導熱油工質強迫循環綜合實驗回路系統的制作方法

本發明涉及高溫熔鹽堆領域驗證性實驗研究技術領域中的一種高溫熔鹽工質在熔鹽堆系統設備中流動換熱特性的實驗研究系統，更確切地說是一種導熱油工質強迫循環綜合實驗回路系統。

背景技術：

釷基熔鹽堆因其在安全性、經濟性及可持續性方面的優勢被列為第四代核能系統重點發展的堆型。其一回路冷卻劑采用高溫熔鹽flibe。熔鹽堆開發過程中堆芯與管道的對流換熱及關鍵設備的流動阻力特性是釷基熔鹽堆設計及安全驗證的關鍵參數，關系到熔鹽反應堆的熱效率及安全。因而需要對關鍵系統與設備的特性開展相關的熱工水力實驗研究，對堆芯與管道的對流換熱及關鍵設備的流動阻力特性進行測量。目前存在的關于對流換熱及流動阻力特性公式多是以水或空氣作為介質獲得，水或空氣等工質物性與熔鹽flibe相差較遠，因此目前獲得的公式適用范圍無法滿足熔鹽工質工況。而高溫熔鹽flibe在其工作溫度下(700℃)具有較強的腐蝕性及毒性，并且壓力，壓差等關鍵參數測量儀表精度較差，目前高溫熔鹽還不存在商用測量壓力壓差的傳感器，流量測量多采用非接觸式的超聲波流量計，但該流量計用于測量熔鹽工質時的精度無法保證，這給采用flibe為實驗工質開展堆芯與管道的對流換熱及關鍵設備的流動阻力特性研究帶來較大困難。此外，目前還不存在以flibe熔鹽作為實驗工質的研究熔鹽堆堆芯與管道的對流換熱及關鍵設備的流動阻力特性研究實驗回路。目前核反應堆領域開展的實驗研究為避免失真現象，多采用與原型相同流體進行幾何比例分析，尤其針對對流換熱存在的形象中，僅進行幾何上的縮放，針對不同流體的比例分析研究較少。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種導熱油工質強迫循環綜合實驗回路及實驗方法，以解決由于現有熔鹽flibe高溫下具有腐蝕性和毒性，測量儀表缺乏和精度較差，難以搭建堆芯與管道對流換熱實驗和關鍵設備的流動阻力實驗平臺的問題。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種導熱油工質強迫循環綜合實驗回路，該導熱油工質強迫循環綜合實驗回路包括一主實驗回路和一冷卻循環回路以及該兩回路外接的數據采集和控制系統，所述主實驗回路以dowtherm‐a導熱油為工質，冷卻循環回路以水為工質。本實驗回路設計過程中不僅考慮了幾何比例分析，主要還引入了流體間的模化分析，并進行了嚴格的失真分析，同時采用數值模擬方法對模化分析結果進行了驗證，最終選取導熱油dowtherm‐a作為本實驗回路的實驗工質，確保該導熱油工質強迫循環綜合實驗回路的運行工況可以完全滿足熔鹽堆堆芯與管道對流換熱和關鍵設備流動阻力測量的要求。所述主實驗回路包括按照導熱油流動的方向順次連接的一導熱油箱、一過濾器、一第一離心泵、一第一調節閥、一第一流量計、一第一截止閥、一實驗本體段、一第二截止閥和一換熱器；所述冷卻循環回路包括按照工質流動方向順次連接的一冷卻劑箱，一第二離心泵、一第三調節閥，一第二流量計、換熱器和一空冷塔，其中，所述主實驗回路和冷卻循環回路通過所述換熱器進行熱交換；所述的換熱器的一側工質為所述的導熱油、另一側的工質為水；所述的換熱器的水側的進出口各布置有一第三熱電偶。

優選地，所述導熱油箱安裝于主實驗回路的最高位置，其頂部設有深入該導熱油箱的進口管以及一排氣管，其底部設有一出口管；該導熱油箱的內部布置有一加熱器、一插入式熱電偶和一防爆液位計。

優選地，所述進口管深入導熱油箱高度方向三分之一處，且進口管端口焊接傾斜倒流片；所述加熱器為法蘭式電加熱器，其與底面的距離等于導熱油箱高度的約四分之一處。

優選地，所述主實驗回路中的第一離心泵與一第一壓差傳感器以及第二調節閥相并聯，該第一離心泵進口安裝有一第一壓力傳感器、出口安裝有一第一熱電偶。

優先地，所述冷卻循環回路還包括一第四調節閥，所述的第四調節閥與所述的第二離心泵并聯布置。

優選地，所述第一離心泵為化工離心泵，所述的第一調節閥、第二調節閥為等百分比調節閥，所述的第一截止閥、所述的第二截止閥為手動截止閥，所述的第三調節閥、第四調節閥為電動調節閥，所述的第一流量計為質量流量計，所述的第二流量計為電磁流量計，所述的換熱器為板式換熱器。

優選地，所述實驗本體段豎直布置，其兩端分別布置有第二熱電偶、第二壓力傳感器，該實驗本體段并與第二壓差傳感器相并聯。

優選地，所述主實驗回路設有一位于第一流量計與所述的第一截止閥之間的排污管，所述排污管上端位于所述的主實驗回路的最低點，并且所述的排污管上設有手動調節閥。

優選地，設于所述第一離心泵出口和所述排污管之間的管道與水平面形成一夾角α，設于所述實驗本體段最低點到所述的排污管之間的管道與水平面形成一夾角β，所述的夾角α和β角度均大于0度小于10度。

優選地，所述主實驗回路中除所述的實驗本體段外的管線上纏繞硅酸鋁纖維保溫棉，保溫棉外采用鋁片包裹。

本發明還提供了一種上述導熱油工質強迫循環綜合實驗回路的實驗方法，包括以下步驟：

s1：關閉主實驗回路的實驗本體段兩端的第一截止閥和第二截止閥，開啟手動截止閥，待排空實驗本體段內導熱油后，更換安裝實驗本體段，安裝完成后開啟第一截止閥和第二截止閥以使主回路連通，開啟主實驗回路中的第一調節閥以使dowtherm‐a導熱油工質流入主實驗回路；

s2：開啟主實驗回路中的第一調節閥和第二調節閥；

s3：開啟第一離心泵，觀察第一流量計流量，調節第一調節閥以控制主實驗回路流量；開啟加熱器以使回路升溫；

s4：開啟第三調節閥、第四調節閥、第二離心泵及空冷塔，同時關閉加熱器；

s5：開啟實驗本體段的內部加熱器并將加熱功率調節到對應實驗工況功率，調節第一調節閥及第二調節閥的開度，使主實驗回路流量達到對應實驗工況流量，調節第三調節閥及第四調節閥控制冷卻循環回路流量，進而控制主實驗回路實驗本體段入口溫度穩定在對應實驗工況溫度；

s6：采集對應實驗工況下的數據，包括第一流量計，分別設于所述實驗本體段兩端的第二熱電偶、第二壓力傳感器、第二壓差傳感器的數據以及實驗本體段內溫度及加熱功率數據；

s7：重復步驟s5及s6，開始下一實驗工況的實驗；

s8：實驗全部完成后，關閉第一截止閥和第二截止閥，開啟手動截止閥以排空實驗本體段內導熱油。

所述步驟s3中，主實驗回路流量控制在5m³/h以內，回路溫升至約70℃。

所述步驟s5中，對應實驗工況溫度為75℃左右。

本發明提供的導熱油工質強迫循環綜合實驗回路，用導熱油dowherm‐a代替flibe作為主實驗回路的工質開展堆芯與管道對流換熱實驗和關鍵設備的流動阻力實驗研究，可以在與flibe物性相似的較低溫度下(75℃)模擬flibe的流動換熱特性，從而使本發明的主實驗回路可選用市面上相對成熟并且測量精度高的設備及測量儀器儀表，實驗操作難度大大降低，測量精度提高。此外，本發明的導熱油工質強迫循環綜合實驗回路還包括數據采集和控制系統，實現遠程的數據采集和控制。本導熱油工質強迫循環綜合實驗回路除可開展堆芯與管道對流換熱實驗外，還可用于關鍵設備的流動阻力實驗研究。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的技術方案。

圖1為根據本發明的一個實施例的導熱油工質強迫循環綜合實驗回路的結構示意圖；

圖2為如圖1所示的導熱油工質強迫循環綜合實驗回路的導熱油箱的結構示意圖。

附圖標記：

1、導熱油箱；2、過濾器；3、第一離心泵；4、第一調節閥；5、第一流量計；

6、第一截止閥；7、實驗本體段；8、第二截止閥；9、換熱器；10、法蘭式電加熱器；

11、第一壓差傳感器；12、第一壓力傳感器；13、第一熱電偶；14、第二調節閥；

15、第二熱電偶；16、第二壓力傳感器；17、第二壓差傳感器；18、水箱；

19、第二離心泵；20、第三調節閥；21、第二流量計；22、空冷塔；23、第三熱電偶；

24、第四調節閥；25、頂部布置排氣管；26、插入式熱電偶；27、防爆液位計；

28、排污管；29、手動調節閥；104、出口管；102進口管；103、倒流片。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。

由于導熱油dowherm‐a在較低溫度下(75℃)與flibe物性相似，無量綱數相等，可以用來模擬flibe的流動換熱特性，以導熱油作為工質開展熔鹽堆流動換熱實驗研究，相較于溫度高達700℃的高溫熔鹽flibe工質開展實驗，顯然實驗操作難度大大降低，而測量精度卻大大提高。

基于采用dowherm‐a導熱油，本發明提供了一種導熱油工質強迫循環綜合實驗回路，該回路結合目前熔鹽堆的最新設計方案，采用比例分析的方法，獲得回路管道設備的結構與尺寸，該導熱油工質強迫循環綜合實驗回路的運行工況可以完全滿足熔鹽堆堆芯與管道對流換熱和關鍵設備流動阻力測量的要求。該導熱油工質強迫循環綜合實驗回路包括一個以dowtherm‐a導熱油工質為主實驗回路和一個以水為工質的冷卻循環回路，所述主實驗回路和冷卻循環回路外接數據采集和控制系統，由于數據采集和控制系統為常規試驗平臺中的通用技術，因而在此不再贅述。

該主實驗回路包括按照導熱油流動的方向順次連接的一導熱油箱1、一過濾器2、一第一離心泵3、一第一調節閥4、一第一流量計5、一第一截止閥6、一實驗本體段7、一第二截止閥8和一換熱器9。

其中，該主實驗回路的導熱油箱1的結構可參見圖2。結合圖1可知，該導熱油箱1安裝于實驗回路的最高位置，為一圓柱結構；該導熱油箱1內部安裝有一法蘭式電加熱器10，置于該導熱油箱1的下部，該法蘭式電加熱器10與底面的距離等于導熱油箱1高度的四分之一；該導熱油箱1的布置方式，使得在開啟該電加熱器10時，可以最大化的使該導熱油箱1內部的導熱油溫度分布均勻化，使該主實驗回路溫度線性變化，且該加熱器10選用法蘭式電加熱器，以使價格低廉和油箱均勻受熱。導熱油箱1頂部設有排氣管25和進口管102，該導熱油箱1的底部設有一個出口管104。該進口管102自頂部深入油箱深度三分之一處，進口管102端口焊接傾斜倒流片103，防止進入油箱的導熱油依靠慣性直接進入導熱油箱底部，不經導熱油箱混合便再次經出口管流出導熱油箱。該導熱油箱1依靠對流和導流片的倒流實現了混合器的功能，簡化了該主實驗回路的設計。該主實驗回路還包括一第二調節閥14，該第二調節閥14與該第一離心泵3并聯布置，該并聯布置方式可以輔助調節回路流量以及保護第一離心泵，該第一離心泵3安裝有一第一壓差傳感器11，其進口安裝有一第一壓力傳感器12、其出口安裝有一第一熱電偶13。

所述主實驗回路的實驗本體段7豎直布置，該實驗本體段7兩端各設有一第二熱電偶15、一第二壓力傳感器16和一第二壓差傳感器17，用于測量實驗本體段7兩端的溫度、壓力和壓差。

該主實驗回路的第一流量計5與該第一截止閥6之間還設有一排污管28，該排污管(28)上端位于所述的主實驗回路的最低點，并且該排污管28上還設有手動調節閥29。

該第一離心泵3出口到該排污管28之間的管道與水平面形成一夾角α，該實驗本體段7的最低點到該排污管28之間的管道與水平面形成一夾角β，該夾角α和β角度是小于10度的銳角，即大于0度小于10度。該設計可以用來排空回路中導熱油，以便更換實驗本體和維護設備，此外還可以防止在冬季溫度低于10℃時導熱油凝固在回路中損壞設備。

該主實驗回路除該實驗本體段7外，需纏繞硅酸鋁纖維保溫棉，保溫棉外采用鋁片包裹，減少系統熱損失、提高試驗測量精度、保護實驗人員安全。

再請參閱圖1，所述冷卻循環回路為連接在所述換熱器9的兩端而構成的回路。其中，該冷卻循環回路包括按照工質流動方向順次連接的一水箱18，一第二離心泵19，一第三調節閥20，一第二流量計21，該換熱器9，一空冷塔22；該冷卻循環回路在該換熱器9的一側工質為dowtherm‐a導熱油、另一側的工質為水；該換熱器9的水側的進出口各設有一第三熱電偶23，用于測量該換熱器9的兩端的溫度。

該冷卻循環回路還包括一第四調節閥24，該第四調節閥24與該第二離心泵19并聯布置，該并聯布置方式可以輔助調節回路流量以及保護第二離心泵19。

優選地，該第一離心泵3為化工離心泵，該第一調節閥4、該第二調節閥14為等百分比調節閥，可以實現該主實驗回路流量的精確控制；該第一截止閥6、該第二截止閥8為手動截止閥，該第三調節閥20、該第四調節閥24為電動調節閥用于循環回路水量控制，該第一流量計5為質量流量計，可以實現流入該實驗本體導熱油流量的精確測量，同時該質量流量計不受進出口段流動形式的影響而縮小該主實驗回路的尺寸；該第二流量計21為電磁流量計，該換熱器9為板式換熱器，該板式換熱器相比于傳統管殼式換熱器具有換熱效率高，相同換熱量要求下，換熱面積大大縮小，減小了換熱器尺寸，此外該板式換熱器阻力小，該主實驗回路在該板式換熱器的壓損較小，為該主實驗回路開展大阻力實驗本體的流動阻力實驗提供了一定余量。

此外，本發明還提供了一個所述導熱油工質強迫循環綜合實驗回路的實驗方法，包括以下步驟：

s1：關閉主實驗回路的實驗本體段7兩端的第一截止閥6和第二截止閥8，更換安裝實驗本體段7，安裝完成后開啟第一截止閥6和第二截止閥8以使主回路連通，開啟主實驗回路中的第一調節閥4以使dowtherm‐a導熱油工質流入主實驗回路；

s2：開啟主實驗回路中的第一調節閥4和第一離心泵3，調節第一調節閥4和第二調節閥14以控制主實驗回路流量；開啟加熱器10以控制回路溫度；

首先，調節第一調節閥4，第二調節閥14開度到30％；然后開啟第一離心泵(3)，觀察第一流量計(5)流量，調節第一調節閥(4)，控制主實驗回路流量在5m³/h內，以便于控制回路在一較低流量便于回路升溫，同時開啟法蘭式電加熱器(10)，等待回路升溫到70℃左右，以便于接下來將回路溫度控制在75℃的對應實驗工況溫度；

s3：開啟第三調節閥20、第四調節閥24，開啟第二離心泵19及空冷塔22，關閉加熱器10；其中，所述第三調節閥20，第四調節閥24的開度調節為20％。

s4：開啟實驗本體段7的內部加熱器并將加熱功率調節到對應實驗工況功率，調節第一調節閥4及第二調節閥14開度，使主實驗回路流量達到對應實驗工況流量，調節第三調節閥20及第四調節閥24控制冷卻循環回路流量，進而控制主實驗回路實驗本體段7入口溫度穩定在75℃的左右的實驗工況溫度；由于導熱油dowherm‐a在該溫度下(75℃左右)與flibe物性相似，用導熱油dowherm‐a代替flibe作為主實驗回路的工質開展堆芯與管道對流換熱實驗和關鍵設備的流動阻力實驗研究，無量綱數相等，可以用來在較低溫度下模擬flibe的流動換熱特性，從而使本發明的主實驗回路可選用市面上相對成熟并且測量精度高的測量水的壓力壓差及流量傳感器。

s5：采集對應實驗工況下設于第一調節閥4的第一流量計5，分別設于所述實驗本體段7兩端的第二熱電偶15、第二壓力傳感器16、第二壓差傳感器17以及實驗本體段7內溫度及加熱功率數據；

s6：重復步驟s3及s4，開始下一實驗工況實驗；

s7：實驗全部完成后，關閉第一截止閥6和第二截止閥8，開啟手動截止閥29以排空實驗本體段內導熱油。

以上所述，僅為本發明的較佳實施例，并非用以限定本發明的范圍，本發明的上述實施例還可以做出各種變化。在系統允許的情況下，本發明可以擴展為同時外接更多的功能模塊，從而最大限度擴展其功能。即凡是依據本發明申請的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發明專利的權利要求保護范圍。本發明未詳盡描述的均為常規技術內容。