CN111863294B - 反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置及设计方法，属于核反应堆热工水力实验技术领域；所述装置主要包括内管、外管、各密封连接件及工质进出口管道；通过内管周向均匀加热模拟中心燃料棒，通过外管周向部分加热模拟导向管栅元的冷壁效应；在保证环管与导向管栅元水力当量直径和热力当量直径同时相等的基本原则下，计算得出环管内管外径、外管内径、外管周向不加热区域圆心角，并通过在外管加热区域镀银或布置电热丝的方式实现周向部分加热；通过调整内外管相对位置模拟中心棒弯曲问题。本发明以低成本的偏心环管实现了快速模拟棒束通道热工水力行为的功能，为复杂条件下反应堆堆芯热工水力实验研究提供新的技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆热工水力实验技术领域，涉及一种反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置及其设计方法。
背景技术
棒束结构被广泛应用于水冷式反应堆的燃料组件设计中。典型压水堆燃料组件一般由上管座、下管座、格架、导向管等组成的骨架，以及若干燃料棒组成，燃料棒按照一定方式排列，并由格架定位于组件中。由于导向管的存在，燃料组件中包含典型栅元(均由燃料棒构成)和导向管栅元(由燃料棒与导向管共同构成)两种特征栅元。当反应堆运行时，由于导向管不发热导致的冷壁效应将使导向管栅元的热工水力特性与典型栅元显著不同。
棒束表面临界热流密度(CHF)是水冷堆中重要的热工水力参数，对反应堆安全性和经济性有显著影响。国内外相关技术研究表明，导向管引起的冷壁效应对CHF具有显著影响。同时，当导向管栅元中燃料棒由于辐照肿胀发生弯曲时，CHF的变化特性与影响机制会更加复杂。因此，需要进一步开展CHF机理实验研究，以解决冷壁效应和棒束弯曲对CHF影响机制与规律不明的问题。
以往研究表明，无论是否存在冷壁效应和棒束弯曲问题，采用5×5棒束通道进行CHF实验均能有效地反映压水堆堆芯CHF的规律特性。但是，大规模棒束实验成本昂贵，实验难度大，关键参数不易测量，不利于棒束CHF实验研究的开展和新型燃料组件的开发。因此，探索以低成本的简单通道快速模拟棒束热工水力行为的实验技术，进而获取冷壁和棒束弯曲效应对棒束CHF的影响规律，具有重要的意义。
环管结构具有模拟棒束通道热工水力特性的潜力。对于没有导向管的典型栅元，由于水力当量直径与热力当量直径相同，采用内外管分别加热的同心环管可以模型其CHF变化特性。而对于导向管栅元，上述环管结构既无法保证热力和水力同时相似，也不能模拟导向管的冷壁效应对CHF的影响。当中心棒束向靠近导向管方向弯曲时，上述环管结构也无法准确模拟冷壁与棒弯曲的耦合影响。综上，内外管分别加热的环管结构无法准确模拟导向管栅元冷壁效应和棒弯曲对棒表面CHF的影响。
发明内容
为了解决上述问题，满足实验需要，本发明的目的是提供一种反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置及设计方法，基于水力当量直径和热力当量直径均与待研究栅元相同的设计准则，考虑冷壁效应，采用内管周向均匀加热和外管周向部分加热的方式来模拟导向管栅元，并通过调整内管与外管各个方向的偏心距来模拟各方向棒弯曲行为。本发明克服了传统大规模棒束CHF实验装置的不足，为复杂条件下棒束热工水力实验研究提供新的技术支持。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置，包括周向均匀加热的内管、周向部分加热的外管、管间定位密封结构和工质进出口管道；
所述的周向均匀加热的内管包括内管本体1和内管电加热电极8，内管本体1用于模拟导向管栅元的中心燃料棒，其外径与中心棒相等，材质可选择不锈钢、因铬镍等金属，内管本体1内侧根据实际情况，选择固定式热电偶或滑动热电偶测量内壁面温度，内管本体1两端连接内管电加热电极8，采用直接通电方式进行周向均匀加热。
所述的周向部分加热的外管包括外管本体2和外管电加热电极3，外管本体2用于模拟中心棒四周热流分布情况，其内径由导向管栅元水力当量直径和内管外径之和确定，保证内外管形成的环管与导向管栅元的水力当量直径相同；为同时实现环管与导向管栅元热力当量直径相同，且模拟冷壁效应，外管本体2采取周向部分加热，不加热区域弧长由导向管栅元热力当量直径、外管本体2内径和内管本体1外径共同决定；外管本体2两端连接外管电加热电极3，可采用直接通电或布置电热丝两种加热方式分别实现周向部分加热，采用直接通电加热时，在外管本体2发热区域表面镀银，利用银镀层的电阻小的特点实现周向部分发热，采用电热丝加热时，在外管本体2发热区域表面布置电热丝，实现周向部分发热。
所述的管间定位密封结构包括定位格架4、内侧连接法兰5、外侧连接法兰6和内管密封卡套7；内侧连接法兰5与外管本体2两端焊接，内侧连接法兰5使用绝缘密封垫片和带绝缘套垫的螺栓与外侧连接法兰6相连，实现外管本体2密封与绝缘；内管本体1通过带绝缘O环的内管密封卡套7固定于外侧连接法兰6上，实现内管本体1密封与绝缘，同时便于拆卸更换；内管本体1与外管本体2的相对位置由定位格架4和内管密封卡套7确定，内管本体1与外管本体2的最小距离由导向管栅元中心燃料棒与导向管之间的距离决定。当研究导向管栅元中心燃料棒弯曲行为时，可通过更换定位格架4、外侧连接法兰6和内管密封卡套7改变内管本体1与外管本体2相对位置，以模拟中心棒向任意方向弯曲的情况。
所述的工质进出口管道包括工质进口管道9和工质出口管道10，工质进口和出口管道分别焊接在外管不发热区域，实现工质在内外管间的环形通道内流动。
本发明所述的反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置的设计方法，包括以下步骤：
(1)根据要研究的导向管栅元中心燃料棒直径确定内管本体1外径，采用金属材质加工内管本体1，并布置内壁面热电偶；
(2)根据内外管形成的环管与导向管栅元水力当量直径相等的原则，由导向管栅元水力当量直径和内管本体1外径之和确定外管本体2内径，采用金属材质加工外管本体2，在外管本体2两端焊接内侧连接法兰5和工质进出口管道，分别用于密封绝缘和工质进出；
(3)根据环管与导向管栅元热力当量直径相等的原则，由导向管栅元热力当量直径、内管本体1外径、外管本体2内径计算外管本体2周向不加热区域的弧长，在外管本体2周向加热区域镀银薄层或布置电热丝，安装外管电加热电极3，实现外管本体2周向部分加热；
(4)根据导向管栅元中导向管与中心燃料棒间距确定内管本体1与外管本体2之间的最小距离，通过定位格架4、外侧连接法兰6和内管密封卡套7固定内管本体1与外管本体2的相对位置；当研究导向管栅元中心燃料棒弯曲行为时，通过更换定位格架4、外侧连接法兰6和内管密封卡套7改变内管本体1与外管本体2的相对位置即偏心距，模拟中心燃料棒向任意方向弯曲的情况；
(5)将加工好的定位格架4放入外管本体2中，并固定于指定位置，将焊接在外管本体2两端上的内侧连接法兰5与外侧连接法兰6用带绝缘套垫的螺栓和绝缘密封垫片连接起来，实现外管本体2密封与绝缘；
(6)将内管本体1穿过定位格架4放入外管本体2中，用带绝缘O环的内管密封卡套7固定在外侧连接法兰6上，实现内管本体1密封与绝缘；
(7)在内管本体1露在内管密封卡套7外的部分安装内管电加热电极8，将实验台架上工质进出口管分别与外管本体2上的工质进口管道9和工质出口管道10连接，在外管本体2表面布置热电偶测量外壁面温度，进行打压测试后，即进行实验。
和现有技术相比较，本发明具有如下的创新性：
(1)提供了一种可以准确模拟导向管栅元冷壁效应的偏心环形实验装置，内管采用周向均匀加热，外管通过在周向加热区域镀银或布置电热丝实现周向部分加热，能够准确反映导向管栅元冷壁效应对中心棒表面热工水力特性的影响；
(2)提供了一种可以准确模拟导向管栅元棒弯曲问题的偏心环形实验装置，通过定位格架和内管密封卡套，在密封绝缘的基础上确定内外管偏心距和偏心位置，能够准确反映导向管栅元中心棒向任意方向发生任意程度弯曲的情况；
(3)提供了一种能准确模拟导线管栅元冷壁效应和棒弯曲问题的环形通道设计方法，该方法能够同时实现环形通道与导向管栅元的水力当量直径与热力当量直径相同。
本发明以低成本的偏心环形通道实现了快速模拟棒束通道热工水力行为的功能，解决了同心环管无法模拟导向管冷壁效应和棒弯曲行为的难题，克服了传统大规模棒束CHF实验装置的不足，为复杂条件下棒束热工水力实验研究提供新的技术支持，具有重要的工程实用价值。
附图说明
图1为本发明实例提供的实验装置结构示意图；
图2a为实际燃料组件中导向管栅元横截面示意图，图2b为本发明实例提供的偏心环管横截面示意图；
图3a为实际燃料组件中导向管栅元中心棒沿导向管方向发生弯曲并与导向管接触的截面示意图，图3b为本发明实例提供的偏心环管中心棒沿导向管方向发生弯曲并与导向管接触的截面示意图；
图4a为实际燃料组件中导向管栅元中心棒向导向管和相邻燃料棒间隙发生弯曲并与导向管和相邻燃料棒同时接触的截面示意图，图4b为本发明实例提供的偏心环管中心棒向导向管和相邻燃料棒间隙发生弯曲并与导向管和相邻燃料棒同时接触的截面示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，以典型压水堆燃料组件参数为基础，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置，图1为本发明实例提供的实验装置结构示意图，用于描述发明装置的主要构成与连接方式。主要包括内管本体1，外管本体2，外管电加热电极3，定位格架4，内侧连接法兰5，外侧连接法兰6，内管密封卡套7，内管电加热电极8，工质进口管道9，工质出口管道10。
外管本体2与内侧连接法兰5焊接，并通过带绝缘套垫的螺栓和绝缘密封垫片与外侧连接法兰6相连，实现外管本体2两端的密封与绝缘；内管本体1通过定位格架4穿过外管本体2内，通过内管连接卡套7固定在外侧连接法兰6上，实现内管本体1两端的密封与绝缘；工质进出口管道分别焊接在外管本体2上，工质通过管道进入环管间隙中进行实验；内管本体1与外管本体2两端分别安装电加热电极，实现通电加热。
进一步的，图2a为实际燃料组件中导向管栅元截面，图2b为本发明实例提供的偏心环管截面，用于实例提供的偏心环管各部分尺寸及设计计算方法。
以本实例中典型压水堆导向管栅元为例，实验装置的内管本体1用于模拟导向管栅元中心燃料棒，外径与中心燃料棒相等，即Di＝Do1＝9.5mm；
实验装置的外管本体2用于模拟中心燃料棒四周热流分布情况，其尺寸选取原则是保证偏心环管与导向管栅元水力相似；已知导向管外径Do2＝12.45mm，导向管栅元水力当量直径为：
为保证环管的水力当量直径与导向管栅元相等，外管本体2内径Do为：
Do＝Di+10.5＝20.0mm；
为模拟导向管冷壁效应，外管本体2为周向部分加热，其中周向不加热区域弧长选取原则是保证偏心环管与导向管栅元的热力当量直径相等。导向管栅元的热力当量直径计算如下：
在保证环管与导向管栅元热力当量直径相等前提下，设周向加热区域弧长为Lh：
内管本体1相对外管本体2的偏心位置由实际导向管栅元确定，内管本体1与外管本体2的最小间距L等于导向管与中心燃料棒间距离，在本发明实例中，L＝1.625mm。
本装置还可以用于模拟棒弯曲问题，方法如下；
进一步的，3a为实际燃料组件中导向管栅元中心棒沿导向管方向发生弯曲并与导向管接触的截面示意图，图3b为本发明实例提供的偏心环管中心棒沿导向管方向发生弯曲并与导向管接触的截面示意图；沿垂直方向调整内管本体1与外管本体2最小间距L，即可模拟中心燃料棒沿导向管方向发生弯曲的情况，极限情况为内管本体1在垂直方向与外管本体2物理接触。
进一步的，图4a为实际燃料组件中导向管栅元中心棒向导向管和相邻燃料棒间隙发生弯曲并与导向管和相邻燃料棒同时接触的截面示意图，图4b为本发明实例提供的偏心环管中心棒向导向管和相邻燃料棒间隙发生弯曲并与导向管和相邻燃料棒同时接触的截面示意图；沿外管周向加热和不加热区域分界线方向移动内管本体1，即可模拟中心燃料棒向导向管和相邻燃料棒间隙发生弯曲的情况，极限情况为内管本体1在外管本体2周向加热和不加热区域交界处物理接触。
以下为本发明所述的反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置的设计方法，其具体的操作步骤为：
(1)根据导向管栅元中心燃料棒直径确定内管本体1外径Di＝9.5mm，采用不锈钢、因铬镍等金属材质加工内管，并布置内壁面热电偶；
(2)根据环管与导向管栅元水力当量直径相同的原则，由导向管栅元水力当量直径和内管本体1外径之和确定环管的外管本体2内径Do＝20mm，采用金属材质加工外管本体2，在外管本体2两端焊接内侧连接法兰5和工质进出口管道，分别用于密封绝缘和工质进出；
(3)根据环管与导向管栅元热力当量直径相同的原则，由导向管栅元热力当量直径、内管本体1外径、外管本体2内径计算处外管本体2周向不加热区域的圆心角为θ＝85°，在外管本体2周向加热区域镀0.3mm的银薄层或布置指定功率的电热丝，安装电极，实现外管本体2周向部分加热；
(4)根据导向管栅元中导向管与中心燃料棒距离确定内外管之间的最小距离L＝1.625mm。通过定位格架4、外侧连接法兰6和内管密封卡套7固定内外管相对位置；
(5)将加工好的定位格架4放入外管本体2中，并固定于指定位置，将焊接在外管本体2上的内侧连接法兰5与外侧连接法兰6用带绝缘套垫的螺栓和绝缘密封垫片连接起来，实现外管本体2密封与绝缘；
(6)将内管本体1穿过定位格架放入外管本体2中，用带绝缘O环的内管密封卡套7固定在外侧连接法兰6上，实现内管本体1密封与绝缘；
(7)在内管本体1露在内管密封卡套7外的部分安装内管电加热电极8，将实验台架上工质进出口管与外管本体2上工质进出口管道连接，在外管本体2表面布置热电偶测量外壁面温度，进行打压测试后，即可进行实验；
(8)当需要中心模拟棒弯曲问题时，根据弯曲程度与位置加工相应的定位格架4、外侧连接法兰6和内管连接卡套7，改变内外管相对位置，即可模拟中心燃料棒向任意方向弯曲的情况。
以上为本发明实施例提供的一种反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置及其设计方法的主要实施过程和计算方法。
本发明实施例以低成本的偏心环形通道实现了快速模拟棒束通道热工水力行为的功能，解决了同心环管无法模拟导向管冷壁效应和棒弯曲行为的难题，克服了传统大规模棒束CHF实验装置的不足，为复杂条件下棒束热工水力实验研究提供新的技术支持。
以上所述，仅为本发明的一个具体实例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置，其特征在于，包括周向均匀加热的内管、周向部分加热的外管、管间定位密封结构和工质进出口管道；
所述的周向均匀加热的内管包括内管本体(1)，连接在内管本体(1)两端的内管电加热电极(8)；内管本体(1)用于模拟导向管栅元的中心燃料棒，其外径与中心燃料棒相等，内管本体(1)内侧，设置固定式热电偶或滑动热电偶测量内壁面温度；
所述的周向部分加热的外管包括外管本体(2)，连接在外管本体(2)两端的外管电加热电极(3)；外管本体(2)用于模拟中心燃料棒四周热流分布情况，其内径由导向管栅元水力当量直径和内管本体(1)外径之和确定，保证内外管形成的环管与导向管栅元的水力当量直径相等；为同时实现环管与导向管栅元的热力当量直径相等，且模拟冷壁效应，外管本体(2)采取周向部分加热，不加热区域弧长由导向管栅元热力当量直径、外管本体(2)内径和内管本体(1)外径共同决定；
所述的管间定位密封结构包括定位格架(4)、内侧连接法兰(5)、外侧连接法兰(6)和内管密封卡套(7)；管间定位密封结构用于确定内管本体(1)与外管本体(2)的相对位置并进行密封与绝缘；外管本体(2)两端与内侧连接法兰(5)焊接，内侧连接法兰(5)使用绝缘密封垫片和带绝缘套垫的螺栓与外侧连接法兰(6)相连，实现外管本体(2)密封与绝缘；内管本体(1)通过带绝缘O环的内管密封卡套(7)固定于外侧连接法兰(6)上，实现内管本体(1)密封与绝缘，同时便于拆卸更换；内管本体(1)与外管本体(2)的相对位置由内管密封卡套(7)和设置在外管本体(2)内的定位格架(4)确定，内管本体(1)与外管本体(2)的最小距离由导向管栅元中心燃料棒与导向管距离决定；
所述的工质进出口管道包括分别焊接在外管本体(2)不发热区域的工质进口管道(9)和工质出口管道(10)，实现工质在内外管间的环形通道内流动。
2.根据权利要求1所述的一种反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置，其特征在于：所述的内管电加热电极(8)采用直接通电方式对内管本体(1)进行周向均匀加热。
3.根据权利要求1所述的一种反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置，其特征在于：所述的外管本体(2)采用直接通电或布置电热丝两种加热方式分别实现周向部分加热，采用直接通电加热时，在外管本体(2)发热区域表面镀银，利用银镀层的电阻小的特点实现周向部分发热，采用电热丝加热时，在外管本体(2)发热区域表面布置电热丝，实现周向部分发热。
4.权利要求1至3任一项所述的反映堆芯导向管栅元热工水力特性的实验装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据要研究的导向管栅元中心燃料棒直径确定内管本体(1)外径，采用金属材质加工内管本体(1)，并布置内壁面热电偶；
(2)根据内外管形成的环管与导向管栅元水力当量直径相等的原则，由导向管栅元水力当量直径和内管本体(1)外径之和确定外管本体(2)内径，采用金属材质加工外管本体(2)，在外管本体(2)两端焊接内侧连接法兰(5)和工质进出口管道，分别用于密封绝缘和工质进出；
(3)根据环管与导向管栅元热力当量直径相等的原则，由导向管栅元热力当量直径、内管本体(1)外径、外管本体(2)内径计算外管本体(2)周向不加热区域的弧长，在外管本体(2)周向加热区域镀银薄层或布置电热丝，安装外管电加热电极(3)，实现外管本体(2)周向部分加热；
(4)根据导向管栅元中导向管与中心燃料棒间距确定内管本体(1)与外管本体(2)之间的最小距离，通过定位格架(4)、外侧连接法兰(6)和内管密封卡套(7)固定内管本体(1)与外管本体(2)的相对位置；当研究导向管栅元中心燃料棒弯曲行为时，通过更换定位格架(4)、外侧连接法兰(6)和内管密封卡套(7)改变内管本体(1)与外管本体(2)的相对位置即偏心距，模拟中心燃料棒向任意方向弯曲的情况；
(5)将加工好的定位格架(4)放入外管本体(2)中，并固定于指定位置，将焊接在外管本体(2)两端上的内侧连接法兰(5)与外侧连接法兰(6)用带绝缘套垫的螺栓和绝缘密封垫片连接起来，实现外管本体(2)密封与绝缘；
(6)将内管本体(1)穿过定位格架(4)放入外管本体(2)中，用带绝缘O环的内管密封卡套(7)固定在外侧连接法兰(6)上，实现内管本体(1)密封与绝缘；
(7)在内管本体(1)露在内管密封卡套(7)外的部分安装内管电加热电极(8)，将实验台架上工质进出口管分别与外管本体(2)上的工质进口管道(9)和工质出口管道(10)连接，在外管本体(2)表面布置热电偶测量外壁面温度，进行打压测试后，即进行实验。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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