CN103280143A - 一种基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段及其实验方法，其实验段包括耐高温不锈钢管、内部自带热电偶的电加热棒、不带热电偶的电加热棒、盖板、隔板、取压管和进出口支管；电加热棒都装配在耐高温不锈钢管内，两端焊接盖板，在耐高温不锈钢管内焊接两个不锈钢隔板；在耐高温不锈钢管外部同时焊接有三个铠装热电偶套管；取压管均焊接在耐高温不锈钢管外壁面；实验段左端放置三个加热棒，右端放置四个加热棒；左端加热棒与右端加热棒交叉放置；本发明是针对聚变裂变混合堆水冷包层模型制作的实验段，模拟其结构下的流动换热情况；能够在高温高压下使用，密封绝缘性能良好，结果易于测量，结构紧凑，适合装配于核反应堆热工水力高温高压实验回路上。
Description
技术领域
本发明涉及聚变裂变混合堆设备实验技术领域，具体涉及一种基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段及其实验方法。
背景技术
核反应堆热工水力高温高压实验回路，是对水进行两相沸腾特性进行试验研究的平台。对于聚变裂变混合堆的水冷包层实验段，有很多不同技术。
例如，中国专利201120359365.5提供了一种紧密排列细棒燃料组件通道温度测量装置。包括定位组件和热电偶组件，但是只适合压水反应堆的燃料棒束通道进行温度测量，不适合聚变裂变混合堆水冷包层的流动与传热特性的测量。
又如，中国专利201010523283.X提供了一种油膜驱替模拟装置，主要由玻璃棒束、端口密封盖，应用于评价多孔介质的驱替特性。但是其测量介质为石油，不能用应用于水，由于其采用的是玻璃棒束，也无法解决棒束通道内的高温、密封问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于混合堆水冷包层的实验段及其使用方法，本发明是针对聚变裂变混合堆水冷包层模型制作的实验段，模拟其结构下的流动换热情况；能够在高温高压下使用，密封绝缘性能良好，工作安全可靠，结果易于测量，设计合理，结构紧凑，适合装配于核反应堆热工水力高温高压实验回路上。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，包括耐高温不锈钢管5、间隔预设距离设置在耐高温不锈钢管5内的左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901，安装在耐高温不锈钢管5左右两端带有多个通孔的左端不锈钢盖板2和右端不锈钢盖板201；在左端不锈钢盖板2的通孔中插入穿过左端不锈钢隔板9且末端支撑在右端不锈钢隔板901上的左端自带热电偶的电加热棒1、第一不带热电偶的加热棒81和第二不带热电偶的加热棒82；在右端不锈钢盖板201的通孔中插入穿过右端不锈钢隔板901且末端支撑在左端不锈钢隔板9上的右端自带热电偶的电加热棒101、第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84和第五不带热电偶的加热棒85；在耐高温不锈钢管5位于左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901之间区域相对的两侧设有进口管10和出口管6，进口管10靠近左端不锈钢隔板设置，出口管6靠近右端不锈钢隔板设置；在耐高温不锈钢管5上相对进口管10的另一侧设置有第一差压变送器取压管3和绝对压力取压管4；在耐高温不锈钢管5上相对出口管6的另一侧设置有第二差压变送器取压管12；在进口管10上和出口管6上均设有铠装热电偶套管11，在耐高温不锈钢管5上位于左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901之间区域也间隔设置有三个铠装热电偶套管11，在所述铠装热电偶套管11内均设有铠装热电偶；所述左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901之间区域构成聚变裂变混合堆水冷包层的实验段。
所述左端自带热电偶的电加热棒1、第一不带热电偶的加热棒81和第二不带热电偶的加热棒82分别通过套入左端不锈钢盖板2上的通孔中的卡套7与左端不锈钢盖板2连接；所述右端自带热电偶的电加热棒101、第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84和第五不带热电偶的加热棒85分别通过套入右端不锈钢盖板201上的通孔中的卡套7与右端不锈钢盖板201连接。
所述左端不锈钢盖板2、右端不锈钢盖板201、第一差压变送器取压管3、绝对压力取压管4、出口管6、进口管10、铠装热电偶套管11和第二差压变送器取压管12均焊接在耐高温不锈钢管5上。
在所述左端不锈钢盖板2上左端自带热电偶的电加热棒1、第一不带热电偶的加热棒81以及第二不带热电偶的加热棒82以左端不锈钢盖板2的中心为中心，均匀排布于中心外周。
在所述右端不锈钢盖板201上右端自带热电偶的电加热棒101、第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84以及第五不带热电偶的加热棒85的排列方式为：右端自带热电偶的电加热棒101位于右端不锈钢盖板201中心位置，第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84以及第五不带热电偶的加热棒85以右端自带热电偶的电加热棒101为中心，均匀排布于其外周，且和中心的距离与左端自带热电偶的电加热棒1、第一不带热电偶的加热棒81以及第二不带热电偶的加热棒82和左端不锈钢盖板2中心的距离相等。
在所述左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901之间区域构成聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，所述左端自带热电偶的电加热棒1、第一不带热电偶的加热棒81、第二不带热电偶的加热棒82、右端自带热电偶的电加热棒101、第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84以及第五不带热电偶的加热棒85的排列方式为：右端自带热电偶的电加热棒101排布于高温不锈钢管5中心，左端自带热电偶的电加热棒1、第一不带热电偶的加热棒81和第二不带热电偶的加热棒82与第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84和第五不带热电偶的加热棒85以右端自带热电偶的电加热棒101为中心，交叉放置均匀排布于右端自带热电偶的电加热棒101外周。
所述左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901之间的距离为1m。
所述耐高温不锈钢管5的外周包覆有矿渣棉。
所述左端自带热电偶的电加热棒1、右端自带热电偶的电加热棒101、第一不带热电偶的加热棒81、第二不带热电偶的加热棒82、第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84和第五不带热电偶的加热棒85内均填充有使加热棒内电阻丝与加热棒外壁绝缘的氧化镁粉末。
上述所述的基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段的实验方法，包括以下步骤：
步骤1：将左端自带热电偶的电加热棒1、右端自带热电偶的电加热棒101、第一不带热电偶的加热棒81、第二不带热电偶的加热棒82、第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84和第五不带热电偶的加热棒85与电源正负极连接，通过测得各加热棒两端的电流和电压获得总加热功率；
步骤2：通过进口管10和出口管6上的铠装热电偶测得进出口温度，计算进出口温差；
步骤3：通过第一差压变送器取压管3和第二差压变送器取压管12测得实验段进出口的压差；
步骤4：通过绝对压力取压管4与压力变送器相连，测得实验段的绝对压力；
步骤5：通过耐高温不锈钢管5上位于左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901之间区域上的三个铠装热电偶测得实验段内流体的温度。
本发明的优点如下：
1、本发明实验段的材料采用高温不锈钢制造，能够在高温下工作，满足聚变裂变混合堆水冷包层的运行要求；
2、耐高温不锈钢管内焊接有两个隔板，既保证了加热棒束的之间的间距，又防止加热棒由于重力作用偏离水平位置而产生变形弯曲；
3、实验段采用焊接连接，有很好的密封性，能够在高压下工作；
4、电加热棒内部自带铠装热电偶，便于准确测量加热棒表面温度；
5、加热棒与耐高温不锈钢管两端的盖板采用卡套连接，既保证了密封性能，又不会破坏加热棒表面。
总之，本发明实验段能够有效的对聚变裂变混合堆水冷包层进行实验研究，能够在高温下使用，密封绝缘性能良好，工作安全可靠，结果易于观察，设计合理，结构紧凑，适合装配于核反应堆热工水力高温高压实验回路上。
附图说明
图1为本发明实验段的整体结构示意图。
图2为图1沿A-A线的剖视图。
图3为图1沿B-B线的剖视图。
图4为图1沿C-C线的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，包括耐高温不锈钢管5、间隔预设距离设置在耐高温不锈钢管5内的左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901，安装在耐高温不锈钢管5左右两端带有多个通孔的左端不锈钢盖板2和右端不锈钢盖板201；在左端不锈钢盖板2的通孔中插入穿过左端不锈钢隔板9且末端支撑在右端不锈钢隔板901上的左端自带热电偶的电加热棒1、第一不带热电偶的加热棒81和第二不带热电偶的加热棒82；在右端不锈钢盖板201的通孔中插入穿过右端不锈钢隔板901且末端支撑在左端不锈钢隔板9上的右端自带热电偶的电加热棒101、第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84和第五不带热电偶的加热棒85；在耐高温不锈钢管5位于左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901之间区域相对的两侧设有进口管10和出口管6，进口管10靠近左端不锈钢隔板设置，出口管6靠近右端不锈钢隔板设置；在耐高温不锈钢管5上相对进口管10的另一侧设置有第一差压变送器取压管3和绝对压力取压管4；在耐高温不锈钢管5上相对出口管6的另一侧设置有第二差压变送器取压管12；在进口管10上和出口管6上均设有铠装热电偶套管11，在耐高温不锈钢管5上位于左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901之间区域也间隔设置有三个铠装热电偶套管11，在所述铠装热电偶套管11内均设有铠装热电偶；所述左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901之间区域构成聚变裂变混合堆水冷包层的实验段。
作为本发明的优选实施方式，所述左端自带热电偶的电加热棒1、第一不带热电偶的加热棒81和第二不带热电偶的加热棒82分别通过套入左端不锈钢盖板2上的通孔中的卡套7与左端不锈钢盖板2连接；所述右端自带热电偶的电加热棒101、第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84和第五不带热电偶的加热棒85分别通过套入右端不锈钢盖板201上的通孔中的卡套7与右端不锈钢盖板201连接。
作为本发明的优选实施方式，所述左端不锈钢盖板2、右端不锈钢盖板201、第一差压变送器取压管3、绝对压力取压管4、出口管6、进口管10、铠装热电偶套管11和第二差压变送器取压管12均焊接在耐高温不锈钢管5上。
作为本发明的优选实施方式，所述左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901之间的距离为1m。
作为本发明的优选实施方式，所述耐高温不锈钢管5的外周包覆有矿渣棉。
作为本发明的优选实施方式，所述左端自带热电偶的电加热棒1、右端自带热电偶的电加热棒101、第一不带热电偶的加热棒81、第二不带热电偶的加热棒82、第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84和第五不带热电偶的加热棒85内均填充有使加热棒内电阻丝与加热棒外壁绝缘的氧化镁粉末。
如图2所示，在所述左端不锈钢盖板2上左端自带热电偶的电加热棒1、第一不带热电偶的加热棒81以及第二不带热电偶的加热棒82以左端不锈钢盖板2的中心为中心，均匀排布于中心外周。
如图3所示，在所述右端不锈钢盖板201上右端自带热电偶的电加热棒101、第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84以及第五不带热电偶的加热棒85的排列方式为：右端自带热电偶的电加热棒101位于右端不锈钢盖板201中心位置，第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84以及第五不带热电偶的加热棒85以右端自带热电偶的电加热棒101为中心，均匀排布于其外周，且和中心的距离与左端自带热电偶的电加热棒1、第一不带热电偶的加热棒81以及第二不带热电偶的加热棒82和左端不锈钢盖板2中心的距离相等。
如图4所示，在所述左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901之间区域构成聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，所述左端自带热电偶的电加热棒1、第一不带热电偶的加热棒81、第二不带热电偶的加热棒82、右端自带热电偶的电加热棒101、第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84以及第五不带热电偶的加热棒85的排列方式为：右端自带热电偶的电加热棒101排布于高温不锈钢管5中心，左端自带热电偶的电加热棒1、第一不带热电偶的加热棒81和第二不带热电偶的加热棒82与第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84和第五不带热电偶的加热棒85以右端自带热电偶的电加热棒101为中心，交叉放置均匀排布于右端自带热电偶的电加热棒101外周。
如图1所示，本发明基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段的实验方法，包括以下步骤：
步骤1：将左端自带热电偶的电加热棒1、右端自带热电偶的电加热棒101、第一不带热电偶的加热棒81、第二不带热电偶的加热棒82、第三不带热电偶的加热棒83、第四不带热电偶的加热棒84和第五不带热电偶的加热棒85与电源正负极连接，通过测得各加热棒两端的电流和电压获得总加热功率；
步骤2：通过进口管10和出口管6上的铠装热电偶测得进出口温度，计算进出口温差；
步骤3：通过第一差压变送器取压管3和第二差压变送器取压管12测得实验段进出口的压差；
步骤4：通过绝对压力取压管4与压力变送器相连，测得实验段的绝对压力；
步骤5：通过耐高温不锈钢管5上位于左端不锈钢隔板9和右端不锈钢隔板901之间区域上的三个铠装热电偶测得实验段内流体的温度。
进行试验时，在耐高温不锈钢管5外包覆矿渣棉，起到实验段与周围环境绝热的作用。
经过在某核反应堆高温高压热工试验回路中试用，发现本发明工作可靠，能够达到预期功能，整个装置操作简便。因此本发明非常适合反应堆热工水力回路装配。
实施例：
系统运行时，水由实验段进口管10流入，纵向掠过耐高温不锈钢管5内的七根加热棒，从出口管6流出。
由数据采集系统测得和计算得出的主要参数如下：
水的进口温度tin=16.46℃，
水的出口温度tout=20.04℃，
实验段中的水的温度tf=17.50℃，
加热棒表面温度tw=43.78℃，
加热棒表面热流密度q=12762.54W/m2，
第一不带热电偶的加热棒81电压、电流U1=122.07V I1=3.09A
第二不带热电偶的加热棒82电压、电流U2=121.91V I2=3.02A
第三不带热电偶的加热棒83电压、电流U3=121.95V I3=3.04A
第四不带热电偶的加热棒84电压、电流U4=121.68V I4=2.88A
第五不带热电偶的加热棒85电压、电流U5=121.64V I5=2.95A
左端自带热电偶的电加热棒1电压、电流U6=82.83V I6=4.10A
右端自带热电偶的电加热棒101电压、电流U7=82.91V I7=4.33A
棒束通道的平均单相对流换热系数 h=485.62W/(m2·k)
整个系统中满足单相水的换热要求，且有足够的设计裕量，完全满足了热工水力回路系统的运行要求。经过安装使用，其运行稳定性良好，完全可以达到设计要求。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (10)
1.一种基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，其特征在于：包括耐高温不锈钢管（5）、间隔预设距离设置在耐高温不锈钢管（5）内的左端不锈钢隔板（9）和右端不锈钢隔板（901），安装在耐高温不锈钢管（5）左右两端带有多个通孔的左端不锈钢盖板（2）和右端不锈钢盖板（201）；在左端不锈钢盖板（2）的通孔中插入穿过左端不锈钢隔板（9）且末端支撑在右端不锈钢隔板（901）上的左端自带热电偶的电加热棒（1）、第一不带热电偶的加热棒（81）和第二不带热电偶的加热棒（82）；在右端不锈钢盖板（201）的通孔中插入穿过右端不锈钢隔板（901）且末端支撑在左端不锈钢隔板（9）上的右端自带热电偶的电加热棒（101）、第三不带热电偶的加热棒（83）、第四不带热电偶的加热棒（84）和第五不带热电偶的加热棒（85）；在耐高温不锈钢管（5）位于左端不锈钢隔板（9）和右端不锈钢隔板（901）之间区域相对的两侧设有进口管（10）和出口管（6），进口管（10）靠近左端不锈钢隔板设置，出口管（6）靠近右端不锈钢隔板设置；在耐高温不锈钢管（5）上相对进口管（10）的另一侧设置有第一差压变送器取压管（3）和绝对压力取压管（4）；在耐高温不锈钢管（5）上相对出口管（6）的另一侧设置有第二差压变送器取压管（12）；在进口管（10）上和出口管（6）上均设有铠装热电偶套管（11），在耐高温不锈钢管（5）上位于左端不锈钢隔板（9）和右端不锈钢隔板（901）之间区域也间隔设置有三个铠装热电偶套管（11），在所述铠装热电偶套管（11）内均设有铠装热电偶；所述左端不锈钢隔板（9）和右端不锈钢隔板（901）之间区域构成聚变裂变混合堆水冷包层的实验段。
2.根据权利要求1所述的基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，其特征在于：所述左端自带热电偶的电加热棒（1）、第一不带热电偶的加热棒（81） 和第二不带热电偶的加热棒（82）分别通过套入左端不锈钢盖板（2）上的通孔中的卡套（7）与左端不锈钢盖板（2）连接；所述右端自带热电偶的电加热棒（101）、第三不带热电偶的加热棒（83）、第四不带热电偶的加热棒（84）和第五不带热电偶的加热棒（85）分别通过套入右端不锈钢盖板（201）上的通孔中的卡套（7）与右端不锈钢盖板（201）连接。
3.根据权利要求1所述的基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，其特征在于：所述左端不锈钢盖板（2）、右端不锈钢盖板（201）、第一差压变送器取压管（3）、绝对压力取压管（4）、出口管（6）、进口管（10）、铠装热电偶套管（11）和第二差压变送器取压管（12）均焊接在耐高温不锈钢管（5）上。
4.根据权利要求1所述的基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，其特征在于：在所述左端不锈钢盖板（2）上左端自带热电偶的电加热棒（1）、第一不带热电偶的加热棒（81）以及第二不带热电偶的加热棒（82）以左端不锈钢盖板（2）的中心为中心，均匀排布于中心外周。
5.根据权利要求4所述的基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，其特征在于：在所述右端不锈钢盖板（201）上右端自带热电偶的电加热棒（101）、第三不带热电偶的加热棒（83）、第四不带热电偶的加热棒（84）以及第五不带热电偶的加热棒（85）的排列方式为：右端自带热电偶的电加热棒（101）位于右端不锈钢盖板（201）中心位置，第三不带热电偶的加热棒（83）、第四不带热电偶的加热棒（84）以及第五不带热电偶的加热棒（85）以右端自带热电偶的电加热棒（101）为中心，均匀排布于其外周，且和中心的距离与左端自带热电偶的电加热棒（1）、第一不带热电偶的加热棒（81）以及第二不带热电偶的加热棒（82）和左端不锈钢盖板（2）中心的距离相等。
6.根据权利要求5所述的基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，其特征在于：在所述左端不锈钢隔板（9）和右端不锈钢隔板（901）之间区域构成聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，所述左端自带热电偶的电加热棒（1）、第一不带热电偶的加热棒（81）、第二不带热电偶的加热棒（82）、右端自带热电偶的电加热棒（101）、第三不带热电偶的加热棒（83）、第四不带热电偶的加热棒（84）以及第五不带热电偶的加热棒（85）的排列方式为：右端自带热电偶的电加热棒（101）排布于高温不锈钢管（5）中心，左端自带热电偶的电加热棒（1）、第一不带热电偶的加热棒（81）和第二不带热电偶的加热棒（82）与第三不带热电偶的加热棒（83）、第四不带热电偶的加热棒（84）和第五不带热电偶的加热棒（85）以右端自带热电偶的电加热棒（101）为中心，交叉放置均匀排布于右端自带热电偶的电加热棒（101）外周。
7.根据权利要求1所述的基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，其特征在于：所述左端不锈钢隔板（9）和右端不锈钢隔板（901）之间的距离为1m。
8.根据权利要求1所述的基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，其特征在于：所述耐高温不锈钢管（5）的外周包覆有矿渣棉。
9.根据权利要求1所述的基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段，其特征在于：所述左端自带热电偶的电加热棒（1）、右端自带热电偶的电加热棒（101）、第一不带热电偶的加热棒（81）、第二不带热电偶的加热棒（82）、第三不带热电偶的加热棒（83）、第四不带热电偶的加热棒（84）和第五不带热电偶的加热棒（85）内均填充有使加热棒内电阻丝与加热棒外壁绝缘的氧化镁粉末。
10.权利要求1至9任一项所述的基于聚变裂变混合堆水冷包层的实验段 的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将左端自带热电偶的电加热棒（1）、右端自带热电偶的电加热棒（101）、第一不带热电偶的加热棒（81）、第二不带热电偶的加热棒（82）、第三不带热电偶的加热棒（83）、第四不带热电偶的加热棒（84）和第五不带热电偶的加热棒（85）与电源正负极连接，通过测得各加热棒两端的电流和电压获得总加热功率；
步骤2：通过进口管（10）和出口管（6）上的铠装热电偶测得进出口温度，计算进出口温差；
步骤3：通过第一差压变送器取压管（3）和第二差压变送器取压管（12）测得实验段进出口的压差；
步骤4：通过绝对压力取压管（4）与压力变送器相连，测得实验段的绝对压力；
步骤5：通过耐高温不锈钢管（5）上位于左端不锈钢隔板（9）和右端不锈钢隔板（901）之间区域上的三个铠装热电偶测得实验段内流体的温度。
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