

进一步地，上述供水单元还包括流量调节管路，流量调节管路的入口与水泵出水口连通，流量调节管路出口与水箱顶部连通；流量调节管路上安装流量调节阀。

基于上述实验系统的描述，本发明该提供了该实验系统的实验方法，具体步骤如下：

步骤1：开启冷凝泵电源，启动冷凝回路；

步骤2：开启预热管段，缓慢调节预热管段功率，观察实验加热管段入口温度值；

步骤3：开启实验加热管段的加热组件，缓慢增加导热芯棒功率至预定值；

步骤4：调节冷凝回路中阀门的开度，同时记录冷凝器出口温度；

步骤5：调节预热管段，维持实验加热管段进口温度为预定值不变，当实验加热管段进、出口温度以及介质流量测量管段流量稳定时记录并保存该进、出口温度值t1以及流量值q1；

步骤6：调节导热芯棒功率，当下一次实验加热管段进、出口温度以及介质流量测量管段流量稳定时的记录并保存此时进、出口温度值t2以及流量值q2；

步骤7：当任意一个第二热电偶的温度出现骤升后，通过降低导热芯棒的功率，同时记录骤升时的温度值t3；

步骤8：改变实验加热管段进口温度，重复上述步骤3-7；

步骤9：通过多次实验获得的温度值和流量值，分析获得流体介质在不同工况下的流动换热特性。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明采用介质流量测量管段、预热管段、实验加热管段、介质上升管段、冷凝器、介质下降管段、第一三通阀、连接管路、第二三通阀以及供水单元构成了低压临界热流密度实验系统，能够研究脉冲堆工况下的自然循环流动现象，同时又能简单快速地调节实验系统参数，精确地获取大量的流体温度、压力、压降、自然循环流量、壁面热流密度、壁面温度等实验参数，能够为脉冲堆工况下的自然循环换热特性及临界热流密度进行深入研究，为脉冲堆安全运行提供支撑，实验加热管段布置了第一热电偶和第二热电偶不仅能够测量介质的温度情况，同时又能够准确记录加热组件温度变化情况和出现临界热流密度时快速切断加热组件功率输入，防止加热组件被烧毁，为脉冲堆工况下的循环流动换热特性和临界热流密度研究提供精确可靠的数据。

2、本发明的供水单元采用水箱和水泵，并且通过切换第一三通阀和第二三通阀，能够实现自然循环和强迫循环两种模式下的实验，使得实验模式多样化，获得的实验结果多样化。

3、本发明布置了多个第一热电偶和第二热电偶，温度监测点布置合理，最为重要的是第二热电偶在加热组件上端布置趋于密集，易于掌握出现临界热流密度时的准确位置。

4、本发明在自然循环回路中加入简单可行的稳压装置，能够实现稳定的压力控制。

附图说明

图1为实验系统结构图。

图2为实验系统实验加热管段的结构图。

图3为进口管的结构图；

图4为出口管的结构图；

图5加热组件的结构图；

图6为九个第二热电偶的分布示意图。

附图标记如下：

1-介质流量测量管段、2-预热管段、3-实验加热管段、31-第一热电偶、32-第二热电偶、33-测压仪、34-加热组件、341-导热芯棒、3411-上部非加热段、3412-中部加热段、3413-下部非加热段、342-螺塞、343-外导电管、344-陶瓷内管、345-陶瓷外管、346-连接管、347-定位头、348-环状腔室、349-快速导热筒、35-筒体、351-进口管、3511-进口缓冲法兰、3512-水平缓冲段、3513-弯管段、3514-竖直缓冲管段、3515-进口底部法兰、352-出口管、3521-竖直段、3522-膨胀段、3523-水平段、36-压差仪、4-介质上升管段、5-冷凝器、6-介质下降管段、7-第一三通阀、8-连接管路、9-水箱、10-第二三通阀、11-水泵、12-截止阀、13-质量流量计、14-调节阀、15-敞口容器、16-氮气瓶、17-稳压容器、18-压力表、19-背压阀、20-泄水阀、21-液位显示仪、22-冷凝泵、23-冷却塔、24-第三热电偶、

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种低压临界热流密度实验系统及实验方法作进一步详细说明。根据下面说明本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

本实施例提供一种低压临界热流密度实验系统，本实验系统参数：压力范围0.13-1mpa，温度10℃-150℃；实验回路最高处与最低点之间高低差5.36m；本实验系统所用流体为去离子水，具体结构如图1所示，包括介质流量测量管段1、预热管段2、实验加热管段3、介质上升管段4、冷凝器5、介质下降管段6、第一三通阀7、连接管路8、第二三通阀10以及供水单元；本实施例中供水单元包括水箱9、水泵11以及相应管道，管道采用不锈钢，内径30mm，水泵流量0-20t/h，扬程30m，；

第一三通阀7的出水口图中d口、介质流量测量管段1、预热管段2、实验加热管段3、介质上升管段4、冷凝器5、介质下降管段6、第二三通阀10、连接管路8、第一三通阀7的一个进水口图中f口沿着介质的流向依次连通，从而形成一个循环回路此时，第二三通阀10的a口和b口连通，c口关闭；

水箱9顶部通过水泵11与所述第一三通阀7的另一个进水口图中e口连通用于向循环回路中提供循环介质本实施例的介质为去离子水；

介质流量测量管段1出口、实验加热管段3的进口和出口、介质上升管段4、冷凝器6的进口和出口以及冷凝回路的管道上均安装有第三热电偶24；介质上升管段4末端安装敞口容器15。

当需要介质自然循环时，第一三通阀7的d、e、f口全部打开，第二三通阀10的a、b口打开、c口关闭，先通过水泵11向循环回路中注满去离子水可通过观察敞口容器15中去离子水占据其1/3容积时认为此时循环回路以注满去离子水，之后关闭水泵11、第一三通阀7的f口以及第二三通阀10的c口，循环回路切换为自然循环状态，自然循环中，通过实验加热管段3加热去离子水温度升高，在密度差作用下向上流动经过介质上升管段4到达冷凝器5，在冷凝器5作用下流体温度降低，再通过介质下降管段6，通过介质流量测量管段1获得自然循环质量流量。由于自然循环流量大小与回路阻力特性和加热功率密切相关，不同加热功率下去离子水温度不同，导致去离子水密度不同，因此自然循环流量不同。

当需要介质强迫循环时，第一三通阀7的e、f口打开，d口关闭，第二三通阀10的a、c口打开、b口关闭(即连接管路8断开，此时水箱成为循环回路中的一部分)，循环回路切换为强迫循环状态，开启水泵11向回路中的介质持续提供循环的动力；

本实施例中的实验加热管段3为低电压高电流加热方式，最大电流为3500ka，最大电压18v，具体结构如图2所示，包括第一热电偶31、第二热电偶32(图2中未示出，具体见图6)、测压仪33、加热组件34以及筒体35；

加热组件34套设在筒体35内，且加热组件34和筒体35之间形成介质流通通道；

筒体35，包括进口管351以及出口管352；

进口管351为两端均设有法兰的弯管结构；具体结构如图3所示，包括进口缓冲法兰3511、水平缓冲段3512、弯管段3513、竖直缓冲管段3514和进口底部法兰3515。进口管351的直径为50mm，采用不锈钢材料制作，水平缓冲段3512和竖直缓冲管3514长度分别为200mm和150mm，竖直缓冲管3514能够保证流体在实验段中充分发展。

如图4所示，出口管352包括竖直段3521、膨胀段3522以及水平段3523；竖直段3521、膨胀段3522依次连通，水平段3523与所述膨胀段3522中部连通，竖直段3521的下端、膨胀段3522上端以及水平段3523的左端均设有法兰；竖直段3521的下端通过法兰与进口管351连通；水平段3523的左端通过法兰与所述介质上升管段4连通；膨胀段3522下半部分管径由下自上逐渐增大，膨胀段3522上半部分管径相同，在实验中保证流体受热膨胀后有一定长度的缓冲，保证实验过程中压力的稳定性；其中，竖直段3521通过粗棒单通道的流通面积与加热周长之间的比例，确定管径为45.3mm，该设计能够保证流动的热工水力相似。水平段3523内径60mm，长度200mm，采用不锈钢管道，流道不锈钢壁厚7mm，能够满足实验承压要求。该筒体多处采用法兰连接，方便整个装置的快速安装撤换。

本实施例中加热组件34的结构如图5所示，包括导热芯棒341、螺塞342、外导电管343、陶瓷内管344、陶瓷外管345、连接管346以及定位头347；

外导电管343同轴套设在导热芯棒341的外部，导热芯棒341的位于外导电管343内的部分外壁上设有陶瓷内管344，相应外导电管343的内壁上设有陶瓷外管345，陶瓷内管344和陶瓷外管345之间形成一个环状腔室348；

导热芯棒341包括上部非加热段3411、中部加热段3412以及下部非加热段3413；其中，中部加热段3412长度为390mm，外径37.2mm，上部非加热段3411长度为400mm，下部非加热段3413长度为700mm。

外导电管343外壁上对应所述中部加热段3412的位置套设快速导热筒349；快速导热筒349材质为因科镍625，厚度0.6mm，有效长度390mm，其横截面积小，管壁薄，热阻大，该结构设计能够保证加热管面最大功率输出55kw。

第一热电偶31安装在所述中部加热段3412对应筒体35上，其测头位于所述介质流通通道内，用于测量介质的温度；本实施例中第一热电偶31为四个，且沿着介质流向自下而上安装在所述中部加热段3412对应筒体上；

测压仪33对应所述中部加热段的加热起点安装，用于测量加热起点的压力；

压差仪36对应所述中部加热段的加热终点安装，用于测量加热段的压差；

第二热电偶32安装在所述中部加热段3412对应筒体上，其测头位于所述环状腔室348内，用于测量快速导热筒349的温度；本实施例中第二热电偶32为九个，且沿着介质流向依次自下而上安装在所述中部加热段3412对应筒体上，相邻第二热电偶32之间间距自下而上逐渐减小，具体排布方式如图5所示，九个第二热电偶沿轴向距离中部加热段末端位置分别为10mm、30mm、50mm、70mm、100mm、150mm、200mm、300mm、390mm。这种热电偶非均匀布置的方式，能够准确判断临界热流密度的出现，防止加热棒被烧毁。

外导电管343上端与所述螺塞342螺纹连接，外导电管343下端通过连接管346与定位头347连接，定位头347与筒体35配合用于将整个加热组件固定在筒体内；导热芯棒341和外导电管343分别与外部电源的正负极连接；导电芯棒21和外导电管23采用筒棒，导电铜棒耐温350℃。

介质流量测量管段1出口、实验加热管段3的进口和出口、介质上升管段4、冷凝器6的进口和出口以及冷凝回路的管道上均安装有第三热电偶24；

本实施例中介质流量测量管段1包括并联设置在预热管段2与连接管路8之间的大流量测量管路以及小流量测量管路；大流量测量管路和小流量测量管路上沿着介质流向依次设有截止阀12、质量流量计13以及调节阀14；所述大流量测量管路中的质量流量计量程为2t/h-15t/h；小流量测量管路中的质量流量计量程为0.36t/h-2t/h。两组流量测量管路可根据循环回路中流量大小，通过截止阀12来选择其中一支路作为循环回路流量测量管路。

在自然循环中，去离子水受热后膨胀后，自然循环回路压力升高。为了获得稳定压力，不同进口温度条件下的自然循环换热特性及临界热流密度现象，需要在循环回路中安装稳压装置。本实施例在介质流量测量管段1出口处设有稳压装置，具体结构如图1所示，包括氮气瓶16、调节阀14、稳压容器17、压力表18、背压阀19、泄水阀20和液位显示仪21；氮气瓶16通过调节阀14与所述稳压容器17顶部连通，稳压容器17与所述介质流量测量管段1连通，稳压容器17顶部还设有压力表18、背压阀19，稳压容器17底部设有泄水阀20，稳压容器17身部安装液位计21。在实验开始前，通过调节阀14向稳压容器17中通如氮气，然后设定背压阀19的压力为预定值。在实验中，当回路的压力升高时，背压阀19会不断排气，维持自然循环回路相对稳定的压力。

本实施例的冷凝器5外部设置冷凝泵22、冷却塔23；三者通过相应的管道和阀门连接形成冷凝回路；冷凝回路中，冷凝管道采用不锈钢管道，内径80mm，换热器换热面积13m²，通过冷凝泵调节冷凝回路流量大小，冷凝泵流量0-20t/h，扬程30m，实现对实验加热管段热流体温度的冷凝作用，同时采用第三热电偶测量冷凝器出口温度。

本实施例的预热管段是通过在管道表面缠绕三根加热丝，管道直径30mm，有效长度2.0m，每根加热丝功率5kw，采用220v交流电加热，通过相应的调压器控制功率输入，同时在缠有加热丝的管道表面覆有厚度100mm的保温层。

本实施例中在供水单元中还包括流量调节管路25，流量调节管路25的入口与水泵11出水口连通，流量调节管路25出口与水箱9顶部连通；流量调节管路25上安装流量调节阀4，通过控制调节阀来控制流量。

根据上述实验系统结构描述，现对该实验系统进行实验的具体过程进行如下介绍：

步骤1：开启冷凝泵电源，启动冷凝回路；

步骤2：开启预热管段，缓慢调节预热管段功率，观察实验加热管段3入口温度值；

步骤3：开启实验加热管段3的加热组件34，缓慢增加导热芯棒341功率至预定值；

步骤4：调节冷凝回路中阀门的开度，同时记录冷凝器出口温度；

步骤5：调节预热管段2，维持实验加热管段3进口温度为预定值不变，当实验加热管段3进、出口温度以及介质流量测量管段1流量稳定时记录并保存该进、出口温度值t1以及流量值q1；

步骤6：调节导热芯棒341功率，当下一次实验加热管段3进、出口温度以及介质流量测量管段1流量稳定时的记录并保存此时进、出口温度值t2以及流量值q2；

步骤7：当任意一个第二热电偶的温度出现骤升后，通过降低导热芯棒341的功率，同时记录骤升时的温度值t3；

步骤8：改变实验加热管段3进口温度，重复上述步骤3-7；

步骤9：通过多次实验获得的温度值和流量值，分析获得流体介质在不同工况下的流动换热特性；

步骤10：实验结束后，关闭导热芯棒341的电源输入，关闭预热管段电源，待回路水的温度和导热芯棒341温度降低到常温后，最后再关闭冷凝回路冷凝泵。

需要说明的是：上述实验过程同时适用于自然循环状态和强迫循环状态，在实际实验过程中，只需切换相关管路和阀门，按照上述步骤执行两种循环状态下的实验。