基于压力测量的过冷沸腾状态及汽弹频率检测装置及方法

本发明涉及的是一种反应堆控制领域的技术，具体是一种基于压力测量的过冷沸腾状态及汽弹频率检测装置及方法。

背景技术：

1、核态沸腾换热由于其优异的换热性能而广泛应用于化工、能源、制冷等领域的换热系统中。为了对沸腾状态进行辨识，普遍采用直接观察法，该方法虽然能够直观获得加热区域沸腾状态，但需要在加热区域外设置透明窗口，不仅会大大提高成本，且具有一定安全隐患，在工程实践中较难实现。另外，也可以在加热表面布置热电偶，通过测量加热壁面温度及热流密度以间接判断沸腾状态以及确定临界热流密度的发生。但是该方法需要在加热区域布置多个测量点，存在布置难度大，成本高，后续维护困难等特点。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术无法同时监测气液两相流型观察、加热表面温度、壁面热流密度以及无法对出现在完全发展沸腾条件下的汽弹进行频率特性监测的不足，提出一种基于压力测量的过冷沸腾状态及汽弹频率检测装置及方法，通过实时测量压力信号便可以间接判断部件内的沸腾状态，以实现对换热设备内流体的沸腾状态的实时精确监控，并能够获得设备内可能出现的大汽弹的特征频率。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种基于压力测量的过冷沸腾状态及汽弹频率检测装置，包括：设置于实验装置上的加热块、压力传感器、高速相机、与实验装置相连的控制模块以及计算模块，其中：控制模块输出控制指令调节实验装置的入口条件及加热功率，计算模块采集压力传感器输出的压力信号以判断实验装置内的沸腾状态，高速相机记录流道内气液两相流行为和沸腾流型。

4、所述的实验装置为侧面安装加热块的透明矩形管道，透明矩形管道内部设有冷却工质；高速相机正对加热表面位置。

5、所述的加热块具体设置于距离管道出口250cm位置的一个侧面，用于加热工质并发生沸腾。

6、所述的压力传感器具体设置于加热块下游以记录出口位置流体压力信号。

7、所述的压力传感器至少1个，优选设置于距离实验装置加热表面出口位置5-10cm的壁面上，以保证高精度及低延时获得压力波动信号。

8、本发明涉及一种基于压力测量的过冷沸腾状态及汽弹频率检测方法，通过在换热设备的实验装置的外壁面布置压力传感器，实时采集换热实验装置内的压力波动信号；对压力波动信号求解均方根值处理得到不同热流密度条件下压力幅值均方根可用于沸腾状态判断，对压力波动信号进行快速傅里叶变换所获得压力信号频域分布中的特征频率可表征汽弹频率。

9、所述的压力信号频域分布，通过对压力信号进行快速傅里叶变换得到。

10、所述的压力幅值均方根，通过求解压力信号均方根值得到:

11、所述的沸腾状态和汽弹判断是指：当压力幅值均方根随热流密度呈近似线性增长时，换热设备加热壁面上处于单相对流换热或者孤立汽泡沸腾区；当压力幅值均方根随热流密度偏离线性加速增长时，换热设备内出现离散的聚并小汽团；当压力幅值均方根随热流密度的增长斜率明显降低时，换热设备内出现聚并大汽弹，沸腾状态进入完全发展沸腾区。大汽弹是指覆盖在加热壁面上的周期性产生的覆盖整个加热壁面的一个大汽团。

12、所述的线性增长是指：压力幅值均方根值与热流密度的实时变化率随热流密度基本保持为恒定值。

13、所述的加速增长是指：压力幅值均方根值与热流密度的实时变化率在一定热流密度后增加到之前的1.25倍以上。

14、所述的明显降低是指：压力幅值均方根值与热流密度的实时变化率在一定热流密度后下降到之前的0.75倍以下。

15、所述的换热设备包括：换热器、蒸发器、电热管、热力管线、冷却管等，其冷却工质为过冷流体。

16、所述的控制模块可包含温度控制系统，流量控制系统，加热功率调节系统等，以保证实验装置入口处冷却工质以及加热块功率达到预定状态。

17、技术效果

18、本发明基于实验装置内不同热流密度对应的压力波动特性不同的特点，通过检测部件内的压力信号实时快速准确识别部件内的沸腾状态以及汽弹频率。本发明通过压力信号频域特性直接表征高热流密度条件下的实验装置内出现的汽弹频率，通过压力幅值均方根值可判断流道内沸腾状态。本发明的沸腾状态检测技术适用性广，可用于不同加热装置和工作条件。

技术特征：

1.一种基于压力测量的过冷沸腾状态及汽弹频率检测装置，其特征在于，包括：设置于实验装置上的加热块、压力传感器、高速相机、与实验装置相连的控制模块以及计算模块，其中：控制模块输出控制指令调节实验装置的入口条件及加热功率，计算模块采集压力传感器输出的压力信号以判断实验装置内的沸腾状态，高速相机正对实验装置的加热表面位置以记录流道内气液两相流行为和沸腾流型；

2.根据权利要求1所述的基于压力测量的过冷沸腾状态及汽弹频率检测装置，其特征是，所述的加热块具体设置于距离管道出口250cm位置的一个侧面，用于加热工质并发生沸腾。

3.根据权利要求1所述的基于压力测量的过冷沸腾状态及汽弹频率检测装置，其特征是，所述的压力传感器具体设置于加热块下游距离实验装置面出口位置5-10cm的壁面上，以保证高精度及低延时获得压力波动信号。

4.根据权利要求1-3中任一所述装置的基于压力测量的过冷沸腾状态及汽弹频率检测方法，其特征在于，通过在换热设备的实验装置的外壁面布置压力传感器，实时采集换热实验装置内的压力波动信号；对压力波动信号求解均方根值处理得到不同热流密度条件下压力幅值均方根可用于沸腾状态判断，对压力波动信号进行快速傅里叶变换所获得压力信号频域分布中的特征频率可表征汽弹频率；

5.根据权利要求4所述的基于压力测量的过冷沸腾状态及汽弹频率检测方法，其特征是，所述的沸腾状态和汽弹判断是指：当压力幅值均方根随热流密度呈近似线性增长时，换热设备加热壁面上处于单相对流换热或者孤立汽泡沸腾区；当压力幅值均方根随热流密度偏离线性加速增长时，换热设备内出现离散的聚并小汽团；当压力幅值均方根随热流密度的增长斜率明显降低时，换热设备内出现聚并大汽弹，沸腾状态进入完全发展沸腾区，大汽弹是指覆盖在加热壁面上的周期性产生的覆盖整个加热壁面的一个大汽团。

6.根据权利要求5所述的基于压力测量的过冷沸腾状态及汽弹频率检测方法，其特征是，所述的线性增长是指：压力幅值均方根值与热流密度的实时变化率随热流密度基本保持为恒定值；

技术总结
一种基于压力测量的过冷沸腾状态及汽弹频率检测装置及方法，包括：设置于实验装置上的压力传感器、高速相机、与实验装置相连的控制模块以及计算模块，其中：计算模块采集压力传感器输出的压力信号，判断实验装置内的沸腾状态，控制模块输出控制指令调节实验装置的入口条件及加热功率，高速相机正对实验装置的加热表面位置以记录流道内气液两相流行为和沸腾流型。本发明通过实时测量压力信号便可以间接判断部件内的沸腾状态，以实现对换热设备内流体的沸腾状态的实时精确监控，并能够获得设备内可能出现的大汽弹的特征频率。

技术研发人员：龚圣捷,董世昌,吴逸恺,张波涛,熊珍琴
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21