[发明专利]一种宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统

说明书

本发明涉及反应堆安全技术设施领域，尤其涉及一种用于研究核电站安全壳过滤排放系统内冷凝换热器性能的宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统，该系统同样适用于其它领域含多元不凝性气体的水平管内蒸汽流动冷凝换热特性研究。包括蒸汽供应系统、管内空气供应系统、氦气供应系统、水冷子系统、空冷子系统、汽水分离系统和数据采集系统，其特征在于：水冷子系统包括套管换热器和冷却水系统。本发明实现了在较宽泛的壁面过冷度范围内，进行水平和倾斜条件下管内含多组分不凝性气体的蒸汽流动冷凝换热特性的实验研究，以此更深入地了解冷凝换热机理，为冷凝器设计、强化换热元件开发和换热器运行技术提供科学依据。

技术领域

本发明涉及反应堆安全技术设施领域，尤其涉及一种用于研究核电站安全壳过滤排放系统内冷凝换热器性能的宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统，该系统同样适用于其它领域含多元不凝性气体的水平管内蒸汽流动冷凝换热特性研究。

背景技术

水平管内冷凝换热过程具有独特的液膜不均分布的特点，从而局部具有极高的换热系数。基于这种冷凝形式而设计的冷凝器拥有更强的换热能力，较高的抗震与耐压效果，因此被广泛地应用于核能、化工、航天以及能源领域。在核电站安全壳过滤排放系统中，通过采用水平管冷凝换热器回收部分凝液的方式，延长了文丘里水洗器的高效过滤时间，从而可以在严重事故发生后的72小时甚至更长时间内，保证安全壳压力不超出其承压极限，避免放射性物质的大量外泄，减少对人员及环境的伤害。当发生一回路冷却剂丧失、主蒸汽管道破裂叠加堆芯融化的严重事故时，大量蒸汽将被排放到安全壳内，同时熔融堆芯与混凝土反应产生的不凝性气体(包含氢气)也将进入到安全壳内，从而使安全壳内积聚大量由蒸汽、空气和氢气组成的多元混合气体。在安全壳过滤排放系统工作过程中，这些气体进入到水平管冷凝换热器时，会出现含多元不凝性气体的管内冷凝换热过程。在冷凝器的实际应用之中，不凝性气体是影响其工作特性的重要因素之一。当蒸汽中含有不凝性气体时，换热器内的冷凝换热能力会受到很大程度的削弱。根据国外学者的实验分析可知：当水蒸汽中含有质量份额0.5％的空气时，冷凝换热系数会骤降50％。目前海水淡化、化学材料制取和核电站安全系统设计领域都在寻找方法降低不凝性气体对冷凝换热抑制效果的方法。由此可知，研究含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热特性对于各领域内的冷凝器工程应用具有重要意义。此外，由于核电站非能动安全的需求，在水平管换热器的管外采用空气自然对流冷却的方式，从而使得冷凝换热在较低的壁面过冷度下进行。因此，为保证在核电站发生严重事故的特殊情况下水平管冷凝器可靠运行，需要通过实验对低过冷度的多元气体冷凝换热特性进行研究，为此也就需要一套能模拟事故条件的实验系统。然而国内外还未有公开发表的文献提及能用于该实验的相关实验系统。

由于冷凝换热过程中始终有气液两相共存，换热与流动过程较为复杂，影响因素众多，这使得对应的理论分析尤为困难。因此目前对于冷凝换热的研究多使用实验的方法。通常，研究者根据所要研究的对象和研究目标来设计搭建相应的实验系统，通过测量一定的热工参数来分析不同条件下的冷凝换热特性。由于不凝性气体是影响冷凝换热的关键因素，因此目前国内外学者已经针对该方向进行了大量的实验研究，但主要集中于竖直管内与水平管外的冷凝换热研究，因此所用的实验系统也都是针对竖直管内冷凝及水平管外冷凝实验设计的，并不能满足复杂的水平管内流动冷凝的研究需求。这是由于：与管外冷凝相比，在管内流动冷凝过程中，凝液无法及时排走，会随气体一起流动，因此冷凝过程中会发生流型的演变，不同的流型对应的冷凝换热特性也有较大的差异。此外，在水平管内由于重力效应的影响，气液两相在管内的分布结构呈现出明显的非对称性特点，流型结构更加复杂。因此，对水平管内冷凝换热特性的研究需要采用具有流型识别功能的实验系统。为得到更为精确且可信的实验数据，设计一套适用于研究水平管内含多元不凝性气体的蒸汽流动冷凝换热的实验系统，并能控制管内流型，研究分析不同流型下的冷凝换热特性显得尤为重要。