一种蒸汽发生器倾斜管束换热实验装置及方法

摘要

一种蒸汽发生器倾斜管束换热实验装置及方法，该实验装置包括倾斜管束、矩形套管、入口渐扩段、出口渐缩段、整流件、入口接管、出口接管，其中，入口渐扩段和入口接管依次焊接在矩形套管下部，出口渐缩段和出口接管依次焊接在矩形套管上部，倾斜管束通过预留通孔从外部斜向45°向下插入矩形套管，整流件安装在矩形套管下部，实验装置通过入口接管和出口接管与整个试验管道系统相连接，上述装置整体结构简单，容易加工，成本低廉，为蒸汽发生器倾斜管束的流动和传热特性的研究提供了模拟装置；本发明还提供该实验装置的实验方法；该方法能进行单相水、蒸汽‑水两相流体的实验，通过改变工质的进口参数对蒸汽发生器倾斜管束换热特性测试实验和验证试验。

说明书

技术领域

本发明涉及核电厂蒸汽发生器技术领域，具体涉及一种蒸汽发生器倾斜管束换热实验装置及方法。

背景技术

蒸汽发生器是核反应堆中一、二回路的枢纽，它将一回路产生的热量传递给二回路，产生蒸汽驱动汽轮器发电。正常工况下，流过堆芯的较热冷却剂从压力容器出口管嘴流出，经过热管段进入蒸汽发生器，在蒸汽发生器U形管区被二次侧的水冷却，之后经过渡管段进入主泵，由主泵升压后再经冷管段注入堆芯。二次侧的水得到一次侧传递的热量，发生汽化，经汽水分离作用后到达汽轮器系统，驱动汽轮器发电。如果蒸汽发生器传热管发生破损，一次侧冷却剂就会进入二次侧，造成辐射的泄露，威胁核电厂安全。传热管破损的原因主要有磨损、腐蚀和疲劳等，这些现象都和蒸汽发生器内的流动和换热特征密切相关，因此针对蒸汽发生器传热管开展换热特性的测试或实验验证非常重要。本发明正是基于这种需求而提供了一种可以在传热管倾斜的工况下进行蒸汽发生器换热管束换热特性实验的装置。现有的针对蒸汽发生器传热管换热的实验及理论仍然存在一些不足，如只能进行单管实验、对于倾斜管束换热只能采用近似和经验关系式的方法计算，无法满足或提高核电关键设备的可靠性要求。

例如，中国专利申请号CN 201320188149.8公开了一种管外强制对流换热实验装置。该装置包括带有喇叭进口的通风管、测试管、实验管、测速管、扩张管、离心引风机。通风管内设有栅格结构，通风管与测试管间设有稳流滤网，测试管内设有温度计，实验管内设有发热管，取风管与微压计相连。该发明结构简单，制作维修成本低，其实验气流稳定性好且湍流度也较好，有效提高了测试的精度。但是该装置气流量小，只能进行空气的单管换热实验，无法进行单相水或蒸汽-水流体的管束换热实验，也无法进行倾斜管束的实验。

又例如，中国专利申请号CN 202101956 U，公开了一种单管换热管测试装置。该装置包括换热管、壳体、输送泵、储液罐及进、出口阀，其特征在于：所述换热管为单根换热管体，所述壳体由包括若干筒节、位于端部的筒节连接封头和封板，所述筒节均由圆管、筒节端部法兰和筒管上、下部接管组成，各筒节经由端部法兰依次连接；所述换热管的进、出口分别经阀门与管程储液罐连接；所述壳体的每个筒节的上接管分别经阀门连接壳程流量分配器，壳程流量分配器与壳程储液罐连接，每个筒节的下接管分别经阀门连接混流器，壳程混流配器与壳程储液罐连接。基于该装置可获得实际换热器单根换热管的传热特性，进一步对管壳式换热器节点温度进行预测，以确定管壳式换热器管程和壳程流体的节点温度。但是该发明还是基于单管实验，不能满足管束特性试验的要求。

例如，中国专利申请号CN201510039037.X公布了一种汽水分离再热器管束实验装置及方法。该实验装置包括矩形截面的换热管束实验段，依次焊接在换热管束实验段下部的下矩形段、入口渐扩段和入口接管，依次焊接在换热管束实验段上部的上矩形段、出口渐缩段和出口接管，所述实验装置通过入口接管和出口接管与试验管道系统相连接；所述下矩形段内装配有不锈钢丝网，在所述下矩形段和上矩形段上分别对称焊接有一对测温组件和一对测压组件。该装置能在汽水分离再热器管外实际的具有一定干度的高温高压蒸汽工作条件下进行再热器管束换热和压降测试和验证。但是该发明无法进行单相水和水相占比较高的蒸汽-水两相流体换热实验，同时只能进行水平管束实验，无法进行倾斜管束实验。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种蒸汽发生器倾斜管束换热实验装置及方法，可以在传热管倾斜的工况下进行蒸汽发生器换热管束换热特性实验。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种蒸汽发生器倾斜管束换热实验装置，包括矩形套管6，依次焊接在矩形套管6下部的入口渐扩段3和入口接管1，依次焊接在矩形套管6上部的出口渐缩段9和出口接管10，所述实验装置通过入口接管1和出口接管10与试验管道系统相连接，入口接管1和出口接管10上分别焊接有热电偶2；所述矩形套管6由四个矩形钢板即第一矩形钢板6-1、第二矩形钢板6-2、第三矩形钢板6-3和第四矩形钢板6-4焊接而成，所述第一矩形钢板6-1和第三矩形钢板6-3为对称面，对应矩形短边，所述第二矩形钢板6-2和第四矩形钢板6-4为对称面，对应矩形长边；所述第一矩形钢板6-1和第三矩形钢板6-3上对应位置开有供加热管束8插入的通孔，通孔内部刻有螺纹，所述对应通孔连线与第一矩形钢板6-1和第三矩形钢板6-3长边之间的角度为45°，采用倾斜插入的加热管束8模拟蒸汽发生器倾斜管束；所述矩形套管6下部安装有整流件4；所述第二矩形钢板6-2上对应加热管束8和整流件4之间的位置以及加热管束8和出口渐扩段9之间的位置分别开有一个取压孔，取压孔内插入测压组件5，用来测量加热管束进出口的压力。

所述实验装置的表面设置有预设厚度的保温层。

所述加热管束8从矩形套管6外部预留通孔处斜向下插入，其上部与通孔之间通过螺纹固定，下部通孔中布置有端塞7，防止工质流出，所述端塞7与通孔之间通过螺纹连接。

所述加热管束8采取交错布置的方式，总共布置25排，所述加热管束8分为奇数排管束8-1和偶数排管束8-2，所述奇数排管束8-1是由三根电加热棒8-3和两边各一根半圆管组成，矩形套管6内壁面上布置半圆管，目的是减少旁通流量的损失，偶数排管束8-2每排四根电加热棒8-3；所述电加热棒8-3为单头电加热棒，分为中间的加热段区域8-3-1和两端的不加热冷段区域8-3-2；所述第二矩形钢板6-2上从下端数对应加热管束第六排和第十排的位置分别开有一个取压孔，取压孔内插入测压组件5；所述奇数排管束8-1中间的电加热棒在其中心截面沿周向布置4个中心对称的热电偶2；所述热电偶2布置在电加热棒内壁面，测量其内壁面温度，最终通过环形壁面导热公式推导外壁面温度，目的是防止过多热电偶引线影响流动。

所述整流件4为多孔板整流件，包括三排共24个通道，目的是确保进入倾斜换热管束区域的流体流向与矩形套管(6)的中轴线平行。

所述热电偶2和测压组件5与整个实验装置的数据采集系统连接，为蒸汽发生器倾斜管束换热特性的分析提供实验支撑。

所述的一种蒸汽发生器倾斜管束换热实验装置的实验方法，所述实验装置链接在试验系统的管道上，不同温度和流量的单相水或蒸汽-水两相流体通过入口接管1进入实验装置，经过整流件4整流，流过加热管束8区域与加热管束换热，然后从出口接管10流出；流体进出口温度由安装在进口接管1和出口接管10处的热电偶2测得，流体进出加热管束段的压力和压差由插入取压孔内的测压组件5测得，热电偶件2和测压组件5的数据由试验管道系统的数据采集装置记录。

和现有技术相比较，本发明具备以下优点：

1、本发明实验装置，为针对蒸汽发生器倾斜管束换热区域特点而发明的实验装置，能够合理的模拟蒸汽发生器倾斜管束的结构，整体结构简单，容易加工，成本低廉。

2、本发明的实验装置可以进行单相水、蒸汽-水两相流体的实验，通过改变工质的进口参数对蒸汽发生器倾斜管束换热特性进行测试，能够获得更加详细的实验数据，从而为蒸汽发生器倾斜管束换热理论分析提供支撑。

3、本发明实验装置的换热管束实验段既是实验装置的核心部件，也是可以替换的部件；针对不同的换热管束，可以采用本发明的方法，具体设计换热管束实验段。

4、本发明的实验装置采用电加热棒模拟管内高温高压水作为热源介质，避免了为产生和控制可靠的高温高压水热源介质而需要面临的巨大工程和装配困难。

5、在本发明实验方法中，利用所有换热管内壁面温度外推换热管外壁面温度，不但可以提供计算管外平均换热系数的平均管外壁面温度，而且可以提供分析换热管迎流、测流、背流部位温度分布特性所需的实验数据。

附图说明

图1为本发明实验装置整体装配正视图。

图2为本发明实验装置整体装配侧视图。

图3为图1沿A-A方向视图。

图4为图1沿B-B方向视图。

图5为电加热棒示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：

如图1所示，一种蒸汽发生器倾斜管束换热实验装置，包括矩形套管6，依次焊接在矩形套管6下部的入口渐扩段3和入口接管1，依次焊接在矩形套管6上部的出口渐缩段9和出口接管10，所述实验装置通过入口接管1和出口接管10与试验管道系统相连接，入口接管1和出口接管10上分别焊接有热电偶2；所述矩形套管6由四个矩形钢板即第一矩形钢板6-1、第二矩形钢板6-2、第三矩形钢板6-3和第四矩形钢板6-4焊接而成，所述第一矩形钢板6-1和第三矩形钢板6-3为对称面，对应矩形短边，所述第二矩形钢板6-2和第四矩形钢板6-4为对称面，对应矩形长边；所述第一矩形钢板6-1和第三矩形钢板6-3上对应位置开有供加热管束8插入的通孔，通孔内部刻有螺纹，所述对应通孔连线与第一矩形钢板6-1和第三矩形钢板6-3长边之间的角度为45°；所述矩形套管6下部安装有整流件4；所述第二矩形钢板6-2上对应加热管束8和整流件4之间的位置以及加热管束8和出口渐扩段9之间的位置分别开有一个取压孔，取压孔内插入测压组件5，用来测量试验管束进出口的压力。所述加热管束8从矩形套管6外部预留通孔处斜向下插入，其上部与通孔之间通过螺纹固定，下部通孔中布置有端塞7，防止工质流出，所述端塞7与通孔之间通过螺纹连接。

如图2所示，所述加热管束8采取交错布置的方式，总共布置25排，每排四个加热棒8-3；所述加热管束8分为奇数排管束8-1和偶数排管束8-2，所述奇数排管束8-1是由三根电加热棒和两边各一根半圆管组成，矩形套管6内壁面上布置半圆管，目的是减少旁通流量的损失，偶数排管束8-2每排四根电加热棒8-3；所述电加热棒8-3为单头电加热棒，分为加热段区域8-3-1和不加热冷段区域8-3-2；所述矩形钢板6-2上对应换热管束第六排和第十排的位置分别开有一个取压孔，取压孔内插入测压组件5；所述奇数排管束8-1中间的加热棒在其中心截面沿周向布置4个中心对称的热电偶2。所述热电偶2布置在电加热棒内壁面，测量其内壁面温度，最终通过环形壁面导热公式推导外壁面温度，目的是防止过多热电偶引线影响流动。

如图4所示，所述整流件4为多孔板整流件，包括三排共24个通道，目的是确保进入倾斜换热管束区域的流体流向与矩形套管6的中轴线平行。

作为本发明的优选实施方式，所述实验段的外表面包覆有保温层。

如图1所示，本发明蒸汽发生器倾斜管束换热实验装置的实验方法，所述实验装置链接在试验系统的管道上，不同温度和流量的单相水或蒸汽-水两相流体通过入口接管1进入实验装置，经过多孔板整流件4整流，流过加热管束8区域与加热管束换热，然后从出口接管10流出；流体进出口温度由安装在进口接管1和出口接管10处的热电偶2测得，流体进出管束段的压力和压差由插入取压孔内的测压组件5测得，热电偶2和测压组件5的数据由试验管道系统的数据采集装置记录。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。