一种宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统技术方案

本发明专利技术涉及反应堆安全技术设施领域，尤其涉及一种用于研究核电站安全壳过滤排放系统内冷凝换热器性能的宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统，该系统同样适用于其它领域含多元不凝性气体的水平管内蒸汽流动冷凝换热特性研究。包括蒸汽供应系统、管内空气供应系统、氦气供应系统、水冷子系统、空冷子系统、汽水分离系统和数据采集系统，其特征在于：水冷子系统包括套管换热器和冷却水系统。本发明专利技术实现了在较宽泛的壁面过冷度范围内，进行水平和倾斜条件下管内含多组分不凝性气体的蒸汽流动冷凝换热特性的实验研究，以此更深入地了解冷凝换热机理，为冷凝器设计、强化换热元件开发和换热器运行技术提供科学依据。

Steam condensation heat transfer experimental system of horizontal tube with wide supercooling and multielement gas

The present invention relates to a reactor safety facilities technology field, especially relates to a method for the research of nuclear power plant containment venting system in condensing heat exchanger performance of wide horizontal cold gas containing multiple tube steam condensation heat transfer experiment system, this system is also applicable to other areas containing multiple non condensable gas in horizontal pipe steam flow condensation heat transfer characteristics. Including the steam supply system, air supply pipe system, helium supply system, water system, air cooling system, steam separation system and data acquisition system, which is characterized in that: the cooling system includes casing heat exchanger and water cooling system. In the invention, a broad wall undercooling range, experimental study on multicomponent non condensable gas steam flow condensation heat transfer characteristics of tube containing horizontal and inclined conditions, in order to better understand the condensation heat transfer mechanism for condenser design, enhanced heat transfer element development and change to provide scientific basis for operation technology of heat exchanger.

【技术实现步骤摘要】
一种宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统
本专利技术涉及反应堆安全技术设施领域，尤其涉及一种用于研究核电站安全壳过滤排放系统内冷凝换热器性能的宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统，该系统同样适用于其它领域含多元不凝性气体的水平管内蒸汽流动冷凝换热特性研究。
技术介绍
水平管内冷凝换热过程具有独特的液膜不均分布的特点，从而局部具有极高的换热系数。基于这种冷凝形式而设计的冷凝器拥有更强的换热能力，较高的抗震与耐压效果，因此被广泛地应用于核能、化工、航天以及能源领域。在核电站安全壳过滤排放系统中，通过采用水平管冷凝换热器回收部分凝液的方式，延长了文丘里水洗器的高效过滤时间，从而可以在严重事故发生后的72小时甚至更长时间内，保证安全壳压力不超出其承压极限，避免放射性物质的大量外泄，减少对人员及环境的伤害。当发生一回路冷却剂丧失、主蒸汽管道破裂叠加堆芯融化的严重事故时，大量蒸汽将被排放到安全壳内，同时熔融堆芯与混凝土反应产生的不凝性气体(包含氢气)也将进入到安全壳内，从而使安全壳内积聚大量由蒸汽、空气和氢气组成的多元混合气体。在安全壳过滤排放系统工作过程中，这些气体进入到水平管冷凝换热器时，会出现含多元不凝性气体的管内冷凝换热过程。在冷凝器的实际应用之中，不凝性气体是影响其工作特性的重要因素之一。当蒸汽中含有不凝性气体时，换热器内的冷凝换热能力会受到很大程度的削弱。根据国外学者的实验分析可知：当水蒸汽中含有质量份额0.5％的空气时，冷凝换热系数会骤降50％。目前海水淡化、化学材料制取和核电站安全系统设计领域都在寻找方法降低不凝性气体对冷凝换热抑制效果的方法。由此可知，研究含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热特性对于各领域内的冷凝器工程应用具有重要意义。此外，由于核电站非能动安全的需求，在水平管换热器的管外采用空气自然对流冷却的方式，从而使得冷凝换热在较低的壁面过冷度下进行。因此，为保证在核电站发生严重事故的特殊情况下水平管冷凝器可靠运行，需要通过实验对低过冷度的多元气体冷凝换热特性进行研究，为此也就需要一套能模拟事故条件的实验系统。然而国内外还未有公开发表的文献提及能用于该实验的相关实验系统。由于冷凝换热过程中始终有气液两相共存，换热与流动过程较为复杂，影响因素众多，这使得对应的理论分析尤为困难。因此目前对于冷凝换热的研究多使用实验的方法。通常，研究者根据所要研究的对象和研究目标来设计搭建相应的实验系统，通过测量一定的热工参数来分析不同条件下的冷凝换热特性。由于不凝性气体是影响冷凝换热的关键因素，因此目前国内外学者已经针对该方向进行了大量的实验研究，但主要集中于竖直管内与水平管外的冷凝换热研究，因此所用的实验系统也都是针对竖直管内冷凝及水平管外冷凝实验设计的，并不能满足复杂的水平管内流动冷凝的研究需求。这是由于：与管外冷凝相比，在管内流动冷凝过程中，凝液无法及时排走，会随气体一起流动，因此冷凝过程中会发生流型的演变，不同的流型对应的冷凝换热特性也有较大的差异。此外，在水平管内由于重力效应的影响，气液两相在管内的分布结构呈现出明显的非对称性特点，流型结构更加复杂。因此，对水平管内冷凝换热特性的研究需要采用具有流型识别功能的实验系统。为得到更为精确且可信的实验数据，设计一套适用于研究水平管内含多元不凝性气体的蒸汽流动冷凝换热的实验系统，并能控制管内流型，研究分析不同流型下的冷凝换热特性显得尤为重要。在已公开的冷凝实验系统之中，专利申请号为201420108048.X的专利文件中公开的“一种冷凝实验组合装置”只能进行冷凝水的收集，通过冷凝量来评价换热器的性能，并不能用于冷凝换热特性的研究与分析；专利申请号为201521078337.0的专利文件中公开的“套管式换热器管内沸腾/冷凝换热性能测试平台”能够对换热器的冷凝功率进行测试，但并不能进行含不凝性气体的蒸汽冷凝换热研究，也不能得到管内的局部换热能力；专利申请号为201210540382.8的专利文件中公开的“含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热实验装置”虽然能够对竖直管外的蒸汽自然流动冷凝换热特性进行较为详细的分析，但是由于水平管内与竖直管外的冷凝换热机理差距较大，因此在该实验装置中没有考虑流型对换热性能影响的研究，同时实验台的布置形式、冷却方式的设置也存在差异，使得该实验装置并不能应用于水平管内蒸汽流动冷凝实验研究；专利申请号为201510848946.8的专利文件中公开的“一种采用空化效应强化含不凝气体的蒸汽冷凝实验装置”采用文丘里管对冷却水进行碎化，进行蒸汽直接接触式冷凝，与本实验装置所研究的领域和换热问题截然不同，同样不能应用于管内的流动冷凝换热分析。罗马大学的GianfrancoCaruso采用管外空气冷却的方式研究水平管内含空气条件下的冷凝过程，虽然获得了管内局部冷凝换热系数的分布，但该系统仍存在一定的不足与缺陷：(1)不能进行含多组分不凝性气体的实验分析；(2)由于管外侧采用空气冷却，换热功率较低，不能进行波状流和分层流条件下的冷凝实验；(3)缺少可视化观察段，无法对管内气液两相流型进行直接观察，从而无法研究流型对冷凝换热特性的影响。为解决现有技术中存在的主要问题，能够更为全面和准确的研究含多元不凝性气体条件下，各项热工参数对局部冷凝换热能力的影响，从而为安全壳过滤排放系统内水平管冷凝器的设计提供技术支持，设计了本套综合实验系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种能够在较宽泛的壁面过冷度变化范围、较大的水平管倾斜角度条件下进行多元气体的冷凝换热特性研究，同时提供能用于验证流型对冷凝换热性能影响的宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术包括蒸汽供应系统、管内空气供应系统、氦气供应系统、水冷子系统、空冷子系统、汽水分离系统和数据采集系统。其中水冷子系统包括套管换热器和冷却水系统；空冷子系统包括换热管、空气风道和冷却空气系统。系统的特征是：空冷子系统内水平换热管置于空气风道内组成空冷实验体，空气风道底端与冷却空气系统相连，换热管入口与蒸汽供应系统、管内空气供应系统和氦气供应系统相连，从而实现多元气体混合的管内冷凝换热实验需求。换热管出口经过可视化观察段与汽水分离系统相连，蒸汽在换热管内被管外侧空气冷却发生凝结后，汽水混合物进入汽水分离系统，分离出的气体从汽水分离器顶部管道排放到大气中，凝液从底部管道进入凝液罐后经排水阀排出。水冷子系统内实验体为由换热管与外套管同轴布置而成的套管换热器，换热器环腔空间与冷却水系统相连，换热管入口通过高压软管与蒸汽、空气和氦气供应系统相连，换热管出口通过可视化段和高压软管与汽水分离系统相连，与空冷系统相同，发生凝结后的汽水混合物进入汽水分离系统进行气体与凝液的分离后排出。两套系统间通过四通管道以及阀门组与蒸汽、空气和氦气供应系统相互连接，通过一定的操作可以实现两套系统的独立工作和耦合工作。本专利技术还包括：1、所述蒸汽供应系统包括锅炉，由锅炉产生的饱和蒸汽经过蒸汽输送管道与换热管入口主管道相连，蒸汽输送管道采用多组不同直径管道并联的方式，在每组管道上设置蒸汽流量计，多组不同量程的流量计能满足在宽泛的蒸汽流量范围内进行实验的需求。在流量计前后稳定长度外设置截止阀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统，包括蒸汽供应系统、管内空气供应系统、氦气供应系统、水冷子系统、空冷子系统、汽水分离系统和数据采集系统，其特征在于：水冷子系统包括套管换热器和冷却水系统；空冷子系统包括换热管、空气风道和冷却空气系统，空冷子系统内水平换热管置于空气风道内组成空冷实验体，空气风道底端与冷却空气系统相连，换热管入口与蒸汽供应系统、管内空气供应系统和氦气供应系统相连，从而实现多元气体混合的管内冷凝换热实验需求；换热管出口经过可视化观察段与汽水分离系统相连，蒸汽在换热管内被管外侧空气冷却发生凝结后，汽水混合物进入汽水分离系统，分离出的气体从汽水分离器顶部管道排放到大气中，凝液从底部管道进入凝液罐后经排水阀排出；水冷子系统内实验体为由换热管与外套管同轴布置而成的套管换热器，换热器环腔空间与冷却水系统相连，换热管入口通过高压软管与蒸汽、空气和氦气供应系统相连，换热管出口通过可视化段和高压软管与汽水分离系统相连，与空冷系统相同，发生凝结后的汽水混合物进入汽水分离系统进行气体与凝液的分离后排出；两套系统间通过四通管道以及阀门组与蒸汽、空气和氦气供应系统相互连接，通过一定的操作可以实现两套系统的独立工作和耦合工作。...

【技术特征摘要】
1.一种宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统，包括蒸汽供应系统、管内空气供应系统、氦气供应系统、水冷子系统、空冷子系统、汽水分离系统和数据采集系统，其特征在于：水冷子系统包括套管换热器和冷却水系统；空冷子系统包括换热管、空气风道和冷却空气系统，空冷子系统内水平换热管置于空气风道内组成空冷实验体，空气风道底端与冷却空气系统相连，换热管入口与蒸汽供应系统、管内空气供应系统和氦气供应系统相连，从而实现多元气体混合的管内冷凝换热实验需求；换热管出口经过可视化观察段与汽水分离系统相连，蒸汽在换热管内被管外侧空气冷却发生凝结后，汽水混合物进入汽水分离系统，分离出的气体从汽水分离器顶部管道排放到大气中，凝液从底部管道进入凝液罐后经排水阀排出；水冷子系统内实验体为由换热管与外套管同轴布置而成的套管换热器，换热器环腔空间与冷却水系统相连，换热管入口通过高压软管与蒸汽、空气和氦气供应系统相连，换热管出口通过可视化段和高压软管与汽水分离系统相连，与空冷系统相同，发生凝结后的汽水混合物进入汽水分离系统进行气体与凝液的分离后排出；两套系统间通过四通管道以及阀门组与蒸汽、空气和氦气供应系统相互连接，通过一定的操作可以实现两套系统的独立工作和耦合工作。2.根据权利要求1所述的一种宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统，其特征在于：所述蒸汽供应系统包括锅炉，由锅炉产生的饱和蒸汽经过蒸汽输送管道与换热管入口主管道相连，蒸汽输送管道采用多组不同直径管道并联的方式，在每组管道上设置蒸汽流量计，多组不同量程的流量计能满足在宽泛的蒸汽流量范围内进行实验的需求；在流量计前后稳定长度外设置截止阀与温度、压力测点。3.根据权利要求1所述的一种宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统，其特征在于：所述管内空气供应系统包括空气压缩机和储气罐；空气压缩机产生一定压力的压缩空气注入储气罐内，压缩空气经过储气罐出口管道上的减压阀与换热管入口主管道相连；空气输送管道同样采用并联管组的布置方式，在每组管道上设置管内空气质量流量计，流量计...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷海峰，孙中宁，徐慧强，周艳民，孟兆明，阎昌琪，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23