CN112834563A - 一种锆合金包壳管电加热器的设计和实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锆合金包壳管电加热装置，为一种空心的传热筒体，在所述传热筒体内部设置电加热器芯体，在所述电加热器芯体和所述传热筒体中间填充有电绝缘、耐高温和导热性能良好的粉体材料；所述传热筒体为耐高温、电绝缘和导热性能好的非金属材料；所述传热筒体的长度比所述锆合金包壳管长，以使得伸出包壳管之外的传热筒的筒体段上设置有与试验测试平台相连接的结构件；所述传热筒体的外径比所述锆合金包壳管内径稍小些，以便所述传热筒体穿过所述锆合金包壳管。本发明加热效率大大提高，整个结构非常简单，包壳管试验平台底座上的安装较为方便和可靠。
Description
技术领域
本发明属于核电试验技术领域，特别是涉及核电能源中锆合金包壳管电加热和试验测试技术相关领域。
背景技术
核电站中使用锆合金作为核燃料组件的包壳管材料，因此，研究和掌握锆合金包壳管在各种工况条件、特别是某些非正常工况条件下的特性、性能和可靠性等，成为核能领域的重要科学技术研究工作。在这些工作中，需要对锆合金包壳管加热升温并进行相关试验测试，以研究和测试锆合金包壳管在高温状态下的力学、热学(例如特别是包壳管外表面的热发射率)等特性。要完成这些试验测试工作，就需要采用某种加热技术将包壳管表面温度升高到很高的温度，例如高达1000℃及以上。但是，目前现实工程中，锆合金包壳管配装电加热器的技术方法还存在着一些问题以图1来说明。
电加热器的电转换接头需要一个固定座来完成与包壳管测试系统底座结构实现电绝缘的连接。将锆合金包壳管与其它结构件(如试验测试座等)相安装连接的端头，与包壳管有着结构上的直接接触，不可避免地造成包壳管加热热量的较大损失，相应地加热电能消耗也大；当然，这两个端头还需要耐受很高的温度，端头材料的选用成本也高。以上包壳管两端的电转换接头和端头，都造成包壳管在试验测试平台上的安装极为不方便；特别是需要将包壳管安装入一个封闭的空间筒体内时，电转换接头和端头严重地妨碍了包壳管在封闭筒体内的顺利安装。包壳管外表面的温度升高，是靠电加热器芯体发热然后再通过包壳管内部填充的导热性粉体物质向包壳管内壁传递热量而实现的，显然，粉体物质内部还是有着不可避免的空隙，造成传热效率难以很高，特别是当包壳管内径较大而粉体物质填充得不够密实时，这个问题更为严重。
综上所述，非常有必要对以上现有包壳管电加热器配装和实现的技术方法予以改进，本发明即是针对此问题而提出的。
发明内容
为应对包壳管非辐照情况下各种科学研究中加热升温试验的需求，发明一种可安装于包壳管内部的、结构简单、加热效率高的电加热器装置。该锆合金包壳管电加热装置为一种空心的传热筒体，在所述传热筒体内部设置电加热器芯体，在所述电加热器芯体和所述传热筒体中间填充有电绝缘、耐高温和导热性能良好的粉体材料；
所述传热筒体为耐高温、电绝缘和导热性能好的非金属材料；所述传热筒体的长度比所述锆合金包壳管长，以使得伸出包壳管之外的传热筒的筒体段上设置有与试验测试平台相连接的结构件；所述传热筒体的外径比所述锆合金包壳管内径稍小些，以便所述传热筒体穿过所述锆合金包壳管。
优选的，所述传热筒体在经过初步的加热后其外径得以膨胀而与所述锆合金包壳管内表面形成紧密接触。
优选的，所述电加热器芯体与供电电缆的连接为焊接方式，焊接点设置在所述锆合金包壳管长度以内。
优选的，所述传热筒体两端使用耐高温电绝缘胶对所述传热筒体内的所述粉体材料进行密封。
优选的，所述传热筒体为刚玉材料。
优选的，所述粉体材料为氧化铝粉。
本发明的技术优势为：加热效率大大提高，整个结构非常简单，包壳管试验平台底座上的安装较为方便和可靠。
附图说明
图1是目前现实工程中锆合金包壳管电加热器的配装和实现的基本技术方法。
图中，1-1、1-2是电加热器供电电缆，2-1、2-2是电加热器加热芯的转接头，往往采用导电性能良好且可耐受一定温度的金属制成，如铜及其合金。3-1、3-2是电加热器加热芯在转接头上的焊接点或是电接头，7是电加热器加热芯体，往往是一段电热材料制成的芯线或细棒或薄片。5是包壳管，6是包壳管内部需要填充的一种导热性良好但同时电绝缘性能良好的粉体性物质。4-1、4-2则是将锆合金包壳管与其它结构件(如试验测试座等)相安装连接的一个端头结构(以下简称端头)，由于其根据具体试验实际状况的不同，这个结构体会有不同的具体形式，故此处用一个虚线框表示。
图2为本发明具体实施例示意图。
1——是包壳管，其直径为实际工程中应用的包壳管的直径，长度则由试验测试系统研究工作所确定，在本实施例中为400毫米。
2——是采用电绝缘的刚玉制成的传热筒。
3——是电加热器供电电缆上端的绝缘外护套管。
4——是电加热器供电电缆的上端金属芯线。
5——是耐高温、电绝缘的密封胶，其作用是将刚玉传热筒上端进行密封。
6——是加热器芯体(以下7)与电加热器供电电缆金属芯线的上端连接点，通常采用焊接方法完成。
7——是电加热器芯体，其截面积根据额定最大加热电流再考虑安全保险系数而确定。
8——是填充刚玉传热筒内部的导热粉体材料，如氧化铝粉。
9——是加热器芯体(以上7)与电加热器供电电缆金属芯线的下端连接点，通常采用焊接方法完成。
10——是耐高温、电绝缘的密封胶，其作用是将刚玉传热筒下端进行密封。
11——是电加热器供电电缆的下端金属芯线。
12——是电加热器供电电缆下端的绝缘外护套管。
13-1、13-2——分别是包壳管与测试系统平台结构件(例如测试筒盖板等)相连接的上端和下端的连接过渡零件，其具体结构形式则取决于测试系统平台结构件。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本专利设计这种固体材料的传热筒而不是采用粉体材料，且传热筒经过初期的加热升温就会发生外径的增大，而包壳管反之是内径变小，则在初期几个轮次的加热升温之后，传热筒外表面就与包壳管内表面形成非常紧密的接触而使得传热筒与包壳管内表面具有极其良好的导热性。这样，与现有工程上使用粉体材料来填充包壳管内表面与加热芯体外表面的全部空间这种方法相比，本专利的设计使得对包壳管的加热效率大为提高。
由于外伸出包壳管两端之外的刚玉传热筒的长度(如图中标注的L)足够长，且此传热筒段内没有加热芯体，因此，大大降低了加热芯体的热量损失，可节约加热用电；同时这段传热筒的温度与包壳管的温度(特别是包壳管中部的温度)相比，大为降低，这样，在这一段传热筒的刚玉管上，再实现包壳管与测试系统平台结构件的连接，其温度就较低，可以避免选用耐高温材料所存在的成本很高、连接结构件还需要考虑隔热等诸多复杂问题。
需指出的是，本发明的实施例中传热筒采用刚玉材料，但本发明传热筒的材料其实包括所有耐高温、电绝缘和导热性能好的非金属材料。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (6)
1.一种锆合金包壳管电加热装置，其特征在于，所述电加热装置为一种空心的传热筒体，在所述传热筒体内部设置电加热器芯体，在所述电加热器芯体和所述传热筒体中间填充有电绝缘、耐高温和导热性能良好的粉体材料；
所述传热筒体为耐高温、电绝缘和导热性能好的非金属材料；所述传热筒体的长度比所述锆合金包壳管长，以使得伸出包壳管之外的传热筒的筒体段上设置有与试验测试平台相连接的结构件；所述传热筒体的外径比所述锆合金包壳管内径稍小些，以便所述传热筒体穿过所述锆合金包壳管。
2.如权利要求1所述的一种锆合金包壳管电加热装置，其特征在于，所述传热筒体在经过初步的加热后其外径得以膨胀而与所述锆合金包壳管内表面形成紧密接触。
3.如权利要求1所述的一种锆合金包壳管电加热装置，其特征在于，所述电加热器芯体与供电电缆的连接为焊接方式，焊接点设置在所述锆合金包壳管长度以内。
4.如权利要求1所述的一种锆合金包壳管电加热装置，其特征在于，所述传热筒体两端使用耐高温电绝缘胶对所述传热筒体内的所述粉体材料进行密封。
5.如权利要求1所述的一种锆合金包壳管电加热装置，其特征在于，所述传热筒体为刚玉材料。
6.如权利要求1所述的一种锆合金包壳管电加热装置，其特征在于，所述粉体材料为氧化铝粉。
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