超臨界水窄通道自然循環實驗裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種超臨界水窄通道自然循環實驗裝置，該裝置包括通過主管道順次相連構成閉環回路的預熱部、實驗部、和換熱部，還包括分別連接在所述閉環回路主管道上的穩壓部和供水部，所述預熱部為油浴加熱部，所述實驗部包括可拆卸的實驗管，所述換熱部包括換熱水箱和冷卻水泵，所述穩壓部包括穩壓罐、氮氣瓶和設置在穩壓罐內部的氣囊，所述供水部包括去離子水箱、過濾器和柱塞泵。
【專利說明】
超臨界水窄通道自然循環實驗裝置及方法
技術領域
[0001]本發明涉及熱能和核能領域的實驗裝置，特別涉及研究超臨界水換熱特性的實驗
目.0
【背景技術】
[0002]超臨界水冷反應堆是國際上選中的六種四代堆中唯一的水冷堆，其熱量利用效率和簡化的系統、設備表現出了非常好的潛在經濟性。與常規壓水堆相比，超臨界水堆采用單回路直接循環設計，堆芯出口工質直接進入汽輪機，無需設置蒸汽發生器和穩壓器。與常規沸水堆相比，超臨界水屬于單相流體，無需設置汽水分離器和干燥器。對超臨界水冷堆來說，在失流事故狀態下冷卻劑自然循環的載熱能力和流動的穩定性對反應堆的安全分析和降低堆芯熔毀概率都是非常重要的。
[0003]現階段國內外超臨界水自然循環研究于起步階段，印度的巴巴原子研究中心采用兩個加熱器，兩個冷凝器，實驗部內徑為13.88_，采用44個經過校準的K-型熱電偶，用來測量流體、加熱表面以及二次側流體的進出口溫度。上海交通大學采用閉式水回路形式，裝置運行工況覆蓋壓水堆和超臨界水冷堆的熱力參數范圍，兼顧自然循環和強迫循環。西安交通大學超臨界水換熱裝置有兩種類型的換熱段，由SA-213T12鋼組成。其中六邊形試驗段用于火電廠W型燃燒爐，另外一種為光滑管，外徑31.8mm，壁厚6mm，采用NiCr-NiSi熱電偶測量。清華大學超臨界水自然循環回路類似巴巴原子研究中心，也為兩個加熱器、兩個冷凝器的不銹鋼環路。中國核動力研究設計院搭建了雙通道臨界水實驗臺，實驗部采用直流電加熱，加熱能力為600kW，實驗部采用14個N-型鎧裝熱電偶以測量管壁溫度。
[0004]以上的超臨界水實驗裝置實驗部均采用電加熱，造價成本較高，并且實驗部為單通道或雙通道固定形式，無法實現多種用途切換，無法研究窄通道自然循環的流動換熱特點，并且上述實驗裝置的造價都是及其昂貴的，難以滿足學生的研究需求。
[0005]由于上述原因，本發明人對現有的超臨界水自然循環實驗裝置做了深入研究，以便設計出一種能夠解決上述問題的新型實驗裝置。
【發明內容】
[0006]為了克服上述問題，本發明人進行了銳意研究，設計出一種超臨界水窄通道自然循環實驗裝置，該裝置包括通過主管道順次相連構成閉環回路的預熱部、實驗部、和換熱部，還包括分別連接在所述閉環回路主管道上的穩壓部和供水部，所述預熱部為油浴加熱部，所述實驗部包括可拆卸的實驗管，所述換熱部包括換熱水箱和冷卻水栗，所述穩壓部包括穩壓罐、氮氣瓶和設置在穩壓罐內部的氣囊，所述供水部包括去離子水箱、過濾器和柱塞栗，從而完成本發明。
[0007]具體來說，本發明的目的在于提供以下方面:
[0008](I)一種超臨界水窄通道自然循環實驗裝置，其特征在于，該裝置包括通過主管道I順次相連構成閉環回路的預熱部2、實驗部3、和換熱部4;
[0009]該裝置還包括分別連接在所述閉環回路主管道I上的穩壓部5和供水部6。
[0010](2)根據上述(I)所述的實驗裝置，其特征在于，
[0011]所述預熱部2用于初步加熱主管道I中的工質，所述預熱部2為油浴加熱部，優選地，所述預熱部2包括三段并聯的管道，在所述管道外部設置有油夾套21。
[0012](3)根據上述(I)所述的實驗裝置，其特征在于，
[0013]所述實驗部3用于繼續加熱經預熱部2初步加熱的主管道I中的工質，探測并記錄工質的參數信息；
[0014]優選地，所述實驗部3包括兩個連接端頭31和安裝在兩個所述連接端頭31之間的可拆卸的實驗管32;
[0015]進一步優選地，所述實驗管32有多個，其內徑為l-10mm。
[0016](4)根據上述(3)所述的實驗裝置，其特征在于，
[0017]在兩個所述連接端頭31之間安裝有一個實驗管32，
[0018]或者，
[0019]在兩個所述連接端頭31之間安裝有兩個并聯的實驗管32，優選地，所述兩個實驗管32的直徑可以相同也可以不同，
[0020]或者，
[0021]在兩個所述連接端頭31之間安裝有三個以上并聯的實驗管32，優選地，所述三個以上實驗管32的直徑可以相同也可以不同。
[0022](5)根據上述(3)所述的實驗裝置，其特征在于，
[0023]在所述每一個實驗管32上都安裝有多個熱電偶33，優選地相鄰熱電偶33之間的間距一致。
[0024](6)根據上述(I)所述的實驗裝置，其特征在于，
[0025]所述換熱部4用于冷卻經實驗部進一步加熱的工質，
[0026]優選地，所述換熱部4包括換熱水箱41和冷卻水栗42。
[0027](7)根據上述(I)所述的實驗裝置，其特征在于，
[0028]所述穩壓部5用于調整/穩定閉環回路中的壓力，
[0029]優選地，所述穩壓部5包括穩壓罐51、氮氣瓶52和設置在穩壓罐51內部的氣囊53;其中，所述穩壓罐是密閉的，所述氣囊53和氣瓶52通過導氣管相連，所述穩壓罐通過穩壓導管54與所述閉環回路上的主管道I相連；
[0030]進一步優選地，在所述穩壓導管54上設置有截止閥55。
[0031](8)根據上述(I)所述的實驗裝置，其特征在于，
[0032]所述供水部6用于向閉環回路中注入工質；
[0033]優選地，所述供水部6包括去離子水箱61、過濾器62和柱塞栗63。
[0034](9)根據上述(I)所述的實驗裝置，其特征在于，
[0035]在所述閉環回路的主管道I上還設置有高壓栗、排氣閥、流量計、熱電偶和壓差傳感器，其中優選地，排氣閥設置在實驗部上靠近換熱部的一端。
[0036](10) —種超臨界水窄通道自然循環實驗方法，其特征在于，
[0037]該方法是通過如上述(1)-(9)所述的超臨界水窄通道自然循環實驗裝置實現的；
[0038]優選地，該方法包括如下步驟:
[0039]步驟I，啟動柱塞栗將去離子水充滿整個閉環回路；
[0040]步驟2，啟動換熱部；
[0041]步驟3，加預熱部和實驗部，并將實驗部頂端的排氣閥打開，當水可以流暢地從排氣閥中流出，且沒有氣體撞擊金屬的聲音時執行下一步驟；
[0042]步驟4，通過穩壓部調節閉環回路內的壓力，達到預定的壓力值并維持;所述預定的壓力值優選地為22MPa-26MPa ；
[0043]步驟5，調整預熱部的功率，調節實驗部入口的溫度，優選地使其達到280°C-380°C；
[0044]步驟6，待溫度達到預定值以后，穩定預熱部的功率，逐步提高實驗部的功率，記錄并儲存探測到的測量值數據；
[0045]步驟7，關閉電源，關閉閥門，并卸掉穩壓罐中壓力；
[0046]其中，進一步優選地，所述測量值數據包括實驗部內工質的壓力、溫度、流速等數據信息。
[0047]本發明所具有的有益效果包括:
[0048](I)根據本發明提供的超臨界水窄通道自然循環實驗裝置能夠實現單通道或雙通道等多種形式的切換；
[0049](2)根據本發明提供的超臨界水窄通道自然循環實驗裝置還可以研究窄通道管間脈動特性；
[0050](3)根據本發明提供的超臨界水窄通道自然循環實驗裝置生產制造成本及實驗消耗都很低。
【附圖說明】
[0051]圖1示出根據本發明一種優選實施方式的超臨界水窄通道自然循環實驗裝置整體結構示意圖；
[0052]圖2示出根據本發明一種優選實施方式的超臨界水窄通道自然循環實驗裝置整體結構示意圖；
[0053]圖3示出根據本發明一種優選實施方式的超臨界水窄通道自然循環實驗裝置中兩個實驗管的實驗部結構示意圖；
[0054]圖4示出根據本發明一種優選實施方式的超臨界水窄通道自然循環實驗裝置中一個實驗管的實驗部結構示意圖。
[0055]附圖標號說明:
[0056]1-主管道
[0057]2-預熱部
[0058]21-油夾套
[0059]3-實驗部
[0060]31-連接端頭[0061 ] 32-實驗管
[0062]33-熱電偶
[0063]4-換熱部
[0064]41-換熱水箱
[0065]42-7令卻水栗
[0066]5-穩壓部
[0067]51-穩壓罐
[0068]52-氣瓶
[0069]53-氣囊
[0070]54-穩壓導管[0071 ]55-截止閥
[0072]6-供水部
[0073]61-去離子水箱
[0074]62-過濾器
[0075]63-柱塞栗
【具體實施方式】
[0076]下面通過附圖和實施例對本發明進一步詳細說明。通過這些說明，本發明的特點和優點將變得更為清楚明確。
[0077]在這里專用的詞“示例性”意為“用作例子、實施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實施例不必解釋為優于或好于其它實施例。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。
[0078]根據本發明提供的一種超臨界水窄通道自然循環實驗裝置，如圖1和圖2中所示，該裝置包括通過主管道I順次相連構成閉環回路的預熱部2、實驗部3、和換熱部4;該裝置還包括分別連接在所述閉環回路主管道I上的穩壓部5和供水部6;其中，所述主管道I為中空的密閉管道，所述預熱部用于預先加熱主管道中的去離子水，使其達到預定的溫度，所述實驗部用于繼續加熱去離子水，并且達到實驗溫度，以便于通過儀器儀表觀測液去離子水變為超臨界水后的各項性能參數，所述換熱部用于給所述超臨界水降溫，最終使得超臨界水在主管道內自然流動，成為自然循環;所述穩壓部用于穩定主管道中的壓力，使其保持在預定范圍內，所述供水部用于向主管道中注入去離子水。
[0079]在一個優選的實施方式中，所述預熱部2為油浴加熱部，具體來說，所述預熱部2包括三段并聯的管道，在所述管道外部設置有油夾套21，油夾套和管道之間填充有加熱用的油，能夠使得管道快速均勻受熱，所述三段管道的兩端都連接至主管道I;所述油夾套21由不銹鋼材料制成，長度約為l-2m，優選的為1.5m，在加熱段的進出口均設置了測量流體溫度的熱電偶和測量壓差的壓差傳感器，從而實時監測其周圍的溫度和壓力信息，將所述管道分成三段能夠保證其內部的去離子水得到充分加熱，還能夠最大程度地降低成本，節約能耗，該油浴加熱部與單管道直流電加熱相比，有著明顯的經濟優勢。
[0080]在一個優選的實施方式中，所述實驗部3包括兩個連接端頭31和安裝在兩個所述連接端頭31之間的可拆卸的實驗管32;即可以隨時更換相應的實驗管，具體來說，實驗管32有多個，其內徑為1-1Omm; —般內徑小于4mm時稱之為窄通道/窄管，內徑在4_10mm之間時稱之為寬通道/寬管。
[0081]在一個優選的實施方式中，在每個實驗管上都設置有加熱部，所述加熱部用于給實驗管中的液體加熱，其可以是油浴加熱，也可以是電加熱，可以根據具體的情況設置，優選地，試驗部中的實驗管加熱功率最大為20kW。
[0082]在一個優選的實施方式中，如圖3和圖4中所示，在所述連接端頭31之間安裝有一個實驗管32，或者，在兩個所述連接端頭31之間安裝有兩個及以上并聯的實驗管32，優選地，所述兩個實驗管32的直徑可以相同也可以不同，即可以進行雙窄通道的一樣尺寸和不一樣尺寸流動換熱及脈動實驗，也可以進行窄通道與寬通道的流動換熱及脈動實驗，通過更換不同的實驗管實現對不同現象的分析研究，能夠執行多種實驗操作，從而能夠擴大該實驗裝置的應用范圍。
[0083]在一個優選的實施方式中，在所述每一個實驗管32上都安裝有多個熱電偶33，優選地相鄰熱電偶33之間的間距一致，所述熱電偶用于量測實驗管內部超臨界水的溫度。本發明中所述的超臨界水是由去離子水在預定的溫度和壓力條件下得到的，或者說是所述去離子水在預定的溫度和壓力條件下的另一種名稱，所述預定的溫度優選為280°C-500°C，所述預定壓力為22MPa-26Mpa，本發明中所述的工質即為在主管道及閉環回路中流動的液體，其指代的范圍包括所述超臨界水和所述去離子水。
[0084]在一個優選的實施方式中，如圖2中所示，所述換熱部4包括換熱水箱41和冷卻水栗42，從試驗部出來的高溫水通過主管道流經所述換熱水箱，在冷卻水的作用下降溫冷卻。
[0085]在一個優選的實施方式中，如圖1和圖2中所示，所述穩壓部5包括穩壓罐51、氮氣瓶52和設置在穩壓罐51內部的氣囊53;優選地，所述穩壓罐是密閉的，所述氣囊53和氮氣瓶52通過導氣管相連，所述穩壓罐通過穩壓導管54與所述閉環回路上的主管道I相連;進一步優選地，在所述穩壓導管54上設置有截止閥55，當所述截止閥55開啟后，主管道中的液體進入到穩壓罐中，并與所述氣囊接觸，穩壓罐中液體的壓力與主管道中液體的壓力一致，通過氣瓶52向所述氣囊中注入氣體，或者從中抽取氣體，從而控制穩壓罐中的壓力，進而控制所述主管道中的壓力;本發明中所述的氣瓶優選的為氮氣瓶，即氣瓶中的氣體優選的為氮氣。優選地，所述穩壓導管連通至預熱部的入口附近。
[0086]在一個優選的實施方式中，所述供水部6包括去離子水箱61、過濾器62和柱塞栗63。所述供水部6還包括有截止閥，當其向主管道中注入了足夠數量的水以后關閉截止閥，使得供水部和主管道之間斷開。
[0087]在一個優選的實施方式中，在所述閉環回路的主管道I上還設置有、高壓栗、排氣閥、流量計、熱電偶和壓差傳感器，其中優選地，排氣閥設置在實驗部上靠近換熱部的一端。
[0088]根據本發明提供的一種超臨界水窄通道自然循環實驗方法，該方法是通過如上文所述的超臨界水窄通道自然循環實驗裝置實現的；
[0089]具體來說，該方法包括如下步驟:
[0090]步驟I，啟動柱塞栗將去離子水充滿整個閉環回路，使系統壓力升至5MPa;
[0091]步驟2，啟動換熱部，加熱去離子水；
[0092]步驟3，加預熱部和實驗部，并將實驗部頂端的排氣閥打開，當水可以流暢地從排氣閥中流出，且沒有氣體撞擊金屬的聲音時執行下一步驟；
[0093]步驟4，做熱平衡實驗，計算加熱效率，從而獲知后續的加熱功率及時間；
[0094]步驟5，通過穩壓部調節閉環回路內的壓力，達到預定的壓力值并維持;所述預定的壓力值優選地為22MPa-26MPa ；
[0095]步驟6，調整預熱部的功率，調節實驗部入口的溫度，優選地使其達到280°C-380°C；
[0096]步驟7，待溫度達到預定值以后，穩定預熱部的功率，逐步提高實驗部的功率，記錄并儲存探測到的測量值數據；
[0097]步驟8，關閉電源，關閉閥門，并卸掉穩壓罐中壓力；
[0098]其中，進一步優選地，所述測量值數據包括實驗部內工質的壓力、溫度、流速等數據信息，由安裝在所述閉環回路上的壓差傳感器、熱電偶和流量計等設備分別獲得。
[0099]以上結合了優選的實施方式對本發明進行了說明，不過這些實施方式僅是范例性的，僅起到說明性的作用。在此基礎上，可以對本發明進行多種替換和改進，這些均落入本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種超臨界水窄通道自然循環實驗裝置，其特征在于，該裝置包括通過主管道(I)順次相連構成閉環回路的預熱部(2)、實驗部(3)、和換熱部(4); 該裝置還包括分別連接在所述閉環回路主管道(I)上的穩壓部(5)和供水部(6)。2.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于， 所述預熱部(2)用于初步加熱主管道(I)中的工質，所述預熱部(2)為油浴加熱部，優選地，所述預熱部(2)包括三段并聯的管道，在所述管道外部設置有油夾套(21)。3.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于， 所述實驗部(3)用于繼續加熱經預熱部(2)初步加熱的主管道(I)中的工質，探測并記錄工質的參數信息； 優選地，所述實驗部(3)包括兩個連接端頭(31)和安裝在兩個所述連接端頭(31)之間的可拆卸的實驗管(32); 進一步優選地，所述實驗管(32)有多個，其內徑為l-10mm。4.根據權利要求3所述的實驗裝置，其特征在于， 在兩個所述連接端頭(31)之間安裝有一個實驗管(32)，或者， 在兩個所述連接端頭(31)之間安裝有兩個并聯的實驗管(32)，優選地，所述兩個實驗管(32)的直徑可以相同也可以不同， 或者， 在兩個所述連接端頭(31)之間安裝有三個以上并聯的實驗管(32)，優選地，所述三個以上實驗管(32)的直徑可以相同也可以不同。5.根據權利要求3所述的實驗裝置，其特征在于， 在所述每一個實驗管(32)上都安裝有多個熱電偶(33)，優選地相鄰熱電偶(33)之間的間距一致。6.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于， 所述換熱部(4)用于冷卻經實驗部進一步加熱的工質， 優選地，所述換熱部(4)包括換熱水箱(41)和冷卻水栗(42)。7.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于， 所述穩壓部(5)用于調整/穩定閉環回路中的壓力， 優選地，所述穩壓部(5)包括穩壓罐(51)、氮氣瓶(52)和設置在穩壓罐(51)內部的氣囊(53);其中，所述穩壓罐是密閉的，所述氣囊(53)和氣瓶(52)通過導氣管相連，所述穩壓罐通過穩壓導管(54)與所述閉環回路上的主管道(I)相連； 進一步優選地，在所述穩壓導管(54)上設置有截止閥(55)。8.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于， 所述供水部(6)用于向閉環回路中注入工質； 優選地，所述供水部(6)包括去離子水箱(61)、過濾器(62)和柱塞栗(63)。9.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于， 在所述閉環回路的主管道(I)上還設置有高壓栗、排氣閥、流量計、熱電偶和壓差傳感器，其中優選地，排氣閥設置在實驗部上靠近換熱部的一端。10.一種超臨界水窄通道自然循環實驗方法，其特征在于， 該方法是通過如權利要求1-9所述的超臨界水窄通道自然循環實驗裝置實現的； 優選地，該方法包括如下步驟: 步驟I，啟動柱塞栗將去離子水充滿整個閉環回路； 步驟2，啟動換熱部； 步驟3，加預熱部和實驗部，并將實驗部頂端的排氣閥打開，當水可以流暢地從排氣閥中流出，且沒有氣體撞擊金屬的聲音時執行下一步驟； 步驟4，通過穩壓部調節閉環回路內的壓力，達到預定的壓力值并維持;所述預定的壓力值優選地為22MPa-26MPa ； 步驟5，調整預熱部的功率，調節實驗部入口的溫度，優選地使其達到2800C-3800C ； 步驟6，待溫度達到預定值以后，穩定預熱部的功率，逐步提高實驗部的功率，記錄并儲存探測到的測量值數據； 步驟7，關閉電源，關閉閥門，并卸掉穩壓罐中壓力； 其中，進一步優選地，所述測量值數據包括實驗部內工質的壓力、溫度、流速等數據信息。
【文檔編號】G01M10/00GK106066235SQ201610428743
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月16日 公開號201610428743.8, CN 106066235 A, CN 106066235A, CN 201610428743, CN-A-106066235, CN106066235 A, CN106066235A, CN201610428743, CN201610428743.8
【發明人】周濤, 齊實, 陳柏旭, 馬棟梁, 宋明強, 李精精
【申請人】華北電力大學