CN113345611A - 一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置，本发明所述试验装置能够实现对板型燃料元件多矩形流道在均匀释热条件下的流动换热特性的差异性开展试验研究，同时可根据研究需要实现不同功率、流量下的流动传热特性研究。本发明所述试验装置设置有坚固的承压保护壳体和固定安装支撑装置，确保试验装置可以在高参数热工参数范围内运行。

Description

一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置

技术领域

本发明属于核反应堆热工水力试验研究技术领域，具体为一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置。

背景技术

板型燃料元件作为反应堆堆芯的核心构件，具有结构紧凑、传热温差小、堆芯换热性能好、换热表面不易发生沉淀和污染等特点，是近年来非常热门的一个研究领域，在先进研究堆、液态金属冷却堆、高转换反应堆、船用堆、教学示范堆和新型核动力系统等堆芯组件中得到广泛的应用。板型燃料元件内部的冷却通道是多个平行的矩形流道，也是反应堆堆芯内的第一道安全防护屏障，因此控制其内部热工水力参数在合理限值内，对反应堆的安全运行至关重要。

板型燃料元件内部的冷却剂流道是多个平行的窄矩形流道，其间隙一般为1—3mm，是一种大宽高比窄缝流道。这种窄矩形流道是一种非典型的流动通道，其内部流动与传热特性与常规通道相比存在较大差异性。到目前为止，国内外现有的研究基本上都是针对单个矩形流道开展的，考虑板型燃料元件不同窄缝通道内的流动传热特性的差异性研究，特别是大宽高比多矩形流道内流动传热特性的研究还鲜见报道。因此，考虑板型燃料元件多矩形流道内流动传热特性的差异性及大宽高比几何结构对冷却剂流动传热特性的影响具有十分重要的理论价值和工程意义，为此必须设计出切实可行的试验装置。

中国专利CN 109273116A公布了一种棒束通道内部流场与温场测量试验装置。该装置由模拟燃料棒束、铜牌、铜管、不锈钢管、绝缘管等组成。模拟燃料棒束由连接铜头、导电铜棒、不锈钢管、导电铜牌依次连接，导电铜棒设置在不锈钢内部且外表面设置有绝缘管。热电偶焊接在不锈钢管内壁面上实时监测棒束通道内温度分布。但是其研究对象是针对压水堆中普遍采用的圆柱形燃料棒，并应用于高温及两相条件下棒束通道可视化试验研究中，无法应用到板型燃料元件多矩形流道内流动传热特性试验研究中。

中国专利CN 106653117A提供了一种棒束通道温场可视化测量试验系统。该装置由棒束通道、定位格架、热电偶、铜牌、加热棒、铜板等组成。加热棒布置在棒束之间，和弹簧、铜板、连接块形成加热装置。棒束通道中上部设置有热电偶载体，该装置可以实现棒束通道内温场的实时精确测量，但是该方法仅能对棒束通道内流体的温场信息进行采集，不能有效对流动传热特性进行分析。因此该装置和方法难以推广到均匀释热的板型燃料元件多矩形流道内流动传特性试验研究中。

发明内容

本发明的目的在于提供实现对板型燃料元件多矩形流道在均匀释热条件下的流动换热特性的差异性开展试验研究，同时可根据研究需要实现不同功率、流量下的流动传热特性研究的一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置，包括流道本体模块，还包括矩形流道固定模块和功率加载模块，所述矩形流道固定模块中入口定位法兰2-1位于入口缓冲腔室1-3和板束筒体1-4之间，通过密封法兰1-9和密封圈1-10进行密封和连接；出口法兰2-4位于出口缓冲腔室1-6和板束筒体1-4之间，通过密封法兰1-9和密封圈1-10进行密封和连接；所述入口定位法兰2-1、出口定位法兰2-4上各设置有矩形定位口2-5和矩形流道口2-6；腔体定位筒2-3上设置有等间距的定位槽2-7和定位突起2-8；加热板2-2依次穿过位于入口定位法兰2-1上的矩形定位口2-5、定位槽2-7和位于出口定位法兰2-4上的矩形定位口(2-5)，形成等间距的高精度的多矩形流道1-5，定位突起2-8位于每个矩形流道1-5的两侧，所述功率加载模块中连接块3-3和绝缘连接块3-4在加热板2-2的两端通过螺杆交替连接各加热板2-2；连接螺杆上设置有绝缘套筒，入口连接铜板3-2的两端分别与入口铜排法兰3-1和加热板2-2通过螺杆压紧连接，出口连接铜板3-5分别与出口铜牌法兰3-6和加热板2-2通过螺杆压紧连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述入口定位法兰2-1、腔体定位筒2-3、出口定位法兰2-4均为聚苯硫醚耐温塑料精加工制成。

2.所述入口定位法兰2-1和出口定位法兰2-4上设置有1-10个矩形流道口2-6。

3.所述加热板2-2为316L不锈钢材质。

4.所述加热板2-2上等间距设置有深10mm的、直径为1mm的加热板测温引孔1-11，热电偶依次穿过腔体测温凸台1-12和腔体定位筒2-3，插入加热板测温引孔1-11，测量各加热板2-2内壁温。

5.所述热电偶根据测温范围选用一级精度热电偶，热电偶顶部涂抹少许导热胶进行固定。

6.所述铜连接块3-3和加热板2-2间的接触面上涂覆高导热涂料；所述入口连接铜板3-2和加热板2-2、入口连接铜板3-2和入口铜排法兰3-1、出口连接铜板3-5和加热板2-2、出口连接铜板3-5和出口铜排法兰3-6间的接触面上涂覆高导热涂料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明试验装置采用双进双出式设计，并设有矩形流道口2-6，使得流量分配相对均匀，流体能尽快得到充分发展，避免进口漩涡和出口尾流对有效试验段内流动传热特性的影响。

2、本发明的功率加载模块采用串联加热方式，即铜连接块3-3和绝缘连接块3-4将加热板2-2串联连接，有效提高加热电阻，提高输出模块输出效率。同时加热单元采用分体布置，结构简单，易于加工，造价低廉，可以方便的更换受损的电加热元件。

3、本发明的多矩形流道具有大宽高比几何结构，可根据研究需要加工并研究不同宽高比几何结构对板型燃料元件多矩形流道内流动换热特性的影响。

4、本试验装置可以近似模拟反应堆中板型燃料元件多矩形流道内均匀释热模型，可研究不同矩形流道内流动换热的差异性，以及边缘加热板和内部加热板的换热效率的差异性，为反应堆安全分析和设计提供试验数据支撑。

5、本发明定位装置采用聚苯硫醚(PPS)耐温塑料制造，高精度加工实现板型燃料元件多矩形流道内的间隙尺寸，确保试验段在较宽温度范围内流动边界的完整性，满足不同工程应用背景下的试验工况要求。

6、本发明试验装置中导热铜牌间涂覆导热涂料，有效减小间隙热阻；保温棉的使用有效的减少了热损失；两种方式结合可以一定程度的减轻加热板的加热功率。

附图说明

图1a为本发明前视剖视图；

图1b为本发明左视剖视图；

图1c为本发明横向剖视图；

图2a为本发明定位法兰横向剖视图；

图2b为本发明定位套筒横向剖视图；

图3为功率加载模块加热板串联连接示意图。

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。

如图1中图1a、图1b、图1c和图2中图2a、图2b所示，本发明一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置，所述试验装置主要包括有流道本体模块、矩形流道固定模块和功率加载模块；所述流道本体模块由入口1-1、入口缓冲腔盖1-2、入口缓冲腔室1-3、板束筒体1-4、矩形流道1-5、出口缓冲腔室1-6、出口缓冲腔盖1-7、出口1-8、密封法兰1-9、密封圈1-10、加热板测温引孔1-11、筒体测温凸台1-12、腔室测温孔1-13组成，其中入口缓冲腔室1-3和入口缓冲腔盖1-2、入口缓冲腔室1-3和板束筒体1-4之间通过密封法兰1-9和密封圈1-10进行螺纹连接和密封；同理的，出口缓冲腔室1-6和出口缓冲腔盖1-7、出口缓冲腔室1-6和板束筒体1-4通过密封法兰1-9和密封圈1-10进行螺纹连接和密封。板束筒体1-4上设置有若干等间距的筒体测温凸台1-12，筒体测温凸台1-12上连接测温热电偶；同理的，入口缓冲腔室1-2和出口缓冲腔室1-6上分别设置有腔室测温孔1-13，腔室测温孔1-13上连接测温热电偶；通过上述测温热电偶对试验过程中多矩形流道的内壁温、进出口流体温度进行监视测量，为板型燃料元件多矩形流道内流动换热特性提供总体热工参数数据指标。

所述矩形流道固定模块由入口定位法兰2-1、加热板2-2、腔体定位筒2-3、出口定位法兰2-4、矩形定位口2-5、矩形流道口2-6、定位槽2-7、定位突起2-8组成。所述入口定位法兰2-1位于入口缓冲腔室1-3和板束筒体1-4之间，通过密封法兰1-9和密封圈1-10进行机械密封和连接；同理的，出口法兰2-4位于出口缓冲腔室1-6和板束筒体1-4之间，通过密封法兰1-9和密封圈1-10进行机械密封和连接；所述入口定位法兰2-1、出口定位法兰2-4上各设置有若干矩形定位口2-5和矩形流道口2-6；所述腔体定位筒2-3上设置有等间距的定位槽2-7和定位突起2-8；所述加热板2-2依次穿过位于入口定位法兰2-1上的矩形定位口2-5、定位槽2-7和位于出口定位法兰2-4上的矩形定位口2-5，形成等间距的高精度的多矩形流道1-5。所述定位突起2-8位于每个矩形流道1-5的两侧，形成矩形流道1-5的窄面，同时高精度加工确保矩形流道1-5的间隙尺寸。

结合图3，所述功率加载模块由入口铜排法兰3-1、入口连接铜板3-2、若干铜连接块3-3、若干绝缘连接块3-4、出口连接铜板3-5和出口铜排法兰3-6组成。所述功率加载模块采用串联加热方式实现均匀释热试验，即铜连接块3-3和绝缘连接块3-4在加热板2-2的两端通过螺杆交替连接各加热板2-2，实现各加热板2-2串联连接；另外，连接螺杆上设置有绝缘套筒，保证铜连接块3-3和加热板2-2紧密连接的同时，确保加热板2-2的有效串联连接。所述入口连接铜板3-2的两端分别与入口铜排法兰3-1和加热板2-2通过螺杆压紧连接；同理的，出口连接铜板3-5分别与出口铜牌法兰3-6和加热板2-2通过螺杆压紧连接。所述入口铜排法兰3-1和出口铜排法兰3-6分别与功率模块输出端子(直流电源或者调压器)连接构成试验装置的功率调节模块，通过调节功率模块输出端子的输出功率实现各加热板2-2上不同的加热功率试验。

所述试验装置的入口缓冲腔盖1-2、入口缓冲腔室1-3、板束筒体1-4、出口缓冲腔室1-6、出口缓冲腔盖1-7的材质均为铝合金不锈钢，保证试验装置具有足够的承压能力。

所述矩形流道1-5采用双进双出结构，即入口缓冲腔室1-3上设置有两个入口1-1，出口缓冲腔室1-6上设置有两个出口1-8，可以有效减缓流量分配不均的现象。

所述入口定位法兰2-1、腔体定位筒2-3、出口定位法兰2-4均为聚苯硫醚(PPS)耐温塑料精加工制成，保证矩形流道1-5高精度间隙的同时，允许试验段在更高温工况参数范围内开展试验研究。

所述入口定位法兰2-1、出口定位法兰2-4上设置有若干矩形流道口2-6，用于试验工质的流入和流出，同时充当蜂窝板，以保证流量分配均匀。也即水由测量本体两个进水口1-1进入，经过矩形流道口2-6整流后，流入流出矩形流道1-5。

所述加热板2-2为316L不锈钢材质，精加工处理满足试验粗糙度和平直度要求。

所述加热板2-2上等间距设置有深10mm的、直径为1mm的加热板测温引孔1-11，热电偶依次穿过腔体测温凸台1-12、腔体定位筒2-3，插入加热板测温引孔1-11，测量各加热板2-2内壁温；所述热电偶根据测温范围选用一级精度热电偶，热电偶顶部涂抹少许导热胶进行固定。

所述入口铜排法兰3-1、入口连接铜板3-2、铜连接块3-3、出口连接铜板3-5、出口铜排法兰3-6采用紫铜精加工制成。

所述铜连接块3-3和加热板2-2间的接触面上涂覆高导热涂料，减小接触热阻增强传热；同理的，入口连接铜板3-2和加热板2-2、入口连接铜板3-2和入口铜排法兰3-1、出口连接铜板3-5和加热板2-2、出口连接铜板3-5和出口铜排法兰3-6间的接触面上涂覆高导热涂料，减小接触热阻增强传热。

所述功率加载模块在升功率和降功率阶段均采用阶梯式缓慢调节，防止加热板2-2热疲劳和短时冲击损坏。

所述试验装置能供开展均匀释热试验，还可以监测板型燃料元件边缘加热板和流道内部加热板间流动传热特性的差异性。

所述试验装置的外表面均包覆有硅酸铝保温层，以及缠绕在在硅酸铝保温层外的铝箔纸，起到良好的热绝缘作用。

本发明装置工作可靠，操作方便，能够较好的开展相关科学研究工作。

以上内容是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为本发明由所提交的技术交底书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置，包括流道本体模块，其特征是：还包括矩形流道固定模块和功率加载模块，所述矩形流道固定模块中入口定位法兰(2-1)位于入口缓冲腔室(1-3)和板束筒体(1-4)之间，通过密封法兰(1-9)和密封圈(1-10)进行密封和连接；出口法兰(2-4)位于出口缓冲腔室(1-6)和板束筒体(1-4)之间，通过密封法兰(1-9)和密封圈(1-10)进行密封和连接；所述入口定位法兰(2-1)、出口定位法兰(2-4)上各设置有矩形定位口(2-5)和矩形流道口(2-6)；腔体定位筒(2-3)上设置有等间距的定位槽(2-7)和定位突起(2-8)；加热板(2-2)依次穿过位于入口定位法兰(2-1)上的矩形定位口(2-5)、定位槽(2-7)和位于出口定位法兰(2-4)上的矩形定位口(2-5)，形成等间距的高精度的多矩形流道(1-5)，定位突起(2-8)位于每个矩形流道(1-5)的两侧，所述功率加载模块中连接块(3-3)和绝缘连接块(3-4)在加热板(2-2)的两端通过螺杆交替连接各加热板(2-2)；连接螺杆上设置有绝缘套筒，入口连接铜板(3-2)的两端分别与入口铜排法兰(3-1)和加热板(2-2)通过螺杆压紧连接，出口连接铜板(3-5)分别与出口铜牌法兰(3-6)和加热板(2-2)通过螺杆压紧连接。

2.根据权利要求1所述的一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置，其特征是：所述入口定位法兰(2-1)、腔体定位筒(2-3)、出口定位法兰(2-4)均为聚苯硫醚耐温塑料精加工制成。

3.根据权利要求1或2所述的一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置，其特征是：所述入口定位法兰(2-1)和出口定位法兰(2-4)上设置有1-10个矩形流道口(2-6)。

4.根据权利要求1所述的一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置，其特征是：所述加热板(2-2)为316L不锈钢材质。

5.根据权利要求4所述的一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置，其特征是：所述加热板(2-2)上等间距设置有深10mm的、直径为1mm的加热板测温引孔(1-11)，热电偶依次穿过腔体测温凸台(1-12)和腔体定位筒(2-3)，插入加热板测温引孔(1-11)，测量各加热板(2-2)内壁温。

6.根据权利要求5所述的一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置，其特征是：所述热电偶根据测温范围选用一级精度热电偶，热电偶顶部涂抹少许导热胶进行固定。

7.根据权利要求1所述的一种板型燃料元件多矩形流道均匀释热模拟试验装置，其特征是：所述铜连接块(3-3)和加热板(2-2)间的接触面上涂覆高导热涂料；所述入口连接铜板(3-2)和加热板(2-2)、入口连接铜板(3-2)和入口铜排法兰(3-1)、出口连接铜板(3-5)和加热板(2-2)、出口连接铜板(3-5)和出口铜排法兰3-6间的接触面上涂覆高导热涂料。

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