一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置及测量方法，适用于管外池沸腾的换热测量技术，尤其涉及一种管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量技术；该测量装置可对实验水箱进行自动补水维持液位稳定，通过测量补水流量、压力和温度等信号，利用池沸腾产生蒸汽与补水的焓差乘以补水流量，计算得出池沸腾换热量，包括四个模块：实验模块，自动补水模块，测量模块和蒸汽回收模块；本发明专利技术解决了池沸腾实验研究中测量换热量的技术问题，尤其是管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量，不仅可有效应用于化工、制药等相关工业领域，而且更可应用于管道内侧热工质为高温高压工质冷凝的换热量测量过程。

Heat exchange measuring device and method for pool boiling experiment study

The invention discloses a method for pool boiling heat measuring device and method for experimental research, applied to the tube thermal measurement techniques for pool boiling, especially relates to a heat measurement technology in tube condensation tube boiling physical process on both sides of the phase change; the measuring device can maintain the automatic replenishment the level of stability of the experimental water tank, by measuring the water flow, pressure and temperature signal, the use of steam and water pool boiling enthalpy difference multiplied by the calculated water flow, the pool boiling heat transfer, including four modules: experiment module, automatic replenishment module, measurement module and steam recovery module; the invention solves the technical problems measurement of heat transfer in the experimental study of pool boiling heat transfer, especially the measurement of physical processes on both sides are transition boiling pool in tube condensation tube, not only can The utility model can be applied to the chemical industry, pharmaceutical industry and other related industries, and can be applied to the measurement of the heat transfer quantity in the inner side of the pipeline for the condensation of the high temperature and high pressure working substance.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及换热测量
，特别涉及一种用于管外池沸腾实验研究中的换热量测量装置，尤其适用于管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量技术。技术背景池沸腾现象广泛存在于各类工业领域，比如化工、制药等等。福岛核事故发生后，世界各国都越来越重视核安全性这一重要课题的研究，因此作为第三代核电站主要技术的非能动安全系统应运而生。在非能动安全系统中，重要的传热机理为管内高温高压蒸汽冷凝和管外池沸腾，能够在全厂断电以及备用电源失效的情况下，依靠工质密度差建立自然循环，将堆芯热量导出从而保证电厂安全。由于测量参数的复杂性，在相关的实验研究中存在着一个管内冷凝管外池沸腾下换热量测量的技术难题。传统的热量加减法，是用实验管道两端的热量相加减得出实验管道的换热量。然而，这种方法不适用于较短的实验管道，否则会出现工程上常见的“大数减小数”的失准问题，但采用较长的实验管道不仅大幅增加了实验投入，又会引入管内流型变化的干扰，同时让换热系数的计算只能限于较长管道的平均值，无法得出更加精确细致的结果。综上所述，目前对池沸腾实验研究中换热量测量的技术相对匮乏，尤其对管内为高温高压工质冷凝，管外为池沸腾的物理过程缺乏相应的测量手段，严重阻碍了实验研究的深入和细化，必须寻求一种新型的测量装置来解决这一难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对池沸腾换热量测量技术相对匮乏，尤其无法精确测量管内冷凝管外池沸腾过程中换热量的技术现状，提供了一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置及测量方法，测量精确操作灵活，同时具有自动化和节能环保等优点，适用于池沸腾的换热测量技术，更适用管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量技术。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置，适用于管外池沸腾的换热测量，尤其适用于管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量；该测量装置能够对实验水箱进行自动补水维持液位稳定，通过测量补水流量、压力和温度等信号，利用池沸腾蒸汽与补水的焓差乘以补水流量，计算得出池沸腾换热量；所述测量装置包括实验模块、自动补水模块、测量模块和蒸汽回收模块；所述实验模块包括由保温棉包裹的实验水箱1，用于排出池沸腾蒸汽并且同样采取保温措施的排气通道3，布置在排气通道3内的汽水分离装置4，插入实验水箱1内的实验管道5，用于固定实验管道5的左侧连接法兰6-1和右侧连接法兰6-2以及连接在实验水箱1上表示水箱液位高度的液位计7；所述自动补水模块包括与液位计7依次相连用于实时测量液位计7中液柱与大气环境压力差的压差表DP8、根据压差表DP8的电子信号进行偏差-积分-微分运算的PID控制器9和根据PID控制器9的输出信号改变自身输出频率的变频器VFD10，还包括用于储藏补水和喷淋冷凝蒸汽的补水-喷淋水箱11，设置在补水-喷淋水箱11底部与实验水箱1连通的补水通道12以及与变频器VFD10相连为补水过程提供动力的补水水泵13；所述测量模块包括布置在补水通道12上测量补水流量、压力和温度的质量流量计14、压力表15、热电偶16以及与质量流量计14、压力表15和热电偶16连接的用于采集流量、压力和温度的信号采集系统17；所述蒸汽回收模块包括与补水-喷淋水箱11连接的工业冷水机20，通过喷淋水通道19与工业冷水机20连通且从补水-喷淋水箱11顶部伸入的喷淋装置18。所述左侧连接法兰6-1和右侧连接法兰6-2能够便于实验管道(5)安装拆卸的同时并保证实验管道(5)与实验水箱(1)的密封和绝热绝缘。所述实验水箱1上设置有便于观察池沸腾现象的可视窗2。所述实验管道5为不锈钢材质。所述实验管道内侧热工质的传热机理为单相对流或两相冷凝。所述用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置的测量方法，向实验水箱1内注入补水，维持液位计7中合适的液位高度使实验管道5浸没在水中，压差表DP8将此时的液位高度与环境大气的压力差转化为电子信号，调节PID控制器9的控制参数使变频器VFD10处于动作状态且补水水泵13刚好启动流量稍稍大于零值；向实验管道5通入热工质，随着池沸腾现象发生，液位计7中液位变化的电子信号由压差表DP8传递给PID控制器9，PID控制器9控制变频器VFD10的输出频率，从而使得补水水泵13对实验水箱进行实时补水维持液位恒定；管外池沸腾产生的蒸汽在排气通道3中经过汽水分离装置4达到补水-喷淋箱水11，利用喷淋水通道19和喷淋装置18对补水-喷淋箱水11中的池沸腾蒸汽进行喷淋，工业冷水机20对补水进行冷却,冷却后的补水由补水水泵13提供动力经过补水通道12流向实验水箱1从而实现补水的循环利用；当实验管道5内外达到换热平衡后，利用信号采集系统17记录布置在补水通道12上的质量流量计14、压力表15和热电偶16采集的质量流量M、压力P和温度T等数据，通过P、T查询物性得出补水焓值H1以及大气环境下的饱和蒸汽焓值H2，由下式计算得出换热量Q；Q＝(H2-H1)×M。所述用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置的测量方法在质量流量计14、压力表15和热电偶16示数不再变化超过五分钟之后方可采集数据，保证管道内外达到平衡状态。本专利技术的技术方案具有以下有益效果：(1)本专利技术所述测量装置，水箱模块结构紧凑便于安装拆卸，实验水箱与实验管道之间不仅密封而且绝热绝缘，通过颠倒摆放可以分别对水平和竖直两种方向的管道进行测量。(2)本专利技术所述测量装置，自动补水模块根据实验水箱液位变化，利用PID控制器、变频器VFD和补水水泵的联合动作实时补水，具有及时响应的自动化特点。(3)本专利技术所述测量装置，测量模块采集的参数较少，简单有效，并且测点均设在参数范围相对较低的管外池沸腾一侧，在一定程度保证了操作人员的人身安全。(4)本专利技术所述测量装置，蒸汽回收模块对蒸汽进行喷淋回收循环利用，避免了资源浪费，符合节能环保的设计理念。附图说明图1为本专利技术的一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置示意图；图1中：1、实验水箱；2、可视窗；3、排气通道；4、汽水分离装置；5、实验管道；6-1、左侧连接法兰；6-2、右侧连接法兰；7、液位计；8、压差表DP；9、PID控制器；10、变频器VFD；11、补水-喷淋水箱；12、补水通道；13、补水水泵；14、质量流量计；15、压力表；16、热电偶；17、信号采集系统；18、喷淋装置；19、喷淋水通道；20、工业冷水机。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细说明。如图1所示，本专利技术一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置，该测量装置由四个模块构成：实验模块包括由保温棉包裹的实验水箱1、用于观察池沸腾现象的可视窗2、用于排出池沸腾蒸汽并且同样采取保温措施的排气通道3、布置在排气通道3内的汽水分离装置4、不锈钢材质的实验管道5、用于固定实验管道5的左侧连接法兰6-1和右侧连接法兰6-2以及连接在实验水箱1上表示水箱液位高度的液位计7；自动补水模块包括与液位计7相连用于实时测量液位计7中液柱与大气环境压力差的压差表DP8、根据压差表DP8的电子信号进行偏差-积分-微分运算的PID控制器9、根据PID控制器9的输出信号改变自身输出频率的变频器VFD10、用于储藏补水和喷淋冷凝蒸汽的补水-喷淋水箱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置，其特征在于：适用于管外池沸腾的换热测量，尤其适用于管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量；该测量装置能够对实验水箱进行自动补水维持液位稳定，通过测量补水流量、压力和温度等信号，利用池沸腾蒸汽与补水的焓差乘以补水流量，计算得出池沸腾换热量；所述测量装置包括实验模块、自动补水模块、测量模块和蒸汽回收模块；所述实验模块包括由保温棉包裹的实验水箱(1)，用于排出池沸腾蒸汽并且同样采取保温措施的排气通道(3)，布置在排气通道(3)内的汽水分离装置(4)，插入实验水箱(1)内的实验管道(5)，用于固定实验管道(5)的左侧连接法兰(6‑1)和右侧连接法兰(6‑2)以及连接在实验水箱(1)上表示水箱液位高度的液位计(7)；所述自动补水模块包括与液位计(7)依次相连用于实时测量液位计(7)中液柱与大气环境压力差的压差表DP(8)、根据压差表DP(8)的电子信号进行偏差‑积分‑微分运算的PID控制器(9)和根据PID控制器(9)的输出信号改变自身输出频率的变频器VFD(10)，还包括用于储藏补水和喷淋冷凝蒸汽的补水‑喷淋水箱(11)，设置在补水‑喷淋水箱(11)底部与实验水箱(1)连通的补水通道(12)以及与变频器VFD(10)相连为补水过程提供动力的补水水泵(13)；所述测量模块包括布置在补水通道(12)上测量补水流量、压力和温度的质量流量计(14)、压力表(15)、热电偶(16)以及与质量流量计(14)、压力表(15)和热电偶(16)连接的用于采集流量、压力和温度的信号采集系统(17)；所述蒸汽回收模块包括与补水‑喷淋水箱(11)连接的工业冷水机(20)，通过喷淋水通道(19)与工业冷水机(20)连通且从补水‑喷淋水箱(11)顶部伸入的喷淋装置(18)。...

【技术特征摘要】
1.一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置，其特征在于：适用于管外池沸腾的换热测量，尤其适用于管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量；该测量装置能够对实验水箱进行自动补水维持液位稳定，通过测量补水流量、压力和温度等信号，利用池沸腾蒸汽与补水的焓差乘以补水流量，计算得出池沸腾换热量；所述测量装置包括实验模块、自动补水模块、测量模块和蒸汽回收模块；所述实验模块包括由保温棉包裹的实验水箱(1)，用于排出池沸腾蒸汽并且同样采取保温措施的排气通道(3)，布置在排气通道(3)内的汽水分离装置(4)，插入实验水箱(1)内的实验管道(5)，用于固定实验管道(5)的左侧连接法兰(6-1)和右侧连接法兰(6-2)以及连接在实验水箱(1)上表示水箱液位高度的液位计(7)；所述自动补水模块包括与液位计(7)依次相连用于实时测量液位计(7)中液柱与大气环境压力差的压差表DP(8)、根据压差表DP(8)的电子信号进行偏差-积分-微分运算的PID控制器(9)和根据PID控制器(9)的输出信号改变自身输出频率的变频器VFD(10)，还包括用于储藏补水和喷淋冷凝蒸汽的补水-喷淋水箱(11)，设置在补水-喷淋水箱(11)底部与实验水箱(1)连通的补水通道(12)以及与变频器VFD(10)相连为补水过程提供动力的补水水泵(13)；所述测量模块包括布置在补水通道(12)上测量补水流量、压力和温度的质量流量计(14)、压力表(15)、热电偶(16)以及与质量流量计(14)、压力表(15)和热电偶(16)连接的用于采集流量、压力和温度的信号采集系统(17)；所述蒸汽回收模块包括与补水-喷淋水箱(11)连接的工业冷水机(20)，通过喷淋水通道(19)与工业冷水机(20)连通且从补水-喷淋水箱(11)顶部伸入的喷淋装置(18)。2.根据权利要求1所述的一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置，其特征在于：所述左侧连接法兰(6-1)和右侧连接法兰(6-2)能够便于实验管道(5)安装拆卸的同时并保证实验管道(5)与实验水箱(1)的密封和绝热...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕勤成，聂泽森，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61