一種非能動余熱排出熱交換器模擬實驗系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種實驗系統(tǒng)，尤其是一種非能動余熱排出熱交換器模擬實驗系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]20世紀80年代中期以來，國際核能界開展了第3代核電技術(shù)的研發(fā)，取得了諸多研究成果，采用非能動安全原理的AP1000就是其中之一。非能動余熱排出系統(tǒng)(PRHRS)是AP1000非能動堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)的重要組成部分，其主要設(shè)備是非能動余熱排出熱交換器(PRHR HX) ο PRHR HX由上部的入口封頭、下部的出口封頭和連接上下封頭的“C”型立式管束組成。這些“C”型立式管束即為換熱管。換熱管布置在安全殼內(nèi)置換料水箱(IRWST)內(nèi)，IRffST內(nèi)的水作為冷卻介質(zhì)，為熱交換器提供熱阱功能。
[0003]非能動余熱排出熱交換器(PRHR HX)傳熱機理十分復(fù)雜，國內(nèi)對其研究甚少，設(shè)計經(jīng)驗積累更是空白，加上國外先進核電國家非常重視知識產(chǎn)權(quán)的保護，很多關(guān)鍵技術(shù)和資料都高度保密。直接通過PRHR HX進行傳熱機理研究涉及操作非常復(fù)雜，且運行成本高，幾乎不被考慮。因此需要設(shè)計出一套非能動余熱排出熱交換器模擬實驗系統(tǒng)以研究PRHR HX傳熱機理。
[0004]哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)技術(shù)研究院與國電環(huán)境保護研究院聯(lián)合曾開發(fā)了一套非能動余熱排出換熱器模擬實驗系統(tǒng)。實驗采用電加熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽作為換熱介質(zhì)，加熱高位水箱內(nèi)的水，以模擬PRHR HX從運行開始到高位水箱水達到飽和這一過程的換熱特性。
[0005]實驗過程中，熱蒸汽在管內(nèi)冷凝并釋放熱量，水箱水溫逐漸上升至飽和。其換熱管束由7根銅鎳合金光管組成，管束采用三角形排列。換熱管總長600_，管束安裝在高位水箱內(nèi)，底部距水箱底200mm。管壁溫度和高位水箱溫度分別由焊接在管壁上的10對熱電偶和設(shè)置在水箱內(nèi)、距管束軸線10mm的9對熱電偶測得。文章發(fā)表在《原子能科學(xué)技術(shù)》2011，Vol.45，N0.8:931-936，題為非能動余熱排出換熱器運行初始階段換熱特性研究，作者李勇等人。
[0006]哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)的模擬實驗系統(tǒng)主要研究非能動余熱排出換熱器高位水箱水達到飽和前的升溫過程和換熱特性，然而受到實驗條件的限制，該系統(tǒng)存在以下三點缺陷:
[0007]第一點，系統(tǒng)中使用的換熱管束為直管，而PRHR HX使用C型換熱管，兩種形式的換熱管存在一定的差異，所使用的傳熱計算公式也不盡相同。
[0008]第二點，該系統(tǒng)使用管內(nèi)換熱介質(zhì)是飽和蒸汽，而實際工況的介質(zhì)是高溫高壓水。
[0009]第三點，該系統(tǒng)會產(chǎn)生蒸汽冷凝。蒸汽冷凝是由于飽和蒸汽分子在換熱管內(nèi)遇到較冷的管內(nèi)壁面，從而冷凝成小液滴，并隨著冷凝液的積聚，冷凝液會順著換熱管內(nèi)壁面順流而下，該系統(tǒng)無法分段從換熱管內(nèi)將冷凝液提出，只能測出整個換熱管內(nèi)的全部冷凝量，因此該系統(tǒng)無法獲得換熱過程中各段的傳熱情況。而此類換熱器設(shè)計時，需要利用水箱溫度分布分段推算換熱管各段傳熱量及管內(nèi)溫度分布，故該系統(tǒng)無法實現(xiàn)這一目標。
[0010]該已有模擬實驗系統(tǒng)只能用來研究高位水箱介質(zhì)受熱變化，對于管內(nèi)外各段耦合傳熱的研究無法實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，盡可能地模擬PRHR HX運行過程，并進行非能動余熱排出熱交換器傳熱性能測試。
[0012]為了解決這些技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種非能動余熱排出熱交換器模擬實驗系統(tǒng)，包括加熱罐、電加熱套、換熱管、水箱、排氣管道和第一加水管道，其特征在于:所述換熱管具有豎直段、第一水平段和第二水平段，豎直段設(shè)置于所述水箱中，與水箱的高度方向平行，第一水平段和第二水平段從水箱的同一側(cè)穿出后分別與所述加熱罐的頂部和底部相連，從而形成回路；所述電加熱套套設(shè)在所述加熱罐的外表面；所述加熱罐上設(shè)置有安全閥和壓力表；所述排氣管道通過第一閥門與所述換熱管的所述第一水平段相連；所述第一加水管道通過第二閥門與所述換熱管的所述第二水平段相連；所述換熱管的管內(nèi)和管外壁，以及所述水箱內(nèi)分別設(shè)置有管內(nèi)熱電偶、管外壁熱電偶和水箱熱電偶；所述水箱包括水箱壁和水箱底。
[0013]—種優(yōu)選水箱結(jié)構(gòu)是，所述水箱還包括水箱頂；所述水箱頂或所述水箱壁上部通過第十閥門設(shè)置有第二加水管道。
[0014]再一種優(yōu)選水箱結(jié)構(gòu)是，所述水箱還包括與所述水箱口徑相匹配的水箱頂蓋；所述水箱頂蓋包括外層薄片、內(nèi)層薄片，以及由所述外層薄片和內(nèi)層薄片圍成的板腔。所述板腔中可裝入冷卻介質(zhì)，比如自來水或其他可以想到的常規(guī)冷卻介質(zhì)。所述水箱頂蓋有助于在水箱水發(fā)生沸騰之后，使得沸騰產(chǎn)生的蒸汽冷卻成液體回流至水箱，以防止蒸汽蒸發(fā)量過大而導(dǎo)致水箱液位下降，造成換熱管干燒現(xiàn)象。所述水箱頂蓋蓋設(shè)在所述水箱壁頂部敞口上。所述水箱頂蓋可以延伸出一個下端以便更好的起到冷卻作用。所述下端可以設(shè)計為將所述水箱壁上部包裹在內(nèi)的形式；也可以設(shè)計為可被所述水箱壁包裹在內(nèi)的形式。
[0015]為了能更好的控制回路中的高溫高壓水的流動過程及檢測流量和溫度，對上述方案做了改進，所述第一閥門與所述加熱罐頂部之間設(shè)置有第三閥門；所述第一閥門與所述換熱管之間設(shè)置有第四閥門；所述加熱罐底部與所述換熱管之間通過第五閥門設(shè)置有第一出水口 ；所述回路上設(shè)置有流量計、溫度計和第一止回閥。優(yōu)選的，所述回路上設(shè)置兩個溫度計，分別設(shè)置在伸出所述水箱的所述第一水平段和第二水平段上，用于測量換熱管進、出口處的管內(nèi)水溫，作為傳熱研究的參考值。
[0016]本發(fā)明采用電加熱套加熱加熱罐中的水至產(chǎn)生高溫高壓水，比如溫度達到270°C左右。此時由于管路兩側(cè)(加熱罐側(cè)及水箱側(cè))存在溫差，管路中的高溫高壓水會在自然對流作用下，從上部管道朝著水箱側(cè)流動，將熱量傳遞到水箱介質(zhì)后，再經(jīng)由下部管道回到加熱罐內(nèi)，如此持續(xù)加熱水箱內(nèi)介質(zhì)。考慮到自然對流推動力較弱，且由于本發(fā)明實驗回路附件較多，為了保證實驗回路的循環(huán)流動，在管路中并聯(lián)了一個高溫栗，以便在自然對流無法實現(xiàn)的情況下提供推動力。因此進一步改進為，所述的非能動余熱排出熱交換器模擬實驗系統(tǒng)回路上設(shè)置有第六閥門，且在第三、四、六閥門中擇一閥門兩端通過第七閥門和第八閥門并聯(lián)設(shè)置有一個高溫栗，且所述高溫栗出口與第七閥門之間設(shè)置有第二止回閥。
[0017]作為再一種改進方案，所述安全閥的起跳壓力設(shè)置為I?30MPa，優(yōu)選為6MPa。
[0018]為了能夠得到該試驗系統(tǒng)多個位置的熱性能數(shù)據(jù)，進一步的改進方案是所述管內(nèi)熱電偶的數(shù)量為I?100根，所述管外壁熱電偶的數(shù)量為I?100根，所述水箱熱電偶的數(shù)量為I?100根且沿水箱的高度方向依次分布。優(yōu)選的，所述管內(nèi)熱電偶的數(shù)量為10?20根，所述管外壁熱電偶的數(shù)量為10?20根，所述水箱熱電偶的數(shù)量為10?20根且沿水箱的高度方向依次分布。更優(yōu)選的，所述管內(nèi)熱電偶的數(shù)量為13根，其中2根分別分布在換熱管上下兩端伸出水箱的第一水平段和第二水平段中；所述管外壁熱電偶的數(shù)量為11根，兩兩間隔相同距離均勻分布于換熱管的管外壁，如圖1所示；所述水箱熱電偶的數(shù)量為10根且沿水箱的高度方向依次分布。
[0019]試驗流程為了減小一回路沿程阻力，系統(tǒng)的設(shè)計以盡量縮短尺寸為標準，整個系統(tǒng)也非常緊湊。
[0020]本發(fā)明的發(fā)明人開發(fā)的所述非能動余熱排出熱交換器模擬實驗系統(tǒng)能完全模擬非能動余熱排出熱交換器的運行過程，對PRHR HX傳熱機理進行深入研究，為此類換熱器的自主設(shè)計提供傳熱設(shè)計的理論依據(jù)，最終形成一套此類換熱器傳熱設(shè)計的計算方法，在我國積極發(fā)展清潔能源的現(xiàn)在顯的尤為重要。同時，與直接在非能動余熱排出熱交換器上進行傳熱機理研究相比，具有操作簡便，運行成本低的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明實施例1的非能動余熱排出熱交換器模擬實驗系統(tǒng)示意圖。
[0022]圖2示出了沿圖1中A-A線所取的水箱與換熱管橫截面示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明實施例2的非能動余熱排出熱交換器模擬實驗系統(tǒng)示意圖。
[0024]圖4是本發(fā)明實施例3的非能動余熱排出熱交換器模擬實驗系統(tǒng)示意圖。
[0025]圖5是本發(fā)明實施例3的所述水箱頂蓋的第二種設(shè)計的示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明。
[0027]實施例1
[0028]圖1是本發(fā)明實施例1的非能動余熱排出熱交換器模擬實驗系統(tǒng)示意圖。在本實施例中，試驗采用高溫高壓水作為管內(nèi)介質(zhì)。模擬IRWST水箱的水箱8為Φ600 X 1500mm的不銹鋼水箱，其內(nèi)裝滿常壓的水。模擬PRHR HX中的換熱管的換熱管7是I根Φ 19.05 X 1.5不銹鋼管，其形狀保持C字型，即由豎直段、第一水平段和第二水平段組成。