安全壳蒸汽凝结传热系数测定实验装置及方法

摘要

本发明公开了一种安全壳蒸汽凝结传热系数测定实验装置及方法，装置包括：蒸汽产生装置，具有水入口和蒸汽出口；氦气供给装置，具有氦气出口；安全壳模拟体，具有蒸汽入口、氦气入口、冷凝液出口，其蒸汽入口与蒸汽产生装置的蒸汽出口通过蒸汽管路连接，汽管路上设置有蒸汽流量调节阀，其氦气入口与氦气供给装置的氦气出口之间通过氦气管路连接，氦气管路上设置有氦气流量调节阀；冷凝液收集装置，与安全壳模拟体的冷凝液出口相连；安全壳模拟体顶部还设置有冷却水池，冷却水池中的冷却水能够对安全壳模拟体的顶部进行冷却。本发明能够支持安全壳内蒸汽凝结传热现象的研究；实验装置结构简单、综合性强、测量精确。

说明书

技术领域

本发明涉及一种核试验技术领域，具体涉及安全壳蒸汽凝结传热系数测定实验装置及方法。

背景技术

安全壳是核反应堆安全的最后一道屏障，事故条件下可以阻止裂变产物往环境释放。因此事故工况下维持安全壳的完整性是非常重要的。

能够对安全壳的完整性构成较大威胁的设计基准事故包括丧失冷却剂事故(LOCA)和蒸汽发生器二次侧主蒸汽管道断裂事故(MSLB)。这两类事故所造成的质能释放能够在较短的时间内导致安全壳承受较大的内压，从而对安全壳的结构完整性构成威胁。

第三代反应堆设计了非能动安全壳冷却系统，主要由钢质安全壳和安装在安全壳顶部的安全壳冷却水池构成。反应堆发生失水事故或者蒸汽管道破裂事故，在浮力的作用下，蒸汽更趋向于在安全壳顶部囤积，并在安全壳顶部下表面冷凝，产生的冷凝液滴在重力的作用下脱离安全壳冷凝壁面，蒸汽在液滴脱离处重新接触安全壳冷壁面，持续冷凝。整个事故过程中仅依靠物理规律(蒸汽上浮、液滴下落)实现其对蒸汽的冷凝和安全壳的超压保护。安全壳内壁面蒸汽冷凝传热能力是影响非能动安全壳冷却系统性能的关键影响。而表征安全壳内壁面蒸汽冷凝传热能力的关键参数为安全壳内壁面蒸汽冷凝传热系数。

蒸汽冷凝传热过程在核能、动力、化工、航空航天等工业领域广泛存在，因此二十世纪初期很多研究人员就开展了蒸汽冷凝传热的研究，并获得了大量的研究成果。但是针对水平板下表面的蒸汽冷凝，尤其是不凝结气体存在情况下(反应堆发生事故时，主回路冷却剂产生的氢气进入安全壳)的蒸汽冷凝研究成果几乎没有。因此开展安全壳内蒸汽冷凝传热系数的测量对反应堆事故条件下的安全分析和非能动安全壳冷却系统的发展和应用具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是根据第三代新型核反应堆非能动安全壳冷却系统的特点，建造了安全壳内蒸汽凝结传热现象实验研究装置，并实现了安全壳蒸汽凝结传热系数的测定。

本发明通过下述技术方案实现：

安全壳蒸汽凝结传热系数测定实验装置，包括：

蒸汽产生装置，用于产生蒸汽，具有水入口和蒸汽出口；

氦气供给装置，用于向安全壳模拟体提供氦气，具有氦气出口；

安全壳模拟体，用于模拟安全壳，具有蒸汽入口和氦气入口，底部设置有冷凝液出口；所述蒸汽产生装置的蒸汽出口与安全壳模拟体的蒸汽入口之间通过蒸汽管路连接，所述蒸汽管路上设置有蒸汽流量调节阀；所述安全壳模拟体的氦气入口与氦气供给装置的氦气出口之间通过氦气管路连接，所述氦气管路上设置有氦气流量调节阀；

冷凝液收集装置，与安全壳模拟体的冷凝液出口相连，用于收集安全壳模拟体内部壁面产生的冷凝液；

所述安全壳模拟体顶部还设置有冷却水池，冷却水池中的冷却水能够对安全壳模拟体的顶部进行冷却。

本技术方案提供了一种安全壳内蒸汽凝结传热现象实验研究装置，能够模拟不凝结气体存在情况下的安全壳蒸汽凝结传热过程，便于不凝结气体存在情况下的安全壳蒸汽凝结现象研究。

作为本发明的进一步改进，所述蒸汽管路上设置有蒸汽流量测量装置、蒸汽压力测量装置和蒸汽温度测量装置；所述氦气管路上设置有氦气流量测量装置、氦气压力测量装置和氦气温度测量装置；所述冷凝液收集装置内部设置有冷凝液压力测量装置、冷凝液温度测量装置和液位测量装置；所述安全壳模拟体内还设置有混合气体压力测量装置和混合气体温度测量装置；安全壳模拟体的内部侧壁上还设置有壁温测量装置。

优选的，所述蒸汽产生装置为电热蒸汽发生器。

进一步，所述蒸汽产生装置包括加热水箱和注水管，所述水入口设置在加热水箱上，注水管连接在水入口上，且所述加热水箱内设置有电加热元件。

进一步，所述加热水箱上开设有供电加热元件穿过的通孔，且加热水箱外壁设置有固定电加热元件的电加热元件管座；所述电加热元件管座一端密封连接在加热水箱的通孔四周，另一端悬空作为自由端，电加热元件管座上也开设有供电加热元件穿过的中心通孔；所述电加热元件穿设在电加热元件管座的中心通孔内，且电加热元件的一端通过加热水箱的通孔伸入加热水箱内，另一端通过密封装置固定在电加热元件管座的另一端上；所述密封装置包括压紧螺母、位于压紧螺母的挡环与电加热元件管座的自由端之间的紫铜垫。本技术方案中，电加热元件被稳定地固定和密封在加热水箱中，安全性好。

进一步，所述氦气供给装置采用氦气瓶或氦气罐。

安全壳蒸汽凝结传热系数测定方法，采用上述技术方案中任一种安全壳蒸汽凝结传热系数测定实验装置进行测定，具体包括参数测量步骤，所述参数测量步骤包括以下步骤：

S11、打开蒸汽管路和氦气管路，向安全壳模拟体通入蒸汽和氦气；监测进入安全壳模拟体的蒸汽的参数、进入安全壳模拟体的氦气的参数、安全壳模拟体内混合气体的参数，所述蒸汽的参数包括蒸汽流量G₁、蒸汽温度T₁和蒸汽压力P₁；所述氦气的参数包括氦气流量G₂、氦气温度T₂和氦气压力P₂；所述混合气体的参数包括混合气体压力P₃和混合气体温度T₃；

S12、蒸汽的参数、氦气的参数和混合气体的参数稳定后进行正式测量，所述正式测量包括步骤S121-123：

S121、记录蒸汽的参数、氦气的参数和混合气体的参数；

S122、测量安全壳模拟体的内壁的壁面温度Tw₁；

S123、测量冷凝液的温度T₄、冷凝液的压力P₄和冷凝液的液位L₁；

其中，步骤S121-S123不分先后顺序。

进一步，上述安全壳蒸汽凝结传热系数测定方法还包括蒸汽凝结传热系数计算步骤，蒸汽凝结传热系数计算步骤具体包括以下步骤：

S21、根据步骤S121中记录的蒸汽流量G₁、蒸汽温度T₁、蒸汽压力P₁、氦气流量G₂、氦气温度T₂和氦气压力P₂计算混合气体中氦气的含量X₁；

S22、根据步骤S121中记录的蒸汽温度T₁和蒸汽压力P₁计算蒸汽的焓H₁；

S23、根据冷凝液的温度T₄和冷凝液的压力P₄计算冷凝液的焓H₄；

S24、根据冷凝液的液位L₁计算冷凝液的流量G₄；

S25、根据蒸汽的焓H₁和冷凝液的焓H₄以及冷凝液的流量G₄计算蒸汽冷凝传热功率W₁；

S26、计算壁面温度Tw₁与步骤S121中记录的混合气体温度T₃的温度差△T，根据蒸汽冷凝传热功率W₁、传热面积A和温度差△T计算安全壳蒸汽冷凝传热系数H；

上述步骤S21-步骤S24不分先后顺序。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提供了一种安全壳蒸汽凝结传热系数测定实验装置及方法，能够支持安全壳内蒸汽凝结传热现象的研究；

2、本发明安全壳蒸汽凝结传热系数测定实验装置结构简单、综合性强、测量精确，能够测量安全壳模拟体内蒸汽冷凝传热特性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图

图2是实施例2中的蒸汽产生装置的结构示意图。

附图标记及对应的零部件名称：

1.注水管；2.加热水箱；3.蒸汽流量调节阀；4.蒸汽流量测量装置；5.氦气供给装置；6.氦气流量调节阀；7.氦气流量测量装置；8.安全壳模拟体；9.冷凝液收集装置；10.冷却水池；11.壁温测量装置；12.混合气体压力测量装置；13.混合气体温度测量装置；14.蒸汽压力测量装置；15.蒸汽温度测量装置；16.氦气压力测量装置；17.氦气温度测量装置；18.冷凝液压力测量装置；19.冷凝液温度测量装置；20-液位测量装置；21-电加热元件；22-电加热元件管座；23-紫铜垫；24-压紧螺母。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

【实施例1】

如图1所示，安全壳蒸汽凝结传热系数测定实验装置，包括蒸汽产生装置、氦气供给装置5、安全壳模拟体8、冷凝液收集装置9、冷却水池10，其中：

安全壳模拟体8，用于模拟安全壳，具有通入蒸汽的蒸汽入口和通入氦气的氦气入口，底部设置有排出冷凝液的冷凝液出口；本实施例中，为了研究钢制安全壳的蒸汽凝结传热现象、测定核反应堆非能动安全壳内蒸汽凝结传热系数，安全壳模拟体8就采用现有技术中的钢制安全壳即可。

蒸汽产生装置用于产生蒸汽并提供给安全壳模拟体8，蒸汽产生装置具有水入口和蒸汽出口，该蒸汽出口与安全壳模拟体8的蒸汽入口之间通过蒸汽管路连接，所述蒸汽管路上设置有蒸汽流量调节阀3、蒸汽压力测量装置14和蒸汽温度测量装置15和蒸汽流量测量装置4。蒸汽产生装置产生的蒸汽经蒸汽流量调节阀3和蒸汽流量测量装置4进入安全壳模拟体8，通过调节蒸汽流量调节阀3的开度能够控制进入安全壳模拟体8的蒸汽流量，通过蒸汽流量测量装置4能够测量进入安全壳模拟体8的蒸汽流量。本实施例中，所述蒸汽产生装置采用电热蒸汽发生器。

氦气供给装置5用于向安全壳模拟体8提供氦气，其具有氦气出口，该氦气出口与安全壳模拟体8的氦气入口之间通过氦气管路连接，所述氦气管路上设置有氦气流量调节阀6、氦气压力测量装置16和氦气温度测量装置17和氦气流量测量装置7。从而氦气供给装置5通过氦气流量调节阀6和氦气流量测量装置7往安全壳模拟体8充入氦气。通过调节氦气流量调节阀6的开度可以控制进入安全壳模拟体8的氦气流量，通过氦气流量测量装置7可以测量进入安全壳模拟体8的氦气流量。本实施例中，氦气供给装置5可以但不限于采用氦气瓶、氦气罐、氦气充压设备等。反应堆发生事故时会产生氢气，并且进入安全壳。氢气等不凝结气体和蒸汽混合后会影响蒸汽的冷凝传热。氢气在有氧条件下极易燃烧，甚至爆炸，氦气为惰性气体，化学性质稳定，不会燃烧爆炸，氦气为自然界中和氢气密度最接近的气体，并且氦气的导热率和氢气相差很小。因此本实施例中采用氦气模拟氢气，研究氦气存在对安全壳内冷凝传热系数的影响，最能接近真实情况并且不会产生安全威胁。

冷却水池10，用于提供对安全壳模拟体8进行冷却的冷却水，设置在所述安全壳模拟体8顶部，冷却水池10中的冷却水能够对安全壳模拟体8的顶部进行冷却。冷却水池10对安全壳模拟体8不断进行冷却，冷却时，安全壳模拟体8内壁的蒸汽会被冷凝形成冷凝液，冷凝液在重力作用下向安全壳模拟体8底部汇集。本实施例中的冷却水池10实际为盛放冷却水的装置，该装置的底部可以为安全壳模拟体8的顶部外壁，使冷却水与安全壳模拟体8顶部接触，利用冷却水对安全壳模拟体8顶部进行冷却。

冷凝液收集装置9，位于安全壳模拟体8下部，与安全壳模拟体8的冷凝液出口相连，用于收集安全壳模拟体8内部壁面产生的冷凝液，安全壳模拟体8内壁形成的冷凝液汇集到安全壳模拟体8底部后通过冷凝液出口流入冷凝液收集装置9内。冷凝液收集装置9内部设置有冷凝液压力测量装置18、冷凝液温度测量装置19和高精度的液位测量装置20，该液位测量装置20对流入冷凝液收集装置9的冷凝液的液位进行实时测量。

安全壳模拟体8内还设置有混合气体压力测量装置12和混合气体温度测量装置13；压力测量装置12对安全壳模拟体8内的气体(蒸汽和氦气)压力进行实时测量；温度测量装置13对安全壳模拟体8内的气体(蒸汽和氦气)温度进行实时测量；安全壳模拟体8的内部侧壁上还设置有壁温测量装置11，对安全壳模拟体8的壁温进行测量。

本实施例中，压力测量装置12采用压力传感器，温度测量装置13采用温度传感器，所述蒸汽流量测量装置4和氦气流量测量装置7均采用流量计，壁温测量装置11采用热电偶；这些装置可以对安全壳模拟体8内蒸汽冷凝传热特性进行实时监测。

本实施例提供了一种安全壳蒸汽凝结传热系数测定实验装置，能够支持安全壳内蒸汽凝结传热现象的研究；实验装置结构简单、综合性强、测量精确，能够测量安全壳模拟体内蒸汽冷凝传热特性。

本实施例中，冷凝液出口设置在安全壳模拟体8底部，使冷凝水直接在重力作用下进入下部的冷凝液收集装置，并进行实时测量。冷凝液出口若设置在安全壳模拟体8的其他位置，例如中部或者顶部，则在很长一段时间无测量结果。

【实施例2】

在实施例1的基础上，本实施例中对蒸汽产生装置进行进一步改进：

所述蒸汽产生装置包括加热水箱2和注水管1，所述水入口设置在加热水箱2上，注水管1连接在水入口上，即注水管1的一端与自来水相连，另一端连入加热水箱2内，为加热水箱2持续补充冷水。所述加热水箱2内还布置有4根电功率为20kW的电加热元件设置有电加热元件21，用于产生蒸汽。

图2为电加热元件15在加热水箱2中的连接方式，所述加热水箱2上开设有供电加热元件21穿过的通孔，且加热水箱2外壁设置有固定电加热元件21的电加热元件管座22；所述电加热元件管座22一端密封连接在加热水箱2的通孔四周，另一端悬空作为自由端，本实施例中，电加热元件管座22右端密封连接在加热水箱2外壁的通孔四周，左端悬空作为自由端；所述电加热元件管座22开设有贯穿电加热元件管座22两端的中心通孔，所述电加热元件21穿过电加热元件管座22的中心通孔，且电加热元件21的右端通过加热水箱2的通孔伸入加热水箱2内，左端通过密封装置固定在电加热元件管座22的另一端上(电加热元件21的左端端头可以略微伸出密封装置或者位于密封装置内)；所述压紧螺母23包括压紧螺母24、紫铜垫23，所述压紧螺母24包括挡环和螺套，螺套套设在电加热元件管座21外且中心轴线平行于电加热元件管座22的中心轴线，挡环连接在螺套的左端，挡环的中心开设有供电加热元件管座22的左端端头或者电缆伸出的通孔。紫铜垫23位于压紧螺母24的挡环的右侧面与电加热元件管座22的自由端之间。

这样，在加热水箱2上焊接电加热元件管座22，电加热元件21插入电加热元件管座22后，将紫铜垫23套在电加热元件21左端，再套上压紧螺母24，通过压紧螺母24使紫铜垫23发生形变，从而实现电加热元件21的固定和密封。

进一步地，所述挡环的靠近电加热元件管座1的侧面为锥形面，所述电加热元件管座22的自由端的端面也为锥形面。即本实施例中所述挡环的右侧面向左凹陷形成锥形面，所述电加热元件管座22的左端面向右凹陷形成锥形面，这样压紧螺母24挤压紫铜垫23使紫铜垫23发生形变的时候，紫铜垫23更容易形变对电加热元件21进行密封。

【方法实施例】

安全壳蒸汽凝结传热系数测定方法，采用上述任一实施例中的安全壳蒸汽凝结传热系数测定实验装置进行测定，具体包括参数测量步骤、蒸汽凝结传热系数计算步骤。

所述参数测量步骤包括以下步骤：

S11、打开蒸汽管路和氦气管路，向安全壳模拟体8通入蒸汽和氦气；监测进入安全壳模拟体8的蒸汽的参数、进入安全壳模拟体8的氦气的参数、安全壳模拟体8内混合气体的参数，所述蒸汽的参数包括蒸汽流量G₁、蒸汽温度T₁和蒸汽压力P₁；所述氦气的参数包括氦气流量G₂、氦气温度T₂和氦气压力P₂；所述混合气体的参数包括混合气体压力P₃和混合气体温度T₃；

S12、蒸汽的参数、氦气的参数和混合气体的参数稳定后进行正式测量，所述正式测量包括步骤S121-123：

S121、记录蒸汽的参数、氦气的参数和混合气体的参数；

S122、测量安全壳模拟体8的内壁的壁面温度Tw₁；

S123、测量冷凝液的温度T₄、冷凝液的压力P₄和冷凝液的液位L₁；

其中，步骤S121-S123不分先后顺序。

所述蒸汽凝结传热系数计算步骤具体包括以下步骤：

S21、根据步骤S121中记录的蒸汽流量G₁、蒸汽温度T₁、蒸汽压力P₁、氦气流量G₂、氦气温度T₂和氦气压力P₂计算混合气体中氦气的含量X₁；氦气的含量是影响传热的一个重要变量，获得的冷凝传热模型或者测定安全壳蒸汽凝结传热系数必须考虑它的影响；

S22、根据步骤S121中记录的蒸汽温度T₁和蒸汽压力P₁计算蒸汽的焓H₁；

S23、根据冷凝液的温度T₄和冷凝液的压力P₄计算冷凝液的焓H₄；

S24、根据冷凝液的液位L₁以及液位随时间的变化计算冷凝液的流量G₄；S25、根据蒸汽的焓H₁和冷凝液的焓H₄以及冷凝液的流量G₄计算蒸汽冷凝传热功率W₁；

S26、计算壁面温度Tw₁与步骤S121中记录的混合气体温度T₃的温度差△T，根据蒸汽冷凝传热功率W₁、传热面积A和温度差△T计算安全壳蒸汽冷凝传热系数H；本步骤中的传热面积A是指安全壳模拟体8的底部与蒸汽、氦气混合气体接触部分，采用游标卡尺就可以对传热面积A进行测量；

上述步骤S21-步骤S24不分先后顺序。

进一步地，还在最后实验数据整理出以蒸汽温度、蒸汽压力、蒸汽流量、氦气份额、壁面温差为变量的安全壳蒸汽冷凝传热系数函数关系式，用于计算实际反应堆事故工况下反应堆非能动安全壳的传热能力。

本实施例中，步骤S22中蒸汽的焓H₁的计算、步骤S21中氦气的含量X₁的计算、步骤S23中冷凝液的焓H₄、步骤S24中冷凝液的流量G₄、步骤S25中蒸汽冷凝传热功率W₁的计算均为现有技术，本实施例中不再赘述其具体算法。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。