一种用于系统自然循环能力提升研究的两相流动装置

摘要

本发明提供一种用于系统自然循环能力提升研究的两相流动装置，由循环水系统、气泡发生装置、空气供应系统和数据采集系统组成。循环水系统主要包括开式水箱、过滤装置、热交换器以及其他相关管道和阀门；气泡发生装置是本装置的核心，由外部套筒和多孔介质套筒组成；空气供应系统主要包括空气压缩机、储气罐、减压阀；数据采集系统主要由一体化数据采集系统、高速摄影系统、气体质量流量计、电磁流量计、压力传感器、温度传感器组成。本发明可以有效地避免主动注气对自然循环系统扰动的问题，减小介入循环回路的附加阻力，装置简单易操作且发泡均匀，能获得稳定的泡状流，有助于自然循环、两相流动的科学研究以及非能动安全系统工程设计。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于系统自然循环能力提升研究的两相流动装置，应用在核反应堆安全冷却系统及热工水力技术领域中。

背景技术

众所周知，在核电厂中，安全壳内设置了核蒸汽供应系统的大部分系统和设备。因此，从核安全观点出发，在任何情况下都要保证安全壳的完整性，以防止放射性外泄。然而，当核反应堆发生失水事故或主蒸汽管道破裂等事故时，高温高压水会通过破口进入安全壳内，这些排放物在低压条件下会变成水蒸汽，水蒸汽与安全壳内空气共同作用，引起安全壳环境内压力和温度的升高，从而威胁安全壳的完整性。进一步地，随着事故的发展，由于堆芯燃料元件的失效而发生锆水反应，反应中产生的氢气也将会排入安全壳内，引起安全壳的进一步升压。在这种情况下，如何安全可靠的带走事故条件下排入安全壳内的热量，就成为确保安全壳结构完整性、控制事故后果的关键问题。因此，核科学家们在新一代压水堆的设计建造中引入了非能动安全壳冷却系统(Passive Containment Cooling System，PCCS)。其工作原理是利用系统回路内冷热流体的密度差产生的自然循环驱动力，依靠驱动力和系统阻力之间的平衡匹配形成回路循环，通过冷凝和对流传热的方式，对壳内环境缓慢降温，进而降压实现其安全功能。该非能动安全冷却系统可以大大提高核电站抵御事故的能力，减小严重事故发生的可能性。

在事故发生后，水箱作为整个系统的热阱，其中的水直接进入系统循环换热。当流动工质流经安全壳内的换热器时，采用对流换热(单相)或者管内沸腾换热(两相)的传热机制带走安全壳内的热量。水箱内的水温随着时间的变化而逐渐升高，直至水温达到大气压下的饱和温度。然而根据工程实践和实验研究发现:在长期运行工况下，随着安全壳释热功率的降低，系统易发生闪蒸流动不稳定现象。而这种流动不稳定性最明显的特征就是会在回路中引起强烈的流量扰动，其波动在达到弯头、阀门等部件时会对系统产生强烈的机械振荡，由其产生的应力损伤对于系统的安全运行有着较大的威胁，而且系统排热能力明显减弱。因此本发明提出了一种新的设计方案，希望通过引入气泡提升泵来提高系统自然循环驱动力，降低系统流动不稳定性，减弱流量扰动所引起的机械振荡，消除PCCS系统长期运行时系统流量下降，排热能力降低的问题。

2002年2月份出版的《Journal of Nuclear Materials》第301卷第1期报道的《The Pb-Bi cooled XADS status of development》文献中提到取消铅铋合金冷却快堆一回路冷却剂主泵，完全依靠从外界直接向堆芯上部的液态金属流中充入大量气泡，以此提升铅铋冷却回路的自然循环能力。在2008年3月份出版《Progress in Nuclear Energy》第50卷第2期发表的《Design study on reactor structure of Pb–Bi-cooled direct contact boiling water fast reactor(PBWFR)》文献中，提到一种新的气泡提升泵设计形式：将循环冷却水的给水管口伸入到堆芯上部，给水管头设计成环形圆管状，并在环形圆管壁面上开凿一定数量圆孔，循环水由这些圆孔进入铅铋冷却剂中，依靠循环水自身吸热沸腾产生大量细小的均匀气泡，从而达到形成气泡提升泵的目的。2009年2月出版的《International Journal of Heat and Fluid Flow》第30卷第1期中报道的《Air-lift pumps characteristics under two-phase flow conditions》文献中，利用开孔的环形套筒作为气泡发生装置来研究气泡提升泵的相关特性。专利申请公开号为CN101725501A、CN103161709A的专利申请文件中，提出了两种适用于空调制冷领域的气泡提升泵，一种是在热交换器上部增加气泡收集装置提高气泡提升泵的输送效率，另外一种装置则是通过采用渐缩式变截面竖直提升管来增加提升泵的工作效率。综上所述，气泡提升泵的结构是各式各样的，但本质上都是在上升段形成气液两相流，依靠上升段和下降段的密度差，达到泵送液体的目的。

目前采用的气泡提升泵的气泡发生装置无论是微孔针头、微孔板、曝气头还或是开孔套筒，都不可避免得会对自然循环回路产生较大的扰动，增加循环回路的阻力，引入较大的摩擦压降，不适合应用于这种仅依靠自然循环原理运行流动的非能动安全壳冷却系统中。而在制冷循环机理研究中，大多数的实验装置利用的是热交换器作为气泡发生装置，其明显缺陷就是很难控制所产生气泡的特性参数，如气泡直径、产气量等，难以获得流型稳定、气泡数量足够多的泡状流，提升效果不理想而且不利于系统控制。所以若能对气泡提升泵装置进行相应的改进设计，发明一种用于系统自然循环能力提升研究的两相流动装置，无论是对自然循环两相流动的机理性研究还是辅助将来相关工程设计都具有十分重要的价值。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种用于系统自然循环能力提升研究的两相流动装置，可以用来提高自然循环系统驱动力及流动稳定性。

本发明的目的是这样实现的：包括循环水系统、气泡发生装置、空气供应系统和数据采集系统，循环水系统包括开式水箱、通过设置在开式水箱下端的管路依次连接的过滤装置、旋拧阀、电磁流量计、球阀、热交换器，热交换器的端部与气泡发生装置连接，气泡发生装置的端部依次连接可视化矩形通道、上升圆管段，上升圆管段的端部与开式水箱连接，开式水箱侧面、热交换器的两端的管路上分别设置有温度传感器，开式水箱的底部还设置有疏水阀；空气供应系统包括依次相连的空气压缩机、储气罐、减压阀、流量调节阀、质量流量计、逆止阀，逆止阀的端部与气泡发生装置的进气管连接；数据采集系统包括依次连接的计算机、机箱、接线端子板、压力传感器，且压力传感器均匀设置在可视化矩形通道上，接线端子板还与激励电源连接，在可视化矩形通道旁还设置有高速摄影系统。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.气泡发生装置包括外部套筒、设置在外部套筒内的多孔介质套筒、设置在外部套筒外的环形进气管，且环形进气管与外部套筒和多孔介质套筒形成的间隙空腔相连通。

2.多孔介质套筒的截面形状是圆形或方形或多边形。

3.外部套筒的材料是不锈钢，多孔介质套筒是由聚四氟乙烯烧结而成或由其他疏水材料烧结形成。

4.视化矩形通道和上升段圆管段均采用的是机玻璃管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以有效地避免主动注气对自然循环系统扰动的问题，减小介入循环回路的附加阻力，装置简单易操作且发泡均匀，能获得稳定的泡状流，有助于自然循环、两相流动的科学研究以及非能动安全系统工程设计。

(1)本发明采用主动注气的方式，相比热交换器产气，效率更高，而且产气均匀，产气量便于控制，操作方便简单。

(2)本发明采用多孔介质作为气泡发生装置，相比普通开孔套筒，其所产气泡细小均匀。

(3)本发明充分利用聚四氟乙烯等材料的疏水特性，水与多孔介质的浸润性较差，工质流经多孔介质套筒的摩擦压降较小，且气泡更易脱离壁面。

(4)本发明采用环形进气方式，保证气体沿周向均匀进入多孔介质中，避免在流道内部出现产气不均匀的现象。

(5)本发明选用的多孔介质套筒内径与回路管道内径相同，相比微孔板和曝气头等结构，大大减小了注气装置对主流的扰动，避免引入过大附加阻力。

(6)本发明上升段可视化矩形通道和圆管段均采用的是有机玻璃管，可以更大范围的观察自然循环系统的流型变化，而且可视化矩形通道外表面设计成矩形截面可以消除高速摄影时光折射效应的影响。

(7)本发明整体结构简单，可以比较方便的进行安装、维修。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明气泡发生装置示意图；

图3是图2沿竖直方向剖面示意图；

图4是图2沿竖直方向的剖视图。

图5是图4沿A-A方向的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1-5，本发明的一种用于系统自然循环能力提升研究的两相流动装置主要由循环水系统、气泡发生装置、空气供应系统和数据采集系统四部分组成。循环水系统包括开式水箱1、过滤装置2、旋拧阀3、电磁流量计4、球阀5、热交换器6、可视化矩形通道9、圆管段10、温度传感器11、疏水阀12及其他相关管道等；气泡发生装置是本发明的核心装置，由多孔介质套筒7、外部套筒8组成；空气供应系统包括空气压缩机13、储气罐14、减压阀15、流量调节阀16、质量流量计17、逆止阀18；而数据采集系统则由压力传感器19、温度传感器(热电偶)、激励电源20、接线端子板21、NI PXIe-1082机箱22、计算机23、高速摄影系统24、一体化数据采集系统组成。循环回路的上升段由热交换器、气泡发生装置、可视化矩形通道以及圆管段组成。热交换器设置在气泡发生装置的上游，气泡发生装置与管路之间采用法兰联接，具体位置可结合热工参数变化范围确定。本发明采用环形进气管，保证气体沿周向均匀进入多孔介质中。注气压力始终大于上升段的静压头，以避免多孔介质套筒与不锈钢套筒之间空腔中进入液体。气泡发生装置由多孔介质套筒和外部套筒组成，在多孔介质套筒与外部套筒之间存在间隙空腔。气泡发生装置中多孔介质套筒可以根据管道结构尺寸灵活调整，其流通截面可以是圆形、方形或多边形等。气泡发生装置外部套筒使用的是不锈钢材料，多孔介质是由聚四氟乙烯烧结而成，也可由其他疏水材料烧结形成。可视化矩形通道和上升段圆管段均采用的是机玻璃管，参数测量时，在可视化矩形通道旁设置高速摄影系统，利用高速摄影对上升通道内气泡群的运动行为进行实时记录。

若利用本装置进行系统自然循环能力提升的机理性研究时，在实验运行前，需先连接实验回路，并对循环水系统和空气供应系统进行检漏。检查储气罐14，保持其进气管接通，出气管路中所有阀门关闭。启动空气压缩机13，观察储气罐上压力表示数，待压力稳定在0.7-0.75MPa后关闭空气压缩机，打开储气罐出气管上的旋拧阀，通过调节空气减压阀15将气路中压力减至规定压力，由流量调节阀16调节空气流量。其中空气压缩机13具有自动稳压功能，启动空气压缩机，空气压缩机会自行加压至0.75MPa，之后自动卸载，随着储气罐内空气减少，当压力低于0.70MPa时，空气压缩机13继续自动加载至0.75MPa，然后再自动卸压停止工作。所以，实验中可以保证储气罐14内压力始终保持在0.70-0.75MPa。又储气罐有效容积为1m3，也能起到稳压的作用。之后连接数据采集线，接通质量流量计17、电磁流量计4，打开激励电源20并使之稳定在24V，为压力传感器19供电，接通NI数据采集系统电源并设置采集参数，启动计算机23LABVIEW软件。

实验时，先向循环回路注气再注水。因为自然循环回路充满水时，在多孔介质注气筒上方存在水柱，水柱产生的静压头足以使水穿过多孔介质，为防止水倒流入质量流量计对流量计造成损伤，在质量流量计与注气套筒之间的气路上装有一个逆止阀。另外还要保证经过减压阀15后的注气表压始终大于水柱产生的静压头，目的是避免上升段水柱在静压作用下浸入到不锈钢套筒8与多孔介质7之间的空气环腔内，造成多孔介质产气段缩短从而影响实验效果。注水前，关闭水箱疏水阀及管路疏水阀12，通过软管向水箱1内注水至指定水位。

气泡发生装置是本发明设计和安装的关键，两端通过法兰与回路相连接，其与热交换器、可视化矩形通道和圆管段共同组成了循环回路的上升段。气泡发生装置由多孔介质套筒7和外部套筒8组成。多孔介质套筒7置于外部套筒8内，多孔介质由聚四氟乙烯烧结而成，外部套筒考虑承压的需要采用的是不锈钢材质。安装时注意将多孔介质套筒两端面做好密封，防止空气从端面流出。多孔介质内腔为液体流道，内径与上升段管道内径相同，且多孔介质具有疏水特性，可以最大程度减少流体流经多孔介质内腔的局部损失。多孔介质套筒与不锈钢套筒之间存在一个环状空腔，空气由进气管进入环状空腔，因为注气压力较大，空气流过多孔介质，并被多孔介质碎化成细小、均匀的气泡，与流道内的液体混合后形成密度较小的气液两相流。另外进气管的采用环形进气结构，可以使空气均匀进入多孔介质中，从而保证在流道内均匀产气。最后，在上升段和下降段密度差的驱动下，实现增强自然循环能力的作用。

实验结束后，打开水箱疏水阀12排水，使水箱内液位低于水箱进口管下沿，关闭下水平段中的球阀5使上升段与下降段分离，打开位于上升段底部的管路疏水阀12，将上升段内的水排空。待储气罐内压力低于0.1MPa时从下游向上游依次关闭气路中阀门即可。

通过流量调节阀16调节注气量，研究不同注气量对自然循环能力的影响；通过更换不同过滤精度多孔介质套筒7达到获得不同气泡直径的目的；通过调节球阀5可以研究注气对不同阻力特性回路的影响；通过改变水箱1水位研究不同沉浸比时气泡对自然循环的影响；还可以通过热交换器6改变上升段入口温度研究自然循环闪蒸流动不稳定性。待循环流量保持稳定后，利用高速摄影系统24对可视化矩形通道9进行拍摄，研究上升通道内气泡群的运动行为并采集相关实验数据等。综上所述，利用本发明可以简单有效的控制多个实验变量，为系统自然循环能力以及流动不稳定性的研究提供了良好的实践途径。