强内热源多孔介质通道强迫对流换热实验装置

摘要

本发明提供的是一种含强内热源的多孔介质通道强迫对流换热实验装置。主要是由储水箱、冷却器、稳压罐、过滤器、预热器、球床实验段、汽-水分离器、冷凝-冷却器、回水槽、冷却水水箱、冷却塔通过管道连接组成，球床实验段外设置电磁感应器，冷却器与过滤器之间设置有循环水泵，冷却水水箱与冷凝-冷却器和冷却器之间设置有冷却水水泵，管道的相关位置处设置阀门或测量仪表，测量仪表与数据采集系统连接。本发明通过采用合适的技术和合理的设计，实现对多孔介质通道全部金属球同时加热，使之成为含强内热源的多孔介质通道，进而较真实地模拟球床水冷反应堆通道的加热情况。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种实验装置，具体地说是一种多孔介质通道强迫对流换热实验装置，特别是一种含强内热源的多孔介质通道强迫对流换热实验装置。属于热工水力技术领域

背景技术

世界性的能源短缺和日益显著的温室效应与环境恶化，促使人们在致力于发展大型先进反应堆的同时，也在努力探索研制中小型反应堆以满足与日俱增的多样化能源与动力需求，球床水冷反应堆就是其中最引人注目的堆型之一。它是将目前世界上使用最多、技术最成熟的水冷反应堆技术与性能优异的新型球形燃料元件有机地结合起来，发展一种小型化、模块化、长寿命反应堆，具有很高的固有安全性和防止核扩散能力，可以实现多种用途目的，尤其是在长寿命可移动反应堆方面极具发展潜力。

实验是科学研究不可缺少的重要手段，所有的理论分析或数值计算结果都需要得到实验的验证。在球床水冷反应堆中，燃料球致密排列，充满燃料管，具有很高的体积功率密度，构成含强内热源固体相多孔介质通道，冷却剂以很高的流速流过并与燃料球进行强烈的热量交换，这与目前压水堆具有规则的外壁加热通道存在显著区别，因此，不能简单采取传统的实验方法进行实验研究，急需开发新的实验与测量技术，这也是决定球床水冷反应堆热工水力特性研究能否取得实质性进展的关键。

对于含内热源多孔介质中的传热特性研究，目前开发的实验装置主要有两类：一类是以反应堆堆芯严重烧毁后形成的堆积床冷却为应用背景，采用电磁感应加热的方式对含内热源多孔介质进行池沸腾换热实验(如：P，M Groll，R Kulenovic.Basic investigationson debris cooling，Nuclear Engineering and Design，2006，236：2104 2116；A Zeisberger，F Mayinger.Heat transport and void fraction in granulated debris，NuclearEngineering and Design，2006，236：2117 2123；K Atkhen，G Berthoud.SILFIDEexperiment：Coolability in a volumetrically heated debris bed，Nuclear Engineeringand Design，2006，236：2126 2134)。这类实验装置一般只能进行浸没式池沸腾换热实验，而不能进行强迫流动换热实验，尤其不能进行高流速强迫流动换热实验。另一类是以球床反应堆堆芯传热特性为应用背景，采用在球床内埋设单个或数个电加热金属球的方法，在高流速区进行有相变或无相变强迫对流换热实验(如：S.Rimkevicius，E.Uspuras.Experimentalinvestigation of pebble beds thermal hydraulic characteristics，Nuclear Engineeringand Design，2008，238：940 944；昝元峰，王涛涛，肖泽军等.含内热源多孔介质的局部换热特性实验研究，核动力工程，2008，29(1)：57-60，65)。这类实验装置的主要不足在于：要求实验球尺寸比较大，功率密度低，无法应用于具有毫米尺度的燃料球实验模拟，也难以对大量的实验球同时加热，且存在冷壁效应，因此不能满足球床水冷反应堆发展的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真实地模拟球床水冷反应堆通道的加热情况的强内热源多孔介质通道强迫对流换热实验装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的含强内热源的多孔介质通道强迫对流换热实验装置主要是由储水箱、冷却器、稳压罐、过滤器、预热器、球床实验段、汽-水分离器、冷凝-冷却器、回水槽、冷却水水箱、冷却塔通过管道连接组成，球床实验段外设置电磁感应器，冷却器与过滤器之间设置有循环水泵，冷却水水箱与冷凝-冷却器和冷却器之间设置有冷却水水泵，管道的相关位置处设置阀门或测量仪表，测量仪表与数据采集系统连接。

本发明还可以包括：

1、所述电磁感应器的主体是一个用紫铜方管制成的螺旋线圈，由中频电源供电，每匝线圈之间都留有一定的间隙。

2、所述球床实验段由石英玻璃管内密实填充导磁性金属球构成，球床实验段中呈网状布置有微细铠装热电偶，球床实验段的进出口布置有温度传感器和压力传感器。

3、所述的汽-水分离器为圆柱形，由下封头、筒体和上封头构成汽-水分离器的外壳，外壳上开有切向进汽口、出汽口和疏水口，内置带沿挡水环板和汽-水分离孔板。

4、所述的冷凝-冷却器为弓形折流板换热器，主要由前水室、管程进口、壳程出口、筒体、传热管、上支撑隔板、后水室、壳程出、下支撑隔板、管程出口组成。

本发明通过采用合适的技术和合理的设计，实现对多孔介质通道全部金属球同时加热，使之成为含强内热源的多孔介质通道，进而较真实地模拟球床水冷反应堆通道的加热情况。

本发明是一种可以进行竖直多孔介质通道强迫对流换热实验的装置，主要包括储水箱、冷却器、稳压罐、过滤器、循环水泵、流量计、预热器、电磁感应器、球床实验段、汽-水分离器、冷凝-冷却器、回水槽、冷却水水泵、冷却水水箱、冷却塔，以及相关的阀门、温度、压力测量仪表和数据采集系统。

所述的电磁感应器主体是一个用紫铜方管制成的螺旋线圈，由中频电源供电，并通过合理地选择电源频率，使得电磁感应器能够对全部实验球进行比较均匀的加热，每匝线圈之间都留有一定的间隙以便于对球床通道内的沸腾情况进行可视化观察。电磁感应器的有效加热功率可达80kW，体积热流密度达到50MW/m³，使整个球床通道成为含强内热源的多孔介质通道。

所述的球床实验段采用石英玻璃管内密实填充导磁性金属球构成，金属球经氧化处理，使其表面生成一层密实的氧化层，这样一方面可以阻隔相邻金属球间因导电而出现打火或局部发热，同时也使球床的导磁性增加，进而使球床得到比较均匀的加热。球床实验段中呈网状布置有微细铠装热电偶用于测量球床温度和实验介质温度，在实验段的进出口布置有温度传感器和压力传感器进行温度测量和压力测量。

所述的汽-水分离器为圆柱形，由下封头、筒体和上封头构成汽-水分离器的外壳，其上开有切向进汽口、出汽口和疏水口，内置带沿挡水环板和汽-水分离孔板。使用时，汽-水混合物沿切向从进汽口进入汽-水分离器，在离心力的作用下进行第一次汽-水分离，湿蒸汽在向上流动的过程中，穿过孔板进行第二次分离。通过两次分离，实现对实验段出口汽-水混合物的高效分离，其中汽相通过分离器上封头的出口流向冷凝-冷却器，水相通过分离器下封头的疏水口，经经隔离阀和自动疏水阀及疏水管流向回水槽。在汽-水分离器的出口管道上安装有安全阀以防止系统超压。

所述的冷凝-冷却器采用弓形折流板换热器，主要由前水室、管程进口、壳程出口、筒体、传热管、上支撑隔板、后水室、壳程出口、下支撑隔板、管程出口等部分组成，用于对实验段出口介质的冷凝或冷却。在进行单相对流换热实验时，换热器呈现水-水换热方式；在进行沸腾换热实验时，换热器呈现冷凝换热方式。通常情况下，由于水-水换热器和冷凝器壳侧换热工质的形态和换热机理不同，因此，两种换热器的壳侧结构一般也有很大区别。在本发明中，为了兼顾沸腾换热实验和单相对流换热实验，设计了冷凝-冷却器，换热器结构总体上接近于弓形折流板水-水换热器，其中上支撑隔板保持单弓形结构，而将下支撑隔板设计成非对称双弓形折流板，从而保证换热器处于水-水换热方式时有较高的效率，当处于冷凝换热方式也可以进行有效换热和顺畅的凝结水疏水。

所述的冷却器采用普通的弓形折流板换热器。冷却器安装在循环水泵的入口处，用于控制实验段的入口温度和防止循环水泵发生气蚀，在循环水泵的出口引一旁通回路至冷却器的入口，并通过阀门调节旁通流量，使冷却器内的工质在各种实验工况下都具有较高的流速，从而保证冷却器具有较高的换热效率。

所述的预热器采用电加热式换热器，安装在实验段入口，通过调压器调节换热器加热功率，与冷却器配合，将实验段入口温度调整至预设值。

所述的回水槽位置高于储水箱位置，从汽-水分离器和冷凝-冷却器流出的疏水靠重力经疏水管从顶部流回储水箱，使储水箱内的水呈现冷热分层，这样一方面可以通过散热使水降温，另一方面也在水箱上部形成热水水封，防止空气再溶入水中。

所述的冷却器和冷凝-冷却器所需的冷却水由冷却水水泵从冷却水水箱汲取，分两路分别提供给两个换热器进行冷却换热，换热后的冷却水均流入冷却塔进行冷却，然后再流回冷却水水箱。

实验回路中还设置有稳压罐、过滤器、涡轮流量计和多个阀门，用于减小循环水泵出口压力波动、过滤实验工质中的固体杂质颗粒、工质的流量测量和设备的隔离与流量调整。

实验中，工质流量由位于流量计出口的阀门调节。当流量很小时，分别在汽-水分离器和冷凝-冷却器的输水管出口用称重法测量流量，以保证测量具有足够的精度；当流量较大时，根据流量范围选择两只涡轮流量计中的一个进行流量测量，同时用称重法测量冷凝-冷却器的凝结水量。在此基础上，即可根据总流量和凝结水量(或汽-水分离器的疏水量)计算得到实验段出口的含汽率。球床的总加热功率由中频电源调节，总的有效换热量则是根据测得的汽-水分离器和冷凝-冷却器的疏水流量以及实验段进口温度计算得到。实验段的平均换热系数是根据测得的实验段球床平均温度、平均水温和总的有效换热量求得；沸腾起始点位置是根据测量得到的实验段球床轴向温度分布和可视化观察得到的沸腾情况进行综合判断；两相流动不稳定性是根据涡轮流量计和压力传感器测得的参数进行研究和判断；气泡行为特性的研究则是通过电磁感应器线圈匝与匝之间的间隙，利用高速摄影仪进行可视化观测汽泡的生长和流型的演变。

所述的实验装置既可以进行单相强迫对流换热，也可以进行流动沸腾换热实验，以及沸腾起始点、两相流动不稳定性、气泡行为特性等实验。

当进行单相强迫对流换热时，需先关闭汽-水分离器的疏水隔离阀，打开冷凝-冷却器的冷却水控制阀门和进气阀，以及冷却器的冷却水控制阀，然后启动冷却水水泵，并将冷凝-冷却和冷却器的冷却水流量调整至适当值，之后再启动循环水泵，将实验工质从储水箱中汲出，经冷却器、过滤器、流量计、预热器、实验段、汽-水分离器、冷凝-冷却器和疏水管流入回水槽，最后再经回水管流回储水箱。实验中，工质流量由位于流量计出口的阀门调节。当流量很小时，在冷凝-冷却器疏水管出口用称重法测量流量，以保证测量具有足够的精度；当流量较大时，根据流量范围选择两只涡轮流量计中一个进行流量测量。球床的总加热功率由中频电源调节，总的有效换热量则是根据测得的工质流量和实验段进出口温度计算得到。球床的平均换热系数是根据测得的球床平均温度、平均水温和总的有效换热量求得，球床的局部换热量则是根据实时测得的当地球温和水温的动态升温特性，然后利用动态传热方程计算。

当进行流动沸腾换热实验，以及与流动沸腾换热相关的沸腾起始点、两相流动不稳定性、气泡行为特性等实验时，需先打开汽-水分离器的疏水隔离阀和冷凝-冷却器的进气阀和冷却水控制阀门，然后启动冷却水水泵，并过阀门将冷却水流量在冷凝-冷却器和冷却器之间进行适当分配，之后再启动循环水泵，将实验工质从储水箱中汲出，经冷却器、过滤器、流量计和预热器后进入实验段，从实验段内流出的汽-水混合物在汽-水分离器内被相互分离，水相从汽-水分离器的下端经疏水隔离阀、疏水阀和输水管道流入回水槽，汽相进入冷凝-冷却器并被凝结成水，然后从疏水管流入回水槽。流入回水槽的水在重力的作用下经回水管全部流回储水箱。

附图说明

图1是本发明的实验装置流程图；

图2是实验段结构示意图；

图3是汽-水分离器结构示意图；

图4是冷凝-冷却器结构示意图；

图5是冷凝-冷却器下支撑隔板结构示意图；

具体实施方式

下面给出本发明的优选实施方案，并结合附图加以说明。

如图1所示，一种含强内热源的多孔介质通道强迫对流换热实验装置，主要包括储水箱1、冷却器3、循环水泵5、稳压罐7、过滤器8、流量计10，13、预热器16、电磁感应器20、球床实验段21、汽-水分离器26、冷凝-冷却器29、回水槽37、冷却水水泵15、冷却水水箱22、冷却塔23，以及相关的阀门2、4、6、9、11、12、14、19、27、28、31、34、35、温度测量仪表17、24、32、压力测量仪表18、25、30和数据采集系统。

电磁感应器20的主体是一个用紫铜方管制成的螺旋线圈，由中频电源供电，并通过合理地选择电源频率，使得电磁感应器能够对全部实验球进行比较均匀的加热，每匝线圈之间都留有一定的间隙以便于对球床通道内的沸腾情况进行可视化观察。电磁感应器的有效加热功率可达80kW，体积热流密度达到50MW/m³，使整个球床通道成为含强内热源的多孔介质通道。

如图2所示，球床实验段21采用石英玻璃管21-1内密实填充导磁性金属球21-3构成。金属球经氧化处理，使其表面生成一层密实的氧化层，这样一方面可以阻隔相邻金属球间因导电而出现打火或局部发热，同时也使球床的导磁性增加，进而使球床得到比较均匀的加热。球床实验段中呈网状布置有微细铠装热电偶21-2用于测量球床温度和实验介质温度，在实验段的进出口布置有温度传感器17、24和压力传感器18、25进行温度测量和压力测量。

如图3所示，汽-水分离器为圆柱形，由下封头26-2、筒体26-4和上封头26-7构成汽-水分离器的外壳，其上开有切向进汽口26-3、出汽口26-6和疏水口26-1，内置带沿挡水环板26-8和汽-水分离孔板26-5。使用时，汽-水混合物沿切向从进气口26-3进入汽-水分离器，在离心力的作用下进行第一次汽-水分离，湿蒸汽在向上流动的过程中，穿过孔板26-5进行第二次分离。经过两次分离，实现对实验段21出口汽-水混合物的高效分离，其中汽相通过分离器上封头的出口26-6流向冷凝-冷却器，水相通过分离器下封头的疏水口26-1，经隔离阀34和自动疏水阀35及疏水管36流向回水槽37。在汽-水分离器的出口管道上安装有安全阀31以防止系统超压。

如图4所示，冷凝-冷却器采用弓形折流板换热器，主要由前水室29-1、管程进口29-2、壳程出口29-3、筒体29-4、传热管29-5、上支撑隔板29-6、后水室29-7、壳程出口29-8、下支撑隔板29-9、管程出口29-10等部分组成，用于对实验段出口介质的冷凝或冷却。在进行单相对流换热实验时，换热器呈现水-水换热方式；在进行沸腾换热实验时，换热器呈现冷凝换热方式。通常情况下，由于水-水换热器和冷凝器壳侧换热工质的形态和换热机理不同，因此，两种换热器的壳侧结构一般也有很大区别。在本发明中，为了兼顾沸腾换热实验和单相对流换热实验，设计了冷凝-冷却器，换热器结构总体上接近于弓形折流板水-水换热器，其中上支撑隔板保持单弓形结构，而将下支撑隔板设计成如图5所示的非对称双弓形折流板，从而保证换热器在处于水-水换热方式时有较高的效率，当处于冷凝换热方式也可以进行有效换热和顺畅的凝结水疏水。

冷却器3采用普通的弓形折流板换热器。冷却器3安装在循环水泵5的入口处，用于控制实验段21的入口温度和防止循环水泵5发生气蚀，在循环水泵5的出口引一旁通回路至冷却器3的入口，并通过阀门4调节旁通流量，使冷却器3内的工质在各种实验工况下都具有较高的流速，从而保证冷却器3具有较高的换热效率。

预热器16采用电加热式换热器，安装在实验段21入口，通过调压器调节换热器加热功率，与冷却器3配合，将实验段21入口温度调整至预设值。

回水槽37的位置高于储水箱1的位置，从汽-水分离器26和冷凝-冷却器29流出的疏水靠重力经疏水管38从顶部流回储水箱1，使储水箱1内的水呈现冷热分层，这样一方面可以通过散热使水降温，另一方面也在储水箱上部形成热水水封，防止空气再溶入水中。

冷却器3和冷凝-冷却器29所需的冷却水由冷却水水泵15从冷却水水箱22汲取，分两路分别提供给两个换热器进行冷却换热，换热后的冷却水均流入冷却塔23进行冷却，然后再流回冷却水水箱22。

实验回路中设置的稳压罐7、过滤器8和涡轮流量计10、13用于减小循环水泵出口压力波动、过滤实验工质中的固体杂质颗粒以及工质的流量测量。设置阀门2、19分别用于储水箱1和冷却水水箱22的隔离，设置阀门4用于循环水泵5回水流量调节，设置阀门9、12用于流量计的隔离，设置阀门11、14用于流量调节，设置阀门6、27用于冷却水流量分配，设置阀门34用于隔离汽-水分离器26的疏水管路，设置阀门28用于隔离冷凝-冷却器。

实验中，工质流量由位于流量计10或13出口的阀门11或14调节。当流量很小时，分别在汽-水分离器26和冷凝-冷却器29的输水管36、33出口用称重法测量流量，以保证测量具有足够的精度；当流量较大时，根据流量范围选择两只涡轮流量计10、13中的一个进行流量测量，同时用称重法测量冷凝-冷却器29的凝结水量。在此基础上，即可根据总流量和凝结水量(或汽-水分离器26的疏水量)计算得到实验段出口的含汽率。球床的总加热功率由中频电源调节，总的有效换热量则是根据测得的汽-水分离器26和冷凝-冷却器29的疏水流量以及实验段21进口温度计算得到。实验段21的平均换热系数是根据测得的实验段21平均温度、平均水温和总的有效换热量求得；沸腾起始点位置是根据测量得到的实验段21轴向温度分布和可视化观察得到的沸腾情况进行综合判断；两相流动不稳定性是根据涡轮流量计10或13和压力传感器18、25测得的参数进行研究和判断；汽泡行为特性的研究则是通过电磁感应器20线圈匝与匝之间的间隙，利用高速摄影仪进行可视化观测汽泡的生长和流型的演变。

本发明实验装置既可以进行单相强迫对流换热实验，也可以进行流动沸腾换热实验，以及沸腾起始点、两相流动不稳定性、气泡行为特性等实验。

当进行单相强迫对流换热时，需先关闭汽-水分离器26的疏水隔离阀34，打开冷凝-冷却器29的冷却水控制阀门27和进汽阀28，以及冷却器3的冷却水控制阀6，然后启动冷却水水泵15，并将冷凝-冷却器29和冷却器3的冷却水流量调整至适当值，之后再启动循环水泵5，将实验工质从储水箱1中汲出，经冷却器3、过滤器8、流量计10或13、预热器16、实验段21、汽-水分离器26、冷凝-冷却器29和疏水管33流入回水槽37，最后再经回水管38流回储水箱1。实验中，工质流量由位于流量计10或13出口的阀门11或14调节。当流量很小时，在冷凝-冷却器29疏水管出口用称重法测量流量，以保证测量具有足够的精度；当流量较大时，根据流量范围选择两只涡轮流量计10、13中一个进行流量测量。球床的总加热功率由中频电源调节，总的有效换热量则是根据测得的工质流量和实验段进出口温度计算得到。球床的平均换热系数是根据测得的球床平均温度、平均水温和总的有效换热量求得，球床的局部换热量则是根据实时测得的当地球温和水温的动态升温特性，然后利用动态传热方程计算。

当进行流动沸腾换热实验，以及与流动沸腾换热相关的沸腾起始点、两相流动不稳定性、气泡行为特性等实验时，需先打开汽-水分离器26的疏水隔离阀34和冷凝-冷却器29的进气阀28和冷却水控制阀门27，然后启动冷却水水泵22，并通过阀门6、28将冷却水流量在冷凝-冷却器29和冷却器3之间进行适当分配，之后再启动循环水泵5，将实验工质从储水箱1中汲出，经冷却器3、过滤器8、流量计10或13和预热器16后进入实验段21，从实验段21内流出的汽-水混合物在汽-水分离器26内被相互分离，水相从汽-水分离器26的下端经疏水隔离阀34、疏水阀35和输水管道36流入回水槽37，汽相进入冷凝-冷却器29并被凝结成水，然后从疏水管33流入回水槽37。流入回水槽37的水在重力的作用下经回水管38全部流回储水箱1。

与现有实验装置相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过系统和设备的合理设计使实验装置可以对实验球床整体进行强内热源加热，实验系统既可以进行单相强迫对流换热实验，也可以进行流动沸腾换热实验；既可以进行层流低流速条件下的传热实验，也可以进行紊流高流速条件下的传热实验；既可以进行传热性能实验，也可以进行沸腾起始点、流动不稳定性实验；既可以进行球床平均传热特性实验，也可以进行球床功率分布实验，使得本发明不仅实现一台多用，而且可以在宽广的参数范围内进行实验研究。

2、本发明设计的冷凝-冷却器可以兼顾满足水-水换热器和冷凝器的要求，实现一器多用。

3、本发明设计的汽-水分离器结构简单，同时应用了离心分离原理和惯性分离原理，使得分离器具有较高的效率和较低的流动阻力。