一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置及测量方法，适用于管外池沸腾的换热测量技术，尤其涉及一种管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量技术；该测量装置可对实验水箱进行自动补水维持液位稳定，通过测量补水流量、压力和温度等信号，利用池沸腾产生蒸汽与补水的焓差乘以补水流量，计算得出池沸腾换热量，包括四个模块：实验模块，自动补水模块，测量模块和蒸汽回收模块；本发明解决了池沸腾实验研究中测量换热量的技术问题，尤其是管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量，不仅可有效应用于化工、制药等相关工业领域，而且更可应用于管道内侧热工质为高温高压工质冷凝的换热量测量过程。

说明书

技术领域

本发明涉及换热测量技术领域，特别涉及一种用于管外池沸腾实验研究中的换热量测量装置，尤其适用于管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量技术。

技术背景

池沸腾现象广泛存在于各类工业领域，比如化工、制药等等。福岛核事故发生后，世界各国都越来越重视核安全性这一重要课题的研究，因此作为第三代核电站主要技术的非能动安全系统应运而生。在非能动安全系统中，重要的传热机理为管内高温高压蒸汽冷凝和管外池沸腾，能够在全厂断电以及备用电源失效的情况下，依靠工质密度差建立自然循环，将堆芯热量导出从而保证电厂安全。由于测量参数的复杂性，在相关的实验研究中存在着一个管内冷凝管外池沸腾下换热量测量的技术难题。传统的热量加减法，是用实验管道两端的热量相加减得出实验管道的换热量。然而，这种方法不适用于较短的实验管道，否则会出现工程上常见的“大数减小数”的失准问题，但采用较长的实验管道不仅大幅增加了实验投入，又会引入管内流型变化的干扰，同时让换热系数的计算只能限于较长管道的平均值，无法得出更加精确细致的结果。

综上所述，目前对池沸腾实验研究中换热量测量的技术相对匮乏，尤其对管内为高温高压工质冷凝，管外为池沸腾的物理过程缺乏相应的测量手段，严重阻碍了实验研究的深入和细化，必须寻求一种新型的测量装置来解决这一难题。

发明内容

本发明的目的是针对池沸腾换热量测量技术相对匮乏，尤其无法精确测量管内冷凝管外池沸腾过程中换热量的技术现状，提供了一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置及测量方法，测量精确操作灵活，同时具有自动化和节能环保等优点，适用于池沸腾的换热测量技术，更适用管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量技术。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置，适用于管外池沸腾的换热测量，尤其适用于管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量；该测量装置能够对实验水箱进行自动补水维持液位稳定，通过测量补水流量、压力和温度等信号，利用池沸腾蒸汽与补水的焓差乘以补水流量，计算得出池沸腾换热量；所述测量装置包括实验模块、自动补水模块、测量模块和蒸汽回收模块；

所述实验模块包括由保温棉包裹的实验水箱1，用于排出池沸腾蒸汽并且同样采取保温措施的排气通道3，布置在排气通道3内的汽水分离装置4，插入实验水箱1内的实验管道5，用于固定实验管道5的左侧连接法兰6-1和右侧连接法兰6-2以及连接在实验水箱1上表示水箱液位高度的液位计7；

所述自动补水模块包括与液位计7依次相连用于实时测量液位计7中液柱与大气环境压力差的压差表DP 8、根据压差表DP 8的电子信号进行偏差-积分-微分运算的PID控制器9和根据PID控制器9的输出信号改变自身输出频率的变频器VFD 10，还包括用于储藏补水和喷淋冷凝蒸汽的补水-喷淋水箱11，设置在补水-喷淋水箱11底部与实验水箱1连通的补水通道12以及与变频器VFD 10相连为补水过程提供动力的补水水泵13；

所述测量模块包括布置在补水通道12上测量补水流量、压力和温度的质量流量计14、压力表15、热电偶16以及与质量流量计14、压力表15和热电偶16连接的用于采集流量、压力和温度的信号采集系统17；

所述蒸汽回收模块包括与补水-喷淋水箱11连接的工业冷水机20，通过喷淋水通道19与工业冷水机20连通且从补水-喷淋水箱11顶部伸入的喷淋装置18。

所述左侧连接法兰6-1和右侧连接法兰6-2能够便于实验管道(5)安装拆卸的同时并保证实验管道(5)与实验水箱(1)的密封和绝热绝缘。

所述实验水箱1上设置有便于观察池沸腾现象的可视窗2。

所述实验管道5为不锈钢材质。

所述实验管道内侧热工质的传热机理为单相对流或两相冷凝。

所述用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置的测量方法，向实验水箱1内注入补水，维持液位计7中合适的液位高度使实验管道5浸没在水中，压差表DP 8将此时的液位高度与环境大气的压力差转化为电子信号，调节PID控制器9的控制参数使变频器VFD 10处于动作状态且补水水泵13刚好启动流量稍稍大于零值；向实验管道5通入热工质，随着池沸腾现象发生，液位计7中液位变化的电子信号由压差表DP 8传递给PID控制器9，PID控制器9控制变频器VFD 10的输出频率，从而使得补水水泵13对实验水箱进行实时补水维持液位恒定；管外池沸腾产生的蒸汽在排气通道3中经过汽水分离装置4达到补水-喷淋箱水11，利用喷淋水通道19和喷淋装置18对补水-喷淋箱水11中的池沸腾蒸汽进行喷淋，工业冷水机20对补水进行冷却,冷却后的补水由补水水泵13提供动力经过补水通道12流向实验水箱1从而实现补水的循环利用；当实验管道5内外达到换热平衡后，利用信号采集系统17记录布置在补水通道12上的质量流量计14、压力表15和热电偶16采集的质量流量M、压力P和温度T等数据，通过P、T查询物性得出补水焓值H₁以及大气环境下的饱和蒸汽焓值H₂，由下式计算得出换热量Q；

Q＝(H_2-H₁)×M。

所述用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置的测量方法在质量流量计14、压力表15和热电偶16示数不再变化超过五分钟之后方可采集数据，保证管道内外达到平衡状态。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明所述测量装置，水箱模块结构紧凑便于安装拆卸，实验水箱与实验管道之间不仅密封而且绝热绝缘，通过颠倒摆放可以分别对水平和竖直两种方向的管道进行测量。

(2)本发明所述测量装置，自动补水模块根据实验水箱液位变化，利用PID控制器、变频器VFD和补水水泵的联合动作实时补水，具有及时响应的自动化特点。

(3)本发明所述测量装置，测量模块采集的参数较少，简单有效，并且测点均设在参数范围相对较低的管外池沸腾一侧，在一定程度保证了操作人员的人身安全。

(4)本发明所述测量装置，蒸汽回收模块对蒸汽进行喷淋回收循环利用，避免了资源浪费，符合节能环保的设计理念。

附图说明

图1为本发明的一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置示意图；

图1中：1、实验水箱；2、可视窗；3、排气通道；4、汽水分离装置；5、实验管道；6-1、左侧连接法兰；6-2、右侧连接法兰；7、液位计；8、压差表DP；9、PID控制器；10、变频器VFD；11、补水-喷淋水箱；12、补水通道；13、补水水泵；14、质量流量计；15、压力表；16、热电偶；17、信号采集系统；18、喷淋装置；19、喷淋水通道；20、工业冷水机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置，该测量装置由四个模块构成：实验模块包括由保温棉包裹的实验水箱1、用于观察池沸腾现象的可视窗2、用于排出池沸腾蒸汽并且同样采取保温措施的排气通道3、布置在排气通道3内的汽水分离装置4、不锈钢材质的实验管道5、用于固定实验管道5的左侧连接法兰6-1和右侧连接法兰6-2以及连接在实验水箱1上表示水箱液位高度的液位计7；自动补水模块包括与液位计7相连用于实时测量液位计7中液柱与大气环境压力差的压差表DP 8、根据压差表DP 8的电子信号进行偏差-积分-微分运算的PID控制器9、根据PID控制器9的输出信号改变自身输出频率的变频器VFD 10、用于储藏补水和喷淋冷凝蒸汽的补水-喷淋水箱11、补水通道12和与变频器VFD 10相连为补水过程提供动力的补水水泵13；测量模块包括布置在补水通道12上测量补水流量、压力和温度的质量流量计14、压力表15、热电偶16和用于采集流量、压力和温度的信号采集系统17；蒸汽回收模块包括与补水-喷淋水箱11连接的工业冷水机20，通过喷淋水通道19与工业冷水机20连通且从补水-喷淋水箱11顶部伸入的喷淋装置18。

本发明用于池沸腾实验研究中的换热量测量装置的测量方法：向实验水箱1内注入补水，维持液位计7中合适的液位高度使实验管道5浸没在水中，压差表DP 8将此时的液位高度与环境大气的压力差转化为电子信号，调节PID控制器9的控制参数使变频器VFD 10处于动作状态且补水水泵13刚好启动流量稍稍大于零值；向实验管道5通入热工质，随着池沸腾现象发生，液位计7中液位变化的电子信号由压差表DP 8传递给PID控制器9，PID控制器9控制变频器VFD 10的输出频率，从而使得补水水泵13对实验水箱进行实时补水维持液位恒定；管外池沸腾产生的蒸汽在排气通道3中经过汽水分离装置4达到补水-喷淋箱水11，利用喷淋水通道19和喷淋装置18对补水-喷淋箱水11中的池沸腾蒸汽进行喷淋，工业冷水机20对补水进行冷却,冷却后的补水由补水水泵13提供动力经过补水通道12流向实验水箱1从而实现补水的循环利用；当实验管道5内外达到换热平衡后，利用信号采集系统17记录布置在补水通道12上的质量流量计14、压力表15和热电偶16采集的质量流量M、压力P和温度T等数据，通过P、T查询物性得出补水焓值H₁以及大气环境下的饱和蒸汽焓值H₂，由下式计算得出换热量Q。

Q＝(H_2-H₁)×M

具体的，实验模块：实验水箱采用保温措施，并设有可视窗用于观测实验管道外侧池沸腾的气泡形态，通过颠倒摆放可以分别对水平、竖直两种布置方向的管道进行测量；左侧连接法兰6-1和右侧连接法兰6-2采用特殊设计结构，在便于实验管道5安装拆卸的同时更保证了实验管道5与实验水箱1的密封和绝热绝缘；液位计与实验水箱水平连接段较长，避免因池沸腾带来的液位扰动；汽水分离装置对实验水箱出口蒸汽可能携带的液滴进行分离。

具体的，自动补水模块：压差表DP 8随着池沸腾的剧烈程度实时改变电子信号；PID控制器9根据压差表DP 8传递的电子信号，通过比例-积分-微分算法，产生实时的运算响应；变频器VFD 10根据PID控制器9提供的运算响应实时改变输出频率；补水水泵根据变频器VFD 10的输出频率实时改变转速，从而实时改变补水流量。

具体的，测量模块：质量流量计14、压力表15和热电偶16示数不再变化超过五分钟后之方可采集数据，保证管道内外达到平衡状态；利用池沸腾蒸汽与补水之间的焓差乘以补水流量，即可得出换热量。

具体的，蒸汽回收模块：喷淋装置18喷淋蒸汽回收于补水-喷淋水箱11中，节能环保的同时可以避免操作人员出现烫伤事故；工业冷水机20要确保可以将补水温度冷却到50℃以下，否则可能导致补水水泵13内部腐蚀。

本发明测量装置及测量方法解决了一种池沸腾实验研究中测量换热量的技术问题，尤其涉及一种管内冷凝管外池沸腾两侧均存在相变的物理过程的换热量测量，不仅可有效应用于化工、制药等相关工业领域，而且更可应用于管道内侧热工质为高温高压工质冷凝的换热量测量过程。

最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明本发明而非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述实施方式对本发明已进行了详细的描述，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。