CN103913544A - 熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，水箱主体用于冷却剂的进出和盛储，水箱主体外部设有热电偶和压力传感器，水箱主体的壁面上还设有可视窗，可视窗与水箱主体之间密封设置；加热装置设置于水箱主体的内部，用于对水箱内部冷却剂的加热和控温；提升机构与金属收集盘相连接，用于控制金属收集盘的提升和下降；金属收集盘设置于水箱主体内部，用于试验后金属的收集和金属颗粒大小的测量。本发明对水注入量进行改变，实现可视化，并对温度和压力进行实时采集以及实验后金属颗粒的收集和颗粒大小的测量。实验过程中，可同时在四个方向对反应过程进行观测，有助于对熔融金属与冷却剂相互作用类型和发生机理进行研究。

Description

熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱

技术领域

本发明涉及热工水力研究实验研究技术领域，具体地，涉及一种用于进行熔融金属与水相互作用实验并对实验过程进行同步观察与测量的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱。

背景技术

高温难挥发性熔融物与低温易挥发性冷却剂相互作用产生爆炸破坏的现象可能发生在核反应堆严重堆芯熔化事故中、也可能发生在冶金工业炼钢炉事故中。由于熔融物与冷却剂相互作用可能引起巨大的经济损失和环境破坏，所以这一复杂的物理现象是目前国际上安全研究领域里的一个重要研究对象。

通过熔融金属与冷却剂的相互作用可视化实验，有助于对其相互作用发生机理和反应过程进行更深入的研究。但是由于熔融金属的不透明性，以往的实验水箱往往只能观测到熔融金属液面以上的相互作用过程。本装置在熔融金属与水相互作用过程中，可以同时对不透明的熔融金属反应过程进行多方位观测，并可根据实验需求调整和保持水的温度以及熔融金属的落水高度，通过对动态压力和温度的实时采集，并通过高速摄像仪同步拍摄，有助于对水与熔融金属相互作用类型和发生机理进行研究。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱。

本发明是通过一下技术方案实现的。

一种熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，包括水箱主体、加热器、提升机构和金属收集盘；其中：

-水箱主体：用于冷却剂的进出和盛储，所述水箱主体外部设有用于对反应过程中的温度和压力脉冲进行实时连续采集和监测的热电偶和压力传感器，所述水箱主体的壁面上还设有用于观察熔融物和冷却剂反应的可视窗，所述可视窗与水箱主体之间密封设置；

-加热装置：设置于水箱主体的内部，用于对水箱内部冷却剂的加热和控温；

-提升机构：与金属收集盘相连接，用于控制金属收集盘的提升和下降；

-金属收集盘：设置于水箱主体内部，用于试验后金属的收集和金属颗粒大小的测量。

优选地，所述水箱主体底部设有用于向水箱主体内部注水和排水的进出口三通水管，水箱主体上部敞口，用于保持水箱主体与大气相通维持水箱主体内部常压，水箱主体侧壁开有用于放置热电偶和压力传感器的温度检测孔和压力检测孔，加热装置设置于水箱主体内部的底部，可视窗设置于水箱主体的四面壁面上。

优选地，所述温度检测孔采用紫铜管与水箱主体侧壁焊接密封，所述热电偶安装于紫铜管内并采用固体胶固定。

优选地，所述压力检测孔采用中通的紫铜管与水箱主体侧壁焊接密封，所述紫铜管内壁加工有和压力传感器相适配的螺纹，所述压力传感器与紫铜管之间采用螺纹密封连接。

优选地，所述加热装置采用电加热器，并通过螺纹连接固定在水箱主体的内侧壁上。

优选地，进出口三通水管上设有阀门。

优选地，所述提升机构包括：滑轮、缆绳、电机和控制器，其中，所述滑轮固定于水箱主体的顶部边缘，缆绳通过滑轮分别连接金属收集盘和电机，所述控制器与电机相连接。

优选地，所述可视窗采用螺栓连接密封和/或塑料密封条压紧密封。

优选地，所述金属收集盘底部呈方形，分为四个小格子区域，四个小格子区域分别被滤网覆盖；在金属收集盘与提升装置连接处对应的两个边上分别安装有吊环和手把，用于提升机构对金属收集盘进行控制以及在金属收集盘到达水箱主体上部时，通过手把将金属收集盘取出。

优选地，所述水箱主体的底部设有用于与外部升降台连接的安装孔。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

1、在熔融金属与冷却剂相互作用过程中，可以同时对不透明的熔融金属四周的反应过程进行观测，并能够测量反应过程中的相关参数和熔融金属冷却后的形态和大小，有助于对熔融金属与冷却剂相互作用的机理研究；

2、可根据实验需求调整和保持水的温度，控制实验水箱的升降高度，实现从大量连续熔融液柱到到熔融物小球的转变，改变熔融物的下落高度，从而更好的理解水与熔融金属相互作用规律；

3、还可以进行其他冷态调试实验，实现不同密度的介质之间相互作用的热工水力和物理特性研究。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的整体示意图；

图2为金属收集盘示意图；

图3为水箱主体外壁以及加热装置安装图；

图4为滑轮安装示意图；

图5为水箱主体底部进出水口示意图；

图中：1为加热装置，2为热电偶和压力传感器，3为可视窗，4为水箱主体，5为缆绳固定器，6为缆绳，7为滑轮，8为密封垫，9为金属收集盘，10为冷却剂，11为提升机构。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1至图5。

本实施例提供了一种熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，包括水箱主体、加热器、提升机构以及金属收集盘，其中，所述水箱主体的底部设有水管段，并与水管段连接为一整体，水管段上接一个三通管，可以根据实验的过程实现进水和出水；三通管上设有阀门，通过调节三通管上的阀门以达到实验所需水的注水量。水箱主体顶部是敞口的，保持水箱主体与大气相通维持水箱主体内部常压，水箱主体内有加热装置，水箱主体侧壁面上有若干个温度测点和压力测点；侧壁面上的温度测点是通过在不锈钢壁面上打孔，然后采用紫铜焊接密封，热电偶则安装在紫铜孔内，未与水箱内部的冷却剂液体接触。压力测点是通过紫铜管焊接在不锈钢孔内，然后按照压力传感器的螺纹尺寸，在紫铜管内壁上加工出和压力传感器相符合的螺纹进行拧紧密封。在水箱前后左右四个壁面上安装石英玻璃可视窗，实验过程可直接进行拍摄水箱内部的反应。该水箱主体内部配套还有一个金属收集器，呈方形，在底部分为四个格子区域，每个区域用金属滤网覆盖，能够实现金属的收集，上部对应的两边有两个手把，便于手提。水箱主体底座上和敞口的不锈钢边缘都装有滑轮，方便电机将金属收集器按要求提升至水箱上部。

水箱主体，用于实验用水的进出和盛储，所述水箱主体外部设有用于对反应过程中的温度和压力脉冲进行实时连续采集和监测的热电偶和压力传感器，所述水箱主体的壁面上还设有用于观察熔融物和冷却剂反应的可视窗，所述可视窗与水箱主体之间密封设置；

加热装置，可以采用电加热器，设施在水箱主体内部下端，用于对水箱内部水的加热和控温；

提升机构：包括：滑轮、缆绳、电机和控制器，其中，所述滑轮固定于水箱主体的顶部边缘，缆绳通过滑轮分别连接金属收集盘和电机，所述控制器与电机相连接；

金属收集盘：由金属滤网和手把构成，用于试验后金属的收集和后续的金属颗粒大小的测量，其中，所述加热水箱顶盖处设开有注水口用于向水箱注水，同时保持水箱与大气相通维持水箱常压，水箱侧内壁开有温度检测孔，水箱内设有加热装置；所述温度检测孔内设有热电偶，采用密封胶密封；所述加热装置为电加热器，采用螺纹连接固定在水箱侧壁面，加热功率可调节。

具体为，

如图1所示，本实施例提供的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，其整体能够随着升降台上下运动，满足实验中需要改变熔融金属下落高度的实验要求。

包括加热装置1、水箱主体4、提升机构11和金属收集盘9。加热装置1将水箱主体4中盛装的冷却剂加热后，从上面释放落入的熔融金属与冷却剂相互作用时，可以透过可视窗3进行高速拍摄，同时热电偶和压力传感器2可以对反应过程中的温度和压力脉冲进行实时连续的采集和监测。冷却成为固态金属后，堆积于金属收集盘9中，通过提升机构11将金属收集盘9中的金属颗粒提升上来并取出进行相关检测。

在实验开始前可以通过调节可加热器1的功率，保持水箱内盛装的冷却剂10为一稳定的温度，可以通过热电偶对冷却剂的温度进行实时监测。当熔融金属释放的瞬间可以触发高速摄像仪工作，透过可视窗3可以进行全方位的拍摄，同时压力传感器也同步采集水箱主体4的压力脉冲。实验完成后，熔融金属堆积在金属收集盘9中，通过控制提升机构11的电机，通过缆绳6绕过滑轮7从而实现金属收集盘9的提升，最后将冷却后的金属颗粒取出。

如图2所示，金属收集盘9底部呈方形，分为四个小格子区域，分别被滤网覆盖，便于金属颗粒的收集。另外，在金属收集盘9对应的两个边上安装有吊环和手把，便于提升机构11通过滑轮7对金属收集盘9进行提升，在金属收集盘9到达水箱主体4的上部时，可以抓住手把将金属收集盘9取出。

如图3所示，通过调节加热装置1的功率对水箱中冷却剂10进行加热。另外，水箱主体4的底部有四个安装孔，可以与升降台连接，通过升降台的升降，可以实现熔融金属在不同的高度落入冷却剂10中。玻璃可视窗3是通过螺栓连接，对水箱主体4中的冷却剂10进行密封，防止泄露，实现实验过程的可视化。

如图4所示，水箱主体4的上边缘安装有滑轮7，提升机构11通过缆绳6连接到金属收集盘9，实现远程提升。

如图5所示，水箱主体底部设有加热装置1和进出水孔，用于调节冷却剂10的温度和进出量。

本实施例提供的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，是一种可视化实验水箱，用于观测熔融金属注入水后相互作用动态过程。包括水箱主体、加热器、提升机构和金属收集盘，水箱主体与底部水管段连接为一整体，水管上接一个三通管，可以根据实验的过程实现进水和出水；通过调节三通管上的阀门以达到实验所需水的注水量。水箱顶部是敞口的，保持水箱与大气相通维持水箱常压，水箱内有加热器，壁面上有若干个温度测点和压力测点；壁面上的温度测点是通过在不锈钢壁面上打孔，然后采用紫铜焊接密封，热电偶测温头则安装在紫铜孔内，未与水箱内部的冷却剂液体接触。压力测点是通过紫铜管焊接在不锈钢孔内，然后按照压力传感器的螺纹尺寸，在紫铜管内壁上加工出和压力传感器相符合的螺纹进行拧紧密封。在水箱前后左右四个壁面上安装石英玻璃可视窗，实验过程中可直接进行拍摄水箱内部的反应。该水箱配套还有一个金属收集器，呈方形，在底部分为四个格子区域，每个区域用金属滤网覆盖，能够实现金属的收集，上部对应的两边有两个手把和两个吊环，便于在电机将金属盘提升到水箱顶部时，用手将金属盘提出水箱外。水箱底座上和敞口的不锈钢边缘都装有滑轮，方便电机将金属收集器按要求提升至水箱上部。本装置提供一种能对水温进行控制调节，对水注入量进行改变，可实现大量的熔融物与不同温度冷却剂相互作用时可视化研究，并能对其中的温度和压力进行实时采集以及实验后金属颗粒的收集和金属颗粒大小的测量的实验水箱。利用本实验水箱，在熔融金属与冷却剂相互作用过程中，可以同时在四个方向对反应过程进行观测，有助于对熔融金属与冷却剂相互作用类型和发生机理进行研究。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，其特征在于，包括水箱主体、加热器、提升机构和金属收集盘；其中：

-水箱主体：用于冷却剂的进出和盛储，所述水箱主体外部设有用于对反应过程中的温度和压力脉冲进行实时连续的采集和监测的热电偶和压力传感器，所述水箱主体壁面上还设有用于观察熔融物和冷却剂反应的可视窗，所述可视窗与水箱主体之间密封设置；

-加热装置：设置于水箱主体的内部，用于对水箱内部冷却剂的加热和控温；

-提升机构：与金属收集盘相连接，用于控制金属收集盘的提升和下降；

-金属收集盘：设置于水箱主体内部，用于试验后金属的收集和金属颗粒大小的测量。

2.根据权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，其特征在于，所述水箱主体底部设有用于向水箱主体内部注水和排水的进出口三通水管，水箱主体上部敞口，用于保持水箱主体与大气相通维持水箱主体内部常压，水箱主体侧壁开有用于放置热电偶和压力传感器的温度检测孔和压力检测孔，加热装置设置于水箱主体内部的底部，可视窗设置于水箱主体的四面壁面上。

3.根据权利要求2所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，其特征在于，所述温度检测孔采用紫铜管与水箱主体侧壁焊接密封，所述热电偶安装于紫铜管内并固定。

4.根据权利要求2所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，其特征在于，所述压力检测孔采用中通的紫铜管与水箱主体侧壁焊接密封，所述紫铜管内壁加工有和压力传感器相适配的螺纹，所述压力传感器与紫铜管之间采用螺纹密封连接。

5.根据权利要求2所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，其特征在于，所述加热装置采用电加热器，并通过螺纹连接固定在水箱主体的内侧壁上。

6.根据权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，其特征在于，进出口三通水管上设有阀门。

7.根据权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，其特征在于，所述提升机构包括：滑轮、缆绳、电机和控制器，其中，所述滑轮固定于水箱主体的顶部边缘，缆绳通过滑轮分别连接金属收集盘和电机，所述控制器与电机相连接。

8.根据权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，其特征在于，所述可视窗采用螺栓连接密封和/或塑料密封条压紧密封。

9.根据权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，其特征在于，所述金属收集盘底部呈方形，分为四个小格子区域，四个小格子区域分别被滤网覆盖；在金属收集盘与提升装置连接处对应的两个边上分别安装有吊环和手把，用于提升机构对金属收集盘进行控制以及在金属收集盘到达水箱主体上部时，通过手把将金属收集盘取出。

10.根据权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验水箱，其特征在于，所述水箱主体的底部设有用于与外部升降台连接的安装孔。