CN103096527A

CN103096527A - 电加热棒装置

Info

Publication number: CN103096527A
Application number: CN2011103326396A
Authority: CN
Inventors: 孙艳飞; 杨星团; 刘洋; 任成�; 刘志勇; 贾海军
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: CN103096527B

Abstract

本发明公开了一种电加热棒装置，涉及反应堆热工水力学实验以及反应堆堆内电辅助加热技术领域。该装置包括一个或并排设置的多个电加热棒，每个所述电加热棒包括：多段发热管，用于将其中通过的电流转换为热能；多个中间过渡接头，连接于相邻的两段发热管之间，用于实现相邻的两段发热管之间的电气连接；两个端部电接头，分别设置于位于两端的两段发热管的一端，用于将电流引入发热管。本发明的装置适应各种加热棒外径、长度、栅距等要求、热流密度高、结构简单、可靠、且成本较低。

Description

电加热棒装置

技术领域

本发明涉及反应堆热工水力学实验以及反应堆堆内电辅助加热技术领域，尤其涉及一种电加热棒装置。

背景技术

核反应堆的堆芯燃料棒在放热过程中，燃料棒表面具有很高的热流密度。同时，热流密度沿燃料棒长度方向上的分布也常为正弦分布规律，属于非线性分布。在工程设计中，通常需要通过模拟核反应堆的热工水力学实验来模拟堆芯内部冷却介质的流动和传热的真实情况，验证与设计工况的差异，以避免实际反应堆中发生流动不稳定、流量脉动或膜态沸腾等现象，准确预测和防止核反应堆的运行事故。如何对反应堆堆芯进行更加真实的模拟一直是关键的实验技术和难点之一，主要关键技术难点有：燃料棒表面热流密度高；热流密度的分布为非线性；燃料棒长度大，即长径比大；栅距小。

由于核反应堆工程应用领域的特殊性，确保安全是首要问题。在反应堆热工流体研究领域注重1∶1的全尺寸、全参数模拟，而针对反应堆堆芯燃料元件的完全模拟就是其中最为关键的问题之一，因此，用具有和核燃料元件具有相同几何结构、尺寸、热工参数的电加热棒束来代替核燃料元件进行研究对反应堆安全以及反应堆技术发展具有重要意义。目前，成熟且商业化的电加热棒技术通常以耐热不锈钢管作为外保护套管，以内置电阻丝作为发热元件，二者之间填充绝缘材料，电阻丝产生的热量需要通过绝缘材料和外保护套管才能传给工作介质，因此限制了加热棒的工作温度和热流密度。相比于保护套管的外径来说加热丝的直径很小，为了达到所需的加热棒表面热流密度，加热丝表面的热流密度要达到此直径比的平方倍；与此同时，作为绝缘材料的氧化镁、氧化铝等绝缘物质往往是热的不良导体，其内部必须存在很大的温度梯度才能够传递足够高的热流；此外，由于需要模拟实际反应堆的情况，在长度较长、加热棒直径和间距较小的情况下，相邻元件可能局部接触引起传热恶化，从而容易导致烧毁。在这些因素的作用下，能满足模拟实际反应堆的加热元件，对其内置加热丝以及加热棒的加工工艺、材料选择具有很高的要求，往往难以满足实际需要，并且寿命较短、价格昂贵。另外，在高温高压的应用环境中，一旦保护套管产生微小裂纹，工质便会渗入加热棒内部，导致加热棒损毁。

鉴于上述电加热棒技术存在的问题，进行过将大电流通过直接浸在工质中的不锈钢管以加热工质的实验及应用。但这种方法存在的隐患是：当加热棒长径比较大时，加热棒的受力可以看做是双端悬臂梁模型，使得加热棒本身柔性很大，容易挠曲，此时，一方面热膨胀作用将导致加热棒工作时长度明显变大，如不能很好的补偿加热棒的热膨胀，容易造成加热棒弯曲，因为加热棒的栅距很小，相邻加热棒中间部位便很容易与其他加热棒接触并短路；另一方面，高的电流强度产生的强磁场也会使电加热棒之间产生排斥或吸引力，同样会造成加热棒弯曲和接触短路，加热棒便不能正常工作直至烧毁或发生其他危险。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种适应各种加热棒外径、长度、栅距等要求、热流密度高、结构简单、可靠、且成本较低的电加热棒。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种电加热棒装置，该装置包括一个或并排设置的多个电加热棒，每个所述电加热棒包括：多段发热管，用于将其中通过的电流转换为热能；多个中间过渡接头，连接于相邻的两段发热管之间，用于实现相邻的两段发热管之间的电气连接；两个端部电接头，分别设置于位于两端的两段发热管的一端，用于将电流引入发热管。

优选地，每个所述电加热棒还包括：多个中间绝缘组件，分别设置于所述中间过渡接头外周，用于实现相邻的电加热棒之间的绝缘与支撑。

优选地，所述中间绝缘组件进一步包括：陶瓷绝缘环，沿轴向分为两半，对扣于所述中间过渡接头外壁；不锈钢格架，套于所述陶瓷绝缘环外，与所述陶瓷绝缘环过盈配合。

优选地，所述不锈钢格架上设置有槽，相邻的两个电加热棒的两个所述不锈钢格架之间通过所述槽扣紧连接。

优选地，该装置还包括：端部绝缘陶瓷套管，套于所述端部电接头外壁。

优选地，该装置还包括：至少两个端部支撑板，用于将所述端部电接头固紧。

优选地，所述端部支撑板通过螺母将所述端部电接头固紧，所述螺母与所述端部支撑板之间设置有陶瓷绝缘垫圈。

优选地，所述电加热棒装置其中一端的螺母与所述陶瓷绝缘垫圈之间设置有弹簧。

优选地，所述端部电接头、多段发热管、以及中间过渡接头之间通过螺纹连接或通过焊接连接。

优选地，所述发热管由304不锈钢管或306不锈钢管制成。

(三)有益效果

本发明的电加热棒可以很好的模拟核反应堆燃料元件，以大热流密度加热高温高压的低电导率流体，并且能够灵活适应各种加热棒外径、长度、栅距等要求，流动阻力小且具有高度的坚固性和耐用性。该装置具有热流密度高、结构简单、可靠、成本低等优点。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的电加热棒装置的结构示意图；

图2为依照本发明一种实施方式的电加热棒装置的不锈钢格架的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的电加热棒装置，结合附图及实施例详细说明如下。

本发明的电加热棒装置包括一个或并排设置的多个电加热棒，本实施方式以两个电加热棒为例。如图1所示，依照本发明一种实施方式的电加热棒装置中，电加热棒均包括：

多段发热管3(本实施方式为2段，但不限于此)，该发热管为直接浸没在被加热流体中的通电金属管，可由304不锈钢管或306不锈钢管制成，用于将其中通过的电流转换为热能，根据发热段总长度和热流密度合理安排每段发热管的壁厚和长度，尽量接近要求的热流密度分布情况并且严格控制每段加热管的长径比小于40以保证其具有足够的刚度。中间过渡接头6(本实施方式中为一个，但不限于此)，连接于相邻的两段发热管3之间，可为铜与不锈钢的硬钎焊焊接结构，用于实现相邻的两段发热管3之间的电气连接。两个端部电接头，分别设置于位于两端的两段发热管的一端，即上端部电接头12以及下端部电接头1，用于将电流引入发热管3。多个中间绝缘组件(本实施方式中为1个，但不限于此)，设置于中间过渡接头6外周，用于实现相邻的电加热棒之间的绝缘与支撑。

在本实施方式的电加热棒装置中，中间绝缘组件进一步包括：陶瓷绝缘环5，其沿轴向分为两半，对扣于中间过渡接头6外壁，设置陶瓷绝缘环5处的过渡接头6的外径小于其它部分的外径，以限制中间过渡接头6的轴向移动；不锈钢格架4，套于陶瓷绝缘环5外，不锈钢格架4的内孔直径略小于中间陶瓷绝缘环5的外径，从而靠二者之间的过盈配合实现固定。

如图2所示，不锈钢格架4上设置有槽，相邻的两个电加热棒的两个不锈钢格架4之间通过该槽扣紧连接。

该装置还包括：端部绝缘陶瓷套管，套于端部电接头的外壁。至少两个端部支撑板，用于将端部电接头固紧。

如图1中所示，上端部支撑板8以及下端部支撑板2分别通过螺母11将上端部电接头12以及下端部电接头1固紧，螺母11与端部支撑板之间设置有陶瓷绝缘垫圈9，以保持二者之间的电绝缘。

特别地，在上端部的螺母11与对应的陶瓷绝缘垫圈9之间设置有弹簧10，以补偿电加热棒装置工作时因热膨胀造成的长度变化，避免电加热棒弯曲。

上述端部电接头、多段发热管、以及中间过渡接头之间可通过螺纹连接也可通过氩弧焊焊接连接，且连接部位保持良好的电接触性。此均为本领域的成熟技术，在此不做为对本发明的限制。

本发明的电加热棒装置装配过程如下：

首先要根据具体要求选定合适的发热管外径和加热棒长度，综合考虑加热棒表面热流密度及分布要求、加热电源电压、所选发热管材料电阻率、发热段总长度等因素确定各段发热管的壁厚。

材料准备好后，安装电加热棒的下端，先将端部陶瓷绝缘套管7套在下端部电接头1上，再将下端部电接头1与下支撑板2用螺母11固定紧，其中，螺母11和下支撑板2之间设置陶瓷绝缘垫圈9。

然后，将陶瓷绝缘环5扣于中间过渡接头6外壁，不锈钢格架4套于陶瓷绝缘环5外，将相邻两根电加热棒的对应的不锈钢格架4之间通过其上的槽相互扣紧连接。

再安装电加热棒的上端，与下端安装类似，不同之处在于，在螺母11和陶瓷绝缘垫圈9之间设置一段弹簧10，用以补偿加热棒工作时因热膨胀造成的长度变化，避免加热棒弯曲。

电加热棒装置的机械安装完毕后，就可以将引电电极与上、下端部电接头进行电气连接。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种电加热棒装置，其特征在于，该装置包括一个或并排设置的多个电加热棒，每个所述电加热棒包括：

多段发热管，用于将其中通过的电流转换为热能；

多个中间过渡接头，连接于相邻的两段发热管之间，用于实现相邻的两段发热管之间的电气连接；

两个端部电接头，分别设置于位于两端的两段发热管的一端，用于将电流引入发热管。

2.如权利要求1所述的电加热棒装置，其特征在于，每个所述电加热棒还包括：

多个中间绝缘组件，分别设置于所述中间过渡接头外周，用于实现相邻的电加热棒之间的绝缘与支撑。

3.如权利要求1所述的电加热棒装置，其特征在于，所述中间绝缘组件进一步包括：

陶瓷绝缘环，沿轴向分为两半，对扣于所述中间过渡接头外壁；

不锈钢格架，套于所述陶瓷绝缘环外，与所述陶瓷绝缘环过盈配合。

4.如权利要求3所述的电加热棒装置，其特征在于，所述不锈钢格架上设置有槽，相邻的两个电加热棒的两个所述不锈钢格架之间通过所述槽扣紧连接。

5.如权利要求1所述的电加热棒装置，其特征在于，该装置还包括：

端部绝缘陶瓷套管，套于所述端部电接头外壁。

6.如权利要求1所述的电加热棒装置，其特征在于，该装置还包括：

至少两个端部支撑板，用于将所述端部电接头固紧。

7.如权利要求6所述的电加热棒装置，其特征在于，所述端部支撑板通过螺母将所述端部电接头固紧，所述螺母与所述端部支撑板之间设置有陶瓷绝缘垫圈。

8.如权利要求7所述的电加热棒装置，其特征在于，所述电加热棒装置其中一端的螺母与所述陶瓷绝缘垫圈之间设置有弹簧。

9.如权利要求1所述的电加热棒装置，其特征在于，所述端部电接头、多段发热管、以及中间过渡接头之间通过螺纹连接或通过焊接连接。

10.如权利要求1-9任一项所述的电加热棒装置，其特征在于，所述发热管由304不锈钢管或306不锈钢管制成。