CN110415841B - 临界热流密度增强试验装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种临界热流密度增强试验装置，该临界热流密度增强试验装置包括：隔离筒，隔离筒的第一端具有用于安装试验体的安装位和用于敞开试验体的第一端面的下敞口，隔离筒的第二端敞开且具有连接法兰；转接法兰，转接法兰与连接法兰相连；加热体，加热体安装于隔离筒内，且加热体的第一端面用于与试验体的第二端面贴合，加热体具有沿轴向的加热孔；加热器，加热器安装于加热孔；压装法兰，压装法兰压装在加热体的第二端面上，且通过螺纹连接件与隔离筒的第一端可拆卸地相连。本申请的临界热流密度试验装置为分体式结构设计，可实现试验体的方便、快速拆装更换，并且可以重复使用加热体，可以极大地降低试验成本，并提高试验效率。

Description

临界热流密度增强试验装置

技术领域

本申请属于热工水力技术领域，具体而言，涉及一种临界热流密度增强试验装置。

背景技术

作为缓解事故后果的关键措施的一种，熔融物压力容器内滞留(IVR)技术近年来在核工业界获得了实际应用。反应堆压力容器外部冷却(ERVC)是实现IVR的重要方案。当压力容器下封头的热流密度小于压力容器外表面对应位置的临界热流密度(CHF)时，就可以保证压力容器外表面的冷却，维持其完整性。因此CHF决定了ERVC冷却能力限值。CHF值越大，压力容器的安全裕量就越大，IVR-ERVC措施的可行性就越高。IVR-ERVC策略在中小功率反应堆上有足够的安全裕量，但是大功率反应堆上压力容器下封头内部的热流密度不断提高，为进一步提高IVR有效性，需提高CHF限值。

为此，国内外广泛开展了临界热流密度增强试验研究，考虑了大量的CHF影响因素，其中部分试验揭示了冷却剂水化学特性、特殊表面结构、多孔亲水介质及纳米材料等表面涂层能显著提高CHF。然而，在表面特性相关的临界热流密度增强试验中，所使用的试验装置结构复杂，加热体与试验块为一个整体，对不同试验块开展试验时，需更换整个试验本体，试验成本高。这在一定程度上限制了试验的次数，难以进行深入全面的研究。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本申请提出一种临界热流密度增强试验装置，包括：隔离筒，所述隔离筒的第一端具有用于安装试验体的安装位和用于敞开试验体的第一端面的下敞口，所述安装位设有隔热密封垫，所述隔离筒的第二端敞开且具有连接法兰；转接法兰，所述转接法兰与所述连接法兰相连，且用于连接金属软管；加热体，所述加热体安装于所述隔离筒内，且所述加热体的第一端面用于与所述试验体的第二端面贴合，所述加热体具有沿轴向的加热孔；加热器，所述加热器安装于所述加热孔；压装法兰，所述压装法兰压装在所述加热体的第二端面上，且通过螺纹连接件与所述隔离筒的第一端可拆卸地相连。

本申请的临界热流密度试验装置为分体式结构设计，可实现试验体的方便、快速拆装更换，并且可以重复使用加热体，可以极大地降低试验成本，并提高试验效率。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请实施例的临界热流密度增强试验装置的结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大图；

图3是本申请实施例的加热体的纵向剖视图；

图4是本申请实施例的加热体的端面视图；

图5是本申请实施例的压装法兰的端面视图；

图6是本申请实施例的压装法兰的纵向剖视图；

图7是本申请实施例的支撑法兰的端面视图；

图8是本申请实施例的支撑法兰的纵向剖视图；

图9是本申请实施例的试验体的纵向剖视图；

图10是图9中B处的局部放大图；

图11是本申请实施例的试验体的局部俯视图。

附图标记：

临界热流密度增强试验装置100，

支撑法兰10，外螺纹11，下敞口12，支撑凹槽13，螺纹孔14，隔热密封垫15，

压装法兰20，通孔21，缺口22，压装凹槽23，螺纹连接件24，弹簧垫25，隔热垫26，

加热体30，加热孔31，

加热器40，

隔离套50，连接法兰51，转轴52，

转接法兰60，金属软管61，

试验体70，测试孔71，豁口72，导向面73，加热槽74，热电偶75，

保温层80，

底架91，排水管92，箱体93，上盖板94，支撑架95，风道96。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面参考图1-图11描述根据本申请实施例的临界热流密度增强试验装置100。

如图1所示，根据本申请一个实施例的临界热流密度增强试验装置100包括：隔离筒、转接法兰60、加热体30、加热器40、压装法兰20。

其中，隔离筒的第一端(图2中的下端)具有用于安装试验体70的安装位和用于敞开试验体70的第一端面的下敞口12，安装位设有隔热密封垫15，隔离筒的第二端(图2中的上端)敞开且具有连接法兰51，转接法兰60与连接法兰51相连，转接法兰60与连接法兰51之间可以夹设有密封圈，转接法兰60用于连接金属软管61，金属软管61可以为波纹管，其内设有风道96。

加热体30安装于隔离筒内，且加热体30的第一端面(图2中的下端面)用于与试验体70的第二端面(图2中的上端面)贴合，加热体30具有沿轴向的加热孔31，加热器40安装于加热孔31，加热器40可以为电加热器。

压装法兰20压装在加热体30的第二端面(图2中的上端面)上，且通过螺纹连接件24与隔离筒的第一端可拆卸地相连。

在试验时，可以将隔离筒放置在箱体93内，箱体93可以为耐温玻璃制成，箱体93放置在底架91上，箱体93下端设有排水管92，箱体93的上端设有上盖板94，箱体93用于装入水，并将隔离筒浸没，这样，试验体70可以通过下敞口12与水接触，且隔离筒内保持干燥的环境。

隔离筒可以为圆筒型密封结构。隔离筒上端连金属软管61，管内通电缆线和热电偶75线。通过隔离筒，实现加热体30及加热棒等结构与外部冷却剂的隔离。试验体70嵌套在支撑法兰10中，二者之间采用高温胶及隔热密封垫15密封。加热体30在隔离筒内，下端表面与试验体70紧密贴合，将加热器40产生的热量传到试验体70。试验体70及加热体30通过压装法兰20及螺纹连接件24紧固在支撑法兰10上。

临界热流密度增强试验装置100还可以包括保温层80，保温层80包覆在隔离筒外，且保温层80露出下敞口12。隔离筒外敷保温层80，防止试验装置内产生的热量通过隔离套50侧壁导出。该试验装置通过高功率加热器40提供热源，通过试验体70内置热电偶75监测的温度信息判断CHF的发生，通过加热体30外壁热电偶75监测温度以保证加热体30的安全性。

试验过程中，首先给本试验装置的加热器4通电，并逐步增大电功率。为确保安全及试验数据的可靠性，每次功率增幅不超过上一稳定功率的20％。在每次调整功率后，确保试验体70内热电偶75温度示数不再上升且达到稳定时才能继续提高功率。当试验体70内热电偶75监测温度飞升5-15℃/s且无回落，则判定CHF发生并迅速切断电源，此时的试验体70加热表面的热流密度即为实验需要取得的临界热流密度。临界热流密度计算方法为

需要说明的是，本申请的临界热流密度增强试验装置100，可以方便地更换试验体70，在需要更换试验体70时，拆卸转接法兰60与连接法兰51可以使隔离筒得第一端敞开，再将压装法兰20拆卸，这样就可以将加热体30和加热器40抽离，更换试验体70，装配时，反过来操作即可。

本申请的临界热流密度试验装置为分体式结构设计，可实现试验体70的方便、快速拆装更换，并且可以重复使用加热体30，可以极大地降低试验成本，并提高试验效率。

在一些实施例中，如图3和图4所示，加热孔31沿加热体30的轴向贯穿加热体30，加热孔31包括间隔开分布的多个，加热器40为多个，且包括伸入加热孔31的棒体。具体地，加热体30的中心设有一个加热孔31，在该加热孔31的周向上设置有多个均匀间隔开分布的加热孔31，每个加热孔31内安装加热器40。这样加热体30的加热功率大，且加热均匀。

如图1和图2所示，临界热流密度增强试验装置100还可以包括：转轴52，转轴52与隔离筒相连，转轴52用于与驱动机构相连。在实际的执行中，隔离套50中间位置两侧分别焊接套管，套管与转轴52固定连接，上盖板94安装有支撑架95，转轴52通过轴承支承于支撑架95，转轴52贯穿箱体93，并与外部的驱动机构相连，这样就能实现隔离筒的吊装，且通过外部驱动机构可以调节试验体70加热表面的倾角，以满足更多的试验需求。

在一些实施例中，如图5和图6所示，压装法兰20为环形，压装法兰20的中心孔用于避让加热体30的加热孔31，压装法兰20设有多个沿周向间隔开分布的通孔21，通孔21环绕在加热体30的外周，且与加热体30的周壁间隔开，螺纹连接件24贯穿通孔21，这样压装法兰20的各个区域的受力均衡，可以更好地将加热体30压在试验体70表面。如图2所示，螺纹连接件24可以为双头螺栓，双头螺栓贯穿通孔21后下端与支撑法兰10螺纹连接，上端套设弹簧垫25后拧螺母，利用弹簧垫25的弹性力将加热体30压紧。

如图2所示，压装法兰20的外径小于隔离筒的内径，且压装法兰20的外周设有多个缺口22。缺口22用于安装或拆卸压装法兰20时夹持压装法兰20，缺口22可以为扇形，缺口22的底壁到压装法兰20的中心的距离大致等于通孔21的圆心到压装法兰20的中心的距离，这样缺口22对压装法兰20的强度影响小。另外，缺口22还可以增大压装法兰20两侧的空气对流速度。

如图6所示，压装法兰20的朝向加热体30的第二端面设有压装凹槽23，压装凹槽23的底壁用于抵压加热体30的第二端面，压装凹槽23的周壁为锥形。锥形的压装凹槽23可以起到导向的作用，使加热体30可以自动对中，当然，如图2所示，在装配时，在压装凹槽23的底壁与加热体30之间还可以夹设有隔热垫26。

在一些实施例中，如图2、图7、图8所示，隔离筒包括：隔离套50、支撑法兰10，隔离套50的第一端敞开，隔离套50为管状，两端敞开，隔离套50可以为钢套。支撑法兰10与隔离套50的下端的螺纹连接，比如支撑法兰10的外周壁可以设有外螺纹11，隔离套50的下端的内周壁可以设有内螺纹，这样支撑法兰10与隔离套50的拆装方便，当然，在常规测试中，当更换试验体70时，无需拆卸支撑法兰10。

支撑法兰10与螺纹连接件24相连，安装位和下敞口12设于支撑法兰10。如图7、图8所示，支撑法兰10可以设有多个螺纹孔14，螺纹连接件24可以为双头螺杆，双头螺杆的下端与螺纹孔14螺纹连接。

如图2和图8所示，支撑法兰10具有朝向加热体30的多级台阶型的支撑凹槽13，支撑凹槽13限定出安装位，隔热密封垫15具有阶梯型的外周面且安装于支撑凹槽13，隔热密封垫15与支撑凹槽13至少在两个相互垂直的面抵压。隔热密封垫15的外周也为台阶型，且隔热密封垫15的台阶面与支撑凹槽13的一个台阶面止抵，隔热密封垫15的台阶面的两端的周壁分别与支撑凹槽13的两个周壁止抵。对应地，试验体70的外周可以设有环形台阶面，并通过该台阶面支撑于隔热密封垫15，这样隔热密封垫15可以实现径向和轴向的双向密封。

在一些实施例中，临界热流密度增强试验装置100还可以包括：试验体70。

如图2所示，试验体70安装于安装位，试验体70的第一端面(图2中的下端面)从下敞口12露出，试验体70的第二端面(图2中的上端面)与加热体30的第一端面贴合，试验体70的周壁设有多个向轴心延伸的测试孔71，多个测试孔71到试验体70的第二端面的距离不同，测试孔71插有热电偶75。试验体70用于模拟压力容器的下封头。

试验体70包括无氧铜基体和覆盖在无氧铜基体的第一端面(图9中的下端面)和第二端面(图9中的上端面)的钢层，且位于第二端面的钢层具有多孔涂层。

在实际的执行中，试验体70加热表面采用爆炸焊接的技术焊接一层薄钢层，确保加热表面材料与原型(压力容器的下封头)的一致性，从而试验得到的数据更具有工程指导价值。此外，试验体70加热表面采用冷喷涂技术制备多孔涂层，可有效强化沸腾换热和增强临界热流密度，为进一步提高IVR的有效性奠定基础。

如图9所示，试验体70的第二端面(图9中的上端面)设有加热槽74，加热槽74的周壁为锥形面。锥形的加热槽74可以便于实现加热体30的自动对中。

如图10所示，测试孔71的敞开端的上壁设有导向面73。这样便于安装热电偶75，且可以防止热电偶75的线缆被划伤。

如图11所示，试验体70的周壁设有沿轴向贯穿试验体70的豁口72，测试孔71开设于豁口72，且豁口72的宽度大于测试孔71的孔径。

下面描述本申请一个具体实施例的临界热流密度增强试验装置100。

如图2所示，本申请实施例的临界热流密度增强试验装置100包括：隔热密封垫15、试验体70，加热体30，加热器40、转轴52、隔离套50、螺栓、支撑法兰10、热电偶75、螺纹连接件24、压装法兰20、弹簧垫25，隔热垫26、保温层80、金属软管61。

如图2所示，该装置为圆筒型密封结构。隔离套50下端与支撑法兰10之间通过螺纹连接并密封，上端连金属软管61，管内通电缆线和热电偶75线。通过隔离套50，实现加热体30及加热棒等结构与外部冷却剂的隔离。试验体70嵌套在支撑法兰10中，二者之间采用高温胶及隔热密封垫15密封。加热体30在隔离套50内，下端表面与试验体70紧密贴合，将加热棒产生的热量传到试验体70。试验体70及加热体30通过压装法兰20及螺纹连接件24紧固在支撑法兰10上。隔离套50外敷保温层80，防止试验装置内产生的热量通过隔离套50侧壁导出。隔离套50中间位置两侧分别焊接转位机构的转轴52套管，通过外部转位机构实现试验体70加热表面朝向倾角的调节。该试验装置通过高功率加热器40提供热源，通过试验体70内置热电偶75监测的温度信息判断CHF的发生，通过加热体30外壁热电偶75监测温度以保证加热体30的安全性。

如图9所示，试验体70为下窄上宽的圆柱凸台，主体采用TU1无氧铜制成，下表面为加热面。在试验体70内部距离加热表面3个不同高度位置钻Φ1.1mm的圆柱形的测试孔71，测试孔71前端通向试验体70的轴心。测试孔71内分别插入热电偶75以测量试验体70的温度值，根据监测的温度信息判断CHF的发生。试验体70上表面为内凹结构，带锥形坡面，便于加热体30插入，方便安装。

试验体70的加热表面采用爆炸焊接的方式焊上一层厚2.5mm的SA508III钢层，与原型压力容器下封头表面材料一致，从而保证试验得到的数据更具有实际指导价值。再采用冷喷涂的方式，在钢层表面制备多孔涂层，以增加传热面积、微液层液体补充流道和蒸汽溢出通道，从而强化沸腾换热和增强临界热流密度。

如图3所示，加热体30为圆柱结构，材料为TU1无氧铜。加热体30内沿轴向开9个均布的加热孔31，其中一个加热孔31的圆心与加热体30轴心重合。加热孔31内放置加热器40，作为加热源。加热体30底部端面与试验体70圆形的加热槽74端面紧密贴合，以减小接触热阻。加热体30侧壁压片安装热电偶75，监测加热体30的温度，防止加热体30超温，从而保证加热体30的安全性。

隔离套50为圆筒型结构。钢套下端内壁面含内螺纹，与支撑法兰10之间通过螺纹密封。钢套上端为法兰结构，与带法兰金属软管61相连。通过隔离套50，实现加热体30及加热棒等结构与外部冷却剂的隔离。隔离套50中间位置两侧分别焊接套管，外部的驱动机构的转轴52插入到转轴52套管内，通过转轴52带动整个试验装置旋转，实现试验体70加热表面朝向倾角的调节。

隔离套50外敷保温层80，厚40mm。保温层80采用隔热防水材料制作，对隔离套50进行防水隔热，以防隔离套50直接与外部冷却剂接触而出现沸腾现象。在试验体70的拆装更换过程中，保温层80无需拆卸更换。

如图5-图8所示，压装法兰20、支撑法兰10都是承插法兰结构。

压装法兰20的承口内孔面为锥形坡面，便于加热体30对中插入承口孔内。加热体30顶部端面与承口端面之间布置隔热垫26，用于隔热。法兰端面呈花瓣状，便于拆装。

支撑法兰10含双层承口，试验体70嵌套在支撑法兰10承口孔内，二者之间采用高温胶及隔热密封垫15进行隔热及密封。支撑法兰10外壁带螺纹，与钢套下端内壁之间通过螺纹密封。在试验体70的拆装更换过程中，支撑法兰10无需拆卸。

压装法兰20均布4个通孔21，支撑法兰10均布4个不穿通的螺纹孔14。上、支撑法兰10与试验体70、加热体30之间通过螺纹连接件24紧固。螺纹连接件24一端插入支撑法兰10螺纹孔14，另一端穿过压装法兰20螺栓孔，再套入3层弹簧垫25，通过螺母压紧。

本申请针对现有技术的不足，提供了一种可快速拆装的临界热流密度增强试验装置100，用于开展池式沸腾条件下原型材料表面的临界热流密度增强试验，进行临界热流密度增强机理研究及增强措施验证。

本申请公开的分体式结构设计的临界热流密度试验装置，可实现试验块的方便、快速拆装更换，并重复使用加热体30，从而极大的降低试验成本并提高试验效率。试验体70加热表面采用爆炸焊接的技术焊接一层薄钢层，确保加热表面材料与原型的一致性，从而试验得到的数据更具有工程指导价值。试验体70加热表面采用冷喷涂技术制备多孔涂层，可有效强化沸腾换热和增强临界热流密度，为进一步提高IVR的有效性奠定基础。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一种临界热流密度增强试验装置，其特征在于，包括：

隔离筒，所述隔离筒的第一端具有用于安装试验体的安装位和用于敞开试验体的第一端面的下敞口，所述安装位设有隔热密封垫，所述隔离筒的第二端敞开且具有连接法兰；

转接法兰，所述转接法兰与所述连接法兰相连，且用于连接金属软管；

加热体，所述加热体安装于所述隔离筒内，且所述加热体的第一端面用于与所述试验体的第二端面贴合，所述加热体具有沿轴向的加热孔；

加热器，所述加热器安装于所述加热孔；

压装法兰，所述压装法兰压装在所述加热体的第二端面上，且通过螺纹连接件与所述隔离筒的第一端可拆卸地相连；

所述隔离筒包括：

隔离套，所述隔离套的第一端敞开；

支撑法兰，所述支撑法兰与所述隔离套的下端的螺纹连接，所述支撑法兰与所述螺纹连接件相连，所述安装位和所述下敞口设于所述支撑法兰；

所述压装法兰的外径小于所述隔离筒的内径，且所述压装法兰的外周设有多个缺口。

2.根据权利要求1所述的临界热流密度增强试验装置，其特征在于，所述支撑法兰具有朝向所述加热体的多级台阶型的支撑凹槽，所述支撑凹槽限定出所述安装位，所述隔热密封垫具有阶梯型的外周面且安装于所述支撑凹槽，所述隔热密封垫与所述支撑凹槽至少在两个相互垂直的面抵压。

3.根据权利要求1所述的临界热流密度增强试验装置，其特征在于，所述压装法兰为环形，所述压装法兰的中心孔用于避让所述加热体的加热孔，所述压装法兰设有多个沿周向间隔开分布的通孔，所述通孔环绕在所述加热体的外周，且与所述加热体的周壁间隔开，所述螺纹连接件贯穿所述通孔。

4.根据权利要求1所述的临界热流密度增强试验装置，其特征在于，所述压装法兰的朝向所述加热体的第二端面设有压装凹槽，所述压装凹槽的底壁用于抵压所述加热体的第二端面，所述压装凹槽的周壁为锥形。

5.根据权利要求1所述的临界热流密度增强试验装置，其特征在于，所述加热孔沿所述加热体的轴向贯穿所述加热体，所述加热孔包括间隔开分布的多个，所述加热器为多个，且包括伸入所述加热孔的棒体。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的临界热流密度增强试验装置，其特征在于，还包括：转轴，所述转轴与所述隔离筒相连，所述转轴用于与驱动机构相连。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的临界热流密度增强试验装置，其特征在于，还包括：

试验体，所述试验体安装于所述安装位，所述试验体的第一端面从所述下敞口露出，所述试验体的第二端面与所述加热体的第一端面贴合，所述试验体的周壁设有多个向轴心延伸的测试孔，多个所述测试孔到所述试验体的第二端面的距离不同，所述测试孔插有热电偶。

8.根据权利要求7所述的临界热流密度增强试验装置，其特征在于，所述试验体的第二端面设有加热槽，所述加热槽的周壁为锥形面。

9.根据权利要求7所述的临界热流密度增强试验装置，其特征在于，所述试验体的周壁设有沿轴向贯穿所述试验体的豁口，所述测试孔开设于所述豁口，且所述豁口的宽度大于所述测试孔的孔径。

10.根据权利要求7所述的临界热流密度增强试验装置，其特征在于，所述测试孔的敞开端的上壁设有导向面。

11.根据权利要求7所述的临界热流密度增强试验装置，其特征在于，所述试验体包括无氧铜基体和覆盖在所述无氧铜基体的第一端面和第二端面的钢层，且位于所述第二端面的钢层具有多孔涂层。

12.根据权利要求1-5中任一项所述的临界热流密度增强试验装置，其特征在于，还包括：

保温层，所述保温层包覆在所述隔离筒外，且露出所述下敞口。