（核能科学与工程专业论文）基于传热原理的高温低流速液体流量测量技术研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 反应堆在自然循环工况下的冷却剂流量有流速低、压头小等特点，本 文针对此工况冷却剂的流量测量问题，对利用传热原理测量高温液体流量 的方法进行了研究。本文的主要研究工作概括如下： 1 、本文首先讨论了一些传统流量计的特点，着重论述了热式流量计的 种类及其测量原理。 2 、分析了热式流量计在测量液体流量中存在的一些问题，提出了可以 克服这些问题的基于传热原理测量液体流量的方法，并设计了测量传感器。 3 、设计了验证测量原理的实验方案，以高温水为实验工质，在直径为 o 1 5 m 的实验管段上进行了验证性实验，并分析了误差的主要来源，实验结 果表明：基于传热原理的高温液体流量测量方法的原理是正确的。 4 、通过对验证实验结果的分析，指出了影响测量量程的主要因素，提 出了扩大实验量程的改进方案。改进后的实验结果表明，影响测量精确度 和量程的主要因素是温度测量的准确性和肋端与流体之间温差的大小。通 过原理分析及实验验证，说明本文提出的测量方法在原理上是可行的，若 加以有效的改进，将有望推广于工程应用之中。 关键词：流量测量；传感器；肋柱导热；绕流柱体。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a bs t r a c t t h ec o o l a n tf l o wi nn a t u r a lc i r c u l a t i o nr e a c t o rh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s s u c ha sl o wv e l o c i t ya n ds m a l lp r e s s u r e i no r d e rt om e a s u r et h ec o o l a n tf l o w t h a ti nn a t u r a lc i r c u l a t i o nr e a c t o r , am e t h o do fh i g ht e m p e r a t u r el i q u i df l o w m e a s u r e m e n tb a s e do nt h et h e o r yo fh e a tt r a n s f e rh a sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r m a i nr e s e a r c hw o r kw a ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 、a tf i r s t ，t h et r a d i t i o n a lm e a n so ff l o wm e a s u r e m e n tw e r ed i s c u s s e d t h e s p e c i e so ft h e r m a lf l o w r n e t e ra n dt h e i rm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e sw a sd i s c u s s e di n d e t a i l 2 、t h ep r o b l e mo fl i q u i df l o wm e a s u r e m e n tu s i n gt h e r m a lf l o w m e t e rw a s a n a l y z e d an e wm e t h o do ff l o wm e a s u r e m e n tw a sp u tf o r w a r d ，t h a ti s ，t h e m e t h o do fh i g ht e m p e r a t u r el i q u i df l o wm e a s u r e m e n tb a s e do nt h et h e o r yo f h e a tt r a n s f e r t h es e n s o rw a s d e s i g n e d 3 、t h ee x p e r i m e n tt a b l ew a sd e s i g n e da n db u i l t t h eh i g ht e m p e r a t u r e w a t e ri su s e da sw o r k i n gf l u i d a n di tu s e ds t r a i g h tp i p eo 15m e t e ri nd i a m e t e r a se x p e r i m e n t a ls e c t i o n t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o w nt h a tt h et h e o r yo nh i 曲 t e m p e r a t u r el i q u i df l o wm e a s u r e m e n tb a s e do nt h et h e o r yo fh e a tt r a n s f e ri s c o r r e c t 4 、t h em a i nf a c t o r so ft h em e a s u r i n gr a n g ew e r ea n a l y z e d a ni m p r o v e d s c h e m ef o r e x p a n d i n gm e a s u r i n gr a n g e w a sp u tf o r w a r d t h er e s u l t so f e x p e r i m e n ta f t e ri m p r o v e ds h o w nt h a tt h em e a s u r i n gr a n g ea n dp r e c i s i o no f m e a s u r e m e n td e p e n do nt h ea c c u r a c yo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dt h e d i f f e r e n c ei n t e m p e r a t u r e b e t w e e nf i na n dl i q u i d t h ea n a l y s i sa n dt h e e x p e r i m e n ts h o wt h ev a l i d i t ya n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em e a s u r em e t h o d k e yw o r d s ：f l o wm e a s u r e m e n t ；s e n s o r ；h e a tc o n d u c t i o no fr i b ；c r o s sf l o wo v e r a c y l i n d e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者( 签字) ：范丈潍 日期：2 口口7 年3 月f 岁日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数 据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结 合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可日在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：荛丈瓮晕 日期：z 口口7 年3 月f7 日 导师( 签字) ：孑卜冲了 2 口df 年多月j 多i 丑 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景与研究的意义 1 1 1 反应堆冷却剂流量测量 一回路冷却剂流量是压水堆重要的安全参数之一。因为压水堆堆芯产 生的热量必须由冷却剂导出，在温度压力不变的情况下，冷却剂流量的大 小反映了反应堆输出功率的大小。反应堆冷却剂流经堆芯时，若流量低于 其额定值的9 0 ，则反应堆紧急停堆保护系统动作，使反应堆停堆：若流 量过大，则会引起反应堆压力容器内堆内各部件的振动。基于上述原因， 在核电站堆芯装料前和装料后的热态调试阶段，必须对反应堆冷却剂的流 量进行测定，确认其流量大于热工设计所要求的流量值，且小于机械设计 允许的最大流量值。因此，精确地测量反应堆一回路冷却剂流量，对核电 站及其他核动力装置的安全和可靠性运行具有非常重要的意义。 反应堆冷却剂流量的测定方法有： 1 、利用反应堆冷却剂管道上的弯管( 即弯管流量计) 进行测定【1 五j 。其 原理是在蒸汽发生器一回路主管道出口的第一个9 0 0 弯头2 2 5 0 处，其管道 的内侧和外侧各取有一测压孔，如图1 1 所示。 图1 1 弯管流量计取压示意图 哈尔滨下程大学硕十学位论文 当反应堆冷却剂流经此弯头时，由于介质的离心力，使在弯头的内、 外侧间产生一定压差廿，其压差与流量有如下关系：qo c p 。因此，可 以根据尸值求出反应堆冷却剂的流量。、 2 、利用反应堆冷却剂泵( 主泵) 的输入电功率进行测定。其原理是根 据实测主泵在一台或两台主泵运行状态下的环路流量e 和e ，以及修正后 的主泵电机输入电功率，和：，在主泵流量一输入电功率图上求出4 和 以，如图1 2 所示。如果在有泵制造厂提供的流量一输入电功率曲线上找到 两台主泵运行时的运行点鼠，此运行点在同时满足下列两个条件时，则此 运行点所对应的流量r ，即为此工况下该泵的流量：1 ) 、此运行点所对应的 电机输入电功率晶，与实测工作修正的电功率之差( p o ，一：) ，与一台主泵 运行时的运行点蜀所对应的电机输入电功率昂。与实测实测工作修正的电 功率之差( 饧一只，) 相等，即忍：- p c ：= 尼，- p c ，；2 ) 、马所对应的流量气， 与局所对应的流量b ，之间的相关流量系数e 与实测一台和两台主泵运行 时的流量e 和丘之间的相关流量系数最相等。 l 盘 - 蔷 、 口 - 叫 口 ， 图1 2 主泵流量q 与其输入电功率尸之间的关系 2 嚣 哈尔滨工程大学硕十学位论文 3 、利用涡轮流量计进行测定【3 】。因为反应堆具有放射性和堆内空间的 限制，因而一般的涡轮流量计是不适用的，必需专门设计制造。在清华大 学的5 m w 低温供热堆中，针对涡轮流量计测量反应堆冷却剂流量中存在的 问题，研制了n r t m 型涡轮流量计，用于测量5 m w 低温供热堆堆芯燃料 元件盒的冷却剂流量。 4 、利用1 6 nt 噪声进行测定【4 】。针对一回路冷却剂流量测量问题，2 0 世纪9 0 年代，顾国新等人提出了利用6 n 丫噪声监测一回路冷却剂流量， 其原理是：一回路冷却剂中的1 6 n 是冷却剂流经堆芯活性区时1 6 0 与快中子 反应产生的，其半衰期为7 2 s ，发射的y 射线能量为6 1 3 m e v 和7 1 1 m e v 。 根据1 6 n y 射线的自然衰变规律，利用安装在反应堆一回路冷却剂主管道旁、 相隔一定距离的两只1 6 n 丫探测器横截面地检测冷却剂中的1 6 ny 放射性， 求得主管道冷却剂的流速，进而求得冷却剂流量。 此外，还有在电站功率运行阶段，利用电站一、二回路热平衡试验以 及利用测量反应堆冷却剂泵的扬程等方法进行反应堆冷却剂流量测定。 1 1 2 课题的提出 近年来，由于反应堆的安全性等实际需求，。自然循环的概念越来越多 地被提及。自然循环的研究内容主要有：商用反应堆( 如低温核供热堆等) 在没有主泵驱动而只是靠冷热流体密度差实现冷却剂循环情况下的载热能 力研究【5 - 6 】；反应堆非能动余热排出系统自然循环能力研究o 】以及由于作 战需要等原因而需要长期在自然循环工况下运行的船用核动力装置自然循 环特性研究【1 1 】等。在这些条件下，反应堆冷却剂的流量测量与强制循环工 况下的流量测量相比，有其特殊性。 自然循环工况下的冷却剂流量很低，其驱动压头较小，弯管流量计里 表征流量值的压力差与流量的平方成正比，即a p o cq 2 ，当流量q 变小时， 压差凹以更快的速度变小，因此弯管等压差式流量计不适于测量小流量； 由于驱动压头小，在自然循环工况下的也不宜使用涡轮流量计等需要接入 哈尔滨工程大学硕士学位论文 管道且压力损失较大的流量测量装置；对于利用主泵输入电功率或扬程等 与流量间的关系特性等方法，也由于自然循环反应堆中没有主泵工作而不 能使用。因此，需要针对自然循环反应堆冷却剂流量测量开发一种适于大 管径、高温、低流速液体的流量测量方法。 在小流量测量中，热式流量计有着得天独厚的优点，其工作原理是对 管道流体进行加热，通过监测被加热处流体与其它区域流体之间的温度差 来反应管道流体的流量【12 1 。当管内流体流速越低，流体流过加热元件的时 间越长，温度差则越大，越便于测量；而当管内流体流速增大时，由于流 体流过加热元件速度较快，温度变化也变得不是那么明显，因此，热式流 量计主要应用于小流量或微流量测量。 热式流量计按其结构可分为热分布式流量计和插入式热式流量计【1 3 1 。 热分布式流量计没有插入管道内部的元件，通过对管壁流体进行加热来实 现流量的测量，没有压力损失，适用于较小管径的流量测量；插入式热式 流量计设有插入管道内的感应探头，有微小的压力损失，相对于涡轮流量 计等的压力损失可以忽略不计，适用于测量较大管径的流体流量。 由于热式流量的上述特点，尤其是压力损失小，非常适用于测量驱动 压头不大的低流速管道流量。但是，现有的热式流量计大多为气体质量流 量计，已有的液体质量流量计也主要是用于小管径微流量液体测量【1 4 以5 1 。 因此，针对上述自然循环反应堆一回路冷却剂流量测量中存在的问题，本 文根据孙宝芝等【1 6 - 1 8 】人提出的基于传热原理测量高温蒸汽流量的方法，提 出了一种用于测量大管径、低流速、高温液体流速的新方法，即基于传热 原理对高温管道液体流量进行测量。本方法是基于肋片导热原理和流体外 掠单管对流换热原理的联合作用而对高温管道流量进行测量，这种方法用 于测量低流速流体流量最大的特点是流体流速越低，流体与传感器导热肋 柱间的温差越大，越容易精确测量，而一般的压差式流量计是流速越低压 差越小，越不容易精确测量；且其不同于一般的通过加热流体进行流量测 量的热式流量计，而是通过冷却管内流体来实现流量的测量，这样可以避 4 哈尔滨- t 程大学硕十学位论文 免加热高温液体时产生汽泡而影响测量等问题出现。这是一种新方法，过 去国内外很少有文献对其进行过论述，国外有论文介绍与之类似的通过热 电偶传感器监测树脂流量的方法【1 9 1 ；国内目前只有文献【1 6 1 8 】中提出了基 于导热与对流联合作用原理测量高温蒸汽管道流量的方法，并进行了实验 研究，证明用该方法测量高温蒸汽流量在原理上是可行的。其具体方法是： 在蒸汽管道中插入一根金属柱，金属柱一端与管道内蒸汽接触，一端与外 界环境接触，当蒸汽温度高于环境温度时，蒸汽将热量传给插入流道部分 金属，再通过金属柱将热量导出散入环境中，金属柱各点的温度与换热量 有关。蒸汽与插入流道部分金属柱之间的传热规律符合肋片导热原理和流 体绕流主体换热原理，柱体与蒸汽之间的换热系数与蒸汽流过柱体的速度 有关，因此可以通过监测柱体不同位置的温度来测量管道内蒸汽的流量。 由于蒸汽的传热系数较低，通过柱体导出到环境的热量不会很大，因 此对柱体的导热能力没有很高的要求，只需要用不锈钢作为柱体材料即可 满足要求。与蒸汽相比，液体流量的测量有其自身的特点，液体的密度和 对流换热系数都远远大于蒸汽。在流道内流体与外界环境温差相同时，流 体为液体时传给柱体的热量将远大于流体为蒸汽时，如不能将热量及时散 去，柱体内各点的温度将极为接近管道内液体的温度。因此，用传热原理 来测量高温液体流量在工程上是否可行，需要重新评估，并且设计出新的 实验方案，进行实验验证。 1 2 流量与流量计 1 2 1 流量 流量是单位时间内流过管道横截面或明渠横断面的流体量【2 0 1 。若流体 量以质量表示时，称“质量流量”，一般用g 。表示；流体量以体积表示时， 称“体积流量”，一般用钆表示。用数学表达式可以表示为 矗1 ， q 矿= 等= u a ( 1 1 ) 哈尔滨_ 丁程大学硕士学位论文 ：粤= 9 u a0-2)pua 2 i 2 式中：钆一体积流量； g 。一质量流量； 矿一流体体积； m 一流体质量： ，一时间； p 一流体密度； t l 一管内平均流速； 么管道横截面积。 在一段时间内流过管道截面或明渠横断面的流体总量称为“累计流量 。 也常被称为“总量”。在数值上它等于流量对时间的积分，数学表达式为 y = ：2q vdt(1-3) 聊= n d t ( 1 - 4 ) 1 2 2 流量计 测量管道流或明渠流中流量或总量的仪器称为流量计。测量体积流量的 称为“体积流量计，如涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计等；专门测 量质量流量的称为质量流量计，如科里奥利质量流量计、热式质量流量计 竺【2 l 】 寸o 流量测量仪表的种类繁多，其测量原理、结构特性、适用范围及使用方 法等各不相同。所以其分类可以按不同原则划分，至今并未有统一的分类 方法。若按测量对象分，则流量测量仪表可分为封闭管道流量计和明渠流 量计两类；按测量目的可分为总量表和流量计，也可分为体积流量计和质 量流量计两类；按输出信号，流量计可分为脉冲频率信号输出和模拟电流 ( 电压) 信号输出两类。工程测量中常用的流量计有以下几类 2 2 】： 1 、差压式流量计：差压式流量计是根据安装在管道中的流量检测元件 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所产生的差压来测量流量的仪表。它包括节流式流量计、匀速管流量计、 弯管流量计等，其中，节流式流量计是一类已系列化和标准化、规格种类 繁多、应用极广的流量仪表。 2 、容积式流量计：容积式流量计，又称定( 正) 排量流量计，它是利 用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知体积，并进行重复不断 地充满和排放该体积部分的流体而累加计量出流体总量的流量仪表。它可 用来测量液体和气体的流量，是目前流量仪表中测量精度最高的仪表之一。 3 、浮子流量计：浮子流量计又称转子流量计、面积流量计，它是一种 变面积流量计。它的结构极为简单，由一根向上扩大的垂直锥管和一圆形 截面的浮子组成。按锥管材料，浮子流量计可分为玻璃浮子流量计和金属 管浮子流量计两类。金属管浮子流量计又可分为电远传和气远传两类。浮 子流量计是仅次于差压是流量计的一类应用广泛的流量仪表，尤其在微小 流量测量方面有举足轻重的作用。 4 、涡轮流量计：涡轮流量计是速度式流量计中应用最广的流量仪表。 它是利用管道内一多叶片转子( 涡轮) 在流体动能作用下旋转的角速度与 管内平均流速成正比这一特性而制成的流量计。涡轮转速可以用机械、磁 感应、光学方式、电子方式等手段检测得到，目前一般是通过磁感应方式 来测得涡轮转速的。 5 、电磁流量计：电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律制成的用来测 量导电介质的流量计。普通型的电磁流量计结构上由传感器和转换器两部 分组成，但也可做成一体型。由于电磁流量计的检测元件都在测量管外， 所以电磁流量计在测量脏污流、腐蚀流、含纤维流体以及浆液等方面有一 系列优良的特性，又无流动压损，是一类可应用于特殊场合又节能的流量 仪表。 6 、流体振动式流量计：流体振动式流量计是利用流体流过流量计时某 些物理量产生周期变化的频率与管内平均流速成正比的原理制成的流量仪 表。根据结构不同，可以分为涡街流量计，旋进漩涡流量计和射流流量计 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 三类，其中，涡街流量计应用最广。 7 、超声波流量计：超声波流量计是利用流体对超声波的影响( 可以影 响超声波的传播速度、频率或位移等) 来测量流量的仪表。根据流体对超 声波的影响作用，超声波流量计可以分为传播速度差法、多普勒法和射束 位移法等几类，其中传播速度差法又可分成时差法、相差法和频率法等几 种测量方法，是超声波流量计中应用最广的一类流量计。 8 、质量流量计：质量流量计可以分为直接式质量流量计和间接式质量 流量计两大类。直接式质量流量计是输出信号直接与通过测量管的质量流 量成正比的流量仪表。近几年发展较快的有科里奥利质量流量计和热式质 量流量计等；间接式质量流量计是通过不同仪表的组合来间接推知质量流 量的量值，所以有时也称为推导式质量流量计。 9 、插入式流量计：插入式流量计是一类利用测量管道内某一点的流速 来推知通过整个管道的流量仪表，主要适用于大型管道的流量测量。根据 测量头的原理，可分为插入涡轮、插入涡街、插入电磁、毕托管等点流速 型的流量计，还有匀速管流量计、插入型热式流量计等也可归属于插入式 流量计。 1 0 、热式流量计 热式质量流量计是利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场的 变化来测量流体质量流量，或利用加热流体时流体温度上升某一值所需的 能量与流体质量之间的关系来测量流体质量流量的一种流量仪表。一般用 来测量气体的质量流量。具有压损低、流量范围大、高精度、高重复性、 高可靠性、无可动部件及可用于极低气体流量监测和控制等特点【2 3 1 。 1 3 热式质量流量计及其发展 利用加热流体的热量( 或温度) 变化测量流体的质量流量已有很长的 历史。早期的热式质量流量计直接将加热线圈和测温元件放入流道中与流 体直接接触，是一种接触式流量计，由于不能解决腐蚀、磨损以及防爆等 哈尔滨工程大学硕十学位论文 问题，它的工业应用受很大的限制。托马斯流量计是这种流量计的代表， 主要用来测量较大流量的气体质量流量；到了2 0 世纪5 0 年代，人们提出 了一种与流体不接触的边界层流量计，克服了接触式流量计的缺点，但测 量结果易受介质参数( 如热导率、比热容、粘度等) 的影响，可以用来测 量较大的液体流量；到了2 0 世纪7 0 年代，基于测量流体温度分布的热分 布型质量流量计，由于其独特的优点在国内外得到了很快的发展 2 4 - 3 7 】，这 种流量计主要是用来测量气体的微小流量；随着科技的发展，经过对流量 计结构上的重新设计，在接触式流量计的基础上，人们又提出了浸入型的 热式质量流量计【3 8 】，也得到了很快的发展，可以用来测量较大管径的气 体流量。 1 3 1 托马斯流量计 托马斯流量计是种接触式流量计，它由外热源对被测流体加热，测 量因流体流动而造成的温度变化来反映质量流量，或利用加热流体时流体 温度上升所需能量与流体质量流量之间的关系来测量流体质量流量。该流 量计主要用来测量气体的质量流量。 通过托马斯流量计的流体质量流量g 。为 q m = e ( c 。r ) ( 1 5 ) 式中e 一单位时间内输给流量计的电功率； c 。一气体的定压比热容； 丁一热源前后两测温点的温度差。 对于特定的气体，定压比热容c 。与气体的压力无关，而且在一定的温 度范围内，受温度的影响也g i l d , 。但当被测气体是混合气体时，定压比热 容的值将随组分变化而变化，会带来显著的测量误差。由于是利用热源直 接对流体加热，因而不能使用于易燃易爆介质和导电介质。 1 3 2 边界层流量计 9 边界层流量计是由托马斯流量计发展而来的一种非接触式流量计，可 以用来测量气体，也可以用来测量液体流量。它的结构是：在管道的外侧 饶有加热线圈，在远离加热线圈的上游管道外侧和紧靠加热线圈的下游管 道外侧安装着两个温度传感器。加热时，热量通过管壁和流动边界层向管 内的流体传递。由于边界层很薄，热量在管壁和边界层的热传递方式可以 看作是通过导热进行的。 令单位时间内的加热能量为q ，质量流量为口。，在雷诺数如大于2 3 0 0 的紊流状态，q 和的关系可以表示为 q = k i a t 器0 6 0 4 群( 1 - 6 ) 对于如小于2 3 0 0 的层流状态，q 和q ，的关系可以表示为 呲凹筹 m 7 ， 式中五一流体的导热系数； c 。一定压比热容； 一粘度； d 一管径； 工- j n 热线圈沿流动方向的长度； r 一两个温度传感器的温度差； k 、一常数。 由于流体的导热系数、定压比热容、粘度等都是随着流体组分的变化 或流体温度的变化而变化，将会造成测量误差，因此常需要在测量回路中 安装温度补偿装置。 1 3 3 热分布式流量计 热分布式质量流量计的工作原理如图1 3 所示，在测量管外绕有两个阻 1 0 哈尔滨工程大学硕士学何论文 值相同、位置对称的线圈，并与另外两个电阻组成一个直流电桥。电阻线 圈既是加热元件，又是测温元件。电桥通有恒定的电流，对测量管道内的 流体进行加热。当流体静止时，两线圈平均温度相同，线圈中心线上下游 温度分布是对称的，如图中虚线所示；当流体流动时，上游线圈温度下降， 下游线圈温度上升，测量管中的温度分布曲线发生改变，如图中实线所示。 测出两线圈电阻值变化，即可求出两绕组温度差丁，丁与质量流量的 关系为 彳 q 。= k “- - - a t( 1 8 ) c j 口 式中 c 。一定压比热容； 彳一线圈与周围环境的总热传导系数； k 一比例系数。 因测量管壁很薄，具有很高的热传导能力，而且其热传导系数不发生 变化，因此彳的变化可简单地认为是气体边界层热传导系数的变化。当应 用于特定温度、压力范围的某气体时，a 、c 。均可视为常量，则质量流量 仅与丁成正比。 一一罐。匹掣。s c = 。亡= ，一 t 广。 飞哆 q 7 q 。 图1 3 热分布式质量流量计工作原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 4 浸入型热式质量流量计 浸入型热式质量流量计又称插入式热式质量流量计，它是在原来热线 接触式流量计的基础上发展起来的一种坚固型热式质量流量计，近年来得 到很快的发展。浸入型热式质量流量计结构原理如图1 4 所示，它有两个探 头浸入被测流体中，一个含有加热器的速度探头s l 和一个不含加热器的温 度探头s 2 ，其中s l 用来测量被流体带走热量后探头壁面的温度，s 2 用来测 量来流温度。根据能量守恒定律，给速度探头加热的功率q 应等于流体流 过探头带走的热量。 q = m ( 瓦一疋)( 1 9 ) 式中h 一表面传热系数； 彳一圆柱形探头表面积； 瓦、瓦一速度探头和温度探头所测得的温度。 s i 图1 4 浸入型热式质量流量计结构原理图 1 4 本文所做的工作 针对反应堆自然循环工况中的管内冷却剂“大管径、低流速、低压差、 高温水”的特点，参考现有热式流量测量装置的设计工作原理，本文通过 分析插入流道中肋片的传热特性与管道内流体流速的关系，提出了一种基 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 于传热原理测量高温低流速液体流量的新方法。由于这种测量方法是一种 全新的方法，未见有在工程中应用，因此本方法的原理是否可行也需要实 验验证，这也是本文的主要目的。本文的主要内容有： 第一章，介绍了反应堆一回路冷却剂流量的测量方法，介绍现有的各 种流量计的工作原理及特性，着重介绍了几种热式流量计的原理及特点， 提出了本文的研究内容。 第二章，从肋片导热原理出发，结合流体绕流单管换热原理，建立了 插入管道的肋柱内温度随流速变化的数学模型，进行了验证实验的可行性 分析。 第三章，设计的用于验证性实验的传感器，建立了试验台架和实验方 案，确定了实验方法及实验步骤。 第四章，进行了验证性实验，并提出了修改方案，通过逐个分析并克 服实验中的影响因素，使实验曲线更为平滑且接近理论计算值，通过实验 证明了方案的可行性。并通过实验修正了流量与温差比的关系式，通过关 系式进行了流量测量实验。 第五章，从扩大测量量程以及测量精度出发，提出了传感器的改良方 案，并对改良后的传感器进行了实验，提出了新型流量测量装置的设计构 想。 哈尔溟工程大学硕十学位论文 第2 章流量测量的原理和可行性分析 2 1 等截面肋柱的导热原理 在流量测量实验中，插入流道的传感器可以视为插入流道中的肋柱进 行分析，在等截面肋柱导热问题分析中，一般作以下假定4 0 】： ( 1 ) 材料的导热系数及表面传热系数均为常数，沿肋高方向肋柱横截 面积保持不变； ( 2 ) 表面上的换热热阻远远大于肋柱中的导热热阻，因而在任一截面 上肋柱的温度可以认为是均匀的； ( 3 ) 忽略肋端部的散热量，即肋柱顶端可以视为绝热。 经过上述简化后，所研究的问题就变成一维稳态导热问题， 等截面直肋各点的过余温度分布公式 色= o o 等 式中日一肋片的长度； x 一距肋根的距离； e 一肋片距肋根x 处的过余温度，幺= 一f ，； o o 一肋根的过余温度，o o = t o f ，； “一肋根的温度； ，一肋片距肋根x 处的温度； f ，一流体的温度； m = 办尸( 五么c ) h 一流体与肋片之间的对流换热系数； 尸一肋片的截面周长； 允一肋片的导热系数； a 。一肋片的横截面积。 1 4 可推导出 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 令z = h ，即可从式( 2 1 ) 得出肋端温度的计算式。因c h o = 1 ，故得 铭= 面o 面o( 2 - = ? ) 2 2 流体横向绕流圆柱体的流动及换热 2 2 1 流动特性 流体横向绕流圆柱体是指流体沿着垂直于管子轴线的方向绕流柱体表 面。流体横向绕流圆柱体流动除了具有边界层特征外，还会发生边界层分离， 而产生回流、漩涡和涡束【4 1 1 。当雷诺数r e 1 0 0 0 时，圆柱体后面己形成紊流尾迹区，且粘性影响区减小至足以采用 边界层简化【4 2 】。很多文献认为r e 1 5x1 0 5 时，边界层分离前的边界层为层 流，边界层分离发生在矽= 8 0 。一8 5 。处；r e 1 5 1 0 5 时，边界层分离前的边 界层为紊流，边界层分离发生在伊1 4 0 。处( 如图2 1 所示) 。 杂 ，一一 、3 ) 、 弋 ； 一3 3 h 一 彳澎 弋么声三 ( a )( b ) 图2 1 横向绕流圆柱体流动分离 ( a ) 、r e 1 5 1 0 5( b ) 、r e 1 5 1 0 5 哈尔滨下程大学硕士学位论文 2 2 2 换热特性 当与壁面有温差的流体横绕圆柱体时，流体和圆柱体壁面间将有对流换 热，反映柱面各点换热效果的参数是局部换热系数h ，用无量纲准则数表示 就是局部努塞尔m ，他们的表达式为 办= 一石；t 瓦o tl ，钟(2-4) ：掣( 2 - 5 ) a | 式中五，一流体的导热系数； a 砂l 。：。一贴壁处壁面法线方向上的流体温度变化率； 才一柱体的直径。 式( 2 4 ) e e 壁面法线_ k n n 度梯度西砂i 。：。会受到边界层的厚度和流态 的影响，因此边界层为层流的换热将不同于边界层为紊流的换热。且由于在 相同流态下，法向温度梯度的绝对值将随着边界层厚度的增加而减小，故在 层、紊流过渡点( 层流边界层最厚处) 附近局部换热系数h 将达到一极小值。 臻囤 图2 2 横向绕流柱体局部努塞尔数变化 1 6 剐 4 3 2 l 毒乏 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图2 2 是恒定热流壁面局部努塞尔数随角度够的变化。在低r p 数时，n u 数有一个极小点，这是流动分离发生的点；在高r p 数时，有两个极小点，第 一个是流动由层流转变为紊流的点，第二个是边界层分离发生的点【4 3 1 。 虽然局部努塞尔数看起来较为复杂，但平均努塞尔数却有很明显的渐变 规律，如图2 3 所示。用公式可以表示为 n u = c r e ”p r l 7 3 ( 2 6 ) 式中c 、”为常数，其值如表2 1 所示。 图2 3 横向绕流柱体平均努塞尔数变化 表2 - 1c 、n 之值 尺ec甩 o 4 4o 9 8 9o 3 3 0 4 4 00 9 l l 0 3 8 5 4 0 4 0 0 00 6 8 3 0 4 6 6 4 0 0 0 4 0 0 0 0 0 1 9 3o 6 1 8 4 0 0 0 0 4 0 0 0 0 00 0 2 6 60 8 0 5 2 3 测量原理 当高温流体流过圆形截面肋柱时( 如图2 4 所示) ，导热与对流联合作用 于肋柱上。对于肋柱插入流体管道部分，一方面高温流体与肋柱之间存在 对流换热；另一方面，端部和根部之间通过肋片导热，高温流体与肋片之 1 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 间对流换热的强弱直接影响肋片端部与根部间的导热。 等截面肋片导热公式： 图2 4 测试原理图 铭= 面o 面o c 力l ， 爿 其中m = 万? 西两，当肋为圆柱体时 m = 4 4 h a , , d 流体绕流圆柱体的换热准则式为 n u = c r e ”p r l 7 3 努塞尔数与换热系数h 的关系为 舰：丝 九f 将式( 2 6 ) 代入式( 2 - 5 ) 得 c r e ”p r l 7 3 兄， 力= d 将上式代入式( 2 7 ) ，得 ，4 c r e ”p r l7 3 旯， m 。= = o 九，d 。 其中， r p ：一u d v 将式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 代入式( 2 7 ) ，得 ( 2 3 ) ( 2 7 ) ( 2 6 ) ( 2 - 5 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 秽f竺4c2,盟fh2pru3d ( 2 1 1 ) a r c h ( x ) ：l n e x + 拉j 】 ( 2 1 2 ) 则质量流量为：q 。= a u p ，a 为流通面积；p 为密度。 从式中可看出，在确定的流动通道内，肋端和肋根温度的变化间接反 映了流体流速的变化。如果流体温度变化不是太大，乃、p 和y 可视 为定值，通道内流量的测量即可转化为肋端和肋根温度的测量，即流速为 、温差l l s o o , , 的单值函数。这时式( 2 1 1 ) 唰3 嘲硼；( 争 ( 2 - 1 3 ) 其中 g = 文碲耘厂 p 因此可以通过测量流体温度f ，肋柱顶端温度0 ，肋根温度，来测 得流体的流速，进而求出流量。相对于流量测量，这三个温度比较容易测 得且精确度较高。 式( 2 1 1 ) 也可写成无量纲数雷诺数与温差比之间的关系式 。2 15 ，”= 7 育( 2 一) 4 c 丸，h 。p 一 、 在固定流道中，肋柱的高度、直径都是确定的，因此式( 2 一1 4 ) 可以写为 = 南扣职争 p 若流体温度变化不是太大，五、旯，和p r 均可视为定值，则雷诺数与温 1 9 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 差比的关系可写为 船= c 3 a r c h ”( 争 ( 2 1 6 ) 式中 c 2 盘 ( 2 1 7 ) m = 二 ( 2 1 8 ) 2 4 测量实验的可行性分析 从式( 2 - 1 1 ) 可以看出，在基于传热原理进行流速测量时，与流速相关的 准则式是由多个参数决定的。而我们希望建立的是流速与温差比一一对应 的关系式，因此希望其它参数的变化或对流速测量的影响尽可能的小。这 就需要对这些参数进行分析，从而设计出合理的实验方案以减少实验次数 和实验误差。 本文中所述测量方法在原理上与文献 1 6 】的“基于导热与对流联合作用 原理高温管道流量测量研究 中介绍的高温蒸汽流量测量方法是一致的。 均是根据高温流体绕流柱体时流体与柱体的换热大小与流体绕流柱体的流 速有关的原理，通过监测插入流道的肋柱在不同点温度的变化来反映流量 的变化。在文献 1 6 的高温蒸汽管道实验中，所采用的作为肋柱的材料是碳 钢，试件直径为5 m m ，长度为5 2 m m ，在其迎流面需要测量温度的位置焊 接热电偶。虽然测量的原理基本相同j 但由于水的性质与蒸汽有差别，适 用于蒸汽的实验方案未必同样适用于以水为工质的实验，因此需要对实验 的可行性予以讨论。 2 4 1 肋柱材料 在推导等截面肋柱导热方程的过程中，有3 条基本假设，其中一条是： 表面上的换热热阻远远大于肋柱中的导热热阻，因而在任一截面上肋柱的 2 0 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 温度可以认为是均匀的。这就要求肋柱的导热系数要有足够大，才能保证 导热肋柱的热阻远小于流体与肋柱接触面的换热热阻。导热性较好且适合 做肋柱的材料基本都是金属材料，常用的金属材料物性参数如表2 2 所示。 表2 - 2 几种金属的物性参数 2 0 0 c 导热系数i w ( m k ) 材料名称 密度比热容温度p c 七g 埘3j ( k g 的 1 0 002 01 0 02 0 0 3 0 0 纯铝 2 7 1 09 0 22 4 32 3 6 2 3 6 2 4 02 3 8 2 3 4 纯铜8 9 3 0 3 8 64 2 l4 0 1 3 9 83 9 3 3 8 9 3 8 4 黄铜 8 4 4 03 7 79 01 0 6 1 0 9 1 3 11 4 3 1 4 5 黄金1 9 3 0 0 1 2 73 3 13 1 8 3 1 5 3 1 33 1 0 3 0 5 碳钢 7 8 4 0 4 6 55 0 5 4 9 84 7 5 4 4 8 4 2 o 银 1 0 5 0 02 3 44 3 14 2 84 2 74 2 24 1 54 0 7 在文献 1 6 1 的高温蒸汽实验中，试件使用的材料是碳钢，由于蒸汽绕流 柱体时的表面换热系数很低，因此在实验中使用导热系数较低的碳钢也能 满足“表面上的换热热阻远远大于肋柱中的导热热阻 的假设条件。但如 果以高温水作为实验工质，在相同的流速及几何条件下，水与肋柱将的换 热系数相对于蒸汽来说将有很大的提高，因此在实验中应该选用导热性能 更好的金属作为肋柱材料。从表2 2 可以看出，铝、纯铜、黄金和银导热性 都很好，基本能满足“表面上的换热热阻远远大于肋柱中的导热热阻”的 假设条件。其中铝价格便宜、密度小、硬度小容易加工，但是它的导热系 数相对于其它三种金属较小，而且比热容较大，因此若用铝作为传感器肋 柱进行实验响应速度会比用其它材料慢；黄金价格昂贵，用其作传感器肋 柱成本太高；银和纯铜导热率和比热容相差不大，且都很适合作为传感器 肋柱材料。银的物理特性比铜更为适合，但价格比铜贵，考虑到本论文的 流量测量实验只是对原理的验证性实验，而不是高精密度的测量实验，因 2 1 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 此决定在实验中选择铜作为传感器肋柱的材料。 2 4 2 肋柱直径和长度 本论文所述流量测量方法是基于传热原理进行流量测量，因此，导热 肋柱的传热性能十分重要。前文中讨论了肋柱的材料，确定以纯铜作为肋 柱的材料，肋柱的导热性能除了与材料有关外，还与肋柱的形状、尺寸有 关。由于计算方便，且比较容易加工，因此在实验中选用圆柱形肋柱。 在文献 1 6 的高温蒸汽实验测量时，使用的肋柱直径为5 m m ，插入流 道部分长度为5 2 m m ，肋柱从管壁一直插入到流道中心处。在实验中蒸汽温 度约为1 3 5o c ，压力约为0 3 m p a ，此时实验中肋柱的肋端、肋根温度及温 差比换热系数等的变化如表2 3 所示。从表中可以看出，当蒸汽温度与肋根 相差2 0o c 左右时，肋端与蒸汽的温差约为3 4o c ，温差较大，容易精确测 量。 表2 - 3 蒸汽实验各温度随流速变化 um s2 3 72 4 22 4 3 t f o c1 3 2 31 3 3 21 3 4 5 t h o c1 2 8 01 1 2 61 3 1 2 t 0 o c1 0 6 41 1 2 61 1 2 9 eo eh6 0 56 2 86 4 9 n u 2 4 2 l2 4 8 0 2 5 3 4 但是与气体相比，液体流量测量的特点是：液体的换热系数比气体大 很多，随流速的增加也很快，当流速增大到一定程度时，对流换热热阻与 肋柱内部的导热热阻相差不大，肋端温度与流体温度将十分接近，肋端和 肋根的温度基本不会随流速的变化而变化。因此管道中液体与肋柱的换热 量将会比气体大得多，如果不及时导出，则想要通过导热原理测量流量在 哈尔滨 二程大学硕十学位论文 实际工程中将不能实现。若在以水为工质的测量实验中，选用铜作为肋柱 材料，同样使用直径为5 m m ，插入流道部分长度为5 2 r a m 的肋柱。假设管 道中水与肋根相差2 0o c ，管道内水流温度t ，恒定为8 0 0 c ，肋根处的温度t o 保持不变，为6 0 0 c ，可以通过式( 3 1 1 ) 计算出此时的肋端温度及努塞尔数， 其值如图2 5 所示。 u ( m s ) 图2 5以水为工质时肋端温度及努塞尔数随流速变化 从图中可以看出，当管道中水流速为o o l m s 时，肋端与水之间有3o c 左右的温差，而当水流速度上升到0 5 m s 时，肋端与水之间的温差下降到 只有0 0 4o c ，这已经是一个非常难以测量的温差值了。这说明，在流体与 肋根的温差、管内流速等条件相同时，水与肋柱的换热量将远远大于蒸汽 与肋柱的换热量。因此需要对肋柱的长度及直径做适当的调整，使水传给 肋柱的热量能够及时散出到环境中，保证肋端与水有一定的温差值，进而 可以通过测量温差的变化来反映管道内流速的变化。 肋柱插入流道的长度必须远远大于流体的边界层厚度，才能反映主流 流体与肋柱换热的实际情况；但如果肋柱太长，则会加大肋柱与水之间的 换热面积，增加换热量，如不能及时地把从流体中得到的热量导出，流体 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 温度