CN109561530A - 一种临界热流密度试验专用电加热管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种临界热流密度试验专用电加热管，包括套管，套管内部设置有电加热结构和热电偶，套管管口设置有密封结构，套管远离管口一端封闭设置，其特征在于，所述套管包括同轴间隔套接设置的内管和外管，所述电加热结构设置在内管中，所述热电偶设置在内管和外管之间。还公开了一种上述临界热流密度试验专用电加热管的制造方法。本发明制得的电加热管具有临界热流密度试验过程中能够更好地提高临界判断精度，进而提高试验精度的优点。

Description

一种临界热流密度试验专用电加热管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种临界热流密度试验设备；特别是涉及一种临界热流密度试验专用电加热管及其制造方法。

背景技术

当热流密度达到由核态沸腾转变为过度沸腾所对应的值时，加热表面上的气泡很多，以致使很多气泡连成一片，覆盖了部分加热面。由于气膜的传热系数低，加热面的温度会很快升高，而使加热面烧毁。这一临界对应点又称为沸腾临界点或临界热流密度CHF（Critical Heat Flux）。

在压水堆核动力装置稳态热工设计中，通常只遇到过冷沸腾和低含汽量的饱和沸腾，因此偏离核态沸腾热流密度尤其重要。由于临界热流密度机理及其现象太复杂，通常采用试验研究的方法，得到临界热流密度关系式。根据临界热流密度试验目的及其内容，按相似准则要求设计试验段，研究系统压力、质量流速、临界点含汽量、结构参数等因素对临界热流密度的影响。在临界热流密度试验过程中，临界判断一般采用加热元件壁温判断，其判据有两条：一是加热元件壁温跃升速率达到或超过某一定值；二是加热元件壁温达到或超过最高温度限值。临界热流密度试验数据分析要求给出95%的置信度上，至少95%的概率不发生临界沸腾的临界热流密度比。

CN105007641B曾公开了一种临界热流密度试验用加热棒，适用于模拟核燃料释热而进行临界热流密度试验，其结构：包括镍棒、加热管、镍管、铜管、陶瓷件、铜片及热电偶，所述镍棒的上端与外界上部带电设备连接，所述镍棒的下端与所述加热管的上端对接且密封的固定连接，所述加热管的下端与所述镍管的上端对接且密封的固定连接，所述铜管的上端与所述镍管的下端对接且密封的固定连接，所述铜管的下端与外界下部带电设备连接，所述加热管、镍管及铜管依次对接形成呈中空结构的棒体，所述陶瓷件附着于所述呈中空结构的棒体的内壁上并环绕形成热腔，所述铜片呈均匀的横向设置于所述热腔中并位于加热管内，所述热电偶呈悬空的设置于所述热腔内并藉由所述铜片固定。

上述临界热流密度试验用加热棒能够模拟核燃料棒用于实现临界热流密度试验的简单要求，但由于无法精确检测到加热元件壁温，故临界判断的精准程度会收到影响。进而影响并降低了试验精度。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种在临界热流密度试验过程中能够更好地提高临界判断精度，进而提高试验精度的临界热流密度试验专用电加热管及其制造方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种临界热流密度试验专用电加热管，包括套管，套管内部设置有电加热结构和热电偶，套管管口设置有密封结构，套管远离管口一端封闭设置，其特征在于，所述套管包括同轴间隔套接设置的内管和外管，所述电加热结构设置在内管中，所述热电偶设置在内管和外管之间。

这样，采用了双层套管的结构，将电加热结构和热电偶完全隔离，可以防止电加热结构和热电偶接触而产生短路事故以及影响热电偶检测可靠性。同时重要的时，该结构可以使得热电偶贴近外管设置，这样热电偶能够更好地检测到加热元件壁温，提高了临界判断精度，进而提高试验精度。

进一步地，电加热结构包括设置在内管内部的电热丝和设置在内管管口段的电热丝引出棒，电热丝引出棒内端和电热丝固定，电热丝引出棒外端向外延伸出管口形成电热引线部分，电热丝和内管之间填充设置有氧化镁材料。

这样，具有结构简单，发热可靠稳定的优点。

进一步地，内管外径为3-7mm，外管外径为8-12mm。该尺寸的电加热管能够满足试验尺寸要求，且方便内部构件空间布置。

进一步地，热电偶为绕内管环形布置的多个，热电偶包括位于前端的检测头部分和位于后端的热电偶引出棒，各个热电偶检测头部分沿轴线方向间隔布置，各个热电偶引出棒外端向外延伸出管口形成热电偶引线部分。

这样，可以更好地检测电加热管各个长度段的温度，以方便试验数据统计，提高试验精度。

更好的选择是，采用六个热电偶且沿周向均匀间隔设置。可以更好地防止相互干扰，提高检测精度。

更好的选择是，热电偶采用K型热电偶。检测精度较高。更好的是，热电偶采用外径不超过1.5mm大小的热电偶。这样，采用微小型热电偶，更加方便空间布置安装。

进一步地，内管和外管之间还填充设置有氧化镁材料。这样可以更好地固定热电偶位置，使其尽量和外管内壁相贴，提高检测精度。同时氧化镁材料可以更好地绝缘并对外均匀传递温度。

进一步地，内管和外管均为金属材料制得。优选为不锈钢材料。这样，可以更好地保证强度，利于导热，且方便加工。

进一步地，所述密封结构，包括从内到外填充封装在管口位置的无机密封层和有机密封层。

这样，采用有机材料和无机材料双层密封，可以极大地提高密封效果。

其中无机密封层优选采用瓷釉材料。具有成本低廉，易于设置，密封效果好的特点。

其中有机密封层优选采用硅橡胶或者环氧树脂材料。具有成本低廉，易于设置，密封效果好的特点。

进一步地，密封结构还包括一个焊接固定在外管管口位置的筒状的保护帽，保护帽直径大于外管直径，保护帽内壁设置有内螺纹，所述有机密封层和至少具有部分无机密封层外周填充至内螺纹内。

这样，在保持有机密封和无机密封双层密封效果的同时。由于保护帽内壁设置了内螺纹，故当电加热元件用于高温高压水体的试验环境时，即使密封材料产生局部收缩变形，由于内螺纹的存在，一是提高了密封材料和管壁接触面积，二是螺纹使得密封材料和管壁接触方向存在两个方向，故即使密封材料发生某个方向上的收缩，仍然能够保持另一个方向上的接触。故这样就能够将密封材料局部收缩变形对密封性的影响降到最低。更好地保证了恶劣的试验环境使用时的密封性。

作为优化，所述电热丝引出棒和热带偶引出棒位于管口段的部分上设置有外螺纹，所述无机密封层和有机密封层的内侧均填充至外螺纹内。

这样，进一步提高引出棒和密封材料之间的密封效果。

上述临界热流密度试验专用电加热管可以优选采用以下加工方法加工：

a、先单独制备内部电加热元件，得到内管和其内的电加热结构，内管内填充有氧化镁材料；内管外径控制在3-7mm（最优为5mm）；

b、然后再制备氧化镁固体环，氧化镁固体环采用氧化镁粉末加水和粘结剂调和后采用模具成形并烘干得到；氧化镁固体环内径和内管外径匹配，氧化镁固体环外径和外管内径匹配，氧化镁固体环外表面沿轴线开设有用于安装热电偶的通槽；

c、单独制备外管预制件，外管预制件外径按照大于成品外管外径0.3-0.8mm（优选为0.5mm）控制；

d、在外管底部预填入部分氧化镁粉末材料，然后将氧化镁固体环套入到内管外，将热电偶插入安装到通槽内，再将内管、氧化镁固体环和热电偶三者整体插入装配到外管预制件内；参见图2。

e、对外管预制件进行旋锻，把内部的氧化镁固体环挤压成粉末并填实，且外管预制件缩径为成品外管大小；

f、最后设置密封结构完成封装。

这样，能够更好地实现对电加热管内部密封和绝缘的要求，同时又能够很好地控制各构件的相对空间位置，使其各构件相对位置精确，提高产品质量和检测精度以及使用寿命。

综上所述，本发明得到的电加热管具有在临界热流密度试验过程中能够更好地提高临界判断精度，进而提高试验精度的优点。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的临界热流密度试验专用电加热管的结构示意图。

图2为图1电加热管加工过程的示意图。

图3为具体实施方式中临界热流密度试验装置的系统连接示意框图，图中箭头表示流体流动方向。

图4是图3中单独电加热装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：如图1所示，一种临界热流密度试验专用电加热管，包括套管，套管内部设置有电加热结构和热电偶，套管管口设置有密封结构，套管远离管口一端封闭设置，其中，所述套管包括同轴间隔套接设置的内管1和外管2，所述电加热结构设置在内管1中，所述热电偶设置在内管1和外管2之间。

这样，采用了双层套管的结构，将电加热结构和热电偶完全隔离，可以防止电加热结构和热电偶接触而产生短路事故以及影响热电偶检测可靠性。同时重要的时，该结构可以使得热电偶贴近外管设置，这样热电偶能够更好地检测到加热元件壁温，提高了临界判断精度，进而提高试验精度。

其中，电加热结构包括设置在内管内部的电热丝和设置在内管管口段的电热丝引出棒3，电热丝引出棒3内端和电热丝4固定，电热丝引出棒3外端向外延伸出管口形成电热引线部分，电热丝4和内管1之间填充设置有氧化镁材料。

这样，具有结构简单，发热可靠稳定的优点。

其中，内管1外径为3-7mm，外管2外径为8-12mm。该尺寸的电加热管能够满足试验尺寸要求，且方便内部构件空间布置。

其中，热电偶为绕内管环形布置的多个，热电偶包括位于前端的检测头部分5和位于后端的热电偶引出棒6，各个热电偶检测头部分5沿轴线方向间隔布置，各个热电偶引出棒6外端向外延伸出管口形成热电偶引线部分。

这样，可以更好地检测电加热管各个长度段的温度，以方便试验数据统计，提高试验精度。

其中，采用六个热电偶且沿周向均匀间隔设置。可以更好地防止相互干扰，提高检测精度。

其中，热电偶采用K型热电偶。检测精度较高。更好的是，热电偶采用外径不超过1.5mm大小的热电偶。这样，采用微小型热电偶，更加方便空间布置安装。

其中，内管1和外管2之间还填充设置有氧化镁材料。这样可以更好地固定热电偶位置，使其尽量和外管内壁相贴，提高检测精度。同时氧化镁材料可以更好地绝缘并对外均匀传递温度。

其中，内管1和外管2均为金属材料制得。优选为不锈钢材料。这样，可以更好地保证强度，利于导热，且方便加工。

其中，所述密封结构，包括从内到外填充封装在管口位置的无机密封层7和有机密封层8。

这样，采用有机材料和无机材料双层密封，可以极大地提高密封效果。

其中无机密封层优选采用瓷釉材料。具有成本低廉，易于设置，密封效果好的特点。

其中有机密封层优选采用硅橡胶或者环氧树脂材料。具有成本低廉，易于设置，密封效果好的特点。

其中，密封结构还包括一个焊接固定在外管管口位置的筒状的保护帽9，保护帽9直径大于外管2直径，保护帽9内壁设置有内螺纹，所述有机密封层和至少具有部分无机密封层外周填充至内螺纹内。

这样，在保持有机密封和无机密封双层密封效果的同时。由于保护帽内壁设置了内螺纹，故当电加热元件用于高温高压水体的试验环境时，即使密封材料产生局部收缩变形，由于内螺纹的存在，一是提高了密封材料和管壁接触面积，二是螺纹使得密封材料和管壁接触方向存在两个方向，故即使密封材料发生某个方向上的收缩，仍然能够保持另一个方向上的接触。故这样就能够将密封材料局部收缩变形对密封性的影响降到最低。更好地保证了恶劣的试验环境使用时的密封性。

其中，所述电热丝引出棒和热带偶引出棒位于管口段的部分上设置有外螺纹，所述无机密封层和有机密封层的内侧均填充至外螺纹内。

这样，进一步提高引出棒和密封材料之间的密封效果。

具体实施时，上述临界热流密度试验专用电加热管可以优选采用以下加工方法加工：

a、先单独制备内部电加热元件，得到内管和其内的电加热结构，内管内填充有氧化镁材料；内管外径控制在3-7mm（最优为5mm）；

b、然后再制备氧化镁固体环，氧化镁固体环采用氧化镁粉末加水和粘结剂调和后采用模具成形并烘干得到；氧化镁固体环内径和内管外径匹配，氧化镁固体环外径和外管内径匹配，氧化镁固体环外表面沿轴线开设有用于安装热电偶的通槽；

c、单独制备外管预制件，外管预制件外径按照大于成品外管外径0.3-0.8mm（优选为0.5mm）控制；

d、在外管底部预填入部分氧化镁粉末材料，然后将氧化镁固体环套入到内管外，将热电偶插入安装到通槽内，再将内管、氧化镁固体环和热电偶三者整体插入装配到外管预制件内；参见图2。

e、对外管预制件进行旋锻，把内部的氧化镁固体环挤压成粉末并填实，且外管预制件缩径为成品外管大小；

f、最后设置密封结构完成封装。

这样，能够更好地实现对电加热管内部密封和绝缘的要求，同时又能够很好地控制各构件的相对空间位置，使其各构件相对位置精确，提高产品质量和检测精度以及使用寿命。

其中，a步骤中，内部电加热元件采用拉拔工艺制备。这是由于内管直径小于传统的电加热管直径，如果采用传统电加热管用缩管机进行缩管的方式，容易破坏内部电热丝位置而影响产品质量。拉拔工艺自身为现有工艺，采用现有的拉拔设备实现，具体为先将内管预制件内设置电加热结构并填充氧化镁材料后，采用拉拔设备夹持两端进行拉拔，拉拔后退火处理，可反复多次，使得内管内部氧化镁材料填充密实并获得所需尺寸，完成内部电加热元件制备。

其中b步骤中，氧化镁的成形方式，可以方便在后续旋锻步骤中，将氧化镁固体环震散并挤压成粉末，以完成外管内部空间填充。

更好的选择是，氧化镁固体环采用挤压模具挤压成型，这样，可以更好地成形出氧化镁固体环。通槽深度恰好等于或略小于热电偶直径，这样既可以防止旋锻对热电偶的破坏，又能够保证最终产品中热电偶为尽量靠近外管内壁的空间位置，提高检测精度。

其中，e步骤中，旋锻采用缩管机实现。具有操作方便，可控性好的优点。

其中，f步骤中，先制备获得保护帽，保护帽内壁攻内螺纹，将保护帽焊接到外管外端，然后再依次封装无机密封层和有机密封层。这样，可获得良好的密封效果。

上述电加热管及其加工工艺方法，具有以下的效果和优点。

1、电加热行业制造一般采用垂直锻打工艺对加热元件的内部进行密封填实，但对本产品而言，由于管子内部空间狭小，除了需要布置电阻丝外，还要沿着周向布置不同长度的热电偶，如果采用传统工艺，经垂直锻打工艺压缩后，电阻率变化太大很难把握，有的裸露的电阻丝压缩后还有可能与热电偶接触而造成热电偶导电引起安全隐患。本产品采用双层套管分别预制，内管及其内的电加热结构采用拉拔工艺先制作出成品，再装配到外管进去压缩，保证整体安全绝缘性和电阻率的一致性。

2、微细热电偶的定位精度高。如果采用传统工艺，因缩管后加热管的长度要变化，要把热电偶定位到指定的位置，需要通过X光片得出多次试验数据，找到变化比例才能精确定位，但实际制作中微细热电偶太柔软经常会出现定位不准和插入长度与实际要求控制不住的情况。本方案中通过氧化镁固体环上的通槽对微细热电偶进行精确定位，并能够根据不同长度的密封要求预先控制微细热电偶的不同插入长度，保证了最终产品的内部构件空间位置。

3、紧贴外保护管的微细热点偶是为了更准确的测量出外保护管外壁的温度，提高临界热流密度实验的准确性。传统工艺实际制作中往往在压缩变径后微细热电偶会紧靠在里面的电阻丝或内加热元件外壁，除造成安全隐患外，还会造成需要的测温区域不准确等问题。本方案中通过氧化镁固体环上的通槽，让微细热电偶可以紧贴外保护管的内壁，同时又隔绝内部的加热元件，保证测温区域的准确。

4、该产品一般功率大表面负荷高，对产品的寿命有很大的考验，如果传统做法单端电热元件会因为电阻丝在管子里面走来回，而造成和管壁距离近极易烧穿外管，填充的绝缘物质会对临界热流密度试验的去离子水形成污染。本产品因内装元件是经过拉拔工艺制作的高功率密度电热元件成品，即使里面的电热元件出现质量问题也会因为元件外面有绝缘物质被外管包裹而无任何影响，即只许熔断不能爆管，保证试验的安全性与要求。

本实施例还公开了一种临界热流密度试验装置，参见图3和图4，包括电加热装置10，电加热装置包括长条形的外壳11，外壳一端为进水口12，外壳内部顺长度方向阵列设置有多根燃料棒模拟用的电加热管13，电加热管13所在的外壳至少有一段设置有玻璃观察窗14，外壳另一端为蒸汽出口15，蒸汽出口15和蒸汽冷凝器20入口相连，蒸汽冷凝器20出口和水箱30相连，水箱30通过水泵40和水管和电加热装置10进水口相连，还包括和水泵以及加热装置相连的电控系统50，其特点在于，所述加热装置中，电加热管采用如上所述的临界热流密度试验专用电加热管。

该实验装置按照核电站燃料棒运行的原理设计，采用电加热管阵列来模拟燃料棒。用水泵从水箱中抽取去离子水到加热装置中，通过电加热管发热来模拟燃料棒的发热，使水沸腾，产生的蒸气通过冷凝后回流到水箱。临其中电加热管采用了上述的临界热流密度试验专用电加热管，根据其热电偶排布方式的讲究和原理，即可测量保护管壁同一高度的不同方位温度，测量不同高度的管壁温度和测量不同的固定位置的管壁温度，提高测量精度，取得更多的试验数据，提高试验精度。

Claims (10)

1.一种临界热流密度试验专用电加热管，包括套管，套管内部设置有电加热结构和热电偶，套管管口设置有密封结构，套管远离管口一端封闭设置，其特征在于，所述套管包括同轴间隔套接设置的内管和外管，内管和外观为金属材料制得，所述电加热结构设置在内管中，所述热电偶设置在内管和外管之间。

2.如权利要求1所述的一种临界热流密度试验专用电加热管，其特征在于，电加热结构包括设置在内管内部的电热丝和设置在内管管口段的电热丝引出棒，电热丝引出棒内端和电热丝固定，电热丝引出棒外端向外延伸出管口形成电热引线部分，电热丝和内管之间填充设置有氧化镁材料。

3.如权利要求1所述的一种临界热流密度试验专用电加热管，其特征在于，内管外径为3-7mm，外管外径为8-12mm。

4.如权利要求1所述的一种临界热流密度试验专用电加热管，其特征在于，热电偶为绕内管环形布置的多个，热电偶包括位于前端的检测头部分和位于后端的热电偶引出棒，各个热电偶检测头部分沿轴线方向间隔布置，各个热电偶引出棒外端向外延伸出管口形成热电偶引线部分。

5.如权利要求4所述的一种临界热流密度试验专用电加热管，其特征在于，内管和外管之间还填充设置有氧化镁材料。

6.如权利要求1所述的一种临界热流密度试验专用电加热管，其特征在于，所述密封结构，包括从内到外填充封装在管口位置的无机密封层和有机密封层。

7.如权利要求6所述的一种临界热流密度试验专用电加热管，其特征在于，无机密封层采用瓷釉材料；有机密封层采用硅橡胶或者环氧树脂材料。

8.如权利要求6所述的一种临界热流密度试验专用电加热管，其特征在于，密封结构还包括一个焊接固定在外管管口位置的筒状的保护帽，保护帽直径大于外管直径，保护帽内壁设置有内螺纹，所述有机密封层和至少具有部分无机密封层外周填充至内螺纹内。

9.如权利要求6所述的一种临界热流密度试验专用电加热管，其特征在于，所述电热丝引出棒和热带偶引出棒位于管口段的部分上设置有外螺纹，所述无机密封层和有机密封层的内侧均填充至外螺纹内。

10.一种如权利要求1-9任一权利要求所述的临界热流密度试验专用电加热管制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、先单独制备内部电加热元件，得到内管和其内的电加热结构，内管内填充有氧化镁材料；内管外径控制在3-7mm；

b、然后再制备氧化镁固体环，氧化镁固体环采用氧化镁粉末加水和粘结剂调和后采用模具成形并烘干得到；氧化镁固体环内径和内管外径匹配，氧化镁固体环外径和外管内径匹配，氧化镁固体环外表面沿轴线开设有用于安装热电偶的通槽；

c、单独制备外管预制件，外管预制件外径按照大于成品外管外径0.3-0.8mm控制；

d、在外管底部预填入部分氧化镁粉末材料，然后将氧化镁固体环套入到内管外，将热电偶插入安装到通槽内，再将内管、氧化镁固体环和热电偶三者整体插入装配到外管预制件内；

e、对外管预制件进行旋锻，把内部的氧化镁固体环挤压成粉末并填实，且外管预制件缩径为成品外管大小；

f、最后设置密封结构完成封装。