一种非能动余热排出热交换器模拟实验系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种实验系统，尤其是一种非能动余热排出热交换器模拟实验系统。
【背景技术】
[0002]20世纪80年代中期以来，国际核能界开展了第3代核电技术的研发，取得了诸多研究成果，采用非能动安全原理的AP1000就是其中之一。非能动余热排出系统(PRHRS)是AP1000非能动堆芯冷却系统(PXS)的重要组成部分，其主要设备是非能动余热排出热交换器(PRHR HX) ο PRHR HX由上部的入口封头、下部的出口封头和连接上下封头的“C”型立式管束组成。这些“C”型立式管束即为换热管。换热管布置在安全壳内置换料水箱(IRWST)内，IRffST内的水作为冷却介质，为热交换器提供热阱功能。
[0003]非能动余热排出热交换器(PRHR HX)传热机理十分复杂，国内对其研究甚少，设计经验积累更是空白，加上国外先进核电国家非常重视知识产权的保护，很多关键技术和资料都高度保密。直接通过PRHR HX进行传热机理研究涉及操作非常复杂，且运行成本高，几乎不被考虑。因此需要设计出一套非能动余热排出热交换器模拟实验系统以研究PRHR HX传热机理。
[0004]哈尔滨工程大学核科学技术研究院与国电环境保护研究院联合曾开发了一套非能动余热排出换热器模拟实验系统。实验采用电加热锅炉产生的饱和蒸汽作为换热介质，加热高位水箱内的水，以模拟PRHR HX从运行开始到高位水箱水达到饱和这一过程的换热特性。
[0005]实验过程中，热蒸汽在管内冷凝并释放热量，水箱水温逐渐上升至饱和。其换热管束由7根铜镍合金光管组成，管束采用三角形排列。换热管总长600_，管束安装在高位水箱内，底部距水箱底200mm。管壁温度和高位水箱温度分别由焊接在管壁上的10对热电偶和设置在水箱内、距管束轴线10mm的9对热电偶测得。文章发表在《原子能科学技术》2011，Vol.45，N0.8:931-936，题为非能动余热排出换热器运行初始阶段换热特性研究，作者李勇等人。
[0006]哈尔滨工程大学开发的模拟实验系统主要研究非能动余热排出换热器高位水箱水达到饱和前的升温过程和换热特性，然而受到实验条件的限制，该系统存在以下三点缺陷:
[0007]第一点，系统中使用的换热管束为直管，而PRHR HX使用C型换热管，两种形式的换热管存在一定的差异，所使用的传热计算公式也不尽相同。
[0008]第二点，该系统使用管内换热介质是饱和蒸汽，而实际工况的介质是高温高压水。
[0009]第三点，该系统会产生蒸汽冷凝。蒸汽冷凝是由于饱和蒸汽分子在换热管内遇到较冷的管内壁面，从而冷凝成小液滴，并随着冷凝液的积聚，冷凝液会顺着换热管内壁面顺流而下，该系统无法分段从换热管内将冷凝液提出，只能测出整个换热管内的全部冷凝量，因此该系统无法获得换热过程中各段的传热情况。而此类换热器设计时，需要利用水箱温度分布分段推算换热管各段传热量及管内温度分布，故该系统无法实现这一目标。
[0010]该已有模拟实验系统只能用来研究高位水箱介质受热变化，对于管内外各段耦合传热的研究无法实现。
【发明内容】
[0011]本发明要解决的技术问题是，尽可能地模拟PRHR HX运行过程，并进行非能动余热排出热交换器传热性能测试。
[0012]为了解决这些技术问题，本发明提供了一种非能动余热排出热交换器模拟实验系统，包括加热罐、电加热套、换热管、水箱、排气管道和第一加水管道，其特征在于:所述换热管具有竖直段、第一水平段和第二水平段，竖直段设置于所述水箱中，与水箱的高度方向平行，第一水平段和第二水平段从水箱的同一侧穿出后分别与所述加热罐的顶部和底部相连，从而形成回路；所述电加热套套设在所述加热罐的外表面；所述加热罐上设置有安全阀和压力表；所述排气管道通过第一阀门与所述换热管的所述第一水平段相连；所述第一加水管道通过第二阀门与所述换热管的所述第二水平段相连；所述换热管的管内和管外壁，以及所述水箱内分别设置有管内热电偶、管外壁热电偶和水箱热电偶；所述水箱包括水箱壁和水箱底。
[0013]—种优选水箱结构是，所述水箱还包括水箱顶；所述水箱顶或所述水箱壁上部通过第十阀门设置有第二加水管道。
[0014]再一种优选水箱结构是，所述水箱还包括与所述水箱口径相匹配的水箱顶盖；所述水箱顶盖包括外层薄片、内层薄片，以及由所述外层薄片和内层薄片围成的板腔。所述板腔中可装入冷却介质，比如自来水或其他可以想到的常规冷却介质。所述水箱顶盖有助于在水箱水发生沸腾之后，使得沸腾产生的蒸汽冷却成液体回流至水箱，以防止蒸汽蒸发量过大而导致水箱液位下降，造成换热管干烧现象。所述水箱顶盖盖设在所述水箱壁顶部敞口上。所述水箱顶盖可以延伸出一个下端以便更好的起到冷却作用。所述下端可以设计为将所述水箱壁上部包裹在内的形式；也可以设计为可被所述水箱壁包裹在内的形式。
[0015]为了能更好的控制回路中的高温高压水的流动过程及检测流量和温度，对上述方案做了改进，所述第一阀门与所述加热罐顶部之间设置有第三阀门；所述第一阀门与所述换热管之间设置有第四阀门；所述加热罐底部与所述换热管之间通过第五阀门设置有第一出水口 ；所述回路上设置有流量计、温度计和第一止回阀。优选的，所述回路上设置两个温度计，分别设置在伸出所述水箱的所述第一水平段和第二水平段上，用于测量换热管进、出口处的管内水温，作为传热研究的参考值。
[0016]本发明采用电加热套加热加热罐中的水至产生高温高压水，比如温度达到270°C左右。此时由于管路两侧(加热罐侧及水箱侧)存在温差，管路中的高温高压水会在自然对流作用下，从上部管道朝着水箱侧流动，将热量传递到水箱介质后，再经由下部管道回到加热罐内，如此持续加热水箱内介质。考虑到自然对流推动力较弱，且由于本发明实验回路附件较多，为了保证实验回路的循环流动，在管路中并联了一个高温栗，以便在自然对流无法实现的情况下提供推动力。因此进一步改进为，所述的非能动余热排出热交换器模拟实验系统回路上设置有第六阀门，且在第三、四、六阀门中择一阀门两端通过第七阀门和第八阀门并联设置有一个高温栗，且所述高温栗出口与第七阀门之间设置有第二止回阀。
[0017]作为再一种改进方案，所述安全阀的起跳压力设置为I?30MPa，优选为6MPa。
[0018]为了能够得到该试验系统多个位置的热性能数据，进一步的改进方案是所述管内热电偶的数量为I?100根，所述管外壁热电偶的数量为I?100根，所述水箱热电偶的数量为I?100根且沿水箱的高度方向依次分布。优选的，所述管内热电偶的数量为10?20根，所述管外壁热电偶的数量为10?20根，所述水箱热电偶的数量为10?20根且沿水箱的高度方向依次分布。更优选的，所述管内热电偶的数量为13根，其中2根分别分布在换热管上下两端伸出水箱的第一水平段和第二水平段中；所述管外壁热电偶的数量为11根，两两间隔相同距离均匀分布于换热管的管外壁，如图1所示；所述水箱热电偶的数量为10根且沿水箱的高度方向依次分布。
[0019]试验流程为了减小一回路沿程阻力，系统的设计以尽量缩短尺寸为标准，整个系统也非常紧凑。
[0020]本发明的发明人开发的所述非能动余热排出热交换器模拟实验系统能完全模拟非能动余热排出热交换器的运行过程，对PRHR HX传热机理进行深入研究，为此类换热器的自主设计提供传热设计的理论依据，最终形成一套此类换热器传热设计的计算方法，在我国积极发展清洁能源的现在显的尤为重要。同时，与直接在非能动余热排出热交换器上进行传热机理研究相比，具有操作简便，运行成本低的优势。
【附图说明】
[0021]图1是本发明实施例1的非能动余热排出热交换器模拟实验系统示意图。
[0022]图2示出了沿图1中A-A线所取的水箱与换热管横截面示意图。
[0023]图3是本发明实施例2的非能动余热排出热交换器模拟实验系统示意图。
[0024]图4是本发明实施例3的非能动余热排出热交换器模拟实验系统示意图。
[0025]图5是本发明实施例3的所述水箱顶盖的第二种设计的示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
[0027]实施例1
[0028]图1是本发明实施例1的非能动余热排出热交换器模拟实验系统示意图。在本实施例中，试验采用高温高压水作为管内介质。模拟IRWST水箱的水箱8为Φ600 X 1500mm的不锈钢水箱，其内装满常压的水。模拟PRHR HX中的换热管的换热管7是I根Φ 19.05 X 1.5不锈钢管，其形状保持C字型，即由竖直段、第一水平段和第二水平段组成。