一种超临界双螺旋自然循环系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种超临界双螺旋自然循环系统和方法，该循环系统包括顺次连接的预热段、工作段、可视化窗口、冷却段、稳压段和供水段，形成循环回路。该系统在工作段采用双螺旋结构，并在双螺旋结构之后安装可视化窗口，通过控制双螺旋通道的流量，避免了换热恶化的出现，可以观测不同流量状态下管道内流体的运动状态。

【技术实现步骤摘要】
一种超临界双螺旋自然循环系统和方法
本专利技术涉及能源发电和机械设备领域，特别涉及一种用于核电工业、利用自然循环实现核工业冷却的自然循环系统和方法。
技术介绍
能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展、能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。核电以其独有的优势也受到了世界各国的重视与欢迎，其中反应堆是核电站的关键设计。超临界水冷反应堆是国际上选中的六种四代堆中唯一的水冷堆。国际上广泛认为其具有热效率高、系统紧凑、系统简化、经济性好、可模块化设计等优点，能实现小体积内的大功率输出，设备表现出了非常好的潜在经济性。在核电站出现事故，特别是厂用电丧失时，造成堆芯内衰变余热无法正常导出，导致堆芯熔融、核物质泄漏。非能动余热排出系统无需外力推动，在事故情况下，依靠自然循环完成堆芯热量的导出，保证核电安全。第三代先进非能动压水堆技术AP1000安全性能比二代核电站高100倍，其特征之一是安全系统多处采用非能动自然循环原理。非能动的自然循环研究是实现新概念反应堆的重要途径。通用公司的SBWR反应堆以及瑞典的PIUS堆等均采用自然循环特性确保反应堆安全。现阶段国内外对超临界水自然循环研究处于起步阶段。印度的巴巴原子研究中心采用两个加热器，两个冷却段，工作段内径为13.8mm，采用44个经过校准的K-型热电偶，用来测量流体、加热表面以及二次侧流体的进出口温度。清华大学工程物理系建造的超临界自然循环试验回路正是为我国973计划项目“超临界水堆关键科学问题的基础研究”而建造的，其自然循环回路类似巴巴原子研究中心，为具有两个冷凝器的不锈钢环路。华北电力大学核热工安全与标准化研究所团队搭建的自然循环实验装置，由主回路、冷却系统、数据储存系统等组成，工作压力在25Mpa以下。以上与自然循环相关的诸多装置中，加热段都采用单通道直管。由于核反应堆的堆芯通道是由许多子通道组成的，每个通道有自己不同的水力特性，通道与通道之间，通道与外回路之间总是存在不同程度的相互影响与耦合关系。例如，各通道入口流量与总流量之间有相互相影响，两相区与单相区压降有相互影响等。因此在燃料组件中应用单通道的换热设备，不能很好的完成换热工作。而加热段采用直管，占用的体积较大，同时换热系数较小，换热效率较低，容易发生传热恶化现象。而且现有的诸多装置中，对于加热板多采用不锈钢、镍铬合金等材料，热传导率较小，导致换热效率较低。由于上述问题的存在，本专利技术人对现有的自然循环系统进行研究和分析，对现今的核电工业的换热设备进行观察和试验，研究出一种结构简单、换热效果好、安全系数高、操作简单，并且有利于实验数据观察的自然循环系统和方法。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，结果发现：通过主管道顺次相连将预热段、工作段、冷却段、稳压段和供水段构成闭环回路。在工作段采用双螺旋结构，并在双螺旋结构之后安装可视化窗口，通过控制双螺旋通道的流量，可以观测不同流量状态下管道内流体的运动状态，从而完成了本专利技术。本专利技术的目的在于提供以下方面：第一方面，本专利技术提供一种超临界双螺旋自然循环系统，该循环系统包括顺次连接的预热段8、工作段6、可视化窗口5a、冷却段4、稳压段和供水段，形成循环回路。其中，所述预热段8用于加热回路中流经其的工质，使其达到设定的温度；所述工质为去离子水；所述工作段6继续加热流出预热段8的工质，使其达到工作温度并形成超临界状态；所述可视化窗口5a紧邻工作段6之后，以观测流出工作段6的超临界水的流体状态；所述冷却段4通过热交换使流经该段的工质冷却和密度增大，在回路内自然流动形成自然循环；所述稳压段用于调整并稳定循环系统回路中的压力；所述供水段用于向回路中注入和回收工质。进一步地，所述工作段6为双螺旋管道，包括环绕螺旋通道20设置的电加热管18和加热板19；电加热管18绕设于加热板19外周；所述电加热管18通电后对加热板19加热；加热板19加热螺旋通道20内的工质。其中，双螺旋管道中，螺旋的圈数设置为1～3圈，优选为1圈；所述螺旋的节距为2m。所述工作段6中，螺旋通道20的内径是2～8mm，优选为2～6mm。其中，所述预热段8为双通道，在预热段8的任意/全部通道上设置有阀门9，可以控制通道内工质的流量。所述工作段6基本竖直设置，其底部优选双螺旋管道底部分别与第一子管道相连17c，其顶部与上联箱16相连；紧靠上联箱16的上端，在上升管道17b下部的直管段，设置可视化窗口5a。其中，可视化窗口5a中包括石英玻璃板24，以及与石英玻璃板24相接的密封垫片22，通过紧固螺栓23将石英玻璃板24和密封垫片22固定于上升管道17b的侧壁。所述循环系统中，工质经预热段8预热后进入工作段6，工质在工作段6内继续受热至工作温度，形成超临界水，与下降管道中的工质产生密度差；当密度差足以克服循环系统流动的压降损失时，形成自然循环；工质经可视窗口观测现象后进入冷却段4，在冷却段4中工质和冷却介质热交换结束后温度降低，密度增大，由下降管道17a流回预热段8，完成自然循环。第二方面，本专利技术还提供了一种上述循环系统实现工质换热的方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，开启水箱1，将水箱1中的工质充满循环系统的所有管道，优选使用柱塞泵向循环系统中充入工质；任选地，对循环系统进行排气处理，排除工质中掺杂的气体；优选通过循环系统设置的排气阀排气；步骤2，调节稳压段压力，使循环系统回路的压力达到设定压力并维持该压力；步骤3，调节预热段8的功率，设定工作段6入口处的温度，预热段8对工质进行预热；步骤4，待工作段6入口处的温度达到设定值后，稳定预热段8的功率，提高工作段6的功率，记录并储存探测到的测量值数据；步骤5，关闭电源，停止测量，卸掉稳压罐3中压力。根据本专利技术提供的超临界双螺旋自然循环系统和方法，具有以下有益效果：(1)本专利技术提供的超临界双螺旋自然循环系统结构简单、操作简便、安全系数高，与超临界水冷反应堆的模拟程度高，实现了以自然循环回路回收热能和对工质冷却的作用；(2)本专利技术提供的超临界双螺旋自然循环系统通过设置可分别控制的双螺旋管道工作段，避免了换热恶化的出现，还有利于实现多种流体状态的观测；(3)本专利技术提供的超临界双螺旋自然循环系统中工作段设置为螺旋管，因热偏差导致的热应力较小，有利于提高设备的安全性和稳定性。(4)本专利技术提供的超临界双螺旋自然循环系统中，工作段设置为螺旋管，结构紧凑，有利于节省空间，还不易结垢及自由膨胀。附图说明图1示出一种优选实施方式的超临界双螺旋自然循环系统的结构示意图；图2示出一种优选实施方式的工作段的横截面示意图；图3示出一种优选实施方式的可视化管道的横截面示意图；图4示出超临界水冷反应堆循环系统的结构示意图。附图标号说明：1-水箱；1a-水箱管道；2-氮气瓶；3-稳压罐；4-冷却段；5a-可视化窗口；5b-摄像设备；6-工作段；7-水位探头；8-预热段；9-阀门；10-水泵；11-第一进水管道；13-涡轮流量计；14a-进气管道；14b-充水管道；15-浮子流量计；16-上联箱；17a-下降管道；17b-上升管道；17c-第一子管道；17d-第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超临界双螺旋自然循环系统，其特征在于，该循环系统包括顺次连接的预热段(8)、工作段(6)、可视化窗口(5a)、冷却段(4)、稳压段和供水段，形成循环回路。

【技术特征摘要】
1.一种超临界双螺旋自然循环系统，其特征在于，该循环系统包括顺次连接的预热段(8)、工作段(6)、可视化窗口(5a)、冷却段(4)、稳压段和供水段，形成循环回路。2.根据权利要求1所述的循环系统，其特征在于，所述预热段(8)用于加热回路中流经其的工质，使其达到设定的温度；所述工质为去离子水；所述工作段(6)继续加热流出预热段(8)的工质，使其达到工作温度并形成超临界状态；所述可视化窗口(5a)紧邻工作段(6)之后，以观测流出工作段(6)的超临界水的流体状态；所述冷却段(4)通过热交换使流经该段的工质冷却和密度增大，在回路内自然流动形成自然循环；所述稳压段用于调整并稳定循环系统回路中的压力；所述供水段用于向回路中注入和回收工质。3.根据权利要求1所述的循环系统，其特征在于，所述工作段(6)为双螺旋管道，包括环绕螺旋通道(20)设置的电加热管(18)和加热板(19)；电加热管(18)绕设于加热板(19)外周；所述电加热管(18)通电后对加热板(19)加热；加热板(19)加热螺旋通道(20)内的工质。4.根据权利要求3所述的循环系统，其特征在于，双螺旋管道中，螺旋的圈数设置为1～3圈，优选为1圈；所述螺旋的节距为2m。5.根据权利要求3或4所述的循环系统，其特征在于，所述工作段(6)中，螺旋通道(20)的内径是2～8mm，优选为2～6mm。6.根据权利要求1所述的循环系统，其特征在于，所述预热段(8)为双通道，在预热段(8)的任意/全部通道上设置有阀门(9)，可以控制通道内工质的流量。7.根据权利要求1所述的循环系统，其特征在于，所述工作段(6)基本竖直设置，其底部优选双螺旋管道底...

【专利技术属性】
技术研发人员：周涛，冯祥，秦雪猛，周蓝宇，马栋梁，张家磊，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11