本發(fā)明涉及一種核試驗技術領域，具體涉及安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)測定實驗裝置及方法。

背景技術：

安全殼是核反應堆安全的最后一道屏障，事故條件下可以阻止裂變產(chǎn)物往環(huán)境釋放。因此事故工況下維持安全殼的完整性是非常重要的。

能夠?qū)Π踩珰さ耐暾詷嫵奢^大威脅的設計基準事故包括喪失冷卻劑事故(loca)和蒸汽發(fā)生器二次側(cè)主蒸汽管道斷裂事故(mslb)。這兩類事故所造成的質(zhì)能釋放能夠在較短的時間內(nèi)導致安全殼承受較大的內(nèi)壓，從而對安全殼的結構完整性構成威脅。

第三代反應堆設計了非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，主要由鋼質(zhì)安全殼和安裝在安全殼頂部的安全殼冷卻水池構成。反應堆發(fā)生失水事故或者蒸汽管道破裂事故，在浮力的作用下，蒸汽更趨向于在安全殼頂部囤積，并在安全殼頂部下表面冷凝，產(chǎn)生的冷凝液滴在重力的作用下脫離安全殼冷凝壁面，蒸汽在液滴脫離處重新接觸安全殼冷壁面，持續(xù)冷凝。整個事故過程中僅依靠物理規(guī)律(蒸汽上浮、液滴下落)實現(xiàn)其對蒸汽的冷凝和安全殼的超壓保護。安全殼內(nèi)壁面蒸汽冷凝傳熱能力是影響非能動安全殼冷卻系統(tǒng)性能的關鍵影響。而表征安全殼內(nèi)壁面蒸汽冷凝傳熱能力的關鍵參數(shù)為安全殼內(nèi)壁面蒸汽冷凝傳熱系數(shù)。

蒸汽冷凝傳熱過程在核能、動力、化工、航空航天等工業(yè)領域廣泛存在，因此二十世紀初期很多研究人員就開展了蒸汽冷凝傳熱的研究，并獲得了大量的研究成果。但是針對水平板下表面的蒸汽冷凝，尤其是不凝結氣體存在情況下(反應堆發(fā)生事故時，主回路冷卻劑產(chǎn)生的氫氣進入安全殼)的蒸汽冷凝研究成果幾乎沒有。因此開展安全殼內(nèi)蒸汽冷凝傳熱系數(shù)的測量對反應堆事故條件下的安全分析和非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的發(fā)展和應用具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是根據(jù)第三代新型核反應堆非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的特點，建造了安全殼內(nèi)蒸汽凝結傳熱現(xiàn)象實驗研究裝置，并實現(xiàn)了安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)的測定。

本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn)：

安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)測定實驗裝置，包括：

蒸汽產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生蒸汽，具有水入口和蒸汽出口；

氦氣供給裝置，用于向安全殼模擬體提供氦氣，具有氦氣出口；

安全殼模擬體，用于模擬安全殼，具有蒸汽入口和氦氣入口，底部設置有冷凝液出口；所述蒸汽產(chǎn)生裝置的蒸汽出口與安全殼模擬體的蒸汽入口之間通過蒸汽管路連接，所述蒸汽管路上設置有蒸汽流量調(diào)節(jié)閥；所述安全殼模擬體的氦氣入口與氦氣供給裝置的氦氣出口之間通過氦氣管路連接，所述氦氣管路上設置有氦氣流量調(diào)節(jié)閥；

冷凝液收集裝置，與安全殼模擬體的冷凝液出口相連，用于收集安全殼模擬體內(nèi)部壁面產(chǎn)生的冷凝液；

所述安全殼模擬體頂部還設置有冷卻水池，冷卻水池中的冷卻水能夠?qū)Π踩珰つM體的頂部進行冷卻。

本技術方案提供了一種安全殼內(nèi)蒸汽凝結傳熱現(xiàn)象實驗研究裝置，能夠模擬不凝結氣體存在情況下的安全殼蒸汽凝結傳熱過程，便于不凝結氣體存在情況下的安全殼蒸汽凝結現(xiàn)象研究。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述蒸汽管路上設置有蒸汽流量測量裝置、蒸汽壓力測量裝置和蒸汽溫度測量裝置；所述氦氣管路上設置有氦氣流量測量裝置、氦氣壓力測量裝置和氦氣溫度測量裝置；所述冷凝液收集裝置內(nèi)部設置有冷凝液壓力測量裝置、冷凝液溫度測量裝置和液位測量裝置；所述安全殼模擬體內(nèi)還設置有混合氣體壓力測量裝置和混合氣體溫度測量裝置；安全殼模擬體的內(nèi)部側(cè)壁上還設置有壁溫測量裝置。

優(yōu)選的，所述蒸汽產(chǎn)生裝置為電熱蒸汽發(fā)生器。

進一步，所述蒸汽產(chǎn)生裝置包括加熱水箱和注水管，所述水入口設置在加熱水箱上，注水管連接在水入口上，且所述加熱水箱內(nèi)設置有電加熱元件。

進一步，所述加熱水箱上開設有供電加熱元件穿過的通孔，且加熱水箱外壁設置有固定電加熱元件的電加熱元件管座；所述電加熱元件管座一端密封連接在加熱水箱的通孔四周，另一端懸空作為自由端，電加熱元件管座上也開設有供電加熱元件穿過的中心通孔；所述電加熱元件穿設在電加熱元件管座的中心通孔內(nèi)，且電加熱元件的一端通過加熱水箱的通孔伸入加熱水箱內(nèi)，另一端通過密封裝置固定在電加熱元件管座的另一端上；所述密封裝置包括壓緊螺母、位于壓緊螺母的擋環(huán)與電加熱元件管座的自由端之間的紫銅墊。本技術方案中，電加熱元件被穩(wěn)定地固定和密封在加熱水箱中，安全性好。

進一步，所述氦氣供給裝置采用氦氣瓶或氦氣罐。

安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)測定方法，采用上述技術方案中任一種安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)測定實驗裝置進行測定，具體包括參數(shù)測量步驟，所述參數(shù)測量步驟包括以下步驟：

s11、打開蒸汽管路和氦氣管路，向安全殼模擬體通入蒸汽和氦氣；監(jiān)測進入安全殼模擬體的蒸汽的參數(shù)、進入安全殼模擬體的氦氣的參數(shù)、安全殼模擬體內(nèi)混合氣體的參數(shù)，所述蒸汽的參數(shù)包括蒸汽流量g1、蒸汽溫度t1和蒸汽壓力p1；所述氦氣的參數(shù)包括氦氣流量g2、氦氣溫度t2和氦氣壓力p2；所述混合氣體的參數(shù)包括混合氣體壓力p3和混合氣體溫度t3；

s12、蒸汽的參數(shù)、氦氣的參數(shù)和混合氣體的參數(shù)穩(wěn)定后進行正式測量，所述正式測量包括步驟s121-123：

s121、記錄蒸汽的參數(shù)、氦氣的參數(shù)和混合氣體的參數(shù)；

s122、測量安全殼模擬體的內(nèi)壁的壁面溫度tw1；

s123、測量冷凝液的溫度t4、冷凝液的壓力p4和冷凝液的液位l1；

其中，步驟s121-s123不分先后順序。

進一步，上述安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)測定方法還包括蒸汽凝結傳熱系數(shù)計算步驟，蒸汽凝結傳熱系數(shù)計算步驟具體包括以下步驟：

s21、根據(jù)步驟s121中記錄的蒸汽流量g1、蒸汽溫度t1、蒸汽壓力p1、氦氣流量g2、氦氣溫度t2和氦氣壓力p2計算混合氣體中氦氣的含量x1；

s22、根據(jù)步驟s121中記錄的蒸汽溫度t1和蒸汽壓力p1計算蒸汽的焓h1；

s23、根據(jù)冷凝液的溫度t4和冷凝液的壓力p4計算冷凝液的焓h4；

s24、根據(jù)冷凝液的液位l1計算冷凝液的流量g4；

s25、根據(jù)蒸汽的焓h1和冷凝液的焓h4以及冷凝液的流量g4計算蒸汽冷凝傳熱功率w1；

s26、計算壁面溫度tw1與步驟s121中記錄的混合氣體溫度t3的溫度差△t，根據(jù)蒸汽冷凝傳熱功率w1、傳熱面積a和溫度差△t計算安全殼蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h；

上述步驟s21-步驟s24不分先后順序。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明提供了一種安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)測定實驗裝置及方法，能夠支持安全殼內(nèi)蒸汽凝結傳熱現(xiàn)象的研究；

2、本發(fā)明安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)測定實驗裝置結構簡單、綜合性強、測量精確，能夠測量安全殼模擬體內(nèi)蒸汽冷凝傳熱特性。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明結構示意圖

圖2是實施例2中的蒸汽產(chǎn)生裝置的結構示意圖。

附圖標記及對應的零部件名稱：

1.注水管；2.加熱水箱；3.蒸汽流量調(diào)節(jié)閥；4.蒸汽流量測量裝置；5.氦氣供給裝置；6.氦氣流量調(diào)節(jié)閥；7.氦氣流量測量裝置；8.安全殼模擬體；9.冷凝液收集裝置；10.冷卻水池；11.壁溫測量裝置；12.混合氣體壓力測量裝置；13.混合氣體溫度測量裝置；14.蒸汽壓力測量裝置；15.蒸汽溫度測量裝置；16.氦氣壓力測量裝置；17.氦氣溫度測量裝置；18.冷凝液壓力測量裝置；19.冷凝液溫度測量裝置；20-液位測量裝置；21-電加熱元件；22-電加熱元件管座；23-紫銅墊；24-壓緊螺母。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。

【實施例1】

如圖1所示，安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)測定實驗裝置，包括蒸汽產(chǎn)生裝置、氦氣供給裝置5、安全殼模擬體8、冷凝液收集裝置9、冷卻水池10，其中：

安全殼模擬體8，用于模擬安全殼，具有通入蒸汽的蒸汽入口和通入氦氣的氦氣入口，底部設置有排出冷凝液的冷凝液出口；本實施例中，為了研究鋼制安全殼的蒸汽凝結傳熱現(xiàn)象、測定核反應堆非能動安全殼內(nèi)蒸汽凝結傳熱系數(shù)，安全殼模擬體8就采用現(xiàn)有技術中的鋼制安全殼即可。

蒸汽產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生蒸汽并提供給安全殼模擬體8，蒸汽產(chǎn)生裝置具有水入口和蒸汽出口，該蒸汽出口與安全殼模擬體8的蒸汽入口之間通過蒸汽管路連接，所述蒸汽管路上設置有蒸汽流量調(diào)節(jié)閥3、蒸汽壓力測量裝置14和蒸汽溫度測量裝置15和蒸汽流量測量裝置4。蒸汽產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)蒸汽流量調(diào)節(jié)閥3和蒸汽流量測量裝置4進入安全殼模擬體8，通過調(diào)節(jié)蒸汽流量調(diào)節(jié)閥3的開度能夠控制進入安全殼模擬體8的蒸汽流量，通過蒸汽流量測量裝置4能夠測量進入安全殼模擬體8的蒸汽流量。本實施例中，所述蒸汽產(chǎn)生裝置采用電熱蒸汽發(fā)生器。

氦氣供給裝置5用于向安全殼模擬體8提供氦氣，其具有氦氣出口，該氦氣出口與安全殼模擬體8的氦氣入口之間通過氦氣管路連接，所述氦氣管路上設置有氦氣流量調(diào)節(jié)閥6、氦氣壓力測量裝置16和氦氣溫度測量裝置17和氦氣流量測量裝置7。從而氦氣供給裝置5通過氦氣流量調(diào)節(jié)閥6和氦氣流量測量裝置7往安全殼模擬體8充入氦氣。通過調(diào)節(jié)氦氣流量調(diào)節(jié)閥6的開度可以控制進入安全殼模擬體8的氦氣流量，通過氦氣流量測量裝置7可以測量進入安全殼模擬體8的氦氣流量。本實施例中，氦氣供給裝置5可以但不限于采用氦氣瓶、氦氣罐、氦氣充壓設備等。反應堆發(fā)生事故時會產(chǎn)生氫氣，并且進入安全殼。氫氣等不凝結氣體和蒸汽混合后會影響蒸汽的冷凝傳熱。氫氣在有氧條件下極易燃燒，甚至爆炸，氦氣為惰性氣體，化學性質(zhì)穩(wěn)定，不會燃燒爆炸，氦氣為自然界中和氫氣密度最接近的氣體，并且氦氣的導熱率和氫氣相差很小。因此本實施例中采用氦氣模擬氫氣，研究氦氣存在對安全殼內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)的影響，最能接近真實情況并且不會產(chǎn)生安全威脅。

冷卻水池10，用于提供對安全殼模擬體8進行冷卻的冷卻水，設置在所述安全殼模擬體8頂部，冷卻水池10中的冷卻水能夠?qū)Π踩珰つM體8的頂部進行冷卻。冷卻水池10對安全殼模擬體8不斷進行冷卻，冷卻時，安全殼模擬體8內(nèi)壁的蒸汽會被冷凝形成冷凝液，冷凝液在重力作用下向安全殼模擬體8底部匯集。本實施例中的冷卻水池10實際為盛放冷卻水的裝置，該裝置的底部可以為安全殼模擬體8的頂部外壁，使冷卻水與安全殼模擬體8頂部接觸，利用冷卻水對安全殼模擬體8頂部進行冷卻。

冷凝液收集裝置9，位于安全殼模擬體8下部，與安全殼模擬體8的冷凝液出口相連，用于收集安全殼模擬體8內(nèi)部壁面產(chǎn)生的冷凝液，安全殼模擬體8內(nèi)壁形成的冷凝液匯集到安全殼模擬體8底部后通過冷凝液出口流入冷凝液收集裝置9內(nèi)。冷凝液收集裝置9內(nèi)部設置有冷凝液壓力測量裝置18、冷凝液溫度測量裝置19和高精度的液位測量裝置20，該液位測量裝置20對流入冷凝液收集裝置9的冷凝液的液位進行實時測量。

安全殼模擬體8內(nèi)還設置有混合氣體壓力測量裝置12和混合氣體溫度測量裝置13；壓力測量裝置12對安全殼模擬體8內(nèi)的氣體(蒸汽和氦氣)壓力進行實時測量；溫度測量裝置13對安全殼模擬體8內(nèi)的氣體(蒸汽和氦氣)溫度進行實時測量；安全殼模擬體8的內(nèi)部側(cè)壁上還設置有壁溫測量裝置11，對安全殼模擬體8的壁溫進行測量。

本實施例中，壓力測量裝置12采用壓力傳感器，溫度測量裝置13采用溫度傳感器，所述蒸汽流量測量裝置4和氦氣流量測量裝置7均采用流量計，壁溫測量裝置11采用熱電偶；這些裝置可以對安全殼模擬體8內(nèi)蒸汽冷凝傳熱特性進行實時監(jiān)測。

本實施例提供了一種安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)測定實驗裝置，能夠支持安全殼內(nèi)蒸汽凝結傳熱現(xiàn)象的研究；實驗裝置結構簡單、綜合性強、測量精確，能夠測量安全殼模擬體內(nèi)蒸汽冷凝傳熱特性。

本實施例中，冷凝液出口設置在安全殼模擬體8底部，使冷凝水直接在重力作用下進入下部的冷凝液收集裝置，并進行實時測量。冷凝液出口若設置在安全殼模擬體8的其他位置，例如中部或者頂部，則在很長一段時間無測量結果。

【實施例2】

在實施例1的基礎上，本實施例中對蒸汽產(chǎn)生裝置進行進一步改進：

所述蒸汽產(chǎn)生裝置包括加熱水箱2和注水管1，所述水入口設置在加熱水箱2上，注水管1連接在水入口上，即注水管1的一端與自來水相連，另一端連入加熱水箱2內(nèi)，為加熱水箱2持續(xù)補充冷水。所述加熱水箱2內(nèi)還布置有4根電功率為20kw的電加熱元件設置有電加熱元件21，用于產(chǎn)生蒸汽。

圖2為電加熱元件15在加熱水箱2中的連接方式，所述加熱水箱2上開設有供電加熱元件21穿過的通孔，且加熱水箱2外壁設置有固定電加熱元件21的電加熱元件管座22；所述電加熱元件管座22一端密封連接在加熱水箱2的通孔四周，另一端懸空作為自由端，本實施例中，電加熱元件管座22右端密封連接在加熱水箱2外壁的通孔四周，左端懸空作為自由端；所述電加熱元件管座22開設有貫穿電加熱元件管座22兩端的中心通孔，所述電加熱元件21穿過電加熱元件管座22的中心通孔，且電加熱元件21的右端通過加熱水箱2的通孔伸入加熱水箱2內(nèi)，左端通過密封裝置固定在電加熱元件管座22的另一端上(電加熱元件21的左端端頭可以略微伸出密封裝置或者位于密封裝置內(nèi))；所述壓緊螺母23包括壓緊螺母24、紫銅墊23，所述壓緊螺母24包括擋環(huán)和螺套，螺套套設在電加熱元件管座21外且中心軸線平行于電加熱元件管座22的中心軸線，擋環(huán)連接在螺套的左端，擋環(huán)的中心開設有供電加熱元件管座22的左端端頭或者電纜伸出的通孔。紫銅墊23位于壓緊螺母24的擋環(huán)的右側(cè)面與電加熱元件管座22的自由端之間。

這樣，在加熱水箱2上焊接電加熱元件管座22，電加熱元件21插入電加熱元件管座22后，將紫銅墊23套在電加熱元件21左端，再套上壓緊螺母24，通過壓緊螺母24使紫銅墊23發(fā)生形變，從而實現(xiàn)電加熱元件21的固定和密封。

進一步地，所述擋環(huán)的靠近電加熱元件管座1的側(cè)面為錐形面，所述電加熱元件管座22的自由端的端面也為錐形面。即本實施例中所述擋環(huán)的右側(cè)面向左凹陷形成錐形面，所述電加熱元件管座22的左端面向右凹陷形成錐形面，這樣壓緊螺母24擠壓紫銅墊23使紫銅墊23發(fā)生形變的時候，紫銅墊23更容易形變對電加熱元件21進行密封。

【方法實施例】

安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)測定方法，采用上述任一實施例中的安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)測定實驗裝置進行測定，具體包括參數(shù)測量步驟、蒸汽凝結傳熱系數(shù)計算步驟。

所述參數(shù)測量步驟包括以下步驟：

s11、打開蒸汽管路和氦氣管路，向安全殼模擬體8通入蒸汽和氦氣；監(jiān)測進入安全殼模擬體8的蒸汽的參數(shù)、進入安全殼模擬體8的氦氣的參數(shù)、安全殼模擬體8內(nèi)混合氣體的參數(shù)，所述蒸汽的參數(shù)包括蒸汽流量g1、蒸汽溫度t1和蒸汽壓力p1；所述氦氣的參數(shù)包括氦氣流量g2、氦氣溫度t2和氦氣壓力p2；所述混合氣體的參數(shù)包括混合氣體壓力p3和混合氣體溫度t3；

s12、蒸汽的參數(shù)、氦氣的參數(shù)和混合氣體的參數(shù)穩(wěn)定后進行正式測量，所述正式測量包括步驟s121-123：

s121、記錄蒸汽的參數(shù)、氦氣的參數(shù)和混合氣體的參數(shù)；

s122、測量安全殼模擬體8的內(nèi)壁的壁面溫度tw1；

s123、測量冷凝液的溫度t4、冷凝液的壓力p4和冷凝液的液位l1；

其中，步驟s121-s123不分先后順序。

所述蒸汽凝結傳熱系數(shù)計算步驟具體包括以下步驟：

s21、根據(jù)步驟s121中記錄的蒸汽流量g1、蒸汽溫度t1、蒸汽壓力p1、氦氣流量g2、氦氣溫度t2和氦氣壓力p2計算混合氣體中氦氣的含量x1；氦氣的含量是影響傳熱的一個重要變量，獲得的冷凝傳熱模型或者測定安全殼蒸汽凝結傳熱系數(shù)必須考慮它的影響；

s22、根據(jù)步驟s121中記錄的蒸汽溫度t1和蒸汽壓力p1計算蒸汽的焓h1；

s23、根據(jù)冷凝液的溫度t4和冷凝液的壓力p4計算冷凝液的焓h4；

s24、根據(jù)冷凝液的液位l1以及液位隨時間的變化計算冷凝液的流量g4；s25、根據(jù)蒸汽的焓h1和冷凝液的焓h4以及冷凝液的流量g4計算蒸汽冷凝傳熱功率w1；

s26、計算壁面溫度tw1與步驟s121中記錄的混合氣體溫度t3的溫度差△t，根據(jù)蒸汽冷凝傳熱功率w1、傳熱面積a和溫度差△t計算安全殼蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h；本步驟中的傳熱面積a是指安全殼模擬體8的底部與蒸汽、氦氣混合氣體接觸部分，采用游標卡尺就可以對傳熱面積a進行測量；

上述步驟s21-步驟s24不分先后順序。

進一步地，還在最后實驗數(shù)據(jù)整理出以蒸汽溫度、蒸汽壓力、蒸汽流量、氦氣份額、壁面溫差為變量的安全殼蒸汽冷凝傳熱系數(shù)函數(shù)關系式，用于計算實際反應堆事故工況下反應堆非能動安全殼的傳熱能力。

本實施例中，步驟s22中蒸汽的焓h1的計算、步驟s21中氦氣的含量x1的計算、步驟s23中冷凝液的焓h4、步驟s24中冷凝液的流量g4、步驟s25中蒸汽冷凝傳熱功率w1的計算均為現(xiàn)有技術，本實施例中不再贅述其具體算法。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。