CN106531249B - 一种瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置，包括电热组件、绝缘组件、流道组件以及密封组件，所述电热组件和绝缘组件均设置在流道组件中，且绝缘组件设置在电热组件和流道组件之间并与流道组件紧密贴合，流道组件设置在密封组件中并形成无缝连接。本发明是基于运动条件下棒束燃料堆芯研发的实际需求，根据棒束通道热工水力实验在高温高压条件下对装置特定的电性能、绝缘和密封性能等方面的要求，研发出来的一种新型的棒束通道实验装置，该实验装置解决电加热、绝缘和密封性能问题，能够在运动条件和高温、高压条件下稳定运行，开展流动与传热特性实验，确保海洋条件反应堆安全运行。

Description

一种瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置

技术领域

本发明涉及一种燃料组件的热工水力实验装置，具体涉及一种瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置。

背景技术

堆芯燃料组件的热工水力特性研究对于反应堆的安全运行及相关系统的设计具有十分重要的意义，为了提高堆芯燃料组件的性能以及优化其设计，各国都对此开展了热工水力分析和实验研究。浮动核电站、核动力舰船等的反应堆堆芯结构都可以模化为棒束通道，其内部的流动传热特性对反应堆设计和安全运行起着至关重要的作用。

棒束型燃料组件是核动力舰船装置反应堆的常用燃料组件。在外力作用下，通道内的两相流流场更加复杂。相比于矩形流道，棒束流道上汽泡的受力分析更加复杂，也更易受运动条件的影响，因此在海洋瞬变运动条件下，由于交变外力场和流量搅混的作用，汽泡的行为复杂多变。而该过程对通道的阻力和传热特性造成了重要的影响，需要对其进行深入的理论和实验研究，为海洋条件反应堆的安全运行提供实验基础。

目前国内外没有针对海洋瞬变条件下高温高压棒束燃料组件热工水力实验装置的设计及实验研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有没有针对海洋瞬变条件下高温高压棒束燃料组件热工水力实验装置的设计及实验研究，导致海洋条件反应堆存在安全隐患，提供了一种瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置，该实验装置解决电加热、绝缘和密封性能问题，能够在运动条件和高温、高压条件下稳定运行，开展流动与传热特性实验，确保海洋条件反应堆安全运行。

本发明通过下述技术方案实现：

一种瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置，包括电热组件、绝缘组件、流道组件以及密封组件，所述电热组件和绝缘组件均设置在流道组件中，且绝缘组件设置在电热组件和流道组件之间并与流道组件紧密贴合，流道组件设置在密封组件中并形成无缝连接。棒束型燃料组件是核动力舰船装置反应堆的常用燃料组件。在外力作用下，通道内的两相流流场更加复杂。相比于矩形流道，棒束流道上汽泡的受力分析更加复杂，也更易受运动条件的影响，因此在海洋瞬变运动条件下，由于交变外力场和流量搅混的作用，汽泡的行为复杂多变。而该过程对通道的阻力和传热特性造成了重要的影响，需要对其进行深入的理论和实验研究，为海洋条件反应堆的安全运行提供实验基础。目前国内外没有针对海洋瞬变条件下高温高压棒束燃料组件热工水力实验装置的设计及实验研究，因此，有必要研制一种海洋运动条件下高温高压棒束通道热工水力实验装置，使棒束燃料组件热工水力实验装置能够承受高温高压、运动条件，且能够多次重复地开展热工水力实验。本方案设计的瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置，通过导电头和导电块实现导电；流道组件由两块整体成形的不锈钢部件压紧扣合组成，两块流道组件间通过石棉橡胶板实现密封，流道组件下端布置有下托盘、螺纹托盘用于流道底部密封；绝缘组件由两块陶瓷块组成正方形，实现流道组件与电热组件之间的绝缘，且便于流道组件以及电热组件的组装与拆卸，其较好的实现了棒束通道的密封和绝缘，且棒束通道能真实反映原型的热工水力特性，可开展流动热工水力特性实验，保证了棒束燃料组件实验研究的顺利完成，保证海洋条件反应堆安全运行。

电热组件包括加热元件、导电头以及导电块，导电头设置在导电块上方，导电头中设置有若干个通孔，每根加热元件穿过对应的通孔并与通孔内壁固定，导电块设置在加热元件下方且与加热元件通过导电线连接，加热元件设置在流道组件中，且加热元件穿过绝缘组件的空腔；流道组件包括流道板组件，且流道板组件由两块流道板彼此贴合固定组成，流道板的向对面均内凹形成凹槽后组合为横截面为矩形的流道，加热元件穿过流道，绝缘组件设置在流道中；绝缘组件为两块陶瓷片，两块陶瓷片围成横截面为正方形的通道，并且内置于流道板围成的流道内；密封组件包括流道托盘、螺纹托盘和托盘垫片，流道托盘套在流道板组件外壁上，并且流道板组件的底部设置在流道托盘中，加热元件均穿过流道托盘，螺纹托盘设置在流道托盘下方，在流道托盘和螺纹托盘之间设置有托盘垫片，且螺纹托盘中设置有托盘螺钉，托盘螺钉的一端穿过托盘垫片后设置在流道托盘中；并且在流道托盘中设置有流道垫片，且流道垫片设置在流道板组件下方并与流道板组件的底面接触。通过上述连接，能够解决电加热、绝缘和密封性能问题，能够在运动条件和高温、高压条件下稳定运行，开展流动与传热特性实验。

本发明涉及一种燃料组件的热工水力实验装置，特别涉及瞬变运动条件下高温高压棒束通道流动与阻力特性热工水力实验装置，可用于高温高压条件下棒束燃料组件堆芯基本热工水力学问题的实验研究，能够满足实验对电加热、承高压、耐高温以及绝缘和密封性能要求。本发明具有结构简单、工艺成熟、性能稳定和成本较低等特点，具备良好的电加热、绝缘和密封性能，完全满足在高温、高压条件下开展棒束燃料组件热工水力实验的要求。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明实现了棒束通道的密封和绝缘，且棒束通道能真实反映原型的热工水力特性，可开展流动热工水力特性实验，保证了棒束燃料组件实验研究的顺利完成，从而使得海洋条件反应堆安全运行。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为流道组件中部的截面示意图；

图3为流道组件底部的截面示意图；

图4为流道托盘的结构示意图；

图5为螺纹托盘的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-加热元件，2-导电头，3-流道板组件，4-绝缘组件，5-流道螺钉，6-流道垫片，7-流道托盘，8-托盘垫片，9-螺纹托盘，10-托盘螺钉，11-导电块，12-不锈钢管，13-上流道板，14-压紧螺栓，15-下流道板，16-密封垫片，17-陶瓷片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1至图5所示，一种瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置，包括电热组件、绝缘组件4、流道组件以及密封组件，各组件之间可现场组装与拆卸，所述电热组件和绝缘组件4均设置在流道组件中，且绝缘组件4设置在电热组件和流道组件之间并与流道组件紧密贴合，流道组件设置在密封组件中并形成无缝连接，其中电热组件包括加热元件1、导电头2以及导电块11，导电头2设置在导电块11上方，导电头2中设置有9个通孔，加热元件1为9根不锈钢管12，不锈钢管12采用3×3排列组合，其尺寸为Φ9×1.5mm，每根加热元件1穿过对应的通孔并与通孔内壁焊接固定保持接触，导电块11设置在加热元件1下方且与加热元件1通过铜丝制成的导电线连接保持接触，加热元件1设置在流道组件中，且加热元件1穿过绝缘组件的空腔，通道导电头2和导电块11导通电流后模拟棒状燃料组件发热。流道组件包括流道板组件3，且流道板组件3由两块整体成型的不锈钢流道板彼此压紧扣合固定组成，将两块流道板分别命名为上流道板13和下流道板15，最好将上流道板13和下流道板15设置为方形流道板，采用线切割而成，流道板的向对面均内凹形成凹槽，并且凹槽同时与上流道板13和下流道板15的顶部和底部贯穿，凹槽组合为横截面为矩形的流道，中间放置石棉橡胶板，加热元件1穿过流道，上流道板13、下流道板15通过压紧螺栓14进行压紧，从而构成封闭的方形流道，对原型燃料组件流通截面进行模拟。而且在上流道板13和下流道板15还设置有密封垫片16，通过密封垫片16实现上流道板13和下流道板15之间密封，保证密封效果。上流道板13和下流道板15扣合后构成棒束通道流道，两块流道中间开槽后采用石棉橡胶材料进行密封，下部由下托盘、螺纹托盘等部件结合聚四氟乙烯进行密封。

由于实验装置加热元件带电，必须对加热元件与流道组件进行绝缘处理，绝缘措施主要在流道板内放置绝缘陶瓷。绝缘组件4由2块陶瓷片17围成横截面为正方形的通道，内置于流道板围成的流道内，实现流道组件与电热组件之间的绝缘。两块流道板由线切割而成，通过外置的压紧螺栓14连接，组成正方形流道，陶瓷片的厚度是5mm，且在陶瓷片17组合形成的通道上开有三个引压孔，用于引出压力信号，陶瓷片17的结构设计不但具有良好的绝缘性能，且便于绝缘组件以及电热组件的组装与拆卸。

密封组件包括流道托盘7、螺纹托盘9和托盘垫片8，流道托盘7套在流道板组件3外壁上，并且流道板组件3的底部设置在流道托盘7中，加热元件1均穿过流道托盘7，螺纹托盘9设置在流道托盘7下方，在流道托盘7和螺纹托盘9之间设置有托盘垫片8，且螺纹托盘9中设置有托盘螺钉10，托盘螺钉10的一端穿过托盘垫片8后设置在流道托盘7中；流道托盘7中设置有流道垫片6，且流道垫片6设置在流道板组件3下方并与流道板组件3的底面接触。在流道组件的下方放置有流道托盘7和螺纹托盘9进行密封，流道托盘7用于与流道板之间的密封，两部件由流道螺钉5压紧，通过流道垫片6进行密封，以防止流体发生旁流，螺纹托盘用于流道组件与实验装置承压筒体的密封，两部件由流道螺钉10压紧，通过托盘垫片8进行密封，其作用同样是防止流体发生旁流，通过上流道板13和下流道板15之间、流道板组件与流道托盘7之间以及流道托盘7与螺纹托盘9之间的三道密封结构实现了流体的密封，避免发生旁流、漏流，保证了实验数据的可靠性及真实性。

实验装置的上下法兰需要绝缘处理故采用榫槽式密封，使用绝缘的石棉橡胶板做密封垫。设备上管路出口不带电，故采用透镜垫密封。法兰杯与导电铜棒的密封采用自紧式密封和填料密封方式。

棒束燃料组件是浮动核电站和舰船核动力装置常用的堆芯组件，通过进行瞬变运动条件下燃料组件热工水力特性的实验研究，对于提高我国目前浮动核电站和舰船用核动力装置的堆芯设计水平具有重要意义。棒束燃料组件热工水力实验装置可以用于相关棒束燃料组件的实验研究中，具有广阔的应用前景和使用价值，而实验本体能够较好的实现高温高压条件下加热组件的密封与绝缘，并由加热组件和流道组件等部件模拟堆芯棒束燃料组件内部流动、传热特性，从而研究热工参数及结构参数对棒束燃料组件热工水力特性的影响。通过上述技术方案的实施，可解决电加热、绝缘和密封性能问题，满足在高温、高压条件下开展棒束组件热工水力实验的需求，从而使得海洋条件反应堆安全运行。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置，其特征在于，包括电热组件、绝缘组件（4）、流道组件以及密封组件，所述电热组件和绝缘组件（4）均设置在流道组件中，且绝缘组件（4）设置在电热组件和流道组件之间并与流道组件紧密贴合，流道组件设置在密封组件中并形成无缝连接；所述电热组件包括加热元件（1）、导电头（2）以及导电块（11），导电头（2）设置在导电块（11）上方，导电头（2）中设置有若干个通孔，每根加热元件（1）穿过对应的通孔并与通孔内壁固定，导电块（11）设置在加热元件（1）下方且与加热元件（1）通过导电线连接，加热元件（1）设置在流道组件中，且加热元件（1）穿过绝缘组件的空腔。

2.根据权利要求1所述的一种瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置，其特征在于，所述流道组件包括流道板组件（3），且流道板组件（3）由两块流道板彼此贴合固定组成，流道板的向对面均内凹形成凹槽后组合为横截面为矩形的流道，加热元件（1）穿过流道，绝缘组件设置在流道中。

3.根据权利要求2所述的一种瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置，其特征在于，所述绝缘组件（4）为两块陶瓷片（17），两块陶瓷片（17）围成横截面为正方形的通道，并且内置于流道板围成的流道内。

4.根据权利要求2所述的一种瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置，其特征在于，所述密封组件包括流道托盘（7）、螺纹托盘（9）和托盘垫片（8），流道托盘（7）套在流道板组件（3）外壁上，并且流道板组件（3）的底部设置在流道托盘（7）中，加热元件（1）均穿过流道托盘（7），螺纹托盘（9）设置在流道托盘（7）下方，在流道托盘（7）和螺纹托盘（9）之间设置有托盘垫片（8），且螺纹托盘（9）中设置有托盘螺钉（10），托盘螺钉（10）的一端穿过托盘垫片（8）后设置在流道托盘（7）中。

5.根据权利要求4所述的一种瞬变运动条件下的棒束通道热工水力实验装置，其特征在于，所述流道托盘（7）中设置有流道垫片（6），且流道垫片（6）设置在流道板组件（3）下方并与流道板组件（3）的底面接触。