一种用于研究冷凝水箱热工水力特性的实验装置及实验方法

摘要

本发明提供一种用于研究冷凝水箱热工水力特性的实验装置及实验方法，包括坩埚盐浴炉、换热元件、汽包、冷凝水箱A、冷凝水箱B、涡街流量计、真空泵、球阀、截止阀和连接管路，换热元件下部插入熔盐中，上部与汽包连接，汽包出口的蒸汽管路与冷凝水箱A和冷凝水箱B中的冷凝管束相连接，真空泵与冷凝水箱A中冷凝管束的出口管路相连。本发明采用两个完全相同的冷凝水箱与汽包连接，通过相关阀门的切换可实现两个冷凝水箱分别独立运行，当一个冷凝水箱内已经存在温度场时，可随时切换至另一个处于冷态的冷凝水箱进行实验研究，解决了在热源达到目标温度之前冷凝水箱内已形成一定温度场从而无法研究冷凝水箱从冷态开始的热工水力特性的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于研究冷凝水箱热工水力特性的实验装置及实验方法，属于反应堆非能动余热排出的实验设计领域。

背景技术

非能动余热排出系统是先进反应堆中的常设安全设施，在各种条件下保证停堆后衰变热的安全排出。目前在各种非能动余热排出系统中一般采用水作为冷却工质，在以水将反应堆余热排出的过程中，会产生一定量的蒸汽。对于蒸汽冷凝的方法一般有两种，一种是将冷凝器放置在水箱内，蒸汽冷凝的热量传递给水，水受热蒸发带走热量，实现非能动的热量排出；另一种是采用空气自然对流的方式冷却冷凝器，也可以实现非能动热量排出的目的。其中水箱冷却的方法传热效率较高，换热器体积较小，在工程实际中采用较多。

在熔盐堆非能动余热排出系统的设计中，其中一种方案也采用了水箱冷却的方式。在熔盐余热排出的过程中，水箱内会发生自然对流、热分层、过冷沸腾和饱和沸腾等热工水力现象，这些现象与系统冷却能力密切相关，需要对其进行深入研究。

专利201610899803.4公开了一种用于熔盐堆非能动余热排出的单管实验装置，此装置采用一个冷凝水箱用于冷凝蒸汽，其缺点在于无法进行水箱内自然对流换热、过冷沸腾换热、热分层等热工水力特性的研究，原因如下：实验装置采用管式电炉作为热源，开始加热后热源需要一定的时间升高到目标实验温度，在这段时间内汽包内水温逐渐上升，开始产生蒸汽，蒸汽将热量传递给水箱，待热源温度达到目标实验温度时，水箱内已形成一定的温度场或开始沸腾，因此无法研究水箱从最初冷态开始的热工水力特性；本领域人员容易想到的解决方法是直接往热态的水箱内注入冷水，但是由于注入的冷水具有一定速度，导致水箱内形成一定速度场，这个速度场会对水箱内的换热特性产生强烈影响，使得实验结果偏离非能动余热排出系统中冷凝水箱的实际热工水力特性，因此这个方法不能解决实际问题，需要设计一种能够研究熔盐堆非能动余热排出系统中冷凝水箱热工水力特性的实验装置及实验方法。

发明内容

本发明的目的是为了针对熔盐堆非能动余热排出系统中冷凝水箱内的自然对流换热、过冷沸腾换热、热分层等热工水力特性而提供一种用于研究冷凝水箱热工水力特性的实验装置及实验方法。

本发明的目的是这样实现的：包括坩埚盐浴炉、换热元件、汽包、冷凝水箱A、冷凝水箱B、涡街流量计、真空泵、第一球阀至第十五球阀、第一截止阀、第二截止阀，所述换热元件的下端插入熔盐中、上端与汽包连接，汽包出口的蒸汽管路同时与冷凝水箱A和冷凝水箱B中的冷凝管束入口相连接，冷凝水箱A和冷凝水箱B中的冷凝管束出口分别与汽包的回水管路连接，真空泵与冷凝水箱A中冷凝管束的出口管路相连，冷凝水箱A和冷凝水箱B的上均分别接有进水管路和放水管路，第一球阀位于汽包与涡街流量计之间的管路上，第二球阀位于与涡街流量计和第一球阀的并联管路上，第三球阀、第四球阀分别位于冷凝水箱B和冷凝水箱A中冷凝管束的入口管路上，第五球阀、第六球阀分别位于冷凝水箱B和冷凝水箱A中冷凝管束的出口管路上，第七球阀位于第五球阀和第六球阀之间的旁路上，第八球阀位于实验回路和真空泵的连接管路上，第九球阀位于汽包的回水管路上，第十球阀位于汽包回水管路的旁路上，第十一球阀位于冷凝水箱B中冷凝管束入口管路的旁路上，第十二球阀和第十三球阀分别位于冷凝水箱A的进水管路和放水管路上，第十四球阀和第十五球阀分别位于冷凝水箱B的进水管路和放水管路上，第一截止阀和第二截止阀分别位于两个冷凝水箱与大气连通的管路上。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.冷凝水箱A冷凝管束的入口管路上海设置有热电偶和压力传感器。

2.步骤如下：

步骤1：调节冷凝水箱A、冷凝水箱B和汽包内的液位，使其达到预定高度；

步骤2：关闭实的第四球阀、第六球阀、第十球阀、第十一球阀，打开第三球阀、第五球阀、第七球阀、第九球阀，设定热源温度，开始加热；

步骤3：在熔盐到达目标温度前，冷凝水箱B内已经开始沸腾，打开第一截止阀，关闭第二截止阀，防止蒸汽由截止阀进入冷凝水箱A中；

步骤4：当蒸汽从第七球阀喷出，此时进行排气操作，关闭第七球阀、第九球阀，打开第十球阀，将回路内不凝气体赶出，然后关闭第十球阀，打开第九球阀；

步骤5：熔盐温度达到目标温度时，对冷凝水箱A的管路进行抽真空操作，排出不凝气体；打开第八球阀，启动真空泵，管路内压力下降至5千帕时关闭第八球阀并停止真空泵；

步骤6：开始冷凝水箱的切换操作：先打开第四球阀，然后同时关闭第三球阀、第五球阀，此时蒸汽不再进入冷凝水箱B，等待系统压力稳定后再打开第六球阀，并开始采集数据；

步骤7：为防止冷凝水箱B的管路内长期负压，打开第十一球阀；

步骤8：冷凝水箱A4内水温逐渐升高，待水温达到饱和并维持15分钟后停止实验数据采集；

步骤9：实验结束，关闭热源电源，待系统压力下降至大气压时打开第七球阀，防止系统停止运行后长期处于负压状态，冷凝水箱内留有充足的水维持系统余热导出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用两个完全相同的冷凝水箱与汽包连接，通过相关阀门的切换可实现两个冷凝水箱分别独立运行，当一个冷凝水箱内已经存在温度场时，可随时切换至另一个处于冷态的冷凝水箱进行实验研究，解决了在热源达到目标温度之前冷凝水箱内已形成一定温度场从而无法研究冷凝水箱从冷态开始的热工水力特性的问题，利用本发明的实验装置和实验方法，可研究熔盐堆非能动余热排出系统中冷凝水箱内的自然对流换热、过冷沸腾换热、热分层等热工水力特性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图中：1为坩埚盐浴炉，2为换热元件，3为汽包，4为冷凝水箱A，5为冷凝水箱B，6为涡街流量计，7为真空泵，8为第三球阀、9为第四球阀、10为第五球阀、11为第六球阀、12为第七球阀、13为第八球阀、14为第二球阀、15为第一球阀、16为第九球阀、17为第十球阀、18为第十四球阀、19为第十五球阀、20为第十二球阀、21为第十三球阀、22为第十一球阀，23为第一截止阀、24为第二截止阀，A1和A2为水源，B为大气。

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。

如图1所示，本发明包括坩埚盐浴炉1、换热元件2、汽包3、冷凝水箱A4、冷凝水箱B5、涡街流量计6、真空泵7、球阀8-22、截止阀23-24和连接管路。

坩埚盐浴炉1是本实验装置的热源，可控制坩埚内熔盐的温度，进行不同熔盐温度下的实验。换热元件2下部插入熔盐中，上部与汽包3连接，汽包出口的蒸汽管路与冷凝水箱A4和冷凝水箱B5中的冷凝管束入口相连接，冷凝水箱A4和冷凝水箱B5完全相同，通过切换球阀8、9、10和11，可使冷凝水箱A4和冷凝水箱B5分别独立运行，两个冷凝水箱中的冷凝管束出口分别与汽包3的回水管路连接，真空泵7与冷凝水箱A4中冷凝管束的出口管路相连。冷凝水箱A4和冷凝水箱B5分别接有进水管路和放水管路，且分别与大气连通。冷凝水箱A4的入口设置有热电偶和压力传感器。汽包出口的蒸汽管路上安装有涡街流量计，用来测量蒸汽流量。凝水箱A中安装有多个热电偶测量不同位置的流体温度以及冷凝管束壁面温度。热源产生的热量通过换热元件2传递给汽包3内的冷却水，冷却水受热沸腾后产生蒸汽，蒸汽经由汽包3上部的蒸汽管路进入冷凝水箱中被冷凝，冷凝水在重力作用下经管道回流至汽包3。

第一球阀15位于汽包3与涡街流量计6之间，第二球阀14位于涡街流量计6的并联管路上，第三球阀8、第四球阀9分别位于冷凝水箱B5和冷凝水箱A4中冷凝管束的入口管路上，第五球阀10、第六球阀11分别位于冷凝水箱B5和冷凝水箱A4中冷凝管束的出口管路上，第七球阀12位于第五球阀10和第六球阀11之间的旁路上，第八球阀13位于实验回路和真空泵7的连接管路上，第九球阀16位于汽包3的回水管路上，第十球阀17位于汽包回水管路的旁路上，第十一球阀22位于冷凝水箱B5中冷凝管束入口管路的旁路上，第十二球阀20和第十三球阀21分别位于冷凝水箱A4的进水管路和放水管路上，第十四球阀18和第十五球阀19分别位于冷凝水箱B5的进水管路和放水管路上，第一截止阀23和第二截止阀24分别位于两个冷凝水箱与大气连通的管路上。

若控制第四球阀9、第六球阀11打开，第三球阀8、第五球阀10关闭，则此时冷凝水箱A4投入运行，冷凝水箱B5不运行；反之可使冷凝水箱B5投入运行，冷凝水箱A4不运行。在研究水箱内热工水力特性的实验中，不允许两个冷凝水箱同时投入运行。在热源到达目标温度之前，仅冷凝水箱B5投入运行；热源到达目标温度之后，切换至冷凝水箱A4运行，并开始采集相关实验数据。

一般情况下第二球阀14关闭，第一球阀15打开，通过涡街流量计6测量蒸汽流量；若实验中蒸汽流量过大超过流量计最大量程，为保护流量计打开第二球阀14并关闭第一球阀15。

使用本实验装置进行冷凝水箱内热工水力特性实验的具体实验方法如下：

1.调节两个冷凝水箱和汽包3内的液位，使其达到预定高度。

2.关闭实验回路上的第四球阀9、第六球阀11、第十球阀17、第十一球阀22，打开第三球阀8、第五球阀10、第七球阀12、第九球阀16，设定热源温度，开始加热。

3.由于熔盐的比热容较大，升温时间长，在熔盐到达目标温度前，冷凝水箱B5内已经开始沸腾，打开第一截止阀23，关闭第二截止阀24，防止蒸汽由截止阀24进入冷凝水箱A4中。

4.某一时刻开始蒸汽从第七球阀12喷出，此时进行排气操作，关闭第七球阀12、第九球阀16，打开第十球阀17，将回路内不凝气体赶出，持续几分钟后关闭第十球阀17，打开第九球阀16。

5.熔盐温度达到目标温度时，对冷凝水箱A4的相关管路进行抽真空操作，排出不凝气体。打开第八球阀13，启动真空泵7，管路内压力下降至5千帕左右时关闭第八球阀13并停止真空泵7。

6.开始冷凝水箱的切换操作，先打开第四球阀9，然后同时关闭第三球阀8、第五球阀10，此时蒸汽不再进入冷凝水箱B5，等待系统压力稳定后再打开第六球阀11，并开始采集数据。注意，此处阀门操作必须按以上步骤进行，理由如下：由于此时冷凝水箱A4处于冷态，冷凝能力很强，系统压力迅速降低，汽包及回水管道内的水会形成过热并闪蒸，若过早打开第六球阀11，回水管道中会产生大量蒸汽使管道内液位快速上升，导致冷凝管束内部被淹没而失去冷却能力的情况发生，还可能造成局部水锤现象，危及系统安全。

7.为防止冷凝水箱B5的相关管路内长期负压，打开第十一球阀22。

8.冷凝水箱A4内水温逐渐升高，待水温达到饱和并维持15分钟后停止实验数据采集。

9.实验结束，关闭热源电源，待系统压力下降至大气压附近时打开第七球阀12，防止系统停止运行后长期处于负压状态，冷凝水箱内留有充足的水维持系统余热导出。

综上，本发明涉及一种用于研究熔盐堆非能动余热排出系统中冷凝水箱热工水力特性的实验装置及实验方法，包括坩埚盐浴炉、换热元件、汽包、冷凝水箱A、冷凝水箱B、涡街流量计、真空泵、球阀、截止阀和连接管路，坩埚盐浴炉为本实验装置的热源，换热元件下部插入熔盐中，上部与汽包连接，汽包出口的蒸汽管路与冷凝水箱A和冷凝水箱B中的冷凝管束相连接，真空泵与冷凝水箱A中冷凝管束的出口管路相连。本发明采用两个完全相同的冷凝水箱与汽包连接，通过相关阀门的切换可实现两个冷凝水箱分别独立运行，当一个冷凝水箱内已经存在温度场时，可随时切换至另一个处于冷态的冷凝水箱进行实验研究，解决了在热源达到目标温度之前冷凝水箱内已形成一定温度场从而无法研究冷凝水箱从冷态开始的热工水力特性的问题，利用本发明的实验装置和实验方法，可研究熔盐堆非能动余热排出系统中冷凝水箱内的自然对流换热、过冷沸腾换热、热分层等热工水力特性。