一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置及实验方法

1.本发明涉及的是一种气溶胶颗粒沉积壁面制备的实验装置及实验方法。


背景技术：

2.在反应堆发生类似堆芯熔毁等严重事故后，堆芯的燃料元件包壳会大面积失效，放射性核素进入一回路并最终随冷却剂释放到安全壳内。气溶胶是放射性核素在安全壳气相空间的主要存在状态之一，会在安全壳内弥散并迁移。气溶胶的迁移途径可能有多种，壁面沉积是其中的一个重要途径。安全壳内壁有广阔的沉积表面，安全壳内还有很多设备和隔板，气溶胶在重力、布朗扩散、热泳及扩散泳等效应的作用下，会运动并沉积到设备表面、隔间地板和安全壳壁面。因此，固体壁面是严重事故后安全壳内放射性气溶胶的主要积存位置之一。气溶胶颗粒沉积壁面伴随的热工水力现象又会导致放射性二次迁移。一回路冷却剂泄漏发生闪蒸会促使安全壳内弥散大量的蒸汽，蒸汽在遇到安全壳内的壁面时会产生冷凝。壁面气溶胶颗粒的存在一方面会影响冷凝表面的结构，改变壁面凝结核的分布，也可能会引入冷凝换热热阻，进而对冷凝换热特性产生影响。另一方面，壁面冷凝水的产生会对沉积气溶胶颗粒产生冲刷，带来放射性气溶胶进一步的迁移，影响安全壳内的放射性分布特性。综上所述，气溶胶颗粒沉积表面的冷凝换热、气溶胶冲刷迁移等过程，会对安全壳内的热工水力特性及放射性迁移特性产生影响。因此为了评估其可能存在的影响机制，需要针对气溶胶颗粒沉积表面，开展冷凝换热及气溶胶冲刷等行为研究。
3.气溶胶的释放和迁移沉积在实际事故进程中会长时间的持续进行，气溶胶的沉积机制也存在多种变化，例如颗粒间的凝并现象、潮湿环境的吸湿增长、近壁面的扩散泳沉积及大空间的自然沉降等，这使得安全壳内不同时间的不同壁面气溶胶沉积特性存在着较大差异。不同粒径、不同质量密度的壁面气溶胶沉积对于冷凝换热及气溶胶冲刷迁移等过程可能产生不同的影响，为了准确评估沉积壁面的影响方式，针对单一变量下的沉积壁面开展实验研究是十分必要的。这为研究用气溶胶颗粒沉积壁面的制备和测量提出了较高的要求。
4.对于气溶胶冲刷的相关实验研究，沉积壁面的制备是必不可少的，专利号202210175277.2提出了一种壁面气溶胶冲模拟的方法，包含对气溶胶沉积壁面的制备，然而并未提及具体的制备方法和沉积量测量方法。“experimental and analytical investigations of aerosol processes—wash-out and wash-down(freitag，2018)”在进行实验研究时，采用了沉积样片采样的方法测量了不同沉积壁面的沉积质量，测量方法直接可信，实验采用大空间沉积，沉积质量密度较为均匀。然而较多测量样片的放置改变了壁面结构会对冲刷过程有较大的影响。
5.经过调研发现，气相空间取样测量是评估气溶胶沉积特性的主要手段，如专利号201911116369.8和专利号202210280460.9提出的沉积特性测量方法，对管道空间进行采样，分别针对不同条件下的沉积特性和沉积率等进行测量，然而这些沉积特性测量仅针对
不同的特定管道环境，难以较精确地适用于大空间沉积环境的评估。专利号201210163291.7提出了一种窄矩形通道内可视化的气溶胶运动沉积观测系统，可以建立窄矩形气溶胶沉积环境，并简单评估气溶胶的沉积运动规律，然而难以准确评估气溶胶的沉积量。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供能够制备分布较为均匀的沉积壁面，并测量气溶胶颗粒沉积密度分布，为开展沉积壁面的热工特性实验提供支持的一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置及实验方法。
7.本发明的目的是这样实现的：
8.本发明一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置，其特征是：包括空气压缩机、储气罐、干燥罐、流量计、气溶胶发生器、过渡段、沉积实验段、对照实验段、后处理水箱，空气压缩机、储气罐、干燥罐、流量计、气溶胶发生器、过渡段依次连接，储气罐与干燥罐之间安装第一阀门，干燥罐与流量计之间安装第二阀门，过渡段分别连接后处理水箱、沉积实验段和对照实验段，过渡段与对照实验段之间安装第三阀门，过渡段与反处理水箱之间安装第四阀门，过渡段与沉积实验段之间安装第五阀门，沉积实验段和对照实验段的出口分别连接反处理水箱，沉积实验段与反处理水箱之间设置第六阀门，对照实验段与反处理水箱之间设置第七阀门，后处理水箱设置第八阀门。
9.本发明一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置还可以包括：
10.1、所述过渡段包括入口段、段体，入口段安装在段体的前端，段体的后端设置排气口，入口段与段体之间设置过渡均流板，段体里设置有取样管。
11.2、所述沉积实验段包括沉积腔室、实验壁面，实验壁面安装在沉积腔室下方，二者通过g型夹和橡胶垫片相连，沉积腔室顶端安装钢化玻璃，沉积腔室的前后两侧分别设置腔体入口段和排气口，腔体入口段与沉积腔室之间设置沉积均流板，沉积腔室里设置取样管，取样管连接粒径谱仪。
12.3、所述对照实验段与沉积实验段结构相同，对照实验段的地步设置有取样样片。
13.一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验方法，其特征是：
14.实验准备阶段：密封沉积实验段，对照实验段的实验壁面均匀布置样片，并进行密封，对所用气溶胶在120
°
环境下进行12小时的烘干，去除水分，启动空气压缩机向储气罐充气20分钟来进行高压气源制备，开启第八阀门向后处理水箱注入水至预设水位，打开第二-第七阀门，开启第一阀门通入干空气并排除水分，排气完毕后关闭第一阀门，向气溶胶发生器内装入干气溶胶，关闭第二-第七阀门，连通过渡段的压力传感器和沉积实验段的压力传感器和流量计，开启粒径谱仪进行预热；
15.实验阶段：打开第一阀门调节至实验预设上游压力，开启第二阀门和第四阀门，过渡段和气溶胶发生器连通，在管路上游压力的作用下配送气溶胶及配送气流流入过渡段并经过第四阀门进入后处理水箱，含气溶胶气流经过水箱后气溶胶被过滤，调节第二阀门并监测流量计和过渡段压力传感器，建立预设的流动压力，开启第六阀门和第七阀门，调节第三阀门和第五阀门，向沉积实验段内引入配送气流，调节管路阀门稳定过渡段的压力并检测实验腔室压力传感器建立稳定的沉积腔室压力环境，同时对称测试腔室建立同样的压力
环境，管路压力环境建立后检测压力及流量参数，调节阀门来保证配送及沉积环境的稳定，稳定后每隔五分钟开启沉积腔室取样管路阀门，分别对不同位置的气体进行取样测量，记录取样时间和取样位置，通过沉积腔室视窗实时关注腔室内部沉积情况；
16.实验结束：当沉积时间及预估沉积量满足要求时可结束实验，结束实验时首先关闭第一阀门，关闭空气压缩机，切断气源，关闭粒径谱仪并拷贝实验数据，关闭各仪表电源，静置实验装置，等待装置内气溶胶全部沉降后，打开沉积腔室获取沉积壁面，打开对称测试腔室取出沉积气溶胶后的样片，进行称重测量进而评估气溶胶沉积密度，及沉积量分布；打开第八阀门进行疏水，并使用清水对反处理水箱和实验段进行清洗，使用高压气流对管路残留气溶胶进行吹扫。
17.本发明的优势在于：
18.1、可以制备自然沉降环境颗粒沉积壁面。基于实验装置配送气溶胶并建立气溶胶弥散环境，利用气溶胶的重力沉降效应，让其在弥散空间内自然沉降，实现空间底部颗粒沉积壁面的制备；
19.2、可以沉积壁面颗粒参数的无损精确测量。采用对照测量腔室的创新设计，解决了样片对沉积壁面破坏的技术难题，通过取样实验段的样片称重测量，可以对壁面气溶胶颗粒沉积质量及壁面质量密度分布进行表征，同时通过实验段腔室的空间气溶胶取样测量系统可以获取沉降气溶胶颗粒的粒径分布；
20.3、实验可以建立均匀稳定的气溶胶弥散环境。实验气溶胶配送管路设计过渡段可用于去除质量较大的凝并颗粒，所述配送过渡段及实验段共包含两级均流阻力件，配合较大尺寸的沉积腔室实现均匀粒径、均匀浓度气溶胶环境的建立。
附图说明
21.图1为本发明的结构示意图；
22.图2为过渡段示意图；
23.图3为沉积实验段示意图；
24.图4为沉积壁面密封局部图；
25.图5为样片布置图。
具体实施方式
26.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
27.结合图1-5，本发明一种用于气溶胶颗粒沉积壁面制备的实验装置，由气体供应管路1～6、气溶胶配送管路7～11、气溶胶沉积壁面制备腔室12、沉积对照测量腔室13和后处理水箱18以及连接管道组成，不同位置布置压力测点8.3、12.4用于监控装置回路的压力变化。实验装置的基本原理如下：空气压缩机提供气溶胶配送的气源，气溶胶颗粒在气溶胶发生器内流化跟随气体被配送至沉积实验段，沉积实验段分为左右对称两个腔室，一个腔室作为制备腔室，底部为制备壁面，气溶胶在腔室内沉降制备沉积壁面，另一个腔室作为对照腔室提供完全相同的气溶胶环境，底部壁面布置取样样片测量表征制备壁面的沉积密度。同时为了提高配送气溶胶的均匀性，在气溶胶配送管路设置过渡腔室，腔室设置均流板和过渡段，过渡腔室内以管路取样的方式引出配送气溶胶，保证沉积腔供应气溶胶的均匀性。
28.沉积实验段由腔体12、压力传感器12.4和沉积壁面16等组成。其中腔体设置有钢化玻璃视窗12.1、均流板12.2和取样管12.3，腔体由不锈钢材料制成，腔体与沉积平板连接处设置有橡胶垫圈12.5和g型夹12.6，沉积平板与腔体外沿通过垫圈加持密封。钢化玻璃12.1a镶嵌在不锈钢腔体的顶部，用于观察腔室内的气溶胶环境，几个取样管12.3等距分布在腔室内，用于环境气溶胶的取样，均流板12.2安装固定在腔体入口处均匀分配配送气流。流量调节阀11和压力传感器12.4通过螺纹卡套分别固定安装在实验段的入口处和腔体处，用于调节和检测沉积实验段的压力和流量。对照实验段13与沉积实验段12采用相同的设计方式，尺寸及装置完全相同。不同之处在于，对照实验段13底部平板表面分布设置取样样片13.1，样片采用与平板壁面相同的材料与加工表面。沉积实验段和取样实验段是整个实验装置的核心部分，主要通过建立稳定均匀的气溶胶弥散空间，制造气溶胶自然沉降环境，通过持续的自然沉降作用，制备气溶胶颗粒沉积壁面。同时基于取样管的空间气溶胶取样，表征气溶胶粒径分布水平，通过取样实验段的壁面沉积气溶胶取样，表征气溶胶沉积质量及质量分布，进而量化颗粒沉积壁面的沉积水平。
29.气体供应管路由空气压缩机1、储气罐2、干燥罐4、流量计6、阀门3、5以及连接管道组成。实验初期可通过空气压缩机1和储气罐2储存一定压力的空气，减压阀3和储气罐2相连，可在配送空气的时候调节配送压力。干燥罐4置于配送管道可对配送空气进行除水干燥处理，实验通过调节阀5和流量计6分别调节和监测气体配送流量，进而保证配送气溶胶的浓度。
30.气溶胶配送管路由气溶胶发生器7、过渡段8、阀门9、10、11相应连接管道组成。气溶胶发生器7内气溶胶颗粒流化进入配送气体，过渡段8置于气溶胶发生器7后，内部设置有均流板8.1、取样管8.2和压力传感器8.3，可以提高配送气体气溶胶的浓度均匀性。过渡段8后分别是沉积实验段入口阀11、对照实验段入口阀9和过渡段排气阀10，用于调控气溶胶配送量。
31.后处理水箱由水箱18和阀门19组成，水箱18置于沉积实验段13、对照测量实验段13和过渡段8下游，可以对实验排气进行过滤排放，水箱18底部设置有阀门19，用于注水和排水。
32.如图1所示，该装置由气体供应管路1～6、气溶胶配送管路7～11、18、沉积腔室12、对称测量腔室13、取样测量管路17、20以及连接管道组成，管道相关部位设置有减压阀3、调节阀5、9、10、11、14、15、20和流量计6，管路还设置有粒径谱仪17用于测量气溶胶的浓度和粒径。管路的核心部分是气溶胶配送系统，包括气溶胶发生器7和过渡段8，过渡段后依次通过沉积制备腔入口阀11、沉积测量腔入口阀9和排气阀10与各实验段连接，为保证沉积实验段内的气溶胶粒径均匀，入口管路采用过渡段内取样的方式连接。调节阀5和空气流量计6置于气溶胶发生器7前端，用于调节并监测气溶胶配送气流的流量，管路采用气动软管连接，方便气溶胶发生器7的拆卸和气溶胶的更换。气溶胶配送段通过管路与干燥罐4相连来确保空气源的干度，提高气溶胶配送的质量。沉积腔室12是实验装置的核心，前后通过进出口流量调节阀1114与气溶胶配送过渡段8和后处理水箱18相连接。腔室内部通过取样调节阀门20和相应连接管路与粒径谱仪17相连。对称测量腔室13采用相同的设计与沉积腔室12并联安置。实验各部分管路系统如此连接成为一个整体。
33.气溶胶颗粒沉积壁面制备的实验装置的总体工作过程如下所述。1.实验准备阶
段：将沉积气溶胶制备壁面清理干净，在上方安装沉积腔室12并进行密封，将对称测量腔室13底部壁面同样清理干净，均匀布置样片13.1，并进行腔室安装密封。对所用气溶胶在120
°
环境下进行12小时的烘干，充分去除水分。检查管路阀门均处于关闭状态，启动空气压缩机1向储气罐2充气20分钟来进行高压气源制备。开启注/排水阀19向后处理水箱18注入足够的水至预设水位。装置连通未装入气溶胶的洁净气溶胶发生器7，打开回路中的调节阀门5、9、10、11、14、15连通各条管路及实验段，开启减压阀3向装置内通入干空气并排除装置内空间的水分。排气完毕后关闭减压阀3，向气溶胶发生器内装入干气溶胶，并连入管路。关闭各管路阀门，连通压力传感器8.3和12.4和流量计6电源，开启粒径谱仪17进行预热。2.实验阶段：打开减压阀3调节至实验预设上游压力，开启调节阀门5和排气阀门10，过渡段8和气溶胶发生器7连通，在管路上游压力的作用下配送气溶胶及配送气流流入过渡段8并经过排气阀门10进入后处理水箱18，含气溶胶气流经过水箱后气溶胶可被过滤。调节配送阀门5并监测流量计6和过渡段压力传感器8.3，建立一定的流动压力。开启沉积实验腔和对称测量腔室的排气阀门14和15，调节腔室入口阀门9和11，向沉积实验段内引入配送气流。调节管路阀门稳定过渡段的压力并检测实验腔室压力传感器12.4建立稳定的沉积腔室12压力环境，同时对称测试腔室13建立同样的压力环境。装置管路压力环境建立后检测压力及流量参数，调节阀门来保证配送及沉积环境的稳定。稳定后每隔五分钟开启沉积腔室取样管路阀门，分别对不同位置的气体进行取样测量，记录取样时间和取样位置，通过沉积腔室视窗12.1可实时关注腔室内部沉积情况。3.实验结束：当沉积时间及预估沉积量满足要求时可结束实验。结束实验时首先关闭减压阀3，关闭空气压缩机1，切断气源。关闭粒径谱仪17并拷贝实验数据，关闭各仪表电源。静置实验装置，等待装置内气溶胶全部沉降后，可打开沉积腔室12获取沉积壁面。打开对称测试腔室13取出沉积气溶胶后的样片13.1，可进行称重测量进而评估气溶胶沉积密度，及沉积量分布。打开水箱排水/注水阀19进行疏水，并使用清水对水箱18和实验段进行清洗，使用高压气流对管路残留气溶胶进行吹扫。
34.如图1所示，气溶胶配送管路由气溶胶发生器7、过渡段8和排气阀门10等组成，不锈钢制气溶胶发生器7、排气阀门10和调节阀门9和11分别通过不锈钢管与过渡段8的入口、出口和取样口通过螺纹卡套连接，为消除静电效应影响管路均进行了接地。如图2所示，过渡段装置由装置主体、均流板8.1、取样管8.2和压力传感器8.3等几部分组成。装置入口段8.5和段体8.4出口排气处分别设置为渐扩和渐缩段。入口段8.5与段体8.4通过法兰连接，均流板8.1在法兰中间夹持固定，可均匀分配入口处的气流。两根取样管8.2在段体后半段对称伸入到过渡段中间位置，取样气溶胶配送气流，分别配送至气溶胶沉积腔室12和对称测量腔室13。压力传感器12.4与过渡段侧壁开口螺纹连接，用于测量沉积过渡段内的压力值，排气口处通过螺纹与排气阀10连接，可进行减压排气。
35.如图1所示，沉积实验段由沉积实验腔12、对称测试腔13、沉积壁面16、排气阀14和15以及连接管道组成。沉积实验腔12和对称测试腔13分别与过渡段取样管8.2通过调节阀9和10和相应管路通过螺纹卡套连接。实验段出口管路伸入到后处理水箱液面以下18，用于过滤气相中剩余气溶胶。如图3所示，沉积实验腔12为立方箱体，用于建立气溶胶沉降环境，腔体上方安装有玻璃视窗12.1，视窗由钢化玻璃12.1a和钢制法兰12.1b组成，玻璃镶嵌在法兰上并通过玻璃胶固定密封，视窗整体与腔体通过螺栓和橡胶垫片进行法兰连接，既保证实验过程的腔室密封又方便实验结束后拆卸清理。腔体入口段12.5设计为截面渐扩段，
通过法兰与腔体连接，均流板12.2通过法兰夹持固定在入口处。腔体内部伸入三根取样管12.3，等距分布在腔体下方靠近实验壁面16处，用于取样环境气溶胶。腔体壁面安装有压力传感器12.4，监测沉积腔室12内部的压力变化。腔体底部设置有外沿，如图4所示，腔体12通过外沿与目标沉积壁面相连接，连接方式为g型夹12.7夹持连接，腔体与壁面之间夹有橡胶垫片12.6，用于腔室的密封。
36.如图5所示，为对称沉积测量腔室13底部壁面的样片13.1布置，对称测量腔室13与沉积实验腔室12结构相同，可具备相同的沉积环境。样片13.1为小尺寸矩形薄片，材料与沉积壁面材料相同，均匀分布在整个沉积壁面，可进行称重测量，表征各位置的沉积密度。
37.取样测量系统，由粒径谱仪17、取样阀门20和相应连接管路组成，为消除取样过程的静电影响，取样管路采用不锈钢管并进行接地，三个取样阀门20分别安装在三个取样管路并联布置，管路另一侧与粒径谱仪17相连接，实验中可实时切换取样阀门20，取样测量沉积实验腔室12和对称测量腔室13的气溶胶浓度及粒径。

技术特征：
1.一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置，其特征是：包括空气压缩机、储气罐、干燥罐、流量计、气溶胶发生器、过渡段、沉积实验段、对照实验段、后处理水箱，空气压缩机、储气罐、干燥罐、流量计、气溶胶发生器、过渡段依次连接，储气罐与干燥罐之间安装第一阀门，干燥罐与流量计之间安装第二阀门，过渡段分别连接后处理水箱、沉积实验段和对照实验段，过渡段与对照实验段之间安装第三阀门，过渡段与反处理水箱之间安装第四阀门，过渡段与沉积实验段之间安装第五阀门，沉积实验段和对照实验段的出口分别连接反处理水箱，沉积实验段与反处理水箱之间设置第六阀门，对照实验段与反处理水箱之间设置第七阀门，后处理水箱设置第八阀门。2.根据权利要求1所述的一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置，其特征是：所述过渡段包括入口段、段体，入口段安装在段体的前端，段体的后端设置排气口，入口段与段体之间设置过渡均流板，段体里设置有取样管。3.根据权利要求1所述的一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置，其特征是：所述沉积实验段包括沉积腔室、实验壁面，实验壁面安装在沉积腔室下方，二者通过g型夹和橡胶垫片相连，沉积腔室顶端安装钢化玻璃，沉积腔室的前后两侧分别设置腔体入口段和排气口，腔体入口段与沉积腔室之间设置沉积均流板，沉积腔室里设置取样管，取样管连接粒径谱仪。4.根据权利要求3所述的一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置，其特征是：所述对照实验段与沉积实验段结构相同，对照实验段的地步设置有取样样片。5.一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验方法，其特征是：实验准备阶段：密封沉积实验段，对照实验段的实验壁面均匀布置样片，并进行密封，对所用气溶胶在120
°
环境下进行12小时的烘干，去除水分，启动空气压缩机向储气罐充气20分钟来进行高压气源制备，开启第八阀门向后处理水箱注入水至预设水位，打开第二-第七阀门，开启第一阀门通入干空气并排除水分，排气完毕后关闭第一阀门，向气溶胶发生器内装入干气溶胶，关闭第二-第七阀门，连通过渡段的压力传感器和沉积实验段的压力传感器和流量计，开启粒径谱仪进行预热；实验阶段：打开第一阀门调节至实验预设上游压力，开启第二阀门和第四阀门，过渡段和气溶胶发生器连通，在管路上游压力的作用下配送气溶胶及配送气流流入过渡段并经过第四阀门进入后处理水箱，含气溶胶气流经过水箱后气溶胶被过滤，调节第二阀门并监测流量计和过渡段压力传感器，建立预设的流动压力，开启第六阀门和第七阀门，调节第三阀门和第五阀门，向沉积实验段内引入配送气流，调节管路阀门稳定过渡段的压力并检测实验腔室压力传感器建立稳定的沉积腔室压力环境，同时对称测试腔室建立同样的压力环境，管路压力环境建立后检测压力及流量参数，调节阀门来保证配送及沉积环境的稳定，稳定后每隔五分钟开启沉积腔室取样管路阀门，分别对不同位置的气体进行取样测量，记录取样时间和取样位置，通过沉积腔室视窗实时关注腔室内部沉积情况；实验结束：当沉积时间及预估沉积量满足要求时可结束实验，结束实验时首先关闭第一阀门，关闭空气压缩机，切断气源，关闭粒径谱仪并拷贝实验数据，关闭各仪表电源，静置实验装置，等待装置内气溶胶全部沉降后，打开沉积腔室获取沉积壁面，打开对称测试腔室取出沉积气溶胶后的样片，进行称重测量进而评估气溶胶沉积密度，及沉积量分布；打开第八阀门进行疏水，并使用清水对反处理水箱和实验段进行清洗，使用高压气流对管路残留
气溶胶进行吹扫。

技术总结
本发明的目的在于提供一种用于核事故气溶胶模拟沉积壁面制备的实验装置及实验方法，包括空气压缩机、储气罐、干燥罐、流量计、气溶胶发生器、过渡段、沉积实验段、对照实验段、后处理水箱，空气压缩机、储气罐、干燥罐、流量计、气溶胶发生器、过渡段依次连接，过渡段分别连接后处理水箱、沉积实验段和对照实验段，沉积实验段和对照实验段的出口分别连接反处理水箱。本发明可以对所制备沉积壁面的沉积质量分布进行测量和表征，回路设计均考虑配送气溶胶的均匀性，可制备颗粒质量分布较为均匀的沉积壁面。壁面。壁面。


技术研发人员：谷海峰 孙庆洋 周艳民 鄂鑫诺 王效 梁辉 马钎朝 李韬
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/7