CN107014860A - 管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置及蒸干判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置及蒸干判别方法。包括竖直管实验段、电加热器及其控制系统、加热电极、数据采集系统，其特征是：所述竖直管实验段上下两端分别安装有电极，电极与电加热器相连接，竖直管实验段外壁安装有热电阻，竖直管实验段内部安装有压力传感器和光纤探针，竖直管实验段间隔上开有测孔、相邻测孔之间安装有差压变送器，热电阻、压力传感器、光纤探针、差压变送器连接数据采集系统。本发明通过预判蒸干位置，进而进行实验测得相关数据，实现管内流动沸腾过程中蒸干及蒸干后热工水力特性实验研究。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置，本发明也涉及一种管内流动沸腾蒸干判别方法。
背景技术
与传统的在大亚湾等多数核电厂使用的自然循环蒸汽发生器相比，直流蒸汽发生器能够产生过热蒸汽，在发电效率、紧凑性及高温供热效果等方面具有很大的优势，船用核动力系统直流蒸汽发生器由于空间限制，对其体积和效率提出了更高的要求。但是在水被从过冷状态加热到过热状态的流动换热过程中当质量含汽率达到较高值时会将壁面上附着的环状液膜撕裂，此时将发生流动沸腾传热恶化现象-蒸干。蒸干的发生导致壁面直接与蒸汽接触，而蒸汽的换热性能远低于液相的换热性能，因此传热性能会急剧下降，导致传热管壁温呈现非线性急剧上升的趋势，同时摩擦压降也会产生与蒸干前区域不一样的变化。在蒸干后雾状流区域由于液相以核心连续蒸汽流中夹带的饱和离散液滴的形式存在，而壁面处换热方式已经变为壁面与蒸汽的对流换热，因此蒸汽会吸收壁面传递的热量而达到过热状态，同时蒸汽也会将一部分热量传递给饱和液滴，进而将饱和液滴蒸发为蒸汽，这导致蒸干后区域会发生偏离热力平衡。摩擦压降进而也会产生非线性变化。如果在直流蒸汽发生器运行过程中不能对蒸干传热恶化现象及蒸干后热工水力特性进行有效控制，将导致传热管壁温发生非线性的剧烈变化，危及蒸汽发生器及整个系统的安全稳定运行。
目前研究人员针对换热器内过冷状态到过热状态的整个流动换热过程的实验研究主要关注的是进出口处工质的性质以及轴向方向上的壁温分布，对蒸干及蒸干后区域的关键参数-质量含汽率和摩擦压降分布规律的关注很少，质量含汽率的分布规律通常都是基于热平衡计算得到，压力主要为进出口的压力。而这些参数对于准确评估蒸干传热恶化现象及蒸干后热工水力特性又非常重要。因此，研究管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置及蒸干判别方法，提出有价值的建议对直流蒸汽发生器等换热设备的安全、稳定运行具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实现管内流动沸腾过程中蒸干及蒸干后热工水力特性实验研究的管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置。本发明的目的还在于提供一种管内流动沸腾蒸干判别方法。
本发明的管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置包括竖直管实验段、电加热器及其控制系统、加热电极、数据采集系统，所述竖直管实验段上下两端分别安装有电极，电极与电加热器相连接，竖直管实验段外壁安装有热电阻，竖直管实验段内部安装有压力传感器和光纤探针，竖直管实验段间隔上开有测孔、相邻测孔之间安装有差压变送器，热电阻、压力传感器、光纤探针、差压变送器连接数据采集系统。
本发明的管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置还可以包括：
1、所述热电阻在竖直管实验段管截面外壁上均匀布置；轴向上布置10圈热电阻，且在蒸干位置前后布置的三圈热电阻之间的间隔小于蒸干后区域布置的热电阻之间的间隔。
2、所述的光纤探针和压力传感器布置在核态沸腾区域的测孔和从蒸干前某一位置开始均匀开设的测孔内。
本发明的管内流动沸腾蒸干判别方法包括：加热电极通电后加热竖直管实验段管壁，进而加热管内的流体，流体在管内垂直向上流动换热过程中执行如下操作：步骤一，通过热力计算得到蒸干位置的估计位置；步骤二，将该估计位置附近的保温棉取出，通过热电阻测量该估计位置区域竖直管实验段传热管外壁温度；步骤三，如果监测到的壁温没有剧烈升高，将该处取出的保温棉填充；步骤四，对该估计位置附近区域重复步骤一至四，直到监测到蒸干现象的发生即监测到的壁温没有剧烈升高。
本发明的管内流动沸腾蒸干判别方法还可以包括：
1、所述通过热力计算得到蒸干位置的估计位置的方法为：在给定实验状态中的流量、热流密度和运行压力下临界热流密度为0.015mm，通过式计算得到对应临界液膜厚度的液膜质量流速，最后通过给定的实验状态和计算得到的临界液膜质量流速查询相应的蒸干位置；式中：δ为液膜厚度，q"为热流密度，hfg为汽化潜热，Gf,h为液膜质量流速，vfg为汽液相比容之差，μl、μg分别为液相和汽相动力粘度，σ为表面张力。
2、所述监测到蒸干现象的判别方法是测量得到的壁温的轴向变化率是否达到250K/m。
3、通过光纤探针测量蒸干前区域、蒸干位置和蒸干后区域流体温度与质量含汽率的变化规律，并通过热电阻测量蒸干及蒸干后壁温的变化规律，揭示蒸干位置与流体温度和质量含汽率之间的关系，预测蒸干及蒸干后区域的传热特性。
4、通过压力传感器和差压传感器监测蒸干前和蒸干后区域压力的变化，揭示蒸干的发生对摩擦压降的影响，及蒸干后区域摩擦压降的变化规律。
本发明提供了一种管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置及蒸干判别方法，以实现管内流动沸腾过程中蒸干及蒸干后热工水力特性实验研究。
本发明的优势在于：
1、本发明的实验段测点和测量装置被合理布置，并且同一时间内的所有测量数据被精准地通过多通道数据采集仪采集到电脑上，为对竖直管内水向上的流动换热过程的蒸干现象及蒸干后传热特性的研究提供了很大的便捷。
2、本发明在实验过程中采用热电阻监测蒸干现象发生的位置，首先通过给定实验状态中的流量、热流密度和运行压力进行热力计算，估算一个蒸干有可能发生的区域，然后将该区域的保温棉取出来，使用热电阻测量实验段外壁温度，以判断是否发生蒸干现象，进而对蒸干发生的位置及蒸干后区域进行重点监控。
3、本发明通过在实验段不同轴向位置处打孔布置光纤探针测量得到加热管内蒸干及蒸干后区域的蒸汽温度及质量含汽率沿实验段轴向方向的分布规律，得到相应实验状态下竖直管内蒸干及蒸干后的热工水力特性。
4、为了避免上述用于测量管内质量含汽率和流体温度的光纤探针对管内流体的流动换热、蒸干及蒸干后传热造成影响，本发明所述的光纤探针直径要尽量小，直径为125um；
5、本发明通过在实验段不同轴向位置处打孔布置压力传感器测量实验段轴向不同位置处的压力分布，进而得到两相流动沸腾过程中尤其是蒸干及蒸干后区域摩擦压降的轴向分布规律；同时通过在孔与孔之间布置差压变送器直接测量实验段内两相流动沸腾的轴向压降分布，通过对压力传感器和差压变送器分别测量得到的轴向压降分布规律进行对比分析可以更加准确地研究两相流动沸腾过程尤其是蒸干的发生对摩擦压降的影响，及蒸干后区域摩擦压降的变化规律。这样可以发现、进而避免由于压力传感器或差压变送器其中某个引起的测量结果的偶然误差或者传感器不能正常工作带来的误差。
附图说明
图1是电加热实验段简图。
图2是实验段横截面测点布置图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置包括竖直管实验段、电加热器及其控制系统1、加热电极和数据采集系统。竖直管实验段本体上下两端分别安装有电极2，电极与电加热器相连接、以对实验段内竖直向上流动的过冷水进行加热。实验段外壁通过高温胶4安装有热电阻5，实验段内安装有压力传感器14和光纤探针15，实验段上开有测孔6，实验段相邻测孔之间通过取压管8安装有差压变送器9，热电阻、压力传感器、光纤探针、差压变送器通过测量装置引出线10连接数据采集系统11，竖直管实验段的传热管3外布置保温层7。过冷水13在管内垂直向上流动换热过程中，首先通过热力计算大致估算一个蒸干位置，然后将该位置附近的保温棉取出，通过热电阻测量传热管外壁温度，如果监测到的壁温没有剧烈的升高，将该处取出来的保温棉填充进去，对该位置下游的区域重复该方法，若最终没有监测到蒸干位置，则表明在当前加热量下管内不会发生蒸干现象，因此需要通过电加热器的控制系统对加热量进行调节以使管内流动换热情形达到本发明要研究的状态。
由于传热管内会发生蒸干传热恶化现象，导致壁温呈非线性急剧上升，因此材料使用能够承受较高温度的Inconel Alloy 800。实验段外径为16mm，厚度为2mm，长度为3.07m。试验段两端由于需要布置电极，因此实验段上要给每个电极要预留长为50mm的安装空间，即实验段总长3.17m。实验段与电极之间采用法兰进行连接。
电加热器由直流电源和输入输出导线构成，将输出导线与实验段上安装的钨铜合金材质的加热电极相连接，以管壁为加热电阻元件对管内工质进行加热。将输入导线与供电稳压器相连接实现供电以产生热量。同时将直流电源与其控制系统连接。通过控制系统调节施加在传热管上的电流和电压以实现加热功率的改变，进一步根据传热管和工质状态确定发生蒸干现象时所需的加热电流和电压。
所述的实验段内流动的工质采用去离子水以避免排出的水工质带电，标准为实验用去离子水标准：电导率<0.5us/cm。通过离子交换法进行制备；
测量装置包括热电阻、光纤探针、压力传感器和差压变送器，分别用于测量实验段壁温、管内流体温度和质量含汽率、实验段轴向的压力分布和压降变化规律。(例如实验段内径12mm、流量0.1kg/s、运行压力7.4MPa、热流密度830kW/m2的实验状态下蒸干位置约在1.77m处)前后(1.67-1.87m)其中管外壁横截面上均匀布置3个热电阻，轴向方向上在蒸干位置(约1.77m处)前后((1.67-1.87m)较密集的布置三圈热电阻以监测蒸干位置，蒸干后区域(即1.97-2.87m处间隔0.15m密集布置)，共需30个热电阻；蒸干传热恶化的发生将导致偏离热力平衡现象的发生，因此在核态沸腾区域0.8m处和蒸干前某一位置开始(约1.5m处)打孔布置光纤探针以测量流体温度和质量含汽率，间隔0.3m均匀布置(即1.5m、1.8m、2.1m、2.4m、2.7m处)，共需6个光纤探针；同时在上述测孔处布置压力传感器以测量和由蒸干现象导致的两相流动压降的变化规律，共需6个压力传感器，在0.8-1.5m、1.5-1.8m、1.8-2.1m、2.1-2.4m和2.4-2.7m之间布置差压变送器，将其与通过压力传感器测得的压降规律相互验证，共需5个压差传感器。所有测量装置均通过引出导线连接到数据采集仪上。根据数据采集仪采集到的参数数据，采用热电阻测得的壁温描述蒸干发生的位置及蒸干现象，同时结合光纤探针测得的质量含汽率得到竖直传热管内蒸干位置和质量含汽率的关系。进一步结合蒸干后区域壁温与由光纤探针测得的蒸汽温度轴向分布规律得到蒸干后区域的传热特性。采用由压力传感器和压差传感器测得的压力轴向分布相关数据对数据准确性进行相互验证，进一步得到蒸干现象的发生会导致两相流动摩擦压降会发生怎样的非线性变化，以及蒸干后区域的摩擦压降变化规律。
考虑到上述用于测量管内质量含汽率和流体温度的光纤探针会对管内流体的流动换热、蒸干及蒸干后传热造成影响，本发明所述的光纤探针直径要尽量小，直径为125um。
所述的数据采集系统采用DN6.49x-48多通道数据采集仪，通过48条完全同步的通道对测量装置上测量到的同一时间的所有数据进行准确采集。
蒸干传热恶化现象的发生导致管内流体与壁面间的传热系数急剧减小，壁温急剧上升，因此监测蒸干是否发生的判别方法之一是测量得到的壁温的轴向变化率(单位：K/m)是否达到250K/m(对应权利要求4中实验状态下的蒸干标准)。
通过光纤探针测量蒸干前区域、蒸干位置和蒸干后区域流体温度与质量含汽率的变化规律，并通过热电阻测量蒸干及蒸干后壁温的变化规律，揭示蒸干位置与流体温度和质量含汽率之间的关系，预测蒸干及蒸干后区域的传热特性。
通过布置的6个压力传感器和5个差压传感器监测蒸干前和蒸干后区域压力的变化，揭示蒸干的发生对摩擦压降的影响，及蒸干后区域摩擦压降的变化规律。
结合图1和图2，测量管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置主要包括了电加热器，30个热电阻，6个光纤探针，6个压力传感器，5个差压变送器和数据采集仪。其中热电阻的布置方法为在管外壁横截面上均匀布置3个热电阻，在实验段本体轴向高度方向上选取10个高度位置布置，横截面和轴向方向上热电阻的具体布置如图1和图2所示。光纤探针在从核态沸腾区域某一位置，以及蒸干前某一轴向高度位置开始一直到实验段出口这一区域通过开孔被均匀布置在实验段内部；压力传感器被布置在上述6个测孔内，不同轴向高度处开孔布置的光纤探针和压力传感器如图1和图2所示。差压变送器布置在上述相邻的测孔与测孔之间，具体位置为0.8-1.5m、1.5-1.8m、1.8-2.1m、2.1-2.4m和2.4-2.7m之间，并且差压变送器与压力传感器是相对应的，具体布置如图1所示。所有测量装置均通过引出导线连接到数据采集仪上，由多通道数据采集仪对同一时间下的所有数据进行准确采集、记录并传输到计算机上进行后续处理。
上述实施例和说明书中描述的只是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域的技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均被应认为是处于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置，包括竖直管实验段、电加热器及其控制系统、加热电极、数据采集系统，其特征是：所述竖直管实验段上下两端分别安装有电极，电极与电加热器相连接，竖直管实验段外壁安装有热电阻，竖直管实验段内部安装有压力传感器和光纤探针，竖直管实验段间隔上开有测孔、相邻测孔之间安装有差压变送器，热电阻、压力传感器、光纤探针、差压变送器连接数据采集系统。
2.根据权利要求1所述的管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置，其特征是所述热电阻在竖直管实验段管截面外壁上均匀布置；轴向上布置10圈热电阻，且在蒸干位置前后布置的三圈热电阻之间的间隔小于蒸干后区域布置的热电阻之间的间隔。
3.根据权利要求1或2所述的管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置，其特征是所述的光纤探针和压力传感器布置在核态沸腾区域的测孔和从蒸干前某一位置开始均匀开设的测孔内。
4.基于权利要求1所述的管内流动沸腾蒸干及蒸干后热工水力特性的实验装置的管内流动沸腾蒸干判别方法，其特征是：加热电极通电后加热竖直管实验段管壁，进而加热管内的流体，流体在管内垂直向上流动换热过程中执行如下操作：步骤一，通过热力计算得到蒸干位置的估计位置；步骤二，将该估计位置附近的保温棉取出，通过热电阻测量该估计位置区域竖直管实验段传热管外壁温度；步骤三，如果监测到的壁温没有剧烈升高，将该处取出的保温棉填充；步骤四，对该估计位置附近区域重复步骤一至四，直到监测到蒸干现象的发生即监测到的壁温没有剧烈升高。
5.根据权利要求4所述的管内流动沸腾蒸干判别方法，其特征是：所述通过热力计算得到蒸干位置的估计位置的方法为：在给定实验状态中的流量、热流密度和运行压力下临界热流密度为0.015mm，通过式计算得到对应临界液膜厚度的液膜质量流速，最后通过给定的实验状态和计算得到的临界液膜质量流速查询相应的蒸干位置；式中：δ为液膜厚度，q"为热流密度，hfg为汽化潜热，Gf,h为液膜质量流速，vfg为汽液相比容之差，μl、μg分别为液相和汽相动力粘度，σ为表面张力。
6.根据权利要求4所述的管内流动沸腾蒸干判别方法，其特征是：所述监测到蒸干现象的判别方法是测量得到的壁温的轴向变化率是否达到250K/m。
7.根据权利要求4所述的管内流动沸腾蒸干判别方法，其特征是：通过光纤探针测量蒸干前区域、蒸干位置和蒸干后区域流体温度与质量含汽率的变化规律，并通过热电阻测量蒸干及蒸干后壁温的变化规律，揭示蒸干位置与流体温度和质量含汽率之间的关系，预测蒸干及蒸干后区域的传热特性。
8.根据权利要求4所述的管内流动沸腾蒸干判别方法，其特征是：通过压力传感器和差压传感器监测蒸干前和蒸干后区域压力的变化，揭示蒸干的发生对摩擦压降的影响，及蒸干后区域摩擦压降的变化规律。
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