承壓試驗設備的製作方法

2023-12-11 01:17:17 1

本發明總地涉及熱工水力試驗研究領域，更具體地涉及承壓試驗設備，該承壓試驗設備能夠用於在試驗壁面的兩側分別模擬高溫高溼混合氣體的凝結和常壓高溼氣流與水膜的逆對流兩相流動及換熱，以便準確獲取安全殼兩側的傳熱傳質特性和流動特性。

背景技術：

壓水堆核電站安全殼的一種技術路線是選用非能動型安全殼，其工作原理是：在事故條件下，當破口噴放的高溫水蒸汽與殼內空氣摻混並升壓後，該蒸汽在溫度較低的鋼製安全殼的壁面上發生凝結，熱量因此被傳遞到安全殼上，而安全殼又以熱傳導的形式向外界傳熱，從安全殼傳出的熱量經由在安全殼外側鋪展的水膜與空氣的逆對流導致的蒸發而被散入大氣環境中。因此，安全殼及其殼壁內側進行的高溫高溼混合氣體凝結和殼壁外側進行的常壓高溼氣流與水膜逆對流的流動和換熱特性決定了核電事故時非能動型安全殼對堆芯餘熱的熱量導出能力。為確保核電事故安全，需要進行核電事故安全評估，安全殼的壁面耦合傳熱與流動的規律是關鍵因素之一，需要開展相關的研究工作。

在非能動型安全殼的研發方面，美國西屋電氣公司曾開展用於安全殼綜合物理現象研究的試驗平臺（LST）以及單效試驗平臺，其中LST試驗重點關注非能動型安全殼對事故的整體響應特性，其缺點是不能準確描述每個物理現象的作用，而單效試驗只能描述一個現象，其缺點是邊界特性較難模擬，產生不利的邊界效應和對邊界條件模糊化，西屋電氣公司委託的冷凝試驗裝置只適用於常壓環境，與核電事故時的參數相差較大。

在《原子能科學技術》2013年第11期中公開一篇論文，其主題為「非能動安全殼冷卻系統外側輻射換熱與自然對流研究」，作者是郭建娣和韓偉實。該論文提及建立1:10的二維鋼製安全殼外側輻射換熱和自然對流模型，並利用流體計算軟體對鋼製安全殼外側流場（即蒸發換熱以及輻射換熱和自然對流過程）進行計算，得到了完整流道下的速度流場、鋼製安全殼上封頭頂部的空氣速度矢量圖,並得出鋼製安全殼上封頭頂部存在空氣滯留區的結論。該論文沒有涉及對安全殼內側流場的模擬及分析，也沒有提及相應的試驗設備。

因此，期望提供一種承壓試驗設備，以便能夠準確獲取安全殼兩側的傳熱傳質特性和流動特性，包括蒸汽的凝結形態與流動行為、混合氣體對流凝結換熱規律、蒸發水膜的流動行為及其受逆對流空氣的作用、水膜蒸發換熱規律以及水膜與空氣的逆對流作用的壓力損失規律。

技術實現要素：

為了實現上述目的，本發明提供一種承壓試驗設備，該承壓試驗設備實現了蒸發和凝結耦合作用下的熱量和質量輸運過程，產生了事故條件下固有的邊界條件，從而能夠準確獲取安全殼兩側的傳熱傳質特性和流動特性。

該承壓試驗設備包括試驗板、固定在所述試驗板的第一側面上的凝結腔體和固定在所述試驗板的與所述第一側面相對的第二側面上的蒸發腔體，其中：

在凝結腔體和蒸發腔體分別與試驗板形成的連接位置處設置複合密封隔熱墊，所述複合密封隔熱墊由具有U型截面的密封圈和低導熱係數的墊片組成，所述墊片布置在所述密封圈的U型槽內，所述U型槽的開口朝向所述承壓試驗設備外。

作為本發明的進一步發展，所述試驗板的第一側面和第二側面的每一個分別設置多個埋置熱電偶的短槽和長槽,每個槽中都埋置一對間隔開的熱電偶，所述短槽從每個側面的相對邊緣延伸到該側面的中心，而所述長槽則從每個側面的相對邊緣延伸超過該側面的中心。

優選地，間隔預設距離的一個短槽和一個長槽形成一個槽對，多個槽對沿著氣流方向被交替地布置在每個側面的相對兩側上，彼此間隔相同的距離，使得沿著所述氣流方向，每個側面上的熱電偶被布置成大致W型。

附圖說明

參考附圖，下面將更詳細地描述本發明的優選實施方式，其中：

圖1為根據本發明一個實施例的承壓試驗設備平面示意圖；

圖2為圖1所示的承壓試驗設備的立體示意圖；

圖3為圖1所示的承壓試驗設備的實施例的部分區段的立體示意圖；

圖4為根據本發明的一個實施例的密封隔熱墊的立體示意圖；

圖5為根據本發明的一個實施例的試驗板的面對凝結腔體的一側的熱電偶布置示意圖；

圖6為圖5所示的試驗板的部分區段立體示意圖；

圖7a-7b為根據本發明的一個實施例的布水器的示意圖；

圖8為根據本發明的一個實施例的整流器的截面示意圖；

圖9a-9b為根據本發明的一個實施例的液膜探針布置示意圖；以及

圖10為根據現有技術的密封隔熱結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的實施方式作進一步詳細的描述，其中，相同的附圖標記表示相同或相似的元件。

參考圖1，由附圖標記1總地代表承壓試驗設備的一個優選實施例。在該實施例中，承壓試驗設備1包括試驗板11、固定在試驗板11的第一側面111（見圖3）上的凝結腔體12和固定在試驗板11的與第一側面111相對的第二側面112（見圖3）上的蒸發腔體13。

優選地，如圖1所示，承壓試驗設備1在進出口兩側均為減縮結構，以便消除氣流上遊發展的邊界層對下遊氣流均勻性的影響。

凝結腔體12和蒸發腔體13優選均由碳鋼或不鏽鋼材料製成，而試驗板11則由與核電站安全殼相同的材料製成，例如特定規格的鋼板。當腔體由碳鋼製成時，需要進行整體鍍鋅處理，避免實驗裝置被氣流腐蝕。

參見圖2和圖3，凝結腔體12包括第一、第二和第三側壁121、122和123，開口朝向試驗板11的第一側面111，其中，第一側壁121平行於試驗板11的第一側面111，而第二側壁122和第三側壁123都垂直於試驗板11的第一側面111。第一、第二、第三側壁121、122、123與試驗板11一起圍成大致矩形的凝結腔室。在第二側壁122上形成第一連接板124，在第三側壁123上形成第二連接板125，第一和第二連接板124、125平行於試驗板11的第一側面111並分別從第二和第三側壁122、123向外延伸。

蒸發腔體13的結構類似於凝結腔體12的上述結構，同樣包括三個側壁，並且開口朝向試驗板11的第二側面112，這三個側壁與試驗板11一起圍成大致矩形的蒸發腔室。在與試驗板11的第二側面112垂直的兩個側壁上也分別形成連接板，並且這兩個連接板與凝結腔體12的第一和第二連接板124、125分別配對，以允許螺栓16延伸穿過對應的連接板，從而將凝結腔體1、試驗板11和蒸發腔體13固定在一起。

當然，在其它實施例中，凝結腔體12和蒸發腔體13與試驗板11之間也可以通過其它方式固定到一起，而不限於螺栓。

在凝結腔體12和試驗板11之間設有第一密封隔熱墊14，而在蒸發腔體13和試驗板11之間設置第二密封隔熱墊15。第一和第二密封隔熱墊14，15均為複合隔熱墊。如圖3所示，作為一個示例，複合隔熱墊14由整體加工成U型截面的密封圈141和低導熱係數的墊片142組成，該墊片142布置在U型槽內，U型槽的開口朝向承壓試驗設備外。密封圈141優選地由聚四氟乙烯製成，而墊片142可以由多孔結構氣凝膠製成。第二密封隔熱墊15可以採用與第一密封隔熱墊14完全相同的結構。這樣的複合隔熱墊實現了有效隔熱和避免了水汽通過氣凝膠外漏和隔熱失效，從而能夠有效阻止熱量從試驗板11的密封位置散失，使得試驗板11的第一側面111和第二側面112的表面溫度不會發生失真。

圖4顯示了第一密封隔熱墊14的立體示意圖。該第一密封隔熱墊14為大致矩形形狀，中間形成矩形開口，用於容納試驗板11的第一側面111。

繼續參考圖3，試驗板11在分別靠近凝結腔體12的第二側壁122和第三側壁123的兩側分別具有向外延伸的平板接合部113、114，用於接納第一和第二密封隔熱墊14，15。該平板接合部113、114厚度比試驗板11的主體薄，並且平行於第一和第二連接板124、125延伸，但是延伸的距離比第一和第二連接板124、125短，使得螺栓16在延伸穿過第一和第二連接板124、125時，不會穿過該平板接合部113、114及其上的密封隔熱墊，從而保持密封隔熱墊的完整性。當凝結腔體12和蒸發腔體13與試驗板11固定在一起時，利用螺栓16的拉應力，第一和第二密封隔熱墊14，15被緊緊地夾在相應的平板接合部和連接板之間。

圖10顯示現有技術中的一種密封隔熱方式。橡膠墊片33夾在腔體壁34和試驗板31之間，螺栓32直接穿過試驗板31和橡膠墊片33固定到腔體壁34上。很顯然，與本發明的複合隔熱墊相比，這種密封隔熱方式無法避免水汽從密封位置外洩，以及無法阻止熱量從密封位置向外擴散。

作為本發明的另一實施方式，如圖1所示，在承壓試驗設備1的上部和下部，在凝結腔體12和試驗板11之間以及在蒸發腔體13和試驗板11之間可選地還可以設置附加隔熱片17。

圖5顯示了根據本發明的一個實施例在試驗板11的面對凝結腔體12的第一側面111上的熱電偶布置，用於測量壁面溫度。在第一側面111上設置多個埋置熱電偶的短槽115a和長槽115b,每個槽中都埋置一對間隔開的熱電偶116a和116b，例如1mm外徑的鎧裝熱電偶。短槽115a可以從第一側面111的相對邊緣延伸到該側面的中心，而長槽115b則可以從第一側面111的相對邊緣延伸超過該側面的中心。試驗板11沿著氣流流動的方向A（見圖6）大致可分為進口整流段、試驗段和出口整流段。在進口整流段和出口整流段，可以根據需要分別設置一個或多個短槽，每個槽中埋置一對間隔開的熱電偶。在試驗段，間隔預設距離的一個短槽115a和一個長槽115b形成一個槽對，多個槽對沿著氣流方向A被交替地布置在第一側面111的相對兩側上，彼此間隔大致相同的距離，使得沿著氣流方向A，熱電偶被布置成大致W型。如圖6所示，熱電偶的引線117與氣流方向A垂直。熱電偶的這種W型布置方式實現了連接處滯流區對試驗板溫度場影響的有效判定，並較全面地獲得了壁面溫度，進而提高熱流密度測量精度。在試驗板中心線位置測量的熱流密度是試驗研究用熱流，其他溫度用於評估邊緣效應和連接面散熱損失對中心線位置溫度的影響。

進一步地，熱電偶在試驗板11的第二側面112上埋置的節點位置分別與在第一側面111上埋置的節點位置相對應。熱電偶例如從用於連接試驗板11與凝結腔體12和蒸發腔體13的螺栓16的位置引出。

熱電偶可以採用整體預熱的熱電偶焊接工藝埋置在試驗板11上，避免了熱電偶與鋼板之間易存在的氣層熱阻問題。具體地，在埋置熱電偶時，採用熔化的焊錫將熱電偶槽填平，並保證熱電偶、焊料和試驗板之間接觸良好，避免因槽內存在空氣而導致溫度和熱流密度測量失真，填平埋置熱電偶的槽後，用砂輪將焊錫打磨至其與試驗板表面平齊。

現返回參考圖1，蒸發腔體13包括布置在其中並且靠近其入口的布水器18，以在第二側面112上形成水膜。

進一步地，參考圖7a和7b，該布水器布置在試驗板11的第二側面112上，水通過蒸發腔體13的面對試驗板11的側壁131引入。在一個實施例中，布水器包括擋風板181和溢流板182，其中，擋風板181罩在溢流板182上。該溢流板182與試驗板11的側面112（即豎直方向）形成大致5-20°的傾角。優選地，溢流板182的表面塗有親水塗層。溢流板182在其頂部形成鋸齒形狀，以形成鋸齒形溢流口。

繼續參考圖1，蒸發腔體13還包括布置在布水器18上遊的入口整流器19。

圖8顯示了根據本發明的一個實施例的入口整流器19的截面圖。如圖所示，該整流器19由不鏽鋼管191的陣列構成，這些不鏽鋼管彼此對齊地固定在一起。優選地，每根鋼管的直徑在4-12mm內。當然，在其它實施方式中，其它合適直徑也能夠被採用。模擬壓水堆核電事故條件下的高溼常壓空氣從蒸發腔體13的入口進入後穿過這些不鏽鋼管191，使得紊亂的氣流受到整流處理，減小了氣流的湍流度，從而保證試驗板的試驗段入口氣流沿著實驗裝置方向均勻平行流動。

附加地，蒸發腔體13還可以設置有出口整流器20，其結構可以與上述入口整流器19相同。

進一步地，蒸發腔體13還包括用於獲得水膜形態的裝置132a、132b和135a、135b；水膜厚度測量裝置136；以及冷卻水收集和引出裝置134。

在一個實施例中，用於獲得水膜形態的裝置132a、132b和135a、135b均為CCD工業相機和光源，其中，CCD工業相機132a和135a分別布置在蒸發腔體13的上部和下部，並且透過電加熱玻璃布置在蒸發腔13體上，並且光源132b和135b在蒸發腔體上與對應的CCD工業相機132a和135a相距的距離至少是20mm，避免水膜將光源產生的光線返回到CCD工業相機而導致圖像失真。優選地，CCD工業相機132a和135a具有連續拍攝功能，解析度不小於1024×768，幀數不小於30fps。

優選地，電加熱玻璃為中空承壓玻璃，在其中空結構內布置多組電加熱絲，避免玻璃表面因高溼氣流凝結而失去透明作用。

圖9a和9b示出水膜厚度測量裝置133的一個優選實施例，其為液膜探針，其測量液膜厚度的誤差不大於2um，採集頻率不低於15次/秒。在該實施例中，三組液膜探針133被採用，在垂直於試驗設備長度方向上等間距地並行布置。

優選地，蒸發腔體13還可以設置蒸發腔體第一溫度、壓力和溼度測量裝置，分別用於測量高溼常壓空氣開始與水膜進行逆對流蒸發換熱之前的溫度、壓力和溼度。優選地，蒸發腔體13還可以設置蒸發腔體第二溫度、壓力和溼度測量裝置，分別用於測量高溼常壓空氣與水膜進行逆對流蒸發換熱之後的溫度、壓力和溼度。

仍返回參考圖1，凝結腔體12也包括入口整流器21和出口整流器22，其結構與上述整流器19和20的結構類似。

進一步地，凝結腔體12設有用於獲取凝結液形態和流動形態的裝置127a、127b以及128a、128b。該裝置127a、127b以及128a、128b也均為CCD工業相機和光源，其中，CCD工業相機127a和128a分別布置在凝結腔體12的上部和下部，並且透過電加熱玻璃布置在凝結腔體12上，並且光源127b和128b在凝結腔體上與對應的CCD工業相機127a和128a相距的距離至少是20mm，避免水膜將光源產生的光線返回到CCD工業相機而導致圖像失真。優選地，CCD工業相機127a和128a具有連續拍攝功能，解析度不小於1024×768，幀數不小於30fps。這樣就能夠直觀地觀察到凝結液的形態和流動形態。

優選地，在凝結腔體12的上部還設有凝結腔體第一溫度和壓力測量裝置，分別用於測量高溫高溼混合氣體開始凝結之前的溫度和壓力。例如，在凝結腔體12的上部分別設有壓力測量孔和溫度（和/或溼度）測量孔，用於插入測壓計和溫度計，以便實現對氣流壓力的在線測量。

另外，可選地，在凝結腔體12的下部上也配有凝結腔體第二溫度和壓力測量裝置，分別用於測量所述高溫高溼混合氣體凝結之後的溫度和壓力，例如其包括壓力測量孔129和溫度（和/或溼度）測量孔130。

繼續參考圖1，凝結腔體12還設有凝結液收集和引出裝置126，其包括第一凝結液收集和引出裝置126a(參見圖2)，用於收集和引出在第一側面111上凝結的凝結液；和第二凝結液收集和引出裝置126b(參見圖2)，其用於收集和引出在凝結腔體12的內表面上以及在凝結腔體12內的空間中凝結的凝結液。將凝結腔體12內的凝結水分開收集，有利於分析西屋公司尚未開展的工作，完善事故條件下的穹頂結構換熱關聯式。

下面針對圖1所示的承壓試驗設備的工作過程進行說明。

在試驗時，模擬壓水堆核電事故條件下的高溫高溼混合氣體從凝結腔體12的上部入口流入試驗本體，經過漸縮結構後平穩進入整流器，進行整流，然後流入試驗設備的試驗段，在測量並記錄壓力和溫度後，高溫高溼混合氣體接觸低溫的試驗板表面並發生凝結，CCD工業相機拍攝試驗板上的凝結液形態和流動形態並完成圖片存儲，試驗板表面上埋置的熱電偶測量並記錄溫度，然後高溫高溼混合氣體進入整流器進行整流並從下部流出試驗設備。試驗板表面凝結的水在收集水槽內收集並在重力作用下導出試驗本體用於測量凝結水量，凝結腔體內表面的水和從空間凝結的水在另一個收集水槽內收集並在重力作用下導出試驗本體，也用於測量凝結水流量。

同時，模擬壓水堆核電事故條件下的高溼常壓空氣經過整流，並被測溫、測溼和測壓後，與從布水器流出並布滿試驗表面的水膜形成逆對流蒸發換熱，從試驗板表面吸收熱量，水膜持續蒸發，空氣持續被加溼，測量溫度、溼度和壓力並被整流後氣流流出實驗裝置，同時，水膜壁面溫度被在線測量和記錄。布水器布置的水膜形態由CCD工業相機拍攝並在線記錄，水膜厚度有液膜探針測量並在線記錄。冷卻水收集槽收集未蒸發的冷卻水並導出實驗裝置。

通過對兩個腔體的溫度、壓力和溼度的測量以及壁面溫度的測量，就可以準確獲得耦合條件下熱量傳遞的速率、壓降特點。另外，利用本發明的承壓試驗設備，還能夠研究水膜不完全覆蓋時的耦合換熱過程。

記住這些示例以及本文所公開的其他實施方式之後，本領域技術人員將認識到本發明的其他特徵和優勢。因此，要理解的是，本發明不局限於所公開的具體實施方式，並且所述修改和其他實施方式旨在被包括在本發明的範圍內。當然，本發明不由前述公開限制，相反僅由所附權利要求書及其法律等同物來限制。