一种适用于多工质液相夹带研究的实验装置及实验方法

摘要

本发明提供一种适用于多工质液相夹带研究的实验装置及实验方法，包括T型管实验段、称重水箱、称重平台、离心泵、工质容器、风机以及相关管道，T型管实验段包括水平的主管段和竖直的支管段，工质通道和引风通道分别与主管段的液相入口和气相入口连接，支管段出口装有导流板，支管段与称重水箱连接，折流板安装在称重水箱内部，称重水箱置于称重平台上，主管段的出口与三个工质容器分别连接。本发明的实验装置可以为T型管内液相夹带起始点和稳态夹带过程的研究提供服务，具有快速切换实验工质的功能，可进行多种不同工质的液相夹带实验。此外，在实验方法中采用空气吹扫和两相冲洗结合的方法，有效节约了切换实验工质时消耗的冲洗工质。

权利要求

1.一种适用于多工质液相夹带研究的实验装置，其特征在于：包括T型管实验段、称重平台、设置在称重平台上的称重水箱、工质容器A、工质容器B、工质容器C、风机，所述T型管实验段包括水平的主管段和竖直的支管段，工质容器A依次连接有第一离心泵、第一球阀、第一流量计、第六球阀，工质容器B依次连接第二离心泵、第三球阀、第二流量计、第五球阀，第五球阀、第六球阀均与主管段下方入口连通，所述风机依次连接有第十球阀、第三流量计，第三流量计通过管路与主管段上方入口连通，主管段出口通过第八球阀、第七球阀、第九球阀分别与工质容器A、工质容器B、工质容器C连通，在第一流量计、第二流量计、第三流量计出口的管路上均设置有热电偶和压力传感器，所述称重水箱内设置有折流板，所述支管段的上端伸入至称重水箱内且上端部设置有导流板；风机与第十球阀之间的管路上并联有第十一球阀，且第十一球阀的端部与大气相通，第一离心泵与第一球阀之间的管路上并联有第二球阀，第二球阀通过管路与工质容器A连通，第二离心泵与第三球阀之间的管路并联有第四球阀，第四球阀通过管路与工质容器B连通，工质容器A、第一离心泵及调节流量所用的第一球阀和第二球阀构成一号工质通道，工质容器B、第二离心泵及调节流量所用的第三球阀和第四球阀构成二号工质通道，风机、第十球阀、第十一球阀构成引风通道；构成了两条并联的工质通道和一条引风通道，实验时先进行一种工质的夹带实验，在切换另一种实验工质之前对实验回路进行吹扫和冲洗，然后利用另一条工质通道开展另一种工质的夹带特性实验。

2.一种适用于多工质液相夹带研究的实验方法，其特征在于：包括权利要求1所述的实验装置，步骤如下：

第一步：首先进行工质容器A内工质甲的液相夹带实验，打开第一球阀、第二球阀、第六球阀、第八球阀，关闭第三球阀、第四球阀、第五球阀、第七球阀、第九球阀，启动第一离心泵，调节第一球阀和第二球阀的开度，使一号工质通道达到初始液相流量；

第二步：打开第十球阀和第十一球阀，启动风机，调节第十球阀和第十一球阀的开度，使引风通道达到初始气相流量；

第三步：通过调节第八球阀控制主管段液位，找到夹带起始点；

第四步：继续增加主管段液位，进行不同气腔高度下的稳态夹带研究，收集不同气腔高度情况下的支管夹带量，并进行称重测量；

第五步：改变液相流量和气相流量，重复步骤3-4，进行不同液相、气相流量下的夹带起始点和稳态夹带过程的研究；

第六步：工质甲的夹带实验结束，停止第一离心泵，关闭第六球阀、第八球阀，打开第九球阀，此时对回路进行空气吹扫和两相冲洗操作；调节第十球阀和第十一球阀，加大气相流量，将回路内大部分残余液体吹扫到工质容器C中；保持风机运转，打开第三球阀、第四球阀、第五球阀，启动第二离心泵，用工质容器B中的工质乙和空气形成的两相流继续冲洗回路，调节第三球阀、第四球阀、第十球阀、第十一球阀，使实验段内形成泡状流或环状流，冲洗液最终流入工质容器C中；

第七步：打开第七球阀，关闭第九球阀，调节第三球阀、第四球阀的开度，使二号工质通道达到初始液相流量，调节第十球阀和第十一球阀的开度，使引风通道达到初始气相流量，然后重复步骤3-5，进行工质乙的夹带实验，通过调节第七球阀控制主管段液位。

说明书

一种适用于多工质液相夹带研究的实验装置及实验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种适用于多工质液相夹带研究的实验装置及实验方法，属于两相流实验设计领域。

背景技术

[0002] 在核动力系统中T型结构十分常见，第三代核电厂AP1000中第四级自动泄压系统(ADS-4，Automatic Depressurization System-Fourth Stage)管线/非能动余热排出系统(PRHRS,Passive Residual Heat Removal System)管线与主管道的接管就是一种典型的T型结构。在核电厂失水事故下T型结构处可能发生液相夹带现象，并直接导致堆芯水装量减少，进而影响反应堆堆芯的安全。针对这种危险情况，需要通过搭建实验模拟装置进行深入研究，并建立相应的数据模型，为核电厂设计与安全分析提供参考。

[0003] 专利201610224707.X公开了一种基于核电厂反应堆第4级自动降压系统的T型管夹带试验系统及方法，此发明装置能够进行蒸汽/水为工质的夹带试验，反映了反应堆中的情况，但是此发明难以对多种工质的情况进行对比实验。本领域人员容易想到的解决方法是直接多添加一个回路进行多工质的切换，并进行对比实验，但是如果缺乏对管道内部残余工质的清理功能，会使实验掺入杂质导致实验结果偏差过大的问题。因此需要设计一种既能够研究T型管夹带特性，又能轻易切换工质，回收工质并能够很好得解决工质残留问题的实验装置及实验方法。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对核电厂反应堆系统的T型管内液相夹带特性而提供一种适用于多工质液相夹带研究的实验装置及实验方法，可应用于T型管内夹带起始点和稳态夹带过程的研究。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：包括T型实验段、称重平台、设置在称重平台上的称重水箱、工质容器A、工质容器B、工质容器C、风机，所述T型管实验段包括水平的主管段和竖直的支管段，工质容器A依次连接有第一离心泵、第一球阀、第一流量计、第六球阀，工质容器B依次连接第二离心泵、第三球阀、第二流量计、第五球阀，第五球阀、第六球阀均与主管段下方入口连通，所述风机依次连接有第十球阀、第三流量计，第三流量计通过管路与主管段上方入口连通，主管段出口通过第八球阀、第七球阀、第九球阀分别与工质容器A、工质容器B、工质容器C连通，在第一流量计、第二流量计、第三流量计出口的管路上均设置有热电偶和压力传感器，所述称重水箱内设置有折流板，所述支管段的上端伸入至称重水箱内且上端部设置有导流板。

[0006] 本发明还包括这样一些结构特征：

[0007] 1.风机与第十球阀之间的管路上并联有第十一球阀，且第十一球阀的端部与大气相通，第一离心泵与第一球阀之间的管路上并联有第二球阀，第二球阀通过管路与工质容器A连通，第二离心泵与第三球阀之间的管路并联有第四球阀，第四球阀通过管路与工质容器B连通，工质容器A、第一离心泵及调节流量所用的第一球阀和第二球阀构成一号工质通道，工质容器B、第二离心泵及调节流量所用的第三球阀和第四球阀构成二号工质通道，风机、第十球阀、第十一球阀构成引风通道。

[0008] 2.一种适用于多工质液相夹带研究的实验方法，包括所述的实验装置，步骤如下：

[0009] 第一步：首先进行工质容器A内工质甲的液相夹带实验，打开第一球阀、第二球阀、第六球阀、第八球阀，关闭第三球阀、第四球阀、第五球阀、第七球阀、第九球阀，启动第一离心泵，调节第一球阀和第二球阀的开度，使一号工质通道达到初始液相流量；

[0010] 第二步：打开第十球阀和第十一球阀，启动风机，调节第十球阀和第十一球阀的开度，使引风通道达到初始气相流量；

[0011] 第三步：通过调节第八球阀控制主管段液位，找到夹带起始点；

[0012] 第四步：继续增加主管段液位，进行不同气腔高度下的稳态夹带研究，收集不同气腔高度情况下的支管夹带量，并进行称重测量；

[0013] 第五步：改变液相流量和气相流量，重复步骤3-4，进行不同液相、气相流量下的夹带起始点和稳态夹带过程的研究；

[0014] 第六步：工质甲的夹带实验结束，停止第一离心泵，关闭第六球阀、第八球阀，打开第九球阀，此时对回路进行空气吹扫和两相冲洗操作；调节第十球阀和第十一球阀，加大气相流量，将回路内大部分残余液体吹扫到工质容器C中；保持风机运转，打开第三球阀、第四球阀、第五球阀，启动第二离心泵，用工质容器B中的工质乙和空气形成的两相流继续冲洗回路，调节第三球阀、第四球阀、第十球阀、第十一球阀，使实验段内形成泡状流或环状流，冲洗液最终流入工质容器C中；

[0015] 第七步：打开第七球阀，关闭第九球阀，调节第三球阀、第四球阀的开度，使二号工质通道达到初始液相流量，调节第十球阀和第十一球阀的开度，使引风通道达到初始气相流量，然后重复步骤3-5，进行工质乙的夹带实验，通过调节第七球阀控制主管段液位。

[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的实验装置可以为T型管内液相夹带起始点和稳态夹带过程的研究提供服务，实验装置具有快速切换实验工质的功能，可进行多种不同工质的液相夹带实验。此外，在实验方法中采用空气吹扫和两相冲洗结合的方法，有效节约了切换实验工质期间消耗的冲洗工质。

附图说明

[0017] 图1为本发明的整体结构示意图。

[0018] 图中：1为工质容器A，2为工质容器B，3为第四球阀，4为第二离心泵，5为第三球阀，6为第二流量计，7为工质容器C，8为第七球阀，9为第八球阀，10为第九球阀，11为T型管实验段，12为称重平台，13为称重水箱，14为折流板，15为导流板，16为第三流量计，17为第十球阀，18为第十一球阀，19为风机，20为第五球阀，21为第六球阀，22为第一流量计，23为第一球阀，24为第一离心泵，25为第二球阀。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

[0020] 本发明的目的是这样实现的：包括T型管实验段、称重水箱、称重平台、离心泵、工质容器、风机以及相关管道；本实验装置有两条并联的工质通道，每条工质通道包括工质容器、与工质容器连接的离心泵以及调节流量所用的球阀，离心泵旁路上也安装有球阀；引风通道包括风机和调节空气流量的球阀；T型管实验段包括水平的主管段和竖直的支管段，所述工质通道和引风通道分别与主管段的液相入口和气相入口连接；T型管实验段的支管段出口装有导流板，支管段与称重水箱连接；折流板安装在称重水箱内部，称重水箱置于称重平台上；主管段的出口与三个工质容器分别连接；在工质通道和引风通道中分别装有质量流量计，在质量流量计出口管道上设置有热电偶和压力传感器。

[0021] 本发明的实验方法包括以下步骤：开启离心泵使一条工质通道内的工质开始循环流动，调节液相流量至初始值，再开启风机将空气送入T型管实验段中，调节气相流量至初始值，然后从最小值开始增加主管段液位，进行夹带起始点和稳态夹带过程实验，再进行不同液相、气相流量下的夹带实验；在切换另一种实验工质之前对实验回路进行吹扫和冲洗，然后利用另一条工质通道开展另一种工质的夹带特性实验。

[0022] 如图1所示，本发明包括T型管实验段、称重水箱、称重平台、离心泵、工质容器、风机以及相关管道。

[0023] 本实验装置有两个并联的工质通道，一号工质通道包括工质容器A1、与工质容器A1连接的第一离心泵24以及调节流量所用的第一球阀23和第二球阀25；二号工质通道包括工质容器B2、与工质容器B2连接的第二离心泵4以及调节流量所用的第三球阀5和第四球阀3。引风通道包括风机19和调节空气流量的第十球阀17和第十一球阀18。在两个工质通道和引风通道中分别装有第一流量计22、第二流量计6、第三流量计16，在流量计出口管道上都设置有热电偶和压力传感器。

[0024] T型管实验段11包括水平的主管段和竖直的支管段，液相流体和气相流体分别经工质通道和引风通道进入主管段，两相流体进入实验段后在主管段与支管段连接处形成夹带现象，液滴被气相夹带进入称重水箱13。液滴受到折流板14的分离作用落回水箱底部，并经称重平台12称重后得到夹带质量。支管段出口装有导流板15，此结构使支管段与称重水箱13之间不存在力学连接，同时引导液体流向水箱底部，方便进行称重。实验中，液相流体流出主管段后可由相应管道回流至工质容器A1或工质容器B2，形成一个完整回路；切换工质时，冲洗工质流出主管段后沿管道流入工质容器C7中。

[0025] 第一球阀23和第六球阀21位于第一离心泵24与主管段入口之间，第二球阀25位于第一离心泵24的并联管路上，第三球阀5和第五球阀20位于第二离心泵4与主管段入口之间，第四球阀3位于第二离心泵4的并联管路上，第十球阀17位于风机19与主管段入口之间，第十一球阀18位于风机19的并联旁路上，第七球阀8、第八球阀9、第九球阀10分别位于主管段出口与工质容器B2、工质容器A1、工质容器C7之间。

[0026] 使用本实验装置进行T型管内液相夹带实验的具体实验方法如下：

[0027] 1.首先进行工质容器A1内工质甲的液相夹带实验，打开第一球阀23、第二球阀25、第六球阀21、第八球阀9，关闭第三球阀5、第四球阀3、第五球阀20、第七球阀8、第九球阀10，启动第一离心泵24，调节第一球阀23和第二球阀25的开度，使一号工质通道达到初始液相流量。

[0028] 2.打开第十球阀17和第十一球阀18，启动风机19，调节第十球阀17和第十一球阀18的开度，使引风通道达到初始气相流量。

[0029] 3.通过调节第八球阀9控制主管段液位，找到夹带起始点。

[0030] 4.继续增加主管段液位，进行不同气腔高度下的稳态夹带研究，收集不同气腔高度情况下的支管夹带量，并进行称重测量。

[0031] 5.改变液相流量和气相流量，重复步骤3-4，进行不同液相、气相流量下的夹带起始点和稳态夹带过程的研究。

[0032] 6.工质甲的夹带实验结束，停止第一离心泵24，关闭第六球阀21、第八球阀9，打开第九球阀10，此时对回路进行空气吹扫和两相冲洗操作。调节第十球阀17和第十一球阀18，加大气相流量，将回路内大部分残余液体吹扫到工质容器C7中；保持风机19运转，打开第三球阀5、第四球阀3、第五球阀20，启动第二离心泵4，用工质容器B2中的工质乙和空气形成的两相流继续冲洗回路，调节第三球阀5、第四球阀3、第十球阀17、第十一球阀18，使实验段内形成泡状流或环状流，由于泡状流或环状流具有强烈的搅浑作用，冲洗效率较高，可有效节约冲洗工质，冲洗液最终流入工质容器C7中。

[0033] 7.打开第七球阀8，关闭第九球阀10，调节第三球阀5、第四球阀3的开度，使二号工质通道达到初始液相流量，调节第十球阀17和第十一球阀18的开度，使引风通道达到初始气相流量，然后重复步骤3-5，进行工质乙的夹带实验，注意此时通过调节第七球阀8控制主管段液位。

[0034] 8.用其他种类的工质替换工质容器A1和工质容器B2内的原有工质，并采用步骤6所述的空气吹扫和两相冲洗方法，可继续进行其他种类工质的液相夹带实验。

[0035] 本发明涉及一种适用于多工质液相夹带研究的实验装置及实验方法，其特征在于：包括T型管实验段、称重水箱、称重平台、离心泵、工质容器、风机以及相关管道，采用了两条并联的工质通道和一条引风通道。T型管实验段包括水平的主管段和竖直的支管段，工质通道和引风通道分别与主管段的液相入口和气相入口连接，支管段出口装有导流板，支管段与称重水箱连接，折流板安装在称重水箱内部，称重水箱置于称重平台上，主管段的出口与三个工质容器分别连接。实验时先进行一种工质的夹带实验，在切换另一种实验工质之前对实验回路进行吹扫和冲洗，然后利用另一条工质通道开展另一种工质的夹带特性实验。本发明的实验装置可以为T型管内液相夹带起始点和稳态夹带过程的研究提供服务，实验装置具有快速切换实验工质的功能，可进行多种不同工质的液相夹带实验。此外，在实验方法中采用空气吹扫和两相冲洗结合的方法，有效节约了切换实验工质时消耗的冲洗工质。