管內流動沸騰蒸干及蒸干后熱工水力特性的實驗裝置及蒸干判別方法與流程
本發明涉及的是一種管內流動沸騰蒸干及蒸干后熱工水力特性的實驗裝置，本發明也涉及一種管內流動沸騰蒸干判別方法。
背景技術：
與傳統的在大亞灣等多數核電廠使用的自然循環蒸汽發生器相比，直流蒸汽發生器能夠產生過熱蒸汽，在發電效率、緊湊性及高溫供熱效果等方面具有很大的優勢，船用核動力系統直流蒸汽發生器由于空間限制，對其體積和效率提出了更高的要求。但是在水被從過冷狀態加熱到過熱狀態的流動換熱過程中當質量含汽率達到較高值時會將壁面上附著的環狀液膜撕裂，此時將發生流動沸騰傳熱惡化現象-蒸干。蒸干的發生導致壁面直接與蒸汽接觸，而蒸汽的換熱性能遠低于液相的換熱性能，因此傳熱性能會急劇下降，導致傳熱管壁溫呈現非線性急劇上升的趨勢，同時摩擦壓降也會產生與蒸干前區域不一樣的變化。在蒸干后霧狀流區域由于液相以核心連續蒸汽流中夾帶的飽和離散液滴的形式存在，而壁面處換熱方式已經變為壁面與蒸汽的對流換熱，因此蒸汽會吸收壁面傳遞的熱量而達到過熱狀態，同時蒸汽也會將一部分熱量傳遞給飽和液滴，進而將飽和液滴蒸發為蒸汽，這導致蒸干后區域會發生偏離熱力平衡。摩擦壓降進而也會產生非線性變化。如果在直流蒸汽發生器運行過程中不能對蒸干傳熱惡化現象及蒸干后熱工水力特性進行有效控制，將導致傳熱管壁溫發生非線性的劇烈變化，危及蒸汽發生器及整個系統的安全穩定運行。
目前研究人員針對換熱器內過冷狀態到過熱狀態的整個流動換熱過程的實驗研究主要關注的是進出口處工質的性質以及軸向方向上的壁溫分布，對蒸干及蒸干后區域的關鍵參數-質量含汽率和摩擦壓降分布規律的關注很少，質量含汽率的分布規律通常都是基于熱平衡計算得到，壓力主要為進出口的壓力。而這些參數對于準確評估蒸干傳熱惡化現象及蒸干后熱工水力特性又非常重要。因此，研究管內流動沸騰蒸干及蒸干后熱工水力特性的實驗裝置及蒸干判別方法，提出有價值的建議對直流蒸汽發生器等換熱設備的安全、穩定運行具有非常重要的意義。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種能實現管內流動沸騰過程中蒸干及蒸干后熱工水力特性實驗研究的管內流動沸騰蒸干及蒸干后熱工水力特性的實驗裝置。本發明的目的還在于提供一種管內流動沸騰蒸干判別方法。
本發明的管內流動沸騰蒸干及蒸干后熱工水力特性的實驗裝置包括豎直管實驗段、電加熱器及其控制系統、加熱電極、數據采集系統，所述豎直管實驗段上下兩端分別安裝有電極，電極與電加熱器相連接，豎直管實驗段外壁安裝有熱電阻，豎直管實驗段內部安裝有壓力傳感器和光纖探針，豎直管實驗段間隔上開有測孔、相鄰測孔之間安裝有差壓變送器，熱電阻、壓力傳感器、光纖探針、差壓變送器連接數據采集系統。
本發明的管內流動沸騰蒸干及蒸干后熱工水力特性的實驗裝置還可以包括：
1、所述熱電阻在豎直管實驗段管截面外壁上均勻布置；軸向上布置10圈熱電阻，且在蒸干位置前后布置的三圈熱電阻之間的間隔小于蒸干后區域布置的熱電阻之間的間隔。
2、所述的光纖探針和壓力傳感器布置在核態沸騰區域的測孔和從蒸干前某一位置開始均勻開設的測孔內。
本發明的管內流動沸騰蒸干判別方法包括：加熱電極通電后加熱豎直管實驗段管壁，進而加熱管內的流體，流體在管內垂直向上流動換熱過程中執行如下操作：步驟一，通過熱力計算得到蒸干位置的估計位置；步驟二，將該估計位置附近的保溫棉取出，通過熱電阻測量該估計位置區域豎直管實驗段傳熱管外壁溫度；步驟三，如果監測到的壁溫沒有劇烈升高，將該處取出的保溫棉填充；步驟四，對該估計位置附近區域重復步驟一至四，直到監測到蒸干現象的發生即監測到的壁溫沒有劇烈升高。
本發明的管內流動沸騰蒸干判別方法還可以包括：
1、所述通過熱力計算得到蒸干位置的估計位置的方法為：在給定實驗狀態中的流量、熱流密度和運行壓力下臨界熱流密度為0.015mm，通過式
2、所述監測到蒸干現象的判別方法是測量得到的壁溫的軸向變化率是否達到250k/m。
3、通過光纖探針測量蒸干前區域、蒸干位置和蒸干后區域流體溫度與質量含汽率的變化規律，并通過熱電阻測量蒸干及蒸干后壁溫的變化規律，揭示蒸干位置與流體溫度和質量含汽率之間的關系，預測蒸干及蒸干后區域的傳熱特性。
4、通過壓力傳感器和差壓傳感器監測蒸干前和蒸干后區域壓力的變化，揭示蒸干的發生對摩擦壓降的影響，及蒸干后區域摩擦壓降的變化規律。
本發明提供了一種管內流動沸騰蒸干及蒸干后熱工水力特性的實驗裝置及蒸干判別方法，以實現管內流動沸騰過程中蒸干及蒸干后熱工水力特性實驗研究。
本發明的優勢在于：
1、本發明的實驗段測點和測量裝置被合理布置，并且同一時間內的所有測量數據被精準地通過多通道數據采集儀采集到電腦上，為對豎直管內水向上的流動換熱過程的蒸干現象及蒸干后傳熱特性的研究提供了很大的便捷。
2、本發明在實驗過程中采用熱電阻監測蒸干現象發生的位置，首先通過給定實驗狀態中的流量、熱流密度和運行壓力進行熱力計算，估算一個蒸干有可能發生的區域，然后將該區域的保溫棉取出來，使用熱電阻測量實驗段外壁溫度，以判斷是否發生蒸干現象，進而對蒸干發生的位置及蒸干后區域進行重點監控。
3、本發明通過在實驗段不同軸向位置處打孔布置光纖探針測量得到加熱管內蒸干及蒸干后區域的蒸汽溫度及質量含汽率沿實驗段軸向方向的分布規律，得到相應實驗狀態下豎直管內蒸干及蒸干后的熱工水力特性。
4、為了避免上述用于測量管內質量含汽率和流體溫度的光纖探針對管內流體的流動換熱、蒸干及蒸干后傳熱造成影響，本發明所述的光纖探針直徑要盡量小，直徑為125um；
5、本發明通過在實驗段不同軸向位置處打孔布置壓力傳感器測量實驗段軸向不同位置處的壓力分布，進而得到兩相流動沸騰過程中尤其是蒸干及蒸干后區域摩擦壓降的軸向分布規律；同時通過在孔與孔之間布置差壓變送器直接測量實驗段內兩相流動沸騰的軸向壓降分布，通過對壓力傳感器和差壓變送器分別測量得到的軸向壓降分布規律進行對比分析可以更加準確地研究兩相流動沸騰過程尤其是蒸干的發生對摩擦壓降的影響，及蒸干后區域摩擦壓降的變化規律。這樣可以發現、進而避免由于壓力傳感器或差壓變送器其中某個引起的測量結果的偶然誤差或者傳感器不能正常工作帶來的誤差。
附圖說明
圖1是電加熱實驗段簡圖。
圖2是實驗段橫截面測點布置圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細的描述。
管內流動沸騰蒸干及蒸干后熱工水力特性的實驗裝置包括豎直管實驗段、電加熱器及其控制系統1、加熱電極和數據采集系統。豎直管實驗段本體上下兩端分別安裝有電極2，電極與電加熱器相連接、以對實驗段內豎直向上流動的過冷水進行加熱。實驗段外壁通過高溫膠4安裝有熱電阻5，實驗段內安裝有壓力傳感器14和光纖探針15，實驗段上開有測孔6，實驗段相鄰測孔之間通過取壓管8安裝有差壓變送器9，熱電阻、壓力傳感器、光纖探針、差壓變送器通過測量裝置引出線10連接數據采集系統11，豎直管實驗段的傳熱管3外布置保溫層7。過冷水13在管內垂直向上流動換熱過程中，首先通過熱力計算大致估算一個蒸干位置，然后將該位置附近的保溫棉取出，通過熱電阻測量傳熱管外壁溫度，如果監測到的壁溫沒有劇烈的升高，將該處取出來的保溫棉填充進去，對該位置下游的區域重復該方法，若最終沒有監測到蒸干位置，則表明在當前加熱量下管內不會發生蒸干現象，因此需要通過電加熱器的控制系統對加熱量進行調節以使管內流動換熱情形達到本發明要研究的狀態。
由于傳熱管內會發生蒸干傳熱惡化現象，導致壁溫呈非線性急劇上升，因此材料使用能夠承受較高溫度的inconelalloy800。實驗段外徑為16mm，厚度為2mm，長度為3.07m。試驗段兩端由于需要布置電極，因此實驗段上要給每個電極要預留長為50mm的安裝空間，即實驗段總長3.17m。實驗段與電極之間采用法蘭進行連接。
電加熱器由直流電源和輸入輸出導線構成，將輸出導線與實驗段上安裝的鎢銅合金材質的加熱電極相連接，以管壁為加熱電阻元件對管內工質進行加熱。將輸入導線與供電穩壓器相連接實現供電以產生熱量。同時將直流電源與其控制系統連接。通過控制系統調節施加在傳熱管上的電流和電壓以實現加熱功率的改變，進一步根據傳熱管和工質狀態確定發生蒸干現象時所需的加熱電流和電壓。
所述的實驗段內流動的工質采用去離子水以避免排出的水工質帶電，標準為實驗用去離子水標準：電導率<0.5us/cm。通過離子交換法進行制備；
測量裝置包括熱電阻、光纖探針、壓力傳感器和差壓變送器，分別用于測量實驗段壁溫、管內流體溫度和質量含汽率、實驗段軸向的壓力分布和壓降變化規律。(例如實驗段內徑12mm、流量0.1kg/s、運行壓力7.4mpa、熱流密度830kw/m2的實驗狀態下蒸干位置約在1.77m處)前后(1.67-1.87m)其中管外壁橫截面上均勻布置3個熱電阻，軸向方向上在蒸干位置(約1.77m處)前后((1.67-1.87m)較密集的布置三圈熱電阻以監測蒸干位置，蒸干后區域(即1.97-2.87m處間隔0.15m密集布置)，共需30個熱電阻；蒸干傳熱惡化的發生將導致偏離熱力平衡現象的發生，因此在核態沸騰區域0.8m處和蒸干前某一位置開始(約1.5m處)打孔布置光纖探針以測量流體溫度和質量含汽率，間隔0.3m均勻布置(即1.5m、1.8m、2.1m、2.4m、2.7m處)，共需6個光纖探針；同時在上述測孔處布置壓力傳感器以測量和由蒸干現象導致的兩相流動壓降的變化規律，共需6個壓力傳感器，在0.8-1.5m、1.5-1.8m、1.8-2.1m、2.1-2.4m和2.4-2.7m之間布置差壓變送器，將其與通過壓力傳感器測得的壓降規律相互驗證，共需5個壓差傳感器。所有測量裝置均通過引出導線連接到數據采集儀上。根據數據采集儀采集到的參數數據，采用熱電阻測得的壁溫描述蒸干發生的位置及蒸干現象，同時結合光纖探針測得的質量含汽率得到豎直傳熱管內蒸干位置和質量含汽率的關系。進一步結合蒸干后區域壁溫與由光纖探針測得的蒸汽溫度軸向分布規律得到蒸干后區域的傳熱特性。采用由壓力傳感器和壓差傳感器測得的壓力軸向分布相關數據對數據準確性進行相互驗證，進一步得到蒸干現象的發生會導致兩相流動摩擦壓降會發生怎樣的非線性變化，以及蒸干后區域的摩擦壓降變化規律。
考慮到上述用于測量管內質量含汽率和流體溫度的光纖探針會對管內流體的流動換熱、蒸干及蒸干后傳熱造成影響，本發明所述的光纖探針直徑要盡量小，直徑為125um。
所述的數據采集系統采用dn6.49x-48多通道數據采集儀，通過48條完全同步的通道對測量裝置上測量到的同一時間的所有數據進行準確采集。
蒸干傳熱惡化現象的發生導致管內流體與壁面間的傳熱系數急劇減小，壁溫急劇上升，因此監測蒸干是否發生的判別方法之一是測量得到的壁溫的軸向變化率(單位：k/m)是否達到250k/m(對應權利要求4中實驗狀態下的蒸干標準)。
通過光纖探針測量蒸干前區域、蒸干位置和蒸干后區域流體溫度與質量含汽率的變化規律，并通過熱電阻測量蒸干及蒸干后壁溫的變化規律，揭示蒸干位置與流體溫度和質量含汽率之間的關系，預測蒸干及蒸干后區域的傳熱特性。
通過布置的6個壓力傳感器和5個差壓傳感器監測蒸干前和蒸干后區域壓力的變化，揭示蒸干的發生對摩擦壓降的影響，及蒸干后區域摩擦壓降的變化規律。
結合圖1和圖2，測量管內流動沸騰蒸干及蒸干后熱工水力特性的實驗裝置主要包括了電加熱器，30個熱電阻，6個光纖探針，6個壓力傳感器，5個差壓變送器和數據采集儀。其中熱電阻的布置方法為在管外壁橫截面上均勻布置3個熱電阻，在實驗段本體軸向高度方向上選取10個高度位置布置，橫截面和軸向方向上熱電阻的具體布置如圖1和圖2所示。光纖探針在從核態沸騰區域某一位置，以及蒸干前某一軸向高度位置開始一直到實驗段出口這一區域通過開孔被均勻布置在實驗段內部；壓力傳感器被布置在上述6個測孔內，不同軸向高度處開孔布置的光纖探針和壓力傳感器如圖1和圖2所示。差壓變送器布置在上述相鄰的測孔與測孔之間，具體位置為0.8-1.5m、1.5-1.8m、1.8-2.1m、2.1-2.4m和2.4-2.7m之間，并且差壓變送器與壓力傳感器是相對應的，具體布置如圖1所示。所有測量裝置均通過引出導線連接到數據采集儀上，由多通道數據采集儀對同一時間下的所有數據進行準確采集、記錄并傳輸到計算機上進行后續處理。
上述實施例和說明書中描述的只是本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本領域的技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均被應認為是處于本發明的保護范圍之內。
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