本發(fā)明涉及一種核設(shè)備實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種在壓力環(huán)境維持條件模擬淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

對比全球已發(fā)生的三次嚴(yán)重事故可以發(fā)現(xiàn)，將堆芯熔融物滯留在壓力容器內(nèi)，保證反應(yīng)堆壓力容器的完整性，可以極大地緩解嚴(yán)重事故的進(jìn)一步發(fā)展和惡化。在對現(xiàn)有先進(jìn)反應(yīng)堆熔融物堆內(nèi)滯留策略的消化吸收基礎(chǔ)上，中核集團(tuán)提出了設(shè)置堆腔注水冷卻系統(tǒng)，通過能動和非能動兩種方式冷卻壓力容器下封頭，將堆芯熔融物包容在壓力容器下腔室內(nèi)，維持壓力容器完整性。因此，嚴(yán)重事故條件下壓力容器下封頭外表面流動傳熱特性以及臨界熱流密度是熔融物堆內(nèi)滯留成功與否的決定性因素。

為了掌握下封頭外表面流動傳熱特性以及獲得壓力容器下封頭外表面臨界熱流密度限值，迫切需要一種在壓力環(huán)境維持條件模擬淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的即在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種在壓力環(huán)境維持條件模擬淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，解決現(xiàn)有技術(shù)不能作為實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)應(yīng)用的非能動注水淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，無法模擬非能動方式底部注水淹沒發(fā)熱部件，或模擬非能動方式頂部注水淹沒發(fā)熱部件的問題。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種在壓力環(huán)境維持條件模擬淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括補(bǔ)水系統(tǒng)、儲水系統(tǒng)、水位維持系統(tǒng)、發(fā)熱實(shí)驗(yàn)裝置和背壓水系統(tǒng)，所述補(bǔ)水系統(tǒng)通過補(bǔ)水管道與儲水系統(tǒng)連接為其補(bǔ)水；所述儲水系統(tǒng)通過送水管道與水位維持系統(tǒng)連接以維持其水位不變，并在送水管道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)，所述水位維持系統(tǒng)通過連通管道與發(fā)熱實(shí)驗(yàn)裝置連接穩(wěn)定供水，并在所述連通管道上設(shè)置連通截止閥；所述發(fā)熱實(shí)驗(yàn)裝置包括打壓實(shí)驗(yàn)容器，所述打壓實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)設(shè)置有發(fā)熱部件，打壓實(shí)驗(yàn)容器的入口位置設(shè)置壓力變送器，以實(shí)時監(jiān)測發(fā)熱部件所處的壓力值，在打壓實(shí)驗(yàn)容器的出口位置安裝排出管道，所述排出管道末端設(shè)置有排出截止閥；所述排出管道尾部還通過三通連接有背壓水系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，所述補(bǔ)水系統(tǒng)通包括補(bǔ)水截止閥、補(bǔ)水泵和補(bǔ)水管道，所述儲水箱頂部通過補(bǔ)水管道相連接，補(bǔ)水管道上設(shè)置補(bǔ)水泵和補(bǔ)水截止閥。

進(jìn)一步的，所述的儲水系統(tǒng)包括有儲水箱，所述的儲水箱側(cè)面安裝有儲水箱液位計(jì)，在儲水箱靠近頂部的位置安裝有儲水箱溢流閥。

進(jìn)一步的，所述水位維持系統(tǒng)包括有水位維持箱，所述的水位維持箱側(cè)面安裝水位維持箱液位計(jì)，在水位維持箱靠近頂部的位置安裝水位維持箱溢流閥。

進(jìn)一步的，所述的背壓水系統(tǒng)包括背壓水箱、背壓水箱液位計(jì)、背壓水箱溢流閥、背壓水箱連接管和背壓截止閥，所述背壓水箱通過背壓水箱連接管連接在三通上，在背壓水箱連接管上設(shè)置背壓截止閥，所述背壓水箱側(cè)面安裝背壓水箱液位計(jì)，在背壓水箱靠近頂部的位置安裝背壓水箱溢流閥。

進(jìn)一步的，所述的儲水箱、水位維持箱、背壓水箱和連通管道底部均設(shè)置有排污閥，所述的排污閥用于清洗時排污；所述的連通管道靠近打壓實(shí)驗(yàn)容器入口的位置設(shè)置的排污閥，該處設(shè)置的排污閥用于排水。

進(jìn)一步的，所述的排出管道的尾端設(shè)置成向上傾斜的管道，與豎直方向傾斜夾角的角度范圍：20～60°，向上傾斜管道的長度小于等于5m。

本發(fā)明通過下述另一技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種在壓力環(huán)境維持條件模擬淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，包括步驟：

步驟1：設(shè)發(fā)熱部件的最大發(fā)熱功率為nekw，所述發(fā)熱部件所處壓力環(huán)境為pmpa，發(fā)熱部件處壓力可由壓力變送器測量獲得，根據(jù)發(fā)熱部件處壓力p，查詢物性表可以得到流體汽化潛熱為hfgkj/kg，蒸汽密度為ρgkg/m3，單相水密度為ρlkg/m3；

設(shè)打壓實(shí)驗(yàn)容器入口的標(biāo)高為0m，打壓實(shí)驗(yàn)容器非能動注水淹沒高差需要的范圍是dl注水1～dl注水2，設(shè)dl注水1<dl注水2，則水位維持箱底面的標(biāo)高lmb水位維持箱，以及背壓水箱底面的標(biāo)高lmb背壓水箱，由下式計(jì)算：

lmb水位維持箱＝lmb背壓水箱＝dl注水1-0.5

連通管道(12)的直徑d連通由下式確定：

背壓水箱連接管的直徑d背壓連接和排出管道的直徑d排出由下式確定：

d背壓連接＝d排出＝d連通

保持儲水箱底面標(biāo)高為lmb儲水箱由下式計(jì)算：

lmb儲水箱＝dl注水2+4

送水管道的直徑d送水＝d連通；

補(bǔ)水管道的直徑d補(bǔ)水＝d連通；

步驟2：確定的水位維持箱、背壓水箱、儲水箱結(jié)構(gòu)尺寸；水位維持箱的高度為h水位維持箱，由下式計(jì)算：

h水位維持箱＝dl注水2-lmb水位維持箱+1

水位維持箱(7)的橫截面積s水位維持箱可由下式確定，其中s連通管道表示連通管道(12)的橫截面積：

5×s連通管道≤s水位維持箱≤50×s連通管道

步驟3：打開連通截止閥、背壓截止閥、調(diào)節(jié)閥、水位維持箱溢流閥、儲水箱溢流閥、背壓水箱溢流閥和補(bǔ)水截止閥，啟動補(bǔ)水泵，通過補(bǔ)水管道給儲水箱補(bǔ)水；通過儲水箱液位計(jì)，監(jiān)控儲水箱水位，通過水位維持箱液位計(jì)，監(jiān)控水位維持箱水位，通過背壓水箱液位計(jì)，監(jiān)控背壓水箱水位；當(dāng)水位維持箱溢流閥開始溢流時，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，此時連通管道、發(fā)熱部件均被淹沒在水位線以下，當(dāng)儲水箱水位達(dá)到儲水箱高度80％時，關(guān)閉補(bǔ)水泵，關(guān)閉補(bǔ)水截止閥，停止補(bǔ)水；

關(guān)閉連通截止閥，關(guān)閉背壓截止閥，打開排出截止閥，打開最靠近打壓實(shí)驗(yàn)容器入口的排污閥，將連通管道、打壓實(shí)驗(yàn)容器及排出管道內(nèi)的水排出；

步驟4：

(1)非能動方式底部注水淹沒發(fā)熱部件的模擬；

完成步驟3裝置連通、注水后，關(guān)閉最靠近打壓實(shí)驗(yàn)容器入口的排污閥，打開連通截止閥，即可模擬非能動方式，針對發(fā)熱部件進(jìn)行底部注水淹沒；

(2)非能動方式頂部注水淹沒發(fā)熱部件的模擬；

完成步驟3裝置連通、注水后，關(guān)閉最靠近打壓實(shí)驗(yàn)容器入口的排污閥，關(guān)閉排出截止閥，打開背壓截止閥，即可模擬非能動方式，針對發(fā)熱部件進(jìn)行頂部注水淹沒。

進(jìn)一步的，在所述的步驟3對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行注水前，對所述儲水箱、水位維持箱和背壓水箱進(jìn)行清洗，通過對應(yīng)的排污閥排污，清洗完成后關(guān)閉對應(yīng)的排污閥。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

本發(fā)明基于連通器原理，結(jié)合水位檢測、壓力檢測以及流量檢測，通過一系列閥門的聯(lián)合調(diào)節(jié)，可以模擬非能動方式底部注水淹沒發(fā)熱部件，或模擬非能動方式頂部注水淹沒發(fā)熱部件實(shí)驗(yàn)研究。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明一種在壓力環(huán)境維持條件模擬淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理示意圖；

附圖中標(biāo)記及對應(yīng)的零部件名稱：

1.儲水箱溢流閥；2.儲水箱；3.儲水箱液位計(jì)；4.調(diào)節(jié)閥；5.流量計(jì)；6.送水管道；7.水位維持箱；8.水位維持箱液位計(jì)；9.排污閥；10.水位維持箱溢流閥；11.連通截止閥；12.連通管道；13.壓力變送器；14.發(fā)熱部件；15.排出管道；16.排出截止閥；17.補(bǔ)水截止閥；18.補(bǔ)水泵；19.補(bǔ)水管道；20.背壓水箱；21.背壓水箱液位計(jì)；22.背壓水箱溢流閥；23.背壓水箱連接管；24.備壓截止閥；25.打壓實(shí)驗(yàn)容器；26.三通。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。

實(shí)施例1

如圖1所示，本發(fā)明一種在壓力環(huán)境維持條件模擬淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括儲水箱2、水位維持箱7、背壓水箱20和打壓實(shí)驗(yàn)容器25，儲水箱2側(cè)面安裝有儲水箱液位計(jì)3，在儲水箱2靠近頂部的位置安裝有儲水箱溢流閥1；所述的水位維持箱7側(cè)面安裝水位維持箱液位計(jì)8，在水位維持箱7靠近頂部的位置安裝水位維持箱溢流閥10；背壓水箱20側(cè)面安裝背壓水箱液位計(jì)21，在背壓水箱20靠近頂部的位置安裝背壓水箱溢流閥22；打壓實(shí)驗(yàn)容器25內(nèi)設(shè)置有發(fā)熱部件14；儲水箱2的底部與水位維持箱7的頂部通過送水管道6連接，在送水管道6上安裝調(diào)節(jié)閥4和流量計(jì)5；水位維持箱7的底部與打壓實(shí)驗(yàn)容器25入口通過連通管道12連接，在連通管道12上安裝連通截止閥11；打壓實(shí)驗(yàn)容器25的入口位置設(shè)置壓力變送器13，以實(shí)時監(jiān)測發(fā)熱部件14所處的壓力值，在打壓實(shí)驗(yàn)容器25的出口位置安裝排出管道15，排出管道15分為豎直放置部分和尾端部分，將打壓實(shí)驗(yàn)容器25的出口與排出管道15豎直部分連接，在排出管道15的尾端部分安裝有排出截止閥16；排出管道15豎直部分與尾端連接處設(shè)置三通26，背壓水箱20通過背壓水箱連接管23連接在三通26上，在背壓水箱連接管23上設(shè)置備壓截止閥24；所述儲水箱2頂部通過補(bǔ)水管道19相連接，補(bǔ)水管道19上設(shè)置補(bǔ)水泵18和補(bǔ)水截止閥17。

儲水箱2、水位維持箱7和背壓水箱20底部設(shè)置有排污閥9，連通管道12靠近打壓實(shí)驗(yàn)容器25入口的位置也安裝有排污閥9，排污閥9用于清洗時排污。排出管道15的尾端設(shè)置成向上傾斜的管道，與豎直方向傾斜夾角的角度范圍：20～60°，向上傾斜管道的長度小于等于5m。

一種在壓力環(huán)境維持條件模擬淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以在池式蒸發(fā)條件下平穩(wěn)保持發(fā)熱部件14的水位，并精細(xì)維持發(fā)熱部件14所處的壓力環(huán)境。還可以模擬非能動方式底部注水或頂部注水淹沒發(fā)熱部件14。

本發(fā)明一種在壓力環(huán)境維持條件模擬淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作條件：水介質(zhì)或蒸汽介質(zhì)，常壓～10mpa，常溫～300℃。

安裝條件：一種在壓力環(huán)境維持條件模擬淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可安裝于實(shí)驗(yàn)回路，操作簡便，性能穩(wěn)定，壓力維持穩(wěn)定，維持壓力環(huán)境無需泵，經(jīng)濟(jì)性較好。

應(yīng)用對象：一種在壓力環(huán)境維持條件模擬淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可作為實(shí)驗(yàn)室用的池式蒸發(fā)條件下水位保持裝置，可以模擬非能動方式底部注水或頂部注水淹沒發(fā)熱部件14。

實(shí)施例2

如圖1所示的，一種精細(xì)壓力環(huán)境維持條件模擬非能動方式底部或頂部注水淹沒發(fā)熱部件的實(shí)驗(yàn)方法模擬非能動方式底部注水淹沒發(fā)熱部件，或模擬非能動方式頂部注水淹沒發(fā)熱部件。

采用實(shí)施例1的系統(tǒng)裝置安裝、連接和固定；

首先根據(jù)需要安裝和固定打壓實(shí)驗(yàn)容器25，在打壓實(shí)驗(yàn)容器25的入口位置設(shè)置壓力變送器13，以實(shí)時監(jiān)測發(fā)熱部件14所處的壓力值。在發(fā)熱部件14的出口位置安裝排出管道15，排出管道15分為豎直放置部分和尾端部分，將發(fā)熱部件14的出口與排出管道15豎直部分連接。排出管道15豎直部分與尾端連接處設(shè)置三通，并通過背壓水箱連接管23與背壓水箱20相連，在背壓水箱連接管23上設(shè)置備壓截止閥24，將備壓截止閥24設(shè)置為全關(guān)狀態(tài)。在排出管道15與背壓水箱連接管24交接處的下游管道上安裝排出截止閥16，將排出截止閥16設(shè)置為全關(guān)狀態(tài)。

假設(shè)發(fā)熱部件14的最大發(fā)熱功率為nekw，發(fā)熱部件14所處壓力環(huán)境為pmpa，發(fā)熱部件14處壓力可由壓力變送器13測量獲得。根據(jù)發(fā)熱部件14處壓力p，查詢物性表可以得到流體汽化潛熱為hfgkj/kg，蒸汽密度為ρgkg/m3，單相水密度為ρlkg/m3。

設(shè)發(fā)熱部件14入口的標(biāo)高為0m。假設(shè)發(fā)熱部件14非能動注水淹沒高差需要的范圍是dl注水1～dl注水2，假設(shè)dl注水1<dl注水2，則水位維持箱7底面的標(biāo)高lmb水位維持箱以及背壓水箱20底面的標(biāo)高lmb背壓水箱可由下式計(jì)算：

lmb水位維持箱＝lmb背壓水箱＝dl注水1-0.5m

安裝和固定水位維持箱7，保持水位維持箱7底面的標(biāo)高為lmb水位維持箱。然后在水位維持箱7側(cè)面安裝水位維持箱液位計(jì)8，在水位維持箱7底部安裝排污閥9，在水位維持箱7靠近頂部的位置安裝水位維持箱溢流閥10。水位維持箱液位計(jì)8用于實(shí)時監(jiān)測水位維持箱7內(nèi)的液位，排污閥9用于水位維持箱7清洗時排污，水位維持箱溢流閥10用于在水位過高時排水保護(hù)設(shè)備。水位維持箱7安裝完成后，需進(jìn)行清洗，清洗時打開排污閥9排污，清洗完成后關(guān)閉排污閥9，關(guān)閉水位維持箱溢流閥10。

安裝和固定背壓水箱20，保持背壓水箱20底面的標(biāo)高為lmb背壓水箱。然后在背壓水箱20側(cè)面安裝背壓水箱液位計(jì)21，在背壓水箱底20部安裝排污閥9，在背壓水箱20靠近頂部的位置安裝背壓水箱溢流閥22。背壓水箱液位計(jì)21用于實(shí)時監(jiān)測背壓水箱20內(nèi)的液位，排污閥9用于背壓水箱20清洗時排污，背壓水箱溢流閥22用于在水位過高時排水保護(hù)設(shè)備。背壓水箱20安裝完成后，需進(jìn)行清洗，清洗時打開排污閥9排污，清洗完成后關(guān)閉排污閥9，關(guān)閉背壓水箱溢流閥22。

水位維持箱7的底部與打壓實(shí)驗(yàn)容器25入口通過連通管道12連接，在連通管道12上安裝連通截止閥11，將連通截止閥11設(shè)置為全關(guān)狀態(tài)。在連通管道12靠近打壓實(shí)驗(yàn)容器25入口的位置，安裝排污閥9。管道清洗時打開排污閥9排污，清洗完成后關(guān)閉排污閥9。連通管道12的長度應(yīng)盡量縮短，連通管道12的直徑d連通可由下式確定：

背壓水箱20的底部與打壓實(shí)驗(yàn)容器25出口通過背壓水箱連接管23、排出管道15連接。背壓水箱連接管23的直徑d備壓連接、排出管道15的直徑d排出可由下式確定：

d背壓連接＝d排出＝d連通m

安裝和固定儲水箱2，保持儲水箱2底面標(biāo)高為lmb儲水箱可由下式計(jì)算：

lmb儲水箱＝dl注水2+4m

然后在儲水箱2側(cè)面安裝儲水箱液位計(jì)3，在儲水箱2底部安裝排污閥9，在儲水箱2靠近頂部的位置安裝儲水箱溢流閥1。儲水箱液位計(jì)3用于實(shí)時監(jiān)測儲水箱2內(nèi)的液位，排污閥9用于儲水箱2清洗時排污，儲水箱溢流閥3用于在水位過高時排水保護(hù)設(shè)備。儲水箱2安裝完成后，需進(jìn)行清洗，清洗時打開排污閥9排污，清洗完成后關(guān)閉排污閥9，關(guān)閉儲水箱溢流閥1。

儲水箱1的底部與水位維持箱7的頂部通過送水管道6連接，在送水管道6上安裝調(diào)節(jié)閥4和流量計(jì)5，將調(diào)節(jié)閥4設(shè)置為全關(guān)狀態(tài)。送水管道6的長度應(yīng)盡量縮短，送水管道6的直徑d送水＝d連通。

在裝置合適位置設(shè)置補(bǔ)水泵18。補(bǔ)水泵18入口與水源通過補(bǔ)水管道19相連接，補(bǔ)水泵18出口與儲水箱2頂部通過補(bǔ)水管道19相連接，補(bǔ)水管道19上設(shè)置補(bǔ)水截止閥17，將補(bǔ)水截止閥17設(shè)置為全關(guān)狀態(tài)。補(bǔ)水管道19的直徑d補(bǔ)水＝d連通。

確定的水位維持箱7、背壓水箱20、儲水箱2結(jié)構(gòu)尺寸

水位維持箱7的高度為h水位維持箱，可由下式計(jì)算：

h水位維持箱＝dl注水2-lmb水位維持箱+1m

水位維持箱7的橫截面積s水位維持箱可由下式確定，其中s連通管道表示連通管道12的橫截面積：

5×s連通管道≤s水位維持箱≤50×s連通管道m(xù)2

在本應(yīng)用中，背壓水箱20的截面積和高度與水位維持箱7相同。

儲水箱2的截面積和高度沒有單獨(dú)要求，只是儲水箱2的容積應(yīng)設(shè)置為水位維持箱7容積的2～3倍。

裝置連通、注水

打開連通截止閥11，打開備壓截止閥24，打開調(diào)節(jié)閥4，關(guān)閉三處排污閥9，打開水位維持箱溢流閥10，打開儲水箱溢流閥1，打開背壓水箱溢流閥22，打開補(bǔ)水截止閥17，啟動補(bǔ)水泵18，通過補(bǔ)水管道19給儲水箱2補(bǔ)水。通過儲水箱液位計(jì)3，監(jiān)控儲水箱2水位。通過水位維持箱液位計(jì)8，監(jiān)控水位維持箱7水位。通過背壓水箱液位計(jì)21，監(jiān)控背壓水箱20水位。當(dāng)水位維持箱7水位達(dá)到最大水位時，或水位維持箱溢流閥10開始溢流時，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥4，此時連通管道12、發(fā)熱部件14等均被淹沒在水位線以下。當(dāng)儲水箱2水位達(dá)到儲水箱2高度約80％時，關(guān)閉補(bǔ)水泵18，關(guān)閉補(bǔ)水截止閥17，停止補(bǔ)水。

關(guān)閉連通截止閥11，關(guān)閉備壓截止閥24，打開排出截止閥16，打開最靠近打壓實(shí)驗(yàn)容器25入口的排污閥9，將連通管道12、發(fā)熱部件14及排出管道15內(nèi)的水排出。

非能動方式底部注水淹沒發(fā)熱部件的模擬

完成步驟3裝置連通、注水后，關(guān)閉最靠近打壓實(shí)驗(yàn)容器25入口的排污閥9。打開連通截止閥11，即可模擬非能動方式，針對發(fā)熱部件14進(jìn)行底部注水淹沒。

非能動方式頂部注水淹沒發(fā)熱部件的模擬

完成步驟3裝置連通、注水后，關(guān)閉最靠近打壓實(shí)驗(yàn)容器25入口的排污閥9。關(guān)閉排出截止閥16，打開備壓截止閥24，即可模擬非能動方式，針對發(fā)熱部件14進(jìn)行頂部注水淹沒。

以上所述的具體實(shí)施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。