CN108777178B - 一种间距可调的矩形窄通道内chf研究可视化实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种间距可调的矩形窄通道内CHF研究可视化实验装置，矩形石英玻璃管环绕矩形加热棒形成窄矩形流道；在连接法兰对的径向方向开有通孔，流体从下连接法兰的通孔流入窄矩形通道，充分发展后被加热棒加热温度升高，最后从上连接法兰的通孔流出；电源正极通过连接法兰和压紧法兰之间的狭缝加在上电极上，负极接在下电极上，电极与法兰之间加上绝缘垫片，以实现绝缘；热电偶布置在矩形加热棒内表面，通过加热棒和上电极空心部分引出，可以通过导热微分方程间接测量加热表面的温度分布；矩形石英玻璃外套装承压玻璃套筒。本发明可为反应堆的设计提供理论依据，同时保障了反应堆正常和事故条件下的运行。

Description

一种间距可调的矩形窄通道内CHF研究可视化实验装置

技术领域

本发明涉及一种间距可调的矩形窄通道内CHF研究可视化实验装置，属于流动沸腾可视化研究领域。

背景技术

CHF(临界热流密度)是流动沸腾的传热极限，准确地预测临界热流密度值对反应堆的设计和事故工况下的运行具有重要意义。具有矩形窄通道特征的板型燃料组件因具有结构紧凑、燃料芯块温度低、换热面积大等优点被广泛应用在研究实验堆以及一体化反应堆中。现有的矩形窄通道中预测临界热流密度的一些经验关系式都是基于自己实验数据拟合得到的，准确性强烈依赖于实验工况的相似性，无法推广到其他工况。所以，研究的方向在于通过可视化研究观察临界时两相的特性和汽泡行为，建立预测模型。传统的可视化装置采用一面金属和一面透明视窗压制的方式形成矩形流道，给金属侧流道通电利用电阻的热效应给流体加热，并且在金属加热板外表面打孔嵌入热电偶获取流道内壁温度。这种装置存在流道侧面不可视，流道间隙无法精确控制，加工困难，不方便拆装等问题。

公开号为CN 102661845 A的专利文件中，公开的“一种可视化窄矩形自然循环系统”的主要特征为长达1000mm的可视化加热矩形实验段，可以直观准确地记录在流道内的流动情况。 2014年11月出版的《热能动力工程》第29卷第6期中的《竖直矩形窄通道内水沸腾换热的流型研究》提到了一种窄矩形通道单面金属加热的可视化装置。以上文献中提到的窄矩形可视化实验装置虽然能够满足一定条件下对流型转变及气泡行为的观察记录，但是仍然存在一些缺点。首先，传统可视化装置的矩形流道间隙不完全可控。因为传统实验装置通过钢板压紧石英玻璃和加热板形成矩形窄通道，压紧应力由洞穿钢板上的螺栓螺母配合提供。安装过程中无法保证所有螺栓的拧合程度相同，也就导致矩形流道不同截面处间隙不同。其次，传统矩形通道实验装置只能从正面拍摄气泡的聚合行为，无法从侧面观察气泡的生长和一些影响临界热流密度的重要参数，如气泡层厚度等。最后，上述实验装置的流道间隙固定，无法研究间隙效应对流动的影响。所以，如果能够发明一套实验装置对上述问题进行改进，会使矩形窄通道下的CHF研究更加安全、准确。

发明内容

本发明的目的是为了实现矩形通道内的温度测量监控以及可视化观察而提供一种间距可调的矩形窄通道内CHF研究可视化实验装置，是流动沸腾临界可视化，。

本发明的目的是这样实现的：包括上连接法兰、下连接法兰、用于连接上连接法兰和下连接法兰的螺杆、设置在上连接法兰和下连接法兰之间的承压玻璃套筒、设置在承压玻璃套筒内的矩形玻璃套管、设置在矩形玻璃套管内的矩形加热棒、设置在上连接法兰上端的上压紧法兰、设置在下连接法兰下端的下压紧法兰、设置在上压紧法兰与上连接法兰之间中心位置的上电极、设置在下压紧法兰与下连接法兰之间中心位置的下电极，矩形加热棒的上端通过上电极中间位置设置的矩形孔与上电极连接，矩形加热棒的下端与下电极连接，所述矩形玻璃套管的上下两端分别与上连接法兰和下连接法兰连接，且矩形玻璃套管与矩形加热棒之间形成矩形窄流道，所述下连接法兰和上连接法兰的径向上均设置有与矩形窄流道相连通的通孔，所述矩形加热棒的下端是封闭的、上端是敞口的，且矩形加热棒的内表面设置有热电偶安装孔，热电偶安装孔中设置有热电偶，热电偶的端部依次穿过矩形加热棒上端、上压紧法兰至上压紧法兰外部。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述矩形加热棒由中间的不锈钢段和设置在中间的不锈钢段两端的上端铜段和下端铜段构成，所述矩形加热棒的下端是封闭的、上端是敞口的是指：上端铜段是敞口的、下端铜段是封闭的。

2.所述矩形玻璃套管的材料是石英。

3.所述承压玻璃套筒的材料是钢化玻璃。

4.承压玻璃套筒与矩形玻璃套管之间充满乙醇含量33％的酒精。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用矩形加热棒外围套石英玻璃管的方式形成窄矩形通道，可以实现侧面观察加热面气泡产生、聚合、生长和脱离的行为；本发明采用的矩形加热棒周向均存在流动的流体，可以更加真实地模拟板状燃料组件反应堆的流动情况；本发明在加热棒上下两端采用电阻较低的铜材料，可以避免由于流场发展不充分导致的临界率先在流道入口和出口不可视段发生的情况；本发明可以设计出不同尺寸的矩形加热棒，和石英玻璃套管配合可以形成不同间隙的矩形通道，也就是说实验段矩形通道间距可调；石英玻璃套管和承压套筒之间填充的乙醇含量33％的酒精的折射率与钢化玻璃折射率相同，不会出现拍摄的气泡与真实状态下气泡形状不符的情况；本发明采用的实验段连接简单，方便拆装。在发生临界沸腾导致加热棒烧毁的情况下，方便更换。

附图说明

图1为本发明的装置图；

图2为本发明沿竖直方向的剖面图；

图3为本发明剖面局部放大图；

图4为本发明的具体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的矩形窄通道内CHF研究可视化实验装置的结构如下：包括形成矩形窄流道的矩形加热棒和石英玻璃套管、连接法兰对、加热电极、承压玻璃套筒、压紧法兰对和螺杆螺栓等。矩形石英玻璃套管环绕矩形加热棒形成窄矩形流道；在连接法兰对的径向方向开有通孔，流体从下连接法兰的通孔流入窄矩形通道，充分发展后被加热棒加热温度升高，最后从上连接法兰的通孔流出；电源正极通过连接法兰和压紧法兰之间的狭缝加在上电极上，负极接在下电极上，电极与法兰之间加上绝缘垫片，以实现绝缘；热电偶布置在矩形加热棒内表面，通过加热棒和上电极空心部分引出，可以通过导热微分方程间接测量加热表面的温度分布；矩形石英玻璃外套装一支壁厚10mm的承压玻璃套筒，在石英玻璃和钢化玻璃之间的空间填充乙醇含量33％的酒精，使实验段能够承受较大的压力。矩形加热棒两端采用电阻较小的铜材料，中间采用电阻较大的316L不锈钢材料；矩形加热棒的宽边的厚度比窄边的厚度大；矩形加热棒上端开口，下端密封并且开有螺纹孔；热电偶插入加热管内壁一定深度，从加热管空心部分引出；上电极与矩形加热管焊接在一起，下电极通过内六角螺栓与加热棒底部连接；矩形石英玻璃外面套装一支承压钢化玻璃套筒，石英玻璃和钢化玻璃之间充满乙醇含量33％的酒精，也即石英玻璃套管和承压玻璃套筒之间的填充介质为乙醇含量33％的酒精；连接法兰对的上下端面分别刻有圆形和方形的沟槽，使电极、钢化玻璃套筒和石英玻璃套管对中配合。连接法兰上下端面设置有一定深度的矩形凹槽，使矩形加热棒、石英玻璃套管、钢化玻璃套筒和连接法兰对处于同一中心线。连接法兰对沿径向方向各设置一通孔。矩形加热棒的尺寸有多种，石英玻璃套管尺寸固定，两者相互配合形成不同间隙的流道。承压玻璃套筒材料为钢化玻璃。

结合图1-4 ，本发明提供的一种间距可调的矩形窄通道内CHF研究可视化实验装置主要包括上电极1、矩形加热棒2、石英玻璃套管3、下电极4、绝缘垫片5、下压紧法兰6、下连接法兰7、上连接法兰8、上压紧法兰9、热电偶10、承压玻璃套筒12和提供连接作用的螺杆11和螺栓13。

本发明的关键部件为矩形加热棒2，加热棒两端采用电阻率较低的铜材料，中间采用电阻率较大的不锈钢材料，三段焊接在一起，表面打磨抛光处理，使加热棒中间部分的热流密度始终比两端的大。另外，下部铜材料段采用封闭设计，预留一定长度的实心段，并且从底部钻取两个连接螺纹孔。上部铜材料采用空心设计，从空心处引出热电偶线。铜材料段的长度采用40倍的流道当量直径，使流体被加热之前充分发展。这样可以有效避免由于流场发展不充分导致的临界率先在流道入口和出口不可视段发生的情况。

所述电极采用和加热棒两端相同的铜材料，分为上电极1和下电极4。上电极板中间设置一尺寸和矩形加热棒2外径相同的矩形通孔，通过焊接的方式和加热棒2连接在一起。下电极4设置一个尺寸和矩形加热棒横截面尺寸相同的定位槽，在定位槽上钻取两个洞穿电极的螺纹孔。下电极和矩形加热棒通过沉头内六角螺栓连接。

所述矩形玻璃套管3的材质是石英，实现可视化观察的同时可以耐受较高的温度而不软化变形。石英玻璃套管3和矩形加热棒2之间形成窄矩形通道。在连接法兰对7、8的径向方向上各设有一通孔，与主回路管道通过焊接的方式相连。通孔均与窄矩形通道相连通，流体经过法兰7的通孔进入窄矩形通道，被加热棒加热后从法兰8的通孔流出。

所述钢化玻璃套筒12安装在矩形石英玻璃套管3外围，与石英玻璃套管3中间的空间充满乙醇含量33％的酒精。系统压力通过乙醇含量33％的酒精传递到钢化玻璃上，这样可以实现宽广压力范围的CHF实验。

所述连接法兰7和8在不同径向方向上加工有两种八个螺纹孔，分别用来定位螺杆和螺栓。矩形加热棒2、石英玻璃套管3和承压玻璃套筒12的对中均依靠连接法兰上加工出的定位槽实现。所以，理论上矩形通道间隙的误差来源于定位槽的加工精度，不会因为人为安装因素产生误差。

所述热电偶10布置在加热棒2内表面。将矩形加热棒2的四个面分别命名为a、b、c、d。为了保证临界发生在加热棒宽边b和d上，将窄边a和c的厚度削薄。由电阻决定式R＝ρL/A，窄边a和c的电阻大于宽边b和d的电阻。由于宽边窄边在电路上属于并联，所以窄边的发热量始终比宽边少。由于宽边b和d的表面热流密度始终比窄边a和c高，所以热电偶只对称布置在宽边b和d上。已有的研究显示，方向朝上的的流动沸腾临界往往发生在临近流道出口的地方。所以，在距离流道出口30mm的加热板上采用3×3的方式加密热电偶布置，热电偶行间距为10mm。加热板剩下的区域热电偶排布采用单列布置，行间距30mm。这样可以有效减少热电偶布置占据的有限的矩形加热棒空心部分空间。

结合图1，对实验段的装配方式做如下说明。

首先，将石英玻璃套管3和承压玻璃套筒12通过定位槽定位于下连接法兰7上，在石英套管和钢化玻璃套筒之间充满乙醇含量33％的酒精。接着把上连接法兰8置于石英套管上方，用螺杆在周向四个方向上固定压紧。然后，将装有热电偶并和上电极焊接在一起的矩形加热棒从上方沿着法兰空心部分竖直插入矩形石英套管。在放入绝缘垫片的情况下，上电极1依靠重力和定位槽配合，下电极4依靠螺栓与加热棒连接并压紧绝缘垫片，与定位槽配合。最后，利用螺栓13提供的应力将压紧法兰9和6分别压紧上电极和下电极4，使流道密封并能够承受一定的压力。这样，各零部件装配成了试验本体。将连接法兰7和8上的流道入口和出口分别连入主回路，热电偶接入数据采集系统便可以开展窄矩形通道下的CHF可视化实验。当加热棒因为沸腾临界烧毁或者需要变更流道间隙时，依次拆下压紧法兰对和上下加热电极，换下矩形加热棒。再按上述步骤装配新的加热棒进石英玻璃套管。

综上，本发明的主要目的在于提供一种间距可调的矩形窄通道内CHF研究可视化实验装置。该装置主要包括矩形加热棒、电极、石英玻璃套管、承压玻璃套筒、连接法兰对、压紧法兰对和连接螺栓螺杆。与传统的矩形通道下的可视化装置相比，本发明采用的可视化装置不仅可以从正面观察气泡的行为，而且可以更加全面细致地从侧面观察气泡的产生、生长、聚合与脱离，和临界时近壁面的气泡层结构。其次，本发明采用的矩形实验段采用在连接法兰上下端面设置定位槽的方式使石英玻璃套管和矩形加热棒对中。矩形流道的间隙误差主要来源于加工误差，不会由于人为的的操作而产生额外的误差。再者，本发明采用的实验段安装方式形成的并不是真正意义上的矩形通道，而是环矩形通道，这与板型燃料组件反应堆内的布置非常类似，因此可以真实的模拟反应堆内的流动传热情形。运用本发明采用的实验段获取的数据，可以建立起窄矩形通道下的临界热流密度预测模型。为反应堆的设计提供理论依据，同时保障了反应堆正常和事故条件下的运行。

Claims (5)

1.一种间距可调的矩形窄通道内CHF研究可视化实验装置，其特征在于：包括上连接法兰、下连接法兰、用于连接上连接法兰和下连接法兰的螺杆、设置在上连接法兰和下连接法兰之间的承压玻璃套筒、设置在承压玻璃套筒内的矩形玻璃套管、设置在矩形玻璃套管内的矩形加热棒、设置在上连接法兰上端的上压紧法兰、设置在下连接法兰下端的下压紧法兰、设置在上压紧法兰与上连接法兰之间中心位置的上电极、设置在下压紧法兰与下连接法兰之间中心位置的下电极，所述矩形加热棒的上端通过所述上电极中间位置设置的矩形孔与所述上电极连接，所述矩形加热棒的下端与所述下电极连接，所述矩形玻璃套管的上下两端分别与所述上连接法兰和所述下连接法兰连接，且所述矩形玻璃套管与所述矩形加热棒之间形成矩形窄流道，所述下连接法兰和所述上连接法兰的径向上均设置有与所述矩形窄流道相连通的通孔，所述矩形加热棒的内表面设置有热电偶安装孔，所述热电偶安装孔中设置有热电偶，所述热电偶的端部依次穿过所述矩形加热棒上端、所述上压紧法兰至装置外部；所述矩形加热棒由中间的不锈钢段和设置在中间的不锈钢段两端的上端铜段和下端铜段构成，所述矩形加热棒的上端铜段是敞口的、下端铜段是封闭的，所述下端铜段与所述下电极通过螺栓连接，所述矩形玻璃套管尺寸固定，更换不同尺寸的所述矩形加热棒，两者相互配合形成的矩形窄流道的间隙是可调的。

2.根据权利要求1所述的一种间距可调的矩形窄通道内CHF研究可视化实验装置，其特征在于：所述矩形玻璃套管的材料是石英。

3.根据权利要求1或2所述的一种间距可调的矩形窄通道内CHF研究可视化实验装置，其特征在于：所述承压玻璃套筒的材料是钢化玻璃。

4.根据权利要求1或2所述的一种间距可调的矩形窄通道内CHF研究可视化实验装置，其特征在于：所述承压玻璃套筒与所述矩形玻璃套管之间充满乙醇含量33％的酒精。

5.根据权利要求3所述的一种间距可调的矩形窄通道内CHF研究可视化实验装置，其特征在于：所述承压玻璃套筒与所述矩形玻璃套管之间充满乙醇含量33％的酒精。

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