一种高温热管启动及流动传热通用实验台架及实验方法

1.本发明属于核反应堆热工水力实验技术领域，具体涉及一种高温热管启动及流动传热通用实验台架及实验方法。


背景技术：

2.热管是一种非能动的能量传输装置，液态工质在蒸发段加热发生相变变成气态，在蒸发段和冷凝段的压差作用下，气态工质在蒸汽通道内由蒸发段流向冷凝段，并在冷凝段冷凝成液态，在吸液芯的毛细作用力下流回蒸发段。高温碱金属热管的传热能力非常强，结合其非能动的特性，应用于小型核反应堆时，高温热管的蒸发段嵌入堆芯，冷凝段与能量转换装置连接，能够在取消一回路循环的情况下实现堆芯热量高效导出，简化系统。
3.高温碱金属热管的工质在环境温度下是固态，工质在吸液芯中随着加热功率的提升逐渐熔化，随着加热功率继续增加，蒸发段温度升高，工质在吸液芯内汽化，进入蒸汽通道。高温碱金属热管成功启动的前提是工质能够顺利在蒸发段和冷凝段之间构建非能动循环。工质从在蒸汽通道内从蒸发段到冷凝段主要依靠冷热段温差产生的压差驱动，在吸液芯内从冷凝段到蒸发段主要依靠毛细力，在星球表面运行时，这两个力都会受重力的影响，因此需要对不同倾斜角度下高温热管的启动特性进行研究。此外，由于热管本身是一根细长的金属硬管，热管壁一般设计较薄，考虑到热应力和承压能力，冷凝段的热管与能量转换装置的工质接触时，通常会在表面套一层承压层，且换热方式主要为横掠棒束，因此对高温热管的流动传热特性进行深入研究。
4.现有的高温热管实验台架往往通用性较差，实验台架设计时仅依照特定的某一个实验段形式进行预热段等其他管道的匹配，通用性较差，更换其他形式的实验段时台架往往不能够与之相匹配。此外，实验台架参数低，无法满足宽范围工况下的稳定运行。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，满足实验需要，本发明的目的是提供一种高温热管启动及流动传热通用实验台架及实验方法。本发明实验台架具有高参数、宽范围和多架构的特点。高参数的指实验压力最高可达20mpa，蒸发段温度最高可达1000℃，流量和加热功率最高可满足3
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3棒束实验需求；宽范围是指实验温度可以从低温覆盖到较高温，实验压力可以从常压覆盖到20mpa，实验流量可以从小流量到较大流量；多架构是指可以进行单根热管和和多根热管的冷启动实验，可以进行单根热管和多根热管的流动换热实验，也可以进行单根热管和多根热管的非能动余热排出验证实验。实验台架布有大量的温度及压力测点，能够对高温热管的流动传热特性进行深入研究。
6.本发明采用以下技术方案来实现的：
7.一种高温热管启动及流动传热通用实验台架，包括主实验回路、冷却回路以及温度和压力测点；
8.主实验回路包括去离子水箱，去离子水箱的出口依次通过过滤器和高压柱塞泵，
连接至第一三通的进口，第一三通的第一出口连接至质量流量计进口稳定段，质量流量计进口稳定段连接至质量流量计进口，质量流量计出口连接至质量流量计出口稳定段，质量流量计出口稳定段连接至实验段进口预冷器的进口，实验段进口预冷器的出口连接至实验段进口预热器的进口，实验段进口预热器的出口连接至第二三通进口，第二三通的第一出口连接至单棒实验段的进口，单棒实验段的出口连接至第三三通；第二三通的第二出口连接至棒束实验段的进口，棒束实验段的出口连接至第四三通；第一三通的第一出口连接至第三三通，第三三通连接至第四三通，第四三通连接至实验段出口冷却器的进口，实验段出口冷却器的出口连接至去离子水箱；
9.冷却回路包括与实验段进口预热器并联设置水冷机，与实验段出口冷却器并联设置水冷机；
10.实验台架布置多个温度和压力测点，配合数据采集系统可对实验台架各个重要位置进行实时监测和记录。
11.本发明进一步的改进在于，在去离子水箱布置第一温度测点；在压柱塞泵出口和第一三通之间布置第一压力测点；在实验段进口预冷器进口布置第二温度测点，实验段进口预冷器出口布置第三温度测点；在水冷机进口布置第四温度测点，在水冷机出口布置第五温度测点；在实验段入口预热器出口布置第六温度测点；在单棒实验段进口布置第七温度测点，第二压力测点，在单棒实验段出口布置第八温度测点，第三压力测点；在棒束实验段进口布置第九温度测点，第四压力测点，在棒束实验段出口布置第十温度测点，第五压力测点；在实验段出口冷却器进口布置第十一温度测点，在实验段出口冷却器出口布置第十二温度测点，第六压力测点；在水冷机进口布置第十三温度测点，在水冷机出口布置第十四温度测点。
12.本发明进一步的改进在于，从实验段进口预冷器至实验段进口预热器之间的管道、从实验段进口预热器到单棒实验段、棒束实验段出口处之间的管道表面用玻璃纤维的保温棉包裹，控制实验段进口温度。
13.本发明进一步的改进在于，主实验回路以去离子水为工质。
14.本发明进一步的改进在于，冷却回路以水为工质。
15.本发明进一步的改进在于，主实验回路的去离子水箱放置于距柱塞泵进口上方一米处。
16.本发明进一步的改进在于，过滤器的进口处设置有球阀，高压柱塞泵的出口设置有高压单向阀，高压单向阀出口设置有安全阀，第一三通的第一出口设置有主路截止阀，单棒实验段进口设置有单棒实验段进口调节阀，单棒实验段出口设置有单棒实验段出口截止阀，棒束实验段进口设置有棒束实验段进口调节阀，棒束实验段出口设置有棒束实验段出口截止阀，旁路设置有旁路调节阀，实验段出口冷却器的出口设置有背压阀，背压阀出口设置有减压阀。
17.一种高温热管启动及流动传热通用实验台架的实验方法，包括以下步骤：
18.s1：实验开始前需检查整个实验台架各阀门开闭情况，确保主路及旁路畅通；
19.s2：实验开始前需对整个实验台架进行捡漏，确保高压下无泄漏，实验台架采用充去离子水的方式进行充压检漏；
20.s3：启动柱塞泵，调节背压阀压力至20mpa，观察是否有漏点；
21.s4：确保无漏点后，启动水冷机、直流电源和交流电源；
22.s5：调节主实验回路的压力、流量和实验段进口温度至所需值；
23.s6：调节实验段加热功率至所需值。
24.和现有技术相比较，本发明提供的一种高温热管启动及流动传热通用实验台架及实验方法，至少具有如下有益的技术效果：
25.(1)实验台架最高压力为20mpa，背压阀可以简单方便的调节实验段的压力，可以覆盖低压到20mpa压力范围；
26.(2)实验段进口配有预冷器和预热器，可根据实验需要，在5℃-100℃之间调节实验段进口的工质温度；
27.(3)实验段包含单棒、棒束两种实验段，在只改变调节阀开关状态的情况下就可按需求切换想要开展的实验，切换操作简便，系统可靠性高；
28.(4)实验段垂直角度可调，可开展高温热管单棒、棒束不同角度冷态启动实验；
29.(5)实验台架布有多个温度、压力测点，可对高温热管的流动传热特性进行深入研究，如工质横掠高温热管换热特性、工质横掠高温热管棒束压降实验。
30.综上，本发明以一个实验台架实现了可以高参数、宽范围、多架构地进行高温热管启动及流动传热实验的实验系统，克服了传统高温热管实验装置工况范围小、可进行实验段单一的不足，为复杂条件下高温热管启动及流动传热实验研究提供新的技术支持，具有重要的工程实用价值。
附图说明
31.图1为本发明一种高温热管启动及流动传热通用实验台架的结构示意图。
32.附图标记说明：
33.去离子水箱1，球阀2，过滤器3，高压柱塞泵4，高压单向阀5，安全阀6，主路截止阀7，质量流量计8，实验段进口预冷器9，水冷机10，实验段进口预热器11，单棒实验段进口调节阀12，单棒实验段13，单棒实验段出口截止阀14，棒束实验段进口调节阀15，棒束实验段16，棒束实验段出口截止阀17，旁路调节阀18，水冷机19，实验段出口冷却器20，背压阀21，减压阀22，第一三通s1，第二三通s2，第三三通s3，第四三通s4；
34.第一压力测点p1，第二压力测点p2，第三压力测点p3，第四压力测点p4，第五压力测点p5，第六压力测点p6；温度测点t1，第二温度测点t2，第三温度测点t3，第四温度测点t4，第五温度测点t5，第六温度测点t6，第七温度测点t7，第八温度测点t8，第九温度测点t9，第十温度测点t10，第十一温度测点t11，第十二温度测点t12，第十三温度测点t13，第十四温度测点t14。
具体实施方式
35.下面结合本发明实施例中的附图，对高温热管启动及流动传热通用实验台架的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
36.如图1所示，本发明实施例提供一种高温热管启动及流动传热通用实验台架，包括主实验回路、冷却回路以及该外接的数据采集系统和控制系统。主实验回路以去离子水为
工质，冷却回路以水为工质。
37.主实验回路的去离子水箱1放置于距高压柱塞泵4进口上方一米处，去离子水箱1底部布有第一温度测点t1。去离子水箱1出口布置有球阀2，便于过滤器滤芯更换以及高压柱塞泵检修维护。球阀2下方布有一个过滤器3，过滤器3的作用是用来过滤掉回路中的固态杂质。过滤器3布置在高压柱塞泵4的上游是为了保证进到泵中的工质是干净且纯净的。高压柱塞泵4的出口压力最高为20mpa。高压柱塞泵出口连接有高压止回阀5，防止柱塞泵故障导致回路逆流。高压止回阀5出口连接有安全阀6，防止阀门开闭状态有误，导致回路超压。安全阀6与第一三通s1之前通过引压管安装表盘式压力表，布置第一压力测点p1，辅助监控回路压力。第一三通s1第二出口连接旁路调节阀18，用于辅助调节实验段流量。旁路调节阀18出口连接至第三三通s3第一进口。第一三通s1第一出口连接至主路截止阀7的进口，便于检修及漏点排查。主路截止阀7的出口连接质量流量计进口稳定段，质量流量计进口稳定段连接至质量流量计8进口，质量流量计8的出口连接至质量流量计出口稳定段，质量流量计出口稳定段连接至实验段进口预冷器9的进口。实验段进口预冷器9的进口布置有第二温度测点t2，出口布置有第三温度测点t3，用于监测实验段进口预冷器9的进出口温度，辅助实验段进口温度控制。实验段进口预冷器9并联布置有水冷机10，用于为实验段进口预冷器提供冷源，并且水冷机10的进出口布置有第四温度测点t4和第五温度测点t5，用于监测水冷机10的进出口温度，辅助判断水冷机10的工作状态。实验段进口预冷器9的出口与实验段进口预热器11的进口连接，实验段进口预热器11的出口布置有第六温度测点t6，与第三温度测点t3一起，用于监测实验段进口预热器11的进出口温度，辅助实验段进口温度控制。实验段进口预热器出口连接至第二三通s2进口。第二三通s2第一出口连接至单棒实验进口调节阀12，进行单棒实验时，棒束进口调节阀15关闭，通过单棒实验段进口调节阀12和旁路调节阀18调节单棒实验段13的进口流量。单棒实验进口调节阀12的出口与单棒实验段13连接，并布置有第七温度测点t7和第二压力测点p2，用于监测单棒实验段13进口的温度和压力。单棒实验段13出口布置有第八温度测点t8和第三压力测点p3，用于监测单棒实验段13出口的温度和压力。单棒实验段13出口连接至单棒实验段出口截止阀14，便于单棒实验段检修调试。单棒实验段出口截止阀14连接至第三三通s3第二进口。第二三通s2第二出口连接至棒束实验进口调节阀15，进行棒束实验时，单棒进口调节阀12关闭，通过棒束实验段进口调节阀15和旁路调节阀18调节棒束实验段16的进口流量。棒束实验进口调节阀15的出口与棒束实验段16连接，并布置有第九温度测点t9和第四压力测点p4，用于监测棒束实验段16进口的温度和压力。棒束实验段16出口布置有第十温度测点t10和第五压力测点p5，用于监测单棒实验段16出口的温度和压力。棒束实验段16出口连接至棒束实验段出口截止阀17，便于棒束实验段检修调试。棒束实验段出口截止阀17连接至第四三通s4第二进口。第三三通s3出口连接至第四三通s4第一进口。第四三通s4出口连接至实验段出口冷却器20进口。实验段出口冷却器20的进口布置有第十一温度测点t11，出口布置有第十二温度测点t12，用于监测实验段出口冷却器20的进出口温度，用于监测实验段出口冷却后的工质温度。实验段出口冷却器20并联布置有水冷机19，用于为实验段出口冷却器提供冷源，并且水冷机19的进出口布置有第十三温度测点t13和第十四温度测点t14，用于监测水冷机19的进出口温度，辅助判断水冷机19的工作状态。实验段出口冷却器20的出口连接至背压阀21的进口，并布置有第六压力测点p6，用于监测背压阀21的阀前压力。背压阀21出口连接至减压阀22进
口，减压阀22主要作用为分担背压阀21出口的压降，延长背压阀21寿命，减少故障率。
38.从实验段进口预冷器9的进口至单棒实验段13、棒束实验段16出口处之间的管道表面用玻璃纤维保温棉包裹，玻璃纤维保温棉的厚度不小于100mm，保温棉用扎带扎紧并固定使其完整的包裹加热表面，确保实验段进口预冷器9、实验段进口预热器11、单棒实验段13、棒束实验段16满足热平衡要求。
39.本发明还提供一种上述高温热管启动及流动传热通用实验台架的实验方法，包括以下步骤：
40.s1：实验开始前需检查整个实验台架各阀门开闭情况，打开球阀2，主路截止阀7，单棒实验段进口调节阀12，单棒实验段出口截止阀14，棒束实验段进口调节阀15，棒束实验段出口截止阀17，旁路调节阀18，背压阀21，减压阀22，确保主路及旁路畅通；
41.s2：实验开始前需对整个实验台架进行捡漏，确保高压下无泄漏，实验台架采用充去离子水的方式进行充压检漏；
42.s3：启动柱塞泵，调节背压阀压力至20mpa，观察是否有漏点；
43.s4：确保无漏点后，启动水冷机19、直流电源和交流电源；
44.s5：比较实验工况所需的实验段进口温度和第二温度测点t2温度，若所需的实验段进口温度低于t2，则开启水冷机10并关闭实验段进口预热器11；若所需的实验段进口温度高于t2，则关闭水冷机10并开启实验段进口预热器11。
45.s6：若进行单棒实验，则关闭棒束实验段进口调节阀15，棒束实验段出口截止阀17；若进行棒束实验，则关闭单棒实验段进口调节阀12，单棒实验段出口截止阀14；
46.s7：调节背压阀21的定压值至实验所需压力；
47.s8：调节旁路调节阀18和所启用实验段的进口的调节阀，使实验段流量达到实验所需流量；
48.s9：调节水冷机10的出口温度或实验段进口预热器11的加热功率，使实验段进口温度达到实验所需温度；
49.s10：调节实验段加热功率至实验所需功率。
50.实施例
51.本发明实施例以一个实验台架实现了可以高参数、宽范围、多架构地进行高温热管启动及流动传热实验的实验系统，可快速模拟采用高温热管反应堆的无人潜航器在深海或浅海的不同压力条件、不同温度条件以及不同运行姿态下的热管启动特性和非能动余热排出特性，克服了传统高温热管实验装置工况范围小、可进行实验段单一的不足，为复杂条件下高温热管启动及流动传热实验研究提供新的技术支持。
52.以上所述，仅为本发明的一个具体实例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。