CN114235887A - 一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，包括中心内棒和绝缘支撑结构，中心内棒布置在自下而上依次连接的底端密封结构、进口段、方腔段、可视段、出口段和顶端密封结构内部；中心内棒包括发热棒，连接在发热棒底端的底端非发热棒，连接在发热棒顶端的顶端非发热棒，以及布置在发热棒内部的铠装热电偶；顶端非发热棒和铠装热电偶伸出至顶端密封结构外；绝缘支撑结构包括支撑格架和绝缘陶瓷，支撑格架用于对中心内棒进行固定于限位，沿中心内棒轴向布置多个数量的支撑格架；绝缘陶瓷紧密布置于方腔段的架内表面，用于支撑格架的固定与限位。本发明填补了反应堆燃料棒表面临界热流密度实验中高温高压实验段的缺失。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆热工水力实验技术领域，具体涉及一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置。
背景技术
临界热流密度(CHF)是核反应堆正常或事故工况下表征反应堆安全性和经济性的重要热工限值。燃料棒束通道CHF的实验研究具有十分重要的意义，是获取棒束CHF有效数据、建立CHF精准预测工具的前提。工程上经常在实际反应堆一回路运行参数下，采用大规模直接电加热棒束结构进行CHF实验，获取的棒束CHF数据可用于CHF关系式开发，并指导工程设计。但CHF棒束工程实验成本高、功耗大、开展难度大，很难获取大量数据，且基于实验开发的CHF关系式仅在特定条件下有效，不具有物理意义和普适性。因此，开发具有普适性的棒束CHF预测工具具有重要的意义。
近几十年来，国内外学者致力于通过开展一些CHF机理实验来深入认识CHF发生机理及影响机制，进而开发和构建具有普适性的精准CHF机理预测模型。已有机理实验表明，CHF发生机制与加热面附近的汽泡行为特征有显著关系，因此，开展可视化CHF机理实验，深入认识近壁区汽泡行为与CHF现象的内在联系，是建立正确CHF机理模型的关键。现有比较受认可的机理模型主要包括汽泡壅塞模型、微液层蒸干模型和界面分离模型，这些模型在圆管CHF预测时均有较高精度；然而，一旦拓展到棒束CHF预测，这些模型往往偏差较大。造成现有机理模型无法应用于棒束CHF预测的主要原因有两点：第一，现有模型主要针对圆管开发，而圆管内壁面和棒表面汽泡行为存在显著差异，基于圆管CHF实验开发的表征汽泡行为的本构关系不适用于棒束条件；第二，为了方便观测汽泡，用于开发模型的机理实验多为低压实验，而高压下汽泡行为与低压下存在区别，基于低压实验开发的CHF机理模型不适用于反应堆运行条件。
由此可见，要开发可适用于反应堆棒束CHF预测的机理模型，就需要在实际运行工况(高温高压)下开展棒表面CHF可视化实验研究，获取高温高压下棒表面汽泡行为对CHF的影响规律。因此，研制一种棒束几何结构下的高温高压可视化CHF实验装置是十分必要的。然而，实现上述实验装置存在很大难度，现有CHF实验装置和技术已不再适用。一方面，可视化实验技术在低温低压条件下应用广泛，而在高温高压下难以实现；另一方面，棒表面CHF实验需采用大功率直接电加热棒，高温高压条件下发生CHF时壁温较高，加热棒会发生明显热膨胀，为加热棒的绝缘密封带来极大困难。此外，CHF监测、定位格架的安装与绝缘、工质进出口布置等诸多问题均需要考虑。
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高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置。本发明填补了反应堆燃料棒表面临界热流密度实验中高温高压实验段的缺失，为开展高温高压棒表面CHF机理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：
一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，包括中心内棒和绝缘支撑结构，中心内棒布置在自下而上依次连接的底端密封结构、进口段、方腔段、可视段、出口段和顶端密封结构内部；
中心内棒包括发热棒，连接在发热棒底端的底端非发热棒，连接在发热棒顶端的顶端非发热棒，以及布置在发热棒内部的铠装热电偶；顶端非发热棒和铠装热电偶伸出至顶端密封结构外；
绝缘支撑结构包括支撑格架和绝缘陶瓷，支撑格架用于对中心内棒进行固定于限位，沿中心内棒轴向布置多个数量的支撑格架；绝缘陶瓷紧密布置于方腔段的架内表面，用于支撑格架的固定与限位。
本发明进一步的改进在于，发热棒为预设长度和壁厚的金属管，外径与需要模拟的反应堆燃料棒一致，材质为不锈钢或因科镍，实验时，发热棒直接通电产生焦耳热，在棒表面形成热流密度；底端非发热棒为预设长度和壁厚的金属管，顶部与发热棒底部焊接；顶端非发热棒为预设长度和壁厚的金属管，底部与发热棒顶端焊接；铠装热电偶布置在发热棒内部需要测量壁温位置，用于监测CHF发生时的壁温飞升，末端导线从顶端非发热棒底部穿出并连接温度采集系统。
本发明进一步的改进在于，进口段包括进口管道、下腔室和进口段下法兰；
进口管道呈水平布置，末端与下腔室侧面开孔焊接，用于将实验工质引入下腔室；下腔室上部呈缩口设计，顶端与方腔段焊接；进口段下法兰与下腔室底部焊接，与底端密封结构通过螺栓密封连接。
本发明进一步的改进在于，方腔段包括不锈钢方腔和方腔段上法兰；
不锈钢方腔为预设长度和壁厚的不锈钢无缝方管，内部形成竖直方向通道，实现高温高压运行；方腔段上法兰焊接在不锈钢方腔顶部，与可视段通过螺栓密封连接。
本发明进一步的改进在于，可视段包括不锈钢框架、可视段上法兰、可视段下法兰、玻璃视窗、不锈钢盖板和绝缘陶瓷；
不锈钢框架为预设长度和厚度的不锈钢异形结构，内部掏空形成一个截面为工字型的竖直通道，顶端与底端分别与可视段上法兰和可视段下法兰焊接，分别与出口段和方腔段通过螺栓连接；玻璃视窗为预设长度和厚度的、一面带凸起异形结构，数量为2面，紧密布置于不锈钢框架工字型通道两侧，与不锈钢框架和绝缘陶瓷共同形成与方腔段截面积相同竖直方形通道；不锈钢盖板为中心中空、四周带多个螺栓孔的不锈钢板，紧密布置在玻璃视窗外侧，尺寸与玻璃视窗和不锈钢框架匹配，通过螺栓与不锈钢框架连接，通过压紧与玻璃视窗之间的密封垫片实现密封；绝缘陶瓷为预设长度和厚度的片状金属氧化物陶瓷，紧密布置于不锈钢框架内侧表面，其作用是预防中心内棒与不锈钢腔体触碰而造成短路。
本发明进一步的改进在于，出口段包括出口管道、上腔室、出口段上法兰和出口段下法兰；
出口管道为不锈钢圆管，呈水平布置，末端与上腔室侧面开孔焊接，使实验工质流出腔室；上腔室为不锈钢竖直圆筒，下部呈缩口设计；出口段上法兰和出口段下法兰分别与上腔室顶部和底部焊接，分别与顶端密封结构和可视段通过螺栓密封连接。
本发明进一步的改进在于，绝缘支撑结构包括支撑格架和绝缘陶瓷；
沿中心内棒轴向布置多个数量的支撑格架；绝缘陶瓷紧密布置于不锈钢方腔或不锈钢框架内表面，绝缘陶瓷内表面在布置格架位置开与格架高度相同的方形槽，用于支撑格架的固定与限位，通过绝缘陶瓷实现支撑格架与不锈钢方向或不锈钢框架之间的绝缘。
本发明进一步的改进在于，底端密封结构包括金属密封圈、铜极板、紧固螺栓和底部密封法兰；
金属密封圈为上下带密封面的不锈钢环形结构，紧密布置于进口段下法兰下方；铜极板为一端呈圆形、另一端带螺栓孔的铜制平板，紧密布置于金属密封圈下方，作用是将外接电源与底端非发热棒连接实现导电；紧固螺栓布置在铜极板上，与底端非发热棒通过螺纹连接，实现底端非发热棒与铜极板的良好接触，同时固定底端非发热棒；底部密封法兰紧密布置于铜极板下方，通过与进口段下法兰的螺栓连接，压紧底端密封结构各密封面的垫片，实现高压密封。
本发明进一步的改进在于，顶端密封结构包括冷却法兰、一级密封法兰和顶端密封法；
冷却法兰为上下带绝缘密封面、内部带冷却水流道的不锈钢环形结构，实验时往内部流道中通水冷却，防止高温高压条件下的绝缘密封失效，冷却法兰紧密布置于出口段上法兰上方，数量为两个；一级密封法兰为带中心孔和O型密封圈的不锈钢圆板，紧密布置于两个冷却法兰之间，顶端非发热棒从一级密封法兰中心孔和O型密封圈中穿过进行密封；顶端密封法兰为带中心孔和O型密封圈的不锈钢法兰，紧密布置于冷却法兰上方，通过带套筒的绝缘螺栓与出口段上法兰连接，压紧顶端密封结构各密封面的垫片，实现高压密封与绝缘；同时，压紧顶端密封法兰与一级密封法兰中心孔位置的O型密封圈，实现顶端非发热棒与两处法兰的高压动密封，当进行高温高压实验时，中心内棒会发生轴向热膨胀，通过顶端密封法兰与一级密封法兰的O型密封圈动密封结构释放膨胀量与热应力，防止中心内棒弯曲。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供了一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，和现有技术相比较，本发明具有如下的创新性：
(1)提供了一种可测量壁温飞升的单棒临界热流密度实验装置，采用了直接通电加热的内棒作为发热装置，模拟了反应堆高热流密度棒状发热面，通过在电加热棒内部布置热电偶的方式测量临界热流密度实验中的壁温飞升，实现了临界热流密度动态监测，设计了绝缘格架，保证了中心电加热棒的限位与绝缘；
(2)提供了一种在高温高压条件使用的单棒临界热流密度实验装置，采用耐高温高压材质进行加工，设计了耐高温高压的多级密封绝缘结构，在顶部高温区域安装了通水冷却的冷却法兰，共同保证了高温高压条件的密封与绝缘，设计了中心电加热棒底端固定且顶端自由的密封结构，可释放中心棒的高温热膨胀，防止高温高压下中心棒弯曲或损坏；
(3)提供了一种高温高压可视化单棒临界热流密度实验装置，采用了特殊设计的玻璃视窗和密封结构，可在高温高压条件下实现可视化，采用了对称双面可视窗布置，方便可视化实验的拍摄与光源布置；
本发明克服了高温高压单棒临界热流密度实验中热流密度高、温度监测困难、绝缘密封难度大、可视化难度大、以及高温热膨胀等技术难题，在满足壁温可测、尺寸可控、绝缘密封性能良好、热膨胀可释放的前提下实现了高温高压可视化实验装置的研制，为开展反应堆燃料棒临界热流密度机理实验研究奠定了基础，具有重要的科学与工程实用价值。
附图说明
图1为本发明实例提供的高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置结构示意图；
图2为本发明所述的可视段截面结构示意图；
图3为本发明所述的绝缘格架结构示意图，其中图3(a)为俯视图，图3(b)为正视图。
附图标记说明：
1、发热棒，2、底端非发热棒，3、顶端非发热棒，4、铠装热电偶，5、进口管道，6、下腔室，7、进口段下法兰，8、不锈钢方腔，9、方腔段上法兰，10、不锈钢框架，11、可视段上法兰，12、可视段下法兰，13、玻璃视窗，14、不锈钢盖板，15、绝缘陶瓷，16、出口管道，17、上腔室，18、出口段上法兰，19、出口段下法兰，20、支撑格架，15、绝缘陶瓷，21、金属密封圈，22、铜极板，23、紧固螺栓，24、底部密封法兰，25、冷却法兰，26、一级密封法兰，27、顶端密封法兰。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，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。
参见图1至图3，本发明实施例提供一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，包括中心内棒和绝缘支撑结构，中心内棒布置在自下而上依次连接的底端密封结构、进口段、方腔段、可视段、出口段和顶端密封结构内部。
所述的中心内棒包括发热棒1、底端非发热棒2、顶端非发热棒3和铠装热电偶4；发热棒1为预设长度和壁厚的金属管，外径与需要模拟的反应堆燃料棒一致，实验时，发热棒直接通电产生焦耳热，在棒表面形成一定的热流密度；底端非发热棒为预设长度和壁厚的金属管，顶部与发热棒底部焊接，材质为铜或镍等电阻率非常小的金属，作用是在尽可能不发热的前提下导电，并布置绝缘密封结构；顶端非发热棒为预设长度和壁厚的金属管，底部与发热棒顶端焊接，材质与作用与底端非发热棒一致；铠装热电偶布置在发热棒内部需要测量壁温位置，用于监测CHF发生时的壁温飞升，末端导线从顶端非发热棒底部穿出并连接温度采集系统，数量可根据实际需要调整。
所述的进口段包括进口管道5、下腔室6、进口段下法兰7；进口管道5为一定尺寸的不锈钢圆管，呈水平布置，末端与下腔室6侧面开孔焊接，用于将实验工质引入下腔室6；下腔室6为一定尺寸的不锈钢竖直圆筒，上部呈缩口设计，顶端与方腔段焊接；进口段下法兰7与下腔室6底部焊接，与底端密封结构通过螺栓密封连接。
所述的方腔段包括不锈钢方腔8和方腔段上法兰9；不锈钢方腔8为预设长度和壁厚的不锈钢无缝方管，内部形成竖直方向通道，实现高温高压运行；方腔段上法兰9焊接在不锈钢方腔8顶部，与可视段通过螺栓密封连接。
所述的可视段包括不锈钢框架10、可视段上法兰11、可视段下法兰12、玻璃视窗13、不锈钢盖板14和绝缘陶瓷15；不锈钢框架10为预设长度和厚度的不锈钢异形结构，内部掏空形成一个截面为工字型的竖直通道，顶端与底端分别与可视段上法兰11和可视段下法兰12焊接，分别与出口段和方腔段通过螺栓连接；玻璃视窗13为预设长度和厚度的、一面带凸起异形结构，材质为高硼硅玻璃或石英玻璃，数量为2面，紧密布置于不锈钢框架10工字型通道两侧，与不锈钢框架10和绝缘陶瓷15共同形成与方腔段截面积相同竖直方形通道；不锈钢盖板14为中心中空、四周带多个螺栓孔的不锈钢板，紧密布置在玻璃视窗13外侧，尺寸与玻璃视窗13和不锈钢框架10匹配，通过螺栓与不锈钢框架10连接，通过压紧与玻璃视窗13之间的密封垫片实现密封；绝缘陶瓷15为预设长度和厚度的片状金属氧化物陶瓷，紧密布置于不锈钢框架10内侧表面，其作用是预防中心内棒与不锈钢腔体触碰而造成短路。
所述的出口段包括出口管道16、上腔室17、出口段上法兰18和出口段下法兰19；出口管道16为一定尺寸的不锈钢圆管，呈水平布置，末端与上腔室侧面开孔焊接，使实验工质流出腔室；上腔室17为一定尺寸的不锈钢竖直圆筒，下部呈缩口设计；出口段上法兰18和出口段下法兰19分别与上腔室顶部和底部焊接，分别与顶端密封结构和可视段通过螺栓密封连接。
所述的绝缘支撑结构包括支撑格架20和绝缘陶瓷15；支撑格架20为基于反应堆实际支撑格架形式设计的金属支撑结构，其作用是对中心内棒进行固定于限位，沿中心内棒轴向布置多个数量的支撑格架20；绝缘陶瓷15紧密布置于不锈钢方腔或不锈钢框架内表面，与所述的可视段中的绝缘陶瓷基本尺寸与材质一致，绝缘陶瓷15内表面在布置格架位置开与格架高度相同的方形槽，用于支撑格架20的固定与限位，通过绝缘陶瓷15实现支撑格架20与不锈钢方向或不锈钢框架之间的绝缘。
所述的底端密封结构包括金属密封圈21、铜极板22、紧固螺栓23和底部密封法兰24；金属密封圈21为上下带密封面的不锈钢环形结构，紧密布置于进口段下法兰下方；铜极板22为一端呈圆形、另一端带螺栓孔的铜制平板，紧密布置于金属密封圈21下方，作用是将外接电源与底端非发热棒连接实现导电；紧固螺栓23布置在铜极板22上，与底端非发热棒通过螺纹连接，实现底端非发热棒与铜极板22的良好接触，同时固定底端非发热棒2；底部密封法兰24紧密布置于铜极板22下方，通过与进口段下法兰的螺栓连接，压紧底端密封结构各密封面的垫片，实现高压密封。
所述的顶端密封结构包括冷却法兰25、一级密封法兰26和顶端密封法兰27；冷却法兰25为上下带绝缘密封面、内部带冷却水流道的不锈钢环形结构，实验时往内部流道中通水冷却，防止高温高压条件下的绝缘密封失效，冷却法兰25紧密布置于出口段上法兰上方，数量为两个；一级密封法兰26为带中心孔和O型密封圈的不锈钢圆板，紧密布置于两个冷却法兰25之间，顶端非发热棒3从一级密封法兰26中心孔和O型密封圈中穿过进行密封；顶端密封法兰27为带中心孔和O型密封圈的不锈钢法兰，紧密布置于冷却法兰25上方，通过带套筒的绝缘螺栓与出口段上法兰连接，压紧顶端密封结构各密封面的垫片，实现高压密封与绝缘；同时，压紧顶端密封法兰27与一级密封法兰26中心孔位置的O型密封圈，实现顶端非发热棒与两处法兰的高压动密封，当进行高温高压实验时，中心内棒会发生轴向热膨胀，通过顶端密封法兰27与一级密封法兰26的O型密封圈动密封结构释放膨胀量与热应力，防止中心内棒弯曲。
可选地，所述发热棒1材质为因科镍合金，外径与实际反应堆燃料棒相同；可选地，所述的发热棒1也可根据实际情况选取其他金属材质；可选地，所述底端非发热棒2和顶端非发热棒3材质为镍；所述的底端非发热棒2和顶端非发热棒3也可根据实际情况选取其他电阻率小的金属材质。
将顶端绝缘的铠装热电偶4从发热棒1顶部中心孔放入，直至指定位置后固定，将铠装热电偶4顶部导线从顶端非发热棒3中心孔穿过；将发热棒1底部和顶部分别与底端非发热棒2和顶端非发热棒3焊接，焊接完成后需要进行校直，共同形成所述的中心内棒。
将进口管道5与下腔室6侧面开孔处焊接，将进口段下法兰7与下腔室6底部焊接，共同形成所述的进口段。
将不锈钢方腔8顶端与方腔段上法兰9焊接，根据设计需要，将绝缘陶瓷15和支撑格架20放入不锈钢方腔8内壁处并固定，共同形成所述的方腔段。
将不锈钢框架10顶端和底端分别与可视段上法兰11和可视段下法兰12焊接，根据设计需要，将绝缘陶瓷15和支撑格架20放入不锈钢框架10内壁处并固定，将两款玻璃视窗13放入不锈钢框架10工字槽中，密封面放入密封垫片，将不锈钢盖板14压在玻璃视窗表面，放入密封垫片，并用螺栓紧固，直至压紧玻璃视窗13与不锈钢框架10和不锈钢盖板14之间的密封垫片，共同形成所述的可视段。
将出口管道16与上腔室17侧面孔进行焊接，将上腔室7顶端和底端分别与出口段上法兰18和出口段下法兰19焊接，共同形成所述的出口段。
将金属密封圈21放置于进口段下法兰7下方，并放入密封垫片，将紧固螺栓23安装于铜极板22中心，将铜极板22布置于金属密封圈21下方、并放入密封垫片，将底部密封法兰24布置于铜极板22下方，通过带绝缘套筒的螺栓将底部密封法兰24与进口段下法兰7进行紧固，将之间的各密封面压紧密封，共同形成所述的底端密封结构。
将进口段顶部与方腔段底部焊接，将方腔段上法兰9与可视段下法兰12通过螺栓紧固并密封，将可视段上法兰12和出口段下法兰19过螺栓紧固并密封。
将中心内棒通过出口段上法兰18中心穿入，依次穿过出口段、可视段、方腔段、进口段以及各个绝缘格架15，将穿入的中心内棒与底部密封结构中的紧固螺栓23通过螺纹连接固定，与铜极板22紧密接触。
将冷却法兰25和一级密封法兰26按顺序套入中心内棒，布置于出口段上法兰18上方，并放入密封垫片和O型密封圈，将顶端密封法兰27穿过中心内棒并布置于冷却法兰25上方，通过带绝缘套筒的螺栓将顶端密封法兰27与出口段上法兰18进行紧固，将之间的各密封面压紧密封，共同形成所述的顶端密封结构。
以上为本发明实施例提供的一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置的主要实施过程。
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 (9)
1.一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，其特征在于，包括中心内棒和绝缘支撑结构，中心内棒布置在自下而上依次连接的底端密封结构、进口段、方腔段、可视段、出口段和顶端密封结构内部；
中心内棒包括发热棒(1)，连接在发热棒(1)底端的底端非发热棒(2)，连接在发热棒(1)顶端的顶端非发热棒(3)，以及布置在发热棒(1)内部的铠装热电偶(4)；顶端非发热棒(3)和铠装热电偶(4)伸出至顶端密封结构外；
绝缘支撑结构包括支撑格架(20)和绝缘陶瓷(15)，支撑格架(20)用于对中心内棒进行固定于限位，沿中心内棒轴向布置多个数量的支撑格架(20)；绝缘陶瓷(15)紧密布置于方腔段的架内表面，用于支撑格架(20)的固定与限位。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，其特征在于，发热棒(1)为预设长度和壁厚的金属管，外径与需要模拟的反应堆燃料棒一致，材质为不锈钢或因科镍，实验时，发热棒(1)直接通电产生焦耳热，在棒表面形成热流密度；底端非发热棒(2)为预设长度和壁厚的金属管，顶部与发热棒底部焊接；顶端非发热棒(3)为预设长度和壁厚的金属管，底部与发热棒(1)顶端焊接；铠装热电偶(4)布置在发热棒(1)内部需要测量壁温位置，用于监测CHF发生时的壁温飞升，末端导线从顶端非发热棒底部穿出并连接温度采集系统。
3.根据权利要求1所述的一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，其特征在于，进口段包括进口管道(5)、下腔室(6)和进口段下法兰(7)；
进口管道(5)呈水平布置，末端与下腔室(6)侧面开孔焊接，用于将实验工质引入下腔室(6)；下腔室(6)上部呈缩口设计，顶端与方腔段焊接；进口段下法兰(7)与下腔室(6)底部焊接，与底端密封结构通过螺栓密封连接。
4.根据权利要求1所述的一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，其特征在于，方腔段包括不锈钢方腔(8)和方腔段上法兰(9)；
不锈钢方腔(8)为预设长度和壁厚的不锈钢无缝方管，内部形成竖直方向通道，实现高温高压运行；方腔段上法兰(9)焊接在不锈钢方腔(8)顶部，与可视段通过螺栓密封连接。
5.根据权利要求1所述的一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，其特征在于，可视段包括不锈钢框架(10)、可视段上法兰(11)、可视段下法兰(12)、玻璃视窗(13)、不锈钢盖板(14)和绝缘陶瓷(15)；
不锈钢框架(10)为预设长度和厚度的不锈钢异形结构，内部掏空形成一个截面为工字型的竖直通道，顶端与底端分别与可视段上法兰(11)和可视段下法兰(12)焊接，分别与出口段和方腔段通过螺栓连接；玻璃视窗(13)为预设长度和厚度的、一面带凸起异形结构，数量为2面，紧密布置于不锈钢框架(10)工字型通道两侧，与不锈钢框架(10)和绝缘陶瓷(15)共同形成与方腔段截面积相同竖直方形通道；不锈钢盖板(14)为中心中空、四周带多个螺栓孔的不锈钢板，紧密布置在玻璃视窗(13)外侧，尺寸与玻璃视窗(13)和不锈钢框架(10)匹配，通过螺栓与不锈钢框架(10)连接，通过压紧与玻璃视窗(13)之间的密封垫片实现密封；绝缘陶瓷(15)为预设长度和厚度的片状金属氧化物陶瓷，紧密布置于不锈钢框架(10)内侧表面，其作用是预防中心内棒与不锈钢腔体触碰而造成短路。
6.根据权利要求1所述的一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，其特征在于，出口段包括出口管道(16)、上腔室(17)、出口段上法兰(18)和出口段下法兰(19)；
出口管道(16)为不锈钢圆管，呈水平布置，末端与上腔室侧面开孔焊接，使实验工质流出腔室；上腔室(17)为不锈钢竖直圆筒，下部呈缩口设计；出口段上法兰(18)和出口段下法兰(19)分别与上腔室顶部和底部焊接，分别与顶端密封结构和可视段通过螺栓密封连接。
7.根据权利要求1所述的一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，其特征在于，绝缘支撑结构包括支撑格架(20)和绝缘陶瓷(15)；
沿中心内棒轴向布置多个数量的支撑格架(20)；绝缘陶瓷(15)紧密布置于不锈钢方腔或不锈钢框架内表面，绝缘陶瓷(15)内表面在布置格架位置开与格架高度相同的方形槽，用于支撑格架(20)的固定与限位，通过绝缘陶瓷(15)实现支撑格架(20)与不锈钢方向或不锈钢框架之间的绝缘。
8.根据权利要求1所述的一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，其特征在于，底端密封结构包括金属密封圈(21)、铜极板(22)、紧固螺栓(23)和底部密封法兰(24)；
金属密封圈(21)为上下带密封面的不锈钢环形结构，紧密布置于进口段下法兰下方；铜极板(22)为一端呈圆形、另一端带螺栓孔的铜制平板，紧密布置于金属密封圈(21)下方，作用是将外接电源与底端非发热棒连接实现导电；紧固螺栓(23)布置在铜极板(22)上，与底端非发热棒通过螺纹连接，实现底端非发热棒与铜极板(22)的良好接触，同时固定底端非发热棒(2)；底部密封法兰(24)紧密布置于铜极板(22)下方，通过与进口段下法兰的螺栓连接，压紧底端密封结构各密封面的垫片，实现高压密封。
9.根据权利要求1所述的一种高温高压单棒临界热流密度可视化实验装置，其特征在于，顶端密封结构包括冷却法兰(25)、一级密封法兰(26)和顶端密封法兰(27)；
冷却法兰(25)为上下带绝缘密封面、内部带冷却水流道的不锈钢环形结构，实验时往内部流道中通水冷却，防止高温高压条件下的绝缘密封失效，冷却法兰(25)紧密布置于出口段上法兰上方，数量为两个；一级密封法兰(26)为带中心孔和O型密封圈的不锈钢圆板，紧密布置于两个冷却法兰(25)之间，顶端非发热棒(3)从一级密封法兰(26)中心孔和O型密封圈中穿过进行密封；顶端密封法兰(27)为带中心孔和O型密封圈的不锈钢法兰，紧密布置于冷却法兰(25)上方，通过带套筒的绝缘螺栓与出口段上法兰连接，压紧顶端密封结构各密封面的垫片，实现高压密封与绝缘；同时，压紧顶端密封法兰(27)与一级密封法兰(26)中心孔位置的O型密封圈，实现顶端非发热棒与两处法兰的高压动密封，当进行高温高压实验时，中心内棒会发生轴向热膨胀，通过顶端密封法兰(27)与一级密封法兰(26)的O型密封圈动密封结构释放膨胀量与热应力，防止中心内棒弯曲。
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114698164A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-07-01 | 西安交通大学 | 一种间接均匀电加热棒 |
Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1011106A2 (en) * | 1998-12-18 | 2000-06-21 | Siemens Power Corporation | Apparatus and method for void distribution measurement in an array of emulated nuclear fuel rods using neutron detectors |
| WO2012146219A1 (de) * | 2011-04-23 | 2012-11-01 | Al Bernstein | Energiesparheizkörper mit elektrischen energieträgerzellen sowie verfahren zu dessen herstellung |
| CN103594133A (zh) * | 2013-10-21 | 2014-02-19 | 西安交通大学 | 模拟核反应堆堆芯熔化后堆内熔融物滞留的实验装置及方法 |
| KR101370720B1 (ko) * | 2013-02-27 | 2014-03-10 | 포항공과대학교 산학협력단 | 임계열유속의 발생을 제거하면서 효율성이 증진된 그라핀을 이용한 핵비등 열전달 시스템 |
| CN104078087A (zh) * | 2014-06-24 | 2014-10-01 | 西安交通大学 | 一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束试验件 |
| CN203931518U (zh) * | 2014-06-24 | 2014-11-05 | 西安交通大学 | 一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件 |
| WO2017016136A1 (zh) * | 2015-07-29 | 2017-02-02 | 中广核研究院有限公司 | 临界热流密度试验用加热棒 |
| WO2017020474A1 (zh) * | 2015-07-31 | 2017-02-09 | 中广核研究院有限公司 | 用于整体效应热工水力试验的堆芯模拟体 |
| CN106531251A (zh) * | 2016-11-21 | 2017-03-22 | 华东理工大学 | 带有运动控制的压力容器下封头热流密度淬火测试系统 |
| CN107240427A (zh) * | 2017-06-26 | 2017-10-10 | 中国核动力研究设计院 | 基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置 |
| CN107452430A (zh) * | 2017-09-01 | 2017-12-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种可伸缩的棒束通道多物理场可视化本体设计 |
| CN207474083U (zh) * | 2017-09-01 | 2018-06-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种可伸缩的棒束通道多物理场可视化本体设计 |
| CN110265159A (zh) * | 2019-06-24 | 2019-09-20 | 西安交通大学 | 一种横向非均匀间接加热矩形通道流动可视化试验装置 |
| CN111863294A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-10-30 | 西安交通大学 | 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 |
| CN213986262U (zh) * | 2020-11-25 | 2021-08-17 | 中广核研究院有限公司 | 一种板状临界热流密度实验装置 |
| CN113390606A (zh) * | 2020-03-11 | 2021-09-14 | 国家电投集团科学技术研究院有限公司 | 杂棒束工况两相可视化实验中多角度多点气体注入方法 |
| CN214279620U (zh) * | 2021-01-27 | 2021-09-24 | 中国核动力研究设计院 | 一种海洋条件棒束通道可视化实验本体 |
-
2021
- 2021-12-13 CN CN202111518310.9A patent/CN114235887B/zh active Active
Patent Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1011106A2 (en) * | 1998-12-18 | 2000-06-21 | Siemens Power Corporation | Apparatus and method for void distribution measurement in an array of emulated nuclear fuel rods using neutron detectors |
| WO2012146219A1 (de) * | 2011-04-23 | 2012-11-01 | Al Bernstein | Energiesparheizkörper mit elektrischen energieträgerzellen sowie verfahren zu dessen herstellung |
| KR101370720B1 (ko) * | 2013-02-27 | 2014-03-10 | 포항공과대학교 산학협력단 | 임계열유속의 발생을 제거하면서 효율성이 증진된 그라핀을 이용한 핵비등 열전달 시스템 |
| CN103594133A (zh) * | 2013-10-21 | 2014-02-19 | 西安交通大学 | 模拟核反应堆堆芯熔化后堆内熔融物滞留的实验装置及方法 |
| CN104078087A (zh) * | 2014-06-24 | 2014-10-01 | 西安交通大学 | 一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束试验件 |
| CN203931518U (zh) * | 2014-06-24 | 2014-11-05 | 西安交通大学 | 一种模拟超临界水冷堆燃料元件的棒束模拟件 |
| WO2017016136A1 (zh) * | 2015-07-29 | 2017-02-02 | 中广核研究院有限公司 | 临界热流密度试验用加热棒 |
| WO2017020474A1 (zh) * | 2015-07-31 | 2017-02-09 | 中广核研究院有限公司 | 用于整体效应热工水力试验的堆芯模拟体 |
| CN106531251A (zh) * | 2016-11-21 | 2017-03-22 | 华东理工大学 | 带有运动控制的压力容器下封头热流密度淬火测试系统 |
| CN107240427A (zh) * | 2017-06-26 | 2017-10-10 | 中国核动力研究设计院 | 基于扩散焊接的耐高温棒束燃料组件模拟装置 |
| CN107452430A (zh) * | 2017-09-01 | 2017-12-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种可伸缩的棒束通道多物理场可视化本体设计 |
| CN207474083U (zh) * | 2017-09-01 | 2018-06-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种可伸缩的棒束通道多物理场可视化本体设计 |
| CN110265159A (zh) * | 2019-06-24 | 2019-09-20 | 西安交通大学 | 一种横向非均匀间接加热矩形通道流动可视化试验装置 |
| CN113390606A (zh) * | 2020-03-11 | 2021-09-14 | 国家电投集团科学技术研究院有限公司 | 杂棒束工况两相可视化实验中多角度多点气体注入方法 |
| CN111863294A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-10-30 | 西安交通大学 | 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 |
| CN213986262U (zh) * | 2020-11-25 | 2021-08-17 | 中广核研究院有限公司 | 一种板状临界热流密度实验装置 |
| CN214279620U (zh) * | 2021-01-27 | 2021-09-24 | 中国核动力研究设计院 | 一种海洋条件棒束通道可视化实验本体 |
Non-Patent Citations (10)
| Title |
|---|
| MIAO GUI;QINCHENG BI;GE ZHU;JUN WANG;TENG WANG: "Experimental investigation on heat transfer performance of C-shape tube immerged in a water pool", NUCLEAR ENGINEERING AND DESIGN, vol. 346, 31 December 2019 (2019-12-31) * |
| MIAO GUI;ZHAOHUI LIU;BO LIAO;TENG WANG;YONG WANG;ZHIQIANG SUI;QINCHENG BI;JUN WANG: "Void fraction measurements of steam–water two-phase flow in vertical rod bundle: Comparison among different techniques", EXPERIMENTAL THERMAL & FLUID SCIENCE, vol. 109, 31 December 2019 (2019-12-31) * |
| WANG KEE IN;CHANG HWAN SHIN;CHI YOUNG LEE;CHAN LEE;TAE HYUN CHUN;DONG SEOK OH: "Thermal-Hydraulic Research Review and Cooperation Outcome for Light Water Reactor Fuel", TRANSACTIONS OF THE KOREAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS - B, no. 12, 31 December 2016 (2016-12-31) * |
| XINYU DONG;XIANGDONG JIN;PEIYUE LI;QINCHENG BI;MIAO GUI;TENG WANG: "Experimental research on heat transfer and flow resistance properties in spiral twisted tube heat exchanger", APPLIED THERMAL ENGINEERING, vol. 176, 31 December 2020 (2020-12-31) * |
| 史涛;张博;钱达志;黄洪文;单建强;: "压力管式超临界水堆堆芯核热耦合", 强激光与粒子束, no. 01, 15 January 2015 (2015-01-15) * |
| 张伯义: "长棒束临界热流密度实验研究", 中国核科技报告, no. 000, 31 December 1990 (1990-12-31) * |
| 李兴;谭思超;祁沛垚;米争鹏;何宇豪;: "棒束通道内定位格架搅混特性PIV可视化研究", 原子能科学技术, no. 04, 14 November 2018 (2018-11-14) * |
| 王小军;陈炳德;黄彦平;: "棒束通道CHF预测方法研究", 工程热物理学报, no. 01, 15 January 2008 (2008-01-15) * |
| 谢峰;徐建军;黄彦平;杨祖毛;王鸿韬;: "紧密排列棒束燃料组件临界热流密度实验研究", 核动力工程, no. 01, 10 February 2018 (2018-02-10) * |
| 郎雪梅;文彦;马介亮;王飞;黄彦平;肖泽军;: "5×5全长非均匀加热棒束临界热流密度试验研究", 中国核科技报告, no. 02, 30 December 2005 (2005-12-30) * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114698164A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-07-01 | 西安交通大学 | 一种间接均匀电加热棒 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114235887B (zh) | 2024-08-02 |
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