[發明專利]一種海洋條件下鉛鉍合金流動傳熱特性研究實驗系統及方法

在審

• 申請號: 202111014927.7
• 申請日: 2021-08-31
• 公開（公告）號: CN113670979A
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 王成龍;劉志鵬;田文喜;秋穗正;蘇光輝;張大林
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01M10/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種海洋條件下鉛鉍合金流動傳熱特性研究實驗系統，其特征在于：包括可更換的試驗段(1)，模擬海洋運動條件的海洋運動平臺(2)，用于儲存鉛鉍合金的儲鉛罐(9)，安裝試驗段的鉛鉍回路系統，用于給鉛鉍回路系統提供冷卻的高溫導熱油冷卻回路系統，以及用于給鉛鉍合金回路提供無氧氬氣環境和將鉛鉍合金壓入鉛鉍回路的氬氣支路系統；所述試驗段(1)通過上下法蘭與鉛鉍合金回路系統連接，試驗段(1)上安裝多個熱電偶測量試驗段內壁面和內部流體溫度，安裝差壓變送器(8)測量試驗段壓降；所述試驗段(1)、預熱段(2)、給鉛鉍合金回路提供驅動壓頭的電磁泵(3)、控制鉛鉍合金回路打開與關閉的第二液態金屬閥門(402)、測量鉛鉍合金回路流量的電磁流量計(5)、用于給電磁流量計進行標定且同時作為膨脹箱的標定筒(6)以及用于給鉛鉍合金回路提供冷卻的套管式換熱器(7)依次連接組成鉛鉍合金回路系統，電磁泵(3)兩端設置旁通回路，旁通回路上設置第一液態金屬閥門(401)，通過第一液態金屬閥門(401)對鉛鉍合金回路流量進行調節，鉛鉍合金回路系統通過金屬軟管連接儲鉛罐(9)，金屬軟管上設置第三液態金屬閥門(403)控制鉛鉍合金流進和流出鉛鉍合金回路系統；標定筒(6)上方設置排氣閥(1903)，同時標定筒(6)與氬氣支路系統相連；鉛鉍合金回路系統固定在海洋運動平臺(2)上，實驗時通過儀控設備(22)設置起伏或搖擺的加速度幅度以及周期來控制試驗段(1)進行起伏或搖擺運動。

高溫導熱油冷卻回路系統中，導熱油箱(11)通過變頻泵(12)及第一導熱油閥(1301)后與套管式換熱器(7)相連，進出套管式換熱器(7)的導熱油管道為金屬軟管；經過套管式換熱器(7)被加熱后的導熱油流過流量計(14)和管殼式換熱器(15)后回到導熱油箱(11)；高溫導熱油冷卻回路系統最后的熱阱為冷卻塔(16)，為管殼式換熱器(15)提供冷卻；高溫導熱油冷卻回路系統變頻泵(12)兩端并聯一個旁通回路，旁通回路上設置第二導熱油閥(1302)，通過第二導熱油閥(1302)對整個高溫導熱油冷卻回路流量進行調節；

氬氣支路系統中的氬氣瓶(17)通過減壓閥(18)后，經過第一氣閥(1901)與鉛鉍合金回路系統中標定筒(6)相連，用于鉛鉍合金回路系統通入氬氣，保持其無氧環境；氬氣支路系統氬氣瓶(17)通過減壓閥(18)后，經過第二氣閥(1902)與儲鉛罐(9)相連，用于將儲鉛罐(9)中的鉛鉍合金通過高壓氬氣壓入鉛鉍合金回路系統；與標定筒(6)相連的氣體管路為金屬軟管。

2.根據權利要求1所述的一種海洋條件下鉛鉍合金流動傳熱特性研究實驗系統，其特征在于：所述試驗段(1)按照實驗需求設計為圓管、環管或棒束通道試驗段。

3.根據權利要求1所述的一種海洋條件下鉛鉍合金流動傳熱特性研究實驗系統，其特征在于：所述高溫導熱油冷卻回路系統中高溫導熱油為QC320，最高使用溫度為320℃；管殼式換熱器(15)冷卻側為水。

4.根據權利要求1所述的一種海洋條件下鉛鉍合金流動傳熱特性研究實驗系統，其特征在于：所述海洋運動平臺(2)上設置配電設備(21)、儀控設備(22)和數據測量與采集設備(23)。

5.根據權利要求1所述的一種海洋條件下鉛鉍合金流動傳熱特性研究實驗系統，其特征在于：所述試驗段(1)上等間距安裝六個熱電偶，分別為第一熱電偶(401)、第二熱電偶(402)、第三熱電偶(403)、第四熱電偶(404)、第五熱電偶(405)和第六熱電偶(406)。

6.權利要求1至4任一項所述的一種海洋條件下鉛鉍合金流動傳熱特性研究實驗系統的實驗方法，其特征在于：實驗開始后開啟第二氣閥(1902)和第三液態金屬閥門(403)，將氬氣瓶(9)中氬氣充入儲鉛罐(9)使得液態金屬鉛鉍合金緩慢壓入鉛鉍合金回路系統中，此時間歇打開標定筒(6)上方的排氣閥(1903)對鉛鉍合金回路排氣；等到標定筒(6)內鉛鉍合金充滿時，關閉第三液態金屬閥門(403)，停止向鉛鉍合金回路中壓入鉛鉍合金，此時鉛鉍合金回路中充滿鉛鉍合金；打開電磁泵(3)，使鉛鉍合金開始在鉛鉍合金回路中循環流動；在儀控設備(22)處設置模擬海洋條件的海洋運動平臺所需要的起伏或搖擺運動的幅值與周期參數，使試驗段(1)按照設定的運動方式進行運動；進行流動阻力實驗時，由于鉛鉍合金密度大，為減小溫度變化對重力壓降的影響，保持鉛鉍合金回路中鉛鉍合金溫度在350℃，通過調節電磁泵和旁通回路中第一液態金屬閥門(401)來調節鉛鉍合金回路中鉛鉍流量，使用試驗段(1)上布置的差壓變送器(8)記錄其壓降；對于不同的鉛鉍合金回路循環流量，待鉛鉍合金回路中壓降，流量及溫度信號在海洋運動條件下規律穩定時，通過數據測量與采集設備(23)持續采集信號，完成實驗工況；進行對流傳熱實驗時，根據實驗工況通過高溫導熱油冷卻回路系統中的變頻泵(12)和旁通回路中第二導熱油閥(1302)調節高溫導熱油回路導熱油流量以調節套管式換熱器(7)的冷卻功率，使鉛鉍合金在進入試驗段(1)時溫度保持一致；調整鉛鉍合金回路系統加熱功率，對于每組工況，待電磁流量計(5)測得的流量及試驗段各熱電偶所測溫度波動較為規律穩定時，通過數據測量與采集設備(23)持續采集信號，完成實驗工況；實驗完成后，關閉數據測量及采集設備(23)，停止鉛鉍合金回路系統加熱，并使模擬海洋運動條件的海洋運動平臺(2)停止運動；打開第三液態金屬閥門(403)使鉛鉍合金回路中鉛鉍合金依靠重力回流至儲鉛罐(9)中；打開氬氣支路系統第一閥門(1901)，向鉛鉍合金回路中打入氬氣，保持其無氧狀態；高溫導熱油冷卻回路系統中的變頻泵(12)和冷卻塔(19)保持運行至導熱油箱(11)中的高溫導熱油冷卻至常溫；最后關閉系統電源，實驗結束。