一种海洋条件下铅铋合金流动传热特性研究实验系统及方法
阅读说明：本技术 一种海洋条件下铅铋合金流动传热特性研究实验系统及方法 (Experimental system and method for researching flow heat transfer characteristics of lead-bismuth alloy under ocean conditions ) 是由 王成龙 刘志鹏 田文喜 秋穗正 苏光辉 张大林 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种海洋条件下铅铋合金流动传热特性研究实验系统及方法,该系统包括试验段,模拟海洋运动条件的六自由度运动平台、铅铋合金回路系统、高温导热油冷却回路系统和氩气支路系统,还包括配套的配电设备、仪控设备和数据测量采集设备。实验时,利用氩气支路将储铅罐中的铅铋合金压入铅铋合金回路,海洋运动平台驱动铅铋合金回路中的试验段及其系统实现起伏、摇摆等运动；高温导热油冷却回路系统的变频泵驱动油箱中的导热油流进套管式换热器给铅铋合金回路提供冷却,被加热的导热油经管壳式换热器和冷却塔恢复到初始温度后再返回油箱；本发明获得海洋条件下六自由度运动过程中反应堆内铅铋合金流动传热特性,可用于海洋条件下反应堆的安全设计。(The invention discloses a lead bismuth alloy flow heat transfer characteristic research experiment system and a method under ocean conditions. During the experiment, the lead-bismuth alloy in the lead storage tank is pressed into a lead-bismuth alloy loop by utilizing an argon branch, and the ocean motion platform drives a test section and a system thereof in the lead-bismuth alloy loop to realize the motions of fluctuation, swing and the like; the variable frequency pump of the high-temperature heat conduction oil cooling loop system drives heat conduction oil in the oil tank to flow into the sleeve type heat exchanger to provide cooling for the lead-bismuth alloy loop, and the heated heat conduction oil returns to the oil tank after returning to the initial temperature through the shell type heat exchanger and the cooling tower; the invention obtains the flow heat transfer characteristic of the lead-bismuth alloy in the reactor in the six-degree-of-freedom motion process under the ocean condition, and can be used for the safety design of the reactor under the ocean condition.)
技术领域
本发明涉及铅铋反应堆技术领域，具体涉及一种海洋条件下铅铋合金流动传热特性研究实验系统及方法。
背景技术
海洋核动力平台是小型核反应堆与船舶工程的有机结合，可为偏远岛屿提供安全、高效的能源供给，也可用于海洋是由开采、大功率船舶及海水淡化领域的功能，对中国开发利用新能源和海洋能源具有重大意义。铅铋反应堆在海洋工程中的应用前景广阔，液态金属在反应堆内的流动换热现象是反应堆设计和安全分析的基础。在海洋条件下，核动力平台受海洋中风浪作用，会发生升潜、倾斜、摇摆等六自由度运动，受海洋附加作用力影响，核动力系统会受到强烈的非线性扰动，铅铋合金的流动传热特性相比静止条件会发生显著变化，导致核反应堆系统流量和压力等参数也会产生相应响应，甚至影响反应堆安全性。因此，开展海洋条件下铅铋合金流动传热研究对海洋核动力平台的安全运行具有重要意义。
目前针对压水堆的海洋条件下热工水力研究已经十分丰富，但针对铅铋反应堆在海洋工程中的应用研究仍较为薄弱，因此本发明可对海洋铅铋堆的应用提供支持。
发明内容
针对以上问题，开发了一种海洋条件下铅铋合金流动传热特性研究实验系统及方法，能够研究海洋条件对铅铋合金流动传热的影响。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种海洋条件下铅铋合金流动传热特性研究实验系统，包括可更换的试验段1，模拟海洋运动条件的海洋运动平台2，用于储存铅铋合金的储铅罐9，安装试验段的铅铋回路系统，用于给铅铋回路系统提供冷却的高温导热油冷却回路系统，以及用于给铅铋合金回路提供无氧氩气环境和将铅铋合金压入铅铋回路的氩气支路系统；所述试验段1通过上下法兰与铅铋合金回路系统连接，试验段1上安装多个热电偶测量试验段内壁面和内部流体温度，安装差压变送器8测量试验段压降；所述试验段1、预热段2、给铅铋合金回路提供驱动压头的电磁泵3、控制铅铋合金回路打开与关闭的第二液态金属阀门402、测量铅铋合金回路流量的电磁流量计5、用于给电磁流量计进行标定且同时作为膨胀箱的标定筒6以及用于给铅铋合金回路提供冷却的套管式换热器7依次连接组成铅铋合金回路系统，电磁泵3两端设置旁通回路，旁通回路上设置第一液态金属阀门401，通过第一液态金属阀门401对铅铋合金回路流量进行调节，铅铋合金回路系统通过金属软管连接储铅罐9，金属软管上设置第三液态金属阀门403控制铅铋合金流进和流出铅铋合金回路系统；标定筒6上方设置排气阀1903，同时标定筒6与氩气支路系统相连；铅铋合金回路系统固定在海洋运动平台2上，实验时通过仪控设备22设置起伏或摇摆的加速度幅度以及周期来控制试验段1进行起伏或摇摆运动。
高温导热油冷却回路系统中，导热油箱11通过变频泵12及第一导热油阀1301后与套管式换热器7相连，进出套管式换热器7的导热油管道为金属软管；经过套管式换热器7被加热后的导热油流过流量计14和管壳式换热器15后回到导热油箱11；高温导热油冷却回路系统最后的热阱为冷却塔16，为管壳式换热器15提供冷却；高温导热油冷却回路系统变频泵12两端并联一个旁通回路，旁通回路上设置第二导热油阀1302，通过第二导热油阀1302对整个高温导热油冷却回路流量进行调节；
氩气支路系统中的氩气瓶17通过减压阀18后，经过第一气阀1901与铅铋合金回路系统中标定筒6相连，用于铅铋合金回路系统通入氩气，保持其无氧环境；氩气支路系统氩气瓶17通过减压阀18后，经过第二气阀1902与储铅罐9相连，用于将储铅罐9中的铅铋合金通过高压氩气压入铅铋合金回路系统；与标定筒6相连的气体管路为金属软管。
所述试验段1按照实验需求设计为圆管、环管或棒束通道试验段。
所述高温导热油冷却回路系统中高温导热油为QC320，最高使用温度为320℃；管壳式换热器15冷却侧为水。
所述海洋运动平台2上设置配电设备21、仪控设备22和数据测量与采集设备23。
所述试验段1上等间距安装六个热电偶，分别为第一热电偶401、第二热电偶402、第三热电偶403、第四热电偶404、第五热电偶405和第六热电偶406。
所述的一种海洋条件下铅铋合金流动传热特性研究实验系统的实验方法，其特征在于：实验开始后开启第二气阀1902和第三液态金属阀门403，将氩气瓶9中氩气充入储铅罐9使得液态金属铅铋合金缓慢压入铅铋合金回路系统中，此时间歇打开标定筒6上方的排气阀1903对铅铋合金回路排气；等到标定筒6内铅铋合金充满时，关闭第三液态金属阀门403，停止向铅铋合金回路中压入铅铋合金，此时铅铋合金回路中充满铅铋合金；打开电磁泵3，使铅铋合金开始在铅铋合金回路中循环流动；在仪控设备22处设置模拟海洋条件的海洋运动平台所需要的起伏或摇摆运动的幅值与周期参数，使试验段1按照设定的运动方式进行运动；进行流动阻力实验时，由于铅铋合金密度大，为减小温度变化对重力压降的影响，保持铅铋合金回路中铅铋合金温度在350℃，通过调节电磁泵和旁通回路中第一液态金属阀门401来调节铅铋合金回路中铅铋流量，使用试验段1上布置的差压变送器8记录其压降；对于不同的铅铋合金回路循环流量，待铅铋合金回路中压降，流量及温度信号在海洋运动条件下规律稳定时，通过数据测量与采集设备23持续采集信号，完成实验工况；进行对流传热实验时，根据实验工况通过高温导热油冷却回路系统中的变频泵12和旁通回路中第二导热油阀1302调节高温导热油回路导热油流量以调节套管式换热器7的冷却功率，使铅铋合金在进入试验段1时温度保持一致；调整铅铋合金回路系统加热功率，对于每组工况，待电磁流量计5测得的流量及试验段各热电偶所测温度波动较为规律稳定时，通过数据测量与采集设备23持续采集信号，完成实验工况；实验完成后，关闭数据测量及采集设备23，停止铅铋合金回路系统加热，并使模拟海洋运动条件的海洋运动平台2停止运动；打开第三液态金属阀门403使铅铋合金回路中铅铋合金依靠重力回流至储铅罐9中；打开氩气支路系统第一阀门1901，向铅铋合金回路中打入氩气，保持其无氧状态；高温导热油冷却回路系统中的变频泵12和冷却塔19保持运行至导热油箱11中的高温导热油冷却至常温；最后关闭系统电源，实验结束。
本发明解决了海洋条件下铅铋合金流动传热研究难题，弥补了相关空白，有助于加快铅铋反应堆的工业应用，具有广阔应用前景。
附图说明
图1为本发明实验装置整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种海洋条件下铅铋合金流动传热特性研究实验系统，包括可更换的试验段1，模拟海洋运动条件的海洋运动平台2，用于储存铅铋合金的储铅罐9，安装试验段的铅铋回路系统，用于给铅铋回路系统提供冷却的高温导热油冷却回路系统，以及用于给铅铋合金回路提供无氧氩气环境和将铅铋合金压入铅铋回路的氩气支路系统；试验段1通过上下法兰与铅铋合金回路系统连接，按照实验需求可设计为圆管、环管和棒束通道等试验段；试验段上安装热电偶401-406测量试验段内壁面和内部流体温度，安装差压变送器8测量试验段压降；所述试验段1、预热段2、给铅铋合金回路提供驱动压头的电磁泵3、测量回路流量的电磁流量计5、用于给电磁流量计进行标定且同时作为膨胀箱的标定筒6、用于给铅铋合金回路提供冷却的套管式换热器7依次连接组成铅铋合金回路系统；电磁泵3两端设置旁通回路，旁通回路上设置第一液态金属阀门401，通过第一液态金属阀门401对铅铋合金回路流量进行调节，铅铋合金回路通过第二液态金属阀门402控制关闭，铅铋合金回路系统通过金属软管连接储铅罐9，金属软管上设置第三液态金属阀门403控制铅铋合金流进和流出铅铋合金回路系统；标定筒6上方设置排气阀1903，同时标定筒6与氩气支路系统相连；试验段1与铅铋合金回路系统相连后整体系统固定在海洋运动平台2上，实验时通过仪控设备22设置起伏或摇摆的加速度幅度以及周期来控制试验段1进行起伏或摇摆运动。
高温导热油冷却回路系统中，导热油箱11通过变频泵12及第一导热油阀1301后与套管式换热器7相连，进出套管式换热器7的导热油管道为金属软管；经过套管式换热器7被加热后的导热油流过流量计14和管壳式换热器15后回到导热油箱11；高温导热油冷却回路系统最后的热阱为冷却塔16，为管壳式换热器15提供冷却；高温导热油冷却回路系统变频泵12两端并联一个旁通回路，通过第二导热油阀1302对整个高温导热油冷却回路流量进行调节。
氩气支路系统中的氩气瓶17通过减压阀18后，经过第一气阀1901与铅铋合金回路系统中标定筒6相连，用于铅铋合金回路系统通入氩气，保持其无氧环境；氩气支路系统氩气瓶17通过减压阀18后，经过第二气阀1902与储铅罐9相连，用于将储铅罐9中的铅铋合金通过高压氩气压入铅铋合金回路系统；与标定筒6相连的气体管路为金属软管。
高温导热油冷却回路系统中高温导热油为QC320，最高使用温度为320℃；管壳式换热器15冷却侧为水。
所述海洋运动平台2上设置配电设备21、仪控设备22和数据测量与采集设备23，所述配电设备21主要包括依次连接的配电柜、输电线和用电设备，供电容量满足实验系统所需的全部用电要求；所述仪控设备22主要包括实验系统中的显示仪表、模拟海洋运动条件的海洋运动平台2的控制平台、离心泵和冷却塔启动控制平台；所述数据测量与采集设备23主要包括热电偶、流量计、接线盒、数据采集卡、测量模块、信号调理器、液态金属液位探针、计算机的驱动软件和数据采集软件。
实验开始后开启第二气阀1902和第三液态金属阀门403，将氩气瓶9中氩气充入储铅罐9使得液态金属铅铋合金缓慢压入铅铋合金回路系统中，此时间歇打开标定筒6上方的排气阀1903对铅铋合金回路排气；等到标定筒6内铅铋合金充满时，关闭第三液态金属403，停止向铅铋合金回路中压入铅铋合金，此时铅铋合金回路中充满铅铋合金；打开电磁泵3，使铅铋合金开始在铅铋合金回路中循环流动；在仪控设备22处设置模拟海洋条件的海洋运动平台所需要的起伏或摇摆运动的幅值与周期参数，使试验段1按照设定的运动方式进行运动；进行流动阻力实验时，由于铅铋合金密度非常大，为减小温度变化对重力压降的影响，保持铅铋合金回路中铅铋合金温度在350℃，通过调节电磁泵和旁通回路中第一液态金属阀门401来调节铅铋合金回路中铅铋流量，使用试验段1上布置的差压变送器8记录其压降；对于不同的铅铋合金回路循环流量，待铅铋合金回路中压降，流量及温度信号在海洋运动条件下较为规律稳定时，通过数据测量与采集设备23持续采集信号，完成实验工况；进行对流传热实验时，根据实验工况通过高温导热油冷却回路系统中的变频泵12和旁通回路中第二导热油阀1302调节高温导热油回路导热油流量以调节套管式换热器7的冷却功率，使铅铋合金在进入试验段1时温度保持一致；调整铅铋合金回路系统加热功率，对于每组工况，待电磁流量计5测得的流量及试验段各热电偶401-406所测温度波动较为规律稳定时，通过数据测量与采集设备23持续采集信号，完成实验工况；实验完成后，关闭数据测量及采集设备23，停止铅铋合金回路系统加热，并使模拟海洋运动条件的海洋运动平台2停止运动；打开第三液态金属阀门403使铅铋合金回路中铅铋合金依靠重力回流至储铅罐9中；打开氩气支路系统第一阀门1901，向铅铋合金回路中打入氩气，保持其无氧状态；高温导热油冷却回路系统中的变频泵12和冷却塔19保持运行至导热油箱11中的高温导热油冷却至常温；最后关闭系统电源，实验结束。
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