CN114980378A - 一种电加热燃料组件热工水力实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电加热燃料组件热工水力实验装置，主要解决现有技术无法基于脉冲堆及粗棒燃料元件的棒束对流体进行单相流动换热、两相流动换热以及临界热流密度等热工水力特性进行研究的技术问题。本实验装置包括电加热组件、连接在电加热组件两端的电极连接装置、及套设在电加热组件外侧的流体通道；流体通道包括从底部到顶部依次设置并分别用连接法兰和紧固螺栓相连接的底部盖压板、进口组件、进口稳流段、可视化实验段、出口稳流段、出口组件及顶部盖压板；本装置中电加热组件的排列方式与脉冲堆燃料元件排列方式一致，且水力直径等效，可以更好的模拟真实情况，为实际脉冲堆热工水力特性的研究提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及热工水力实验技术领域，具体涉及一种电加热燃料组件热工水力实验装置。
背景技术
脉冲反应堆是指能在很短时间间隔内达到超临界状态，从而产生很高脉冲功率和很强中子通量，并能安全可靠地多次重复运行的反应堆，不同反应堆的堆芯功率分布、棒的间隙、定位格架及各种局部阻力以及流体的流速、所处的热力状态等不同，直接影响其单相流动换热特性、两相流动换热特性以及临界热流密度大小。
众多学者提出了不同的机理模型来预测两相换热模型。这些模型在一定范围内能够对临界热流密度进行预测。但由于两相流动换热特别是临界现象非常复杂，目前尚未找到合适的公式来对两相换热进行全面描述。不同研究者提出的经验关系式有着一定的应用背景和范围，但当关系式超出实验所覆盖的参数范围时，预测的结果与实际情况存在较大误差，如果将这样的公式应用到更宽的参数范围中时，则缺乏可信度。
脉冲堆属于一种池式研究堆，燃料棒呈三角形排列放置于水池中，燃料棒之间没有定位格架固定，且燃料棒的有效加热长度和直径与压水堆燃料组件明显不同。因此，有必要对相应的棒束通道进行相应的流动特性实验研究。
发明内容
本发明提供一种电加热燃料组件热工水力实验装置，用以解决现有技术无法基于脉冲堆及粗棒燃料元件的棒束对流体进行单相流动换热、两相流动换热以及临界热流密度等极限工况下热工水力特性进行研究的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种电加热燃料组件热工水力实验装置，其特殊之处在于：包括电加热组件、连接在电加热组件端部的电极连接装置、及套设在电加热组件外侧的流体通道，所述电加热组件的两端均伸出流体通道；所述流体通道包括从底部到顶部依次设置并连接的底部盖压板、进口组件、进口稳流段、可视化实验段、出口稳流段、出口组件及顶部盖压板；所述可视化实验段的位置与电加热组件的加热段相对应；所述电加热组件包括内加热件和环绕在内加热件外侧的外加热组件，所述内加热件由1根电加热棒组成，所述外加热组件由多根电加热棒组成。
进一步地，所述外加热组件以内加热件的轴心为中心，呈正多边形排布。
进一步地，所述外加热组件包括至少两层，且每层外加热组件的电加热棒的数量由内至外递增，以此来模拟更高功率工况下流体的临界热流密度的测量。
进一步地，所述进口组件包括进口段，设置在进口段轴向两端的第一法兰和第二法兰，及垂直进口段设置的进口通道；所述进口段内部沿轴向设置有环形折流板，所述环形折流板顶端与第二法兰固定连接，底端与第一法兰之间设有间隙，折流板的设置用于减小入口流体直接冲击棒束对棒束造成的冲击，提高棒束的使用寿命。
进一步地，所述出口组件包括出口段，设置在出口段轴向两端的第三法兰和第四法兰，及垂直出口段设置的出口通道；所述第三法兰沿径向设有排气口，有利于实验过程中排出气体，使得整个实验装置中不凝结气体，提高实验数据的准确性。
进一步地，所述可视化实验段包括可视通道，设置在可视通道轴向两端的第五法兰和第六法兰，及沿轴向均布在可视通道外侧的多个螺纹丝杆；所述可视通道由第五法兰和第六法兰夹持，并通过螺纹丝杆锁紧固定，从而实验过程中流体状态的实时监测。所述第五法兰沿径向分别设有第一测温通道和第一测压通道；所述第六法兰沿径向分别设有第二测压通道和第二测温通道，各通道的设置用于连接外部的传感器，进而测量进入可视化实验段之前及之后流体的温度、压强等参数，为实际脉冲反应堆的研究提供数据支撑。
进一步地，所述电极连接装置包括分别设置在电加热组件顶部的电极正极和底部的电极负极，所述电极正极和电极负极分别与外部电源连接；所述底部盖压板和顶部盖压板上沿轴向设有与电加热组件排列相同，且孔径与电加热棒外径大小相同的通孔，所述电加热组件两端分别穿过顶部盖压板和底部盖压板的通孔与电极正极、电极负极连接；所述第三法兰与顶部盖压板之间、第一法兰与底部盖压板之间分别设有带通孔的密封垫圈，所述密封垫圈的通孔的位置与顶部盖压板、底部盖压板上的通孔相对应，进而将两端的盖压板与装置整体密封，提高装置的安全性。
进一步地，所述流体通道为正六棱柱体或圆柱体。
进一步地，所述第三法兰与第四法兰之间，第一法兰与第二法兰之间，及各连接法兰之间分别设有法兰垫片，从而将各法兰之间绝缘处理，流体通道内电加热组件本身的通电性能不受影响，进而提高实验数据的精度。
进一步地，所述电加热组件采用低电压高电流加热方式，最大电流20000A，最大电压25V，可根据实际情况调整电流和电压的参数，提高了该装置的适用范围。
本发明的有益效果为：
1、本发明的实验装置包括电加热组件、连接在电加热组件两端的电极连接装置、及套设在电加热组件外侧的流体通道，其中电加热组件包括内加热件和外加热组件，内加热件由1根电加热棒组成，外加热组件由多根电加热棒组成，且外加热组件以内加热件的轴心为中心，呈正多边形排布，此结构与脉冲堆原型相似，可测得通过电加热组件的流体的单相流动换热、两相流动换热和临界热流密度换热特性实验研究。
2、本发明的实验装置设置有可视化实验段，可视化实验段中的可视通道采用玻璃材质，以此实现内部通道的可视化，可用于观察两相流动工况下棒束通道内的流体流型图；同时实验段可灵活变更，可根据实际情况实现可视化和非可视化实验段的实时更换。
3、本发明的实验装置在进口组件中设置有环形的折流板，能有效的减小因进口通道处流体直接冲击电加热棒对其造成的冲击，进而保证进出口处流体流动的稳定性。
4、本发明的实验装置中的顶部盖压板和第三法兰之间、底部盖压板和第一法兰之间均设有绝缘的密封垫圈，采用密封垫圈和盖压板相结合的方式，可实现0.1～1MPa压力下无泄漏，且密封垫圈采用氟胶材质，耐高温性较好，整体设置提高了装置工作的安全性。
5、本发明的实验装置中电加热组件采用低电压高电流加热方式，并连接无氧紫铜材料的电极连接装置，不仅导电率高，同时也满足低压运行工况，提高了该装置的适用范围。
附图说明
图1为本发明实施例的一种电加热燃料组件热工水力实验装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的一种电加热燃料组件热工水力实验装置中进口组件结构的剖视图。
图3为本发明实施例的一种电加热燃料组件热工水力实验装置中出口组件结构的剖视图。
图4为本发明实施例的一种电加热燃料组件热工水力实验装置中可视化实验段的结构示意图。
图5为本发明实施例的一种电加热燃料组件热工水力实验装置中电加热组件排列方式示意图。
图6为本发明实施例的一种电加热燃料组件热工水力实验装置中多层外加热组件的排列方式示意图。
附图标记如下：
1-电加热组件、11-内加热件，12-外加热组件，2-电极连接装置、21-电极正极、22-电极负极、3-流体通道、4-底部盖压板、5-进口组件、51-进口段、52-第一法兰、53-第二法兰、54-进口通道、55-环形折流板、6-进口稳流段、7-可视化实验段、71-可视通道、72-第五法兰、721-第一测温通道、722-第一测压通道、73-第六法兰、731-第二测压通道、732-第二测温通道、74-螺纹丝杆、8-出口稳流段、9-出口组件、91-出口段、92-第三法兰、93-第四法兰、94-出口通道、95-排气口、10-顶部盖压板。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种电加热燃料组件热工水力实验装置作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚，需要说明的是：附图采用简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。本发明中的术语“底部”“底端”“底”等表示靠近实验装置进口一端，“顶部”“顶端”“顶”等表示靠近实验装置出口一端；术语“第一”“第二”“第三”“第四”“第五”“第六”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
如图1所示，本发明的一种电加热燃料组件热工水力实验装置，该装置包括电加热组件1、连接在电加热组件1端部的电极连接装置2、及套设在电加热组件1外侧的流体通道3，电加热组件1的两端均伸出流体通道3；流体通道3包括从底部到顶部依次设置并连接的底部盖压板4、进口组件5、进口稳流段6、可视化实验段7、出口稳流段8、出口组件9及顶部盖压板10。
电加热组件1采用低电压高电流加热方式，本实施中，电加热组件的最大功率为500kW，最大电流20000A，最大电压25V，电加热组件1的两端分别距离流体通道的边缘20cm，从而确保两端有足够的距离安装电极连接装置2。电加热组件1包括内加热件11和环绕在内加热件11外侧的外加热组件12，内加热件11由1根电加热棒组成，外加热组件12由多根电加热棒组成。外加热组件12以内加热件11的轴心为中心，呈正多边形排布，此结构与脉冲堆原型相似，可测得通过电加热组件的流体的单相流动换热、两相流动换热和临界热流密度换热特性实验研究。
电极连接装置2包括分别设置在电加热组件1顶部的电极正极21和底部的电极负极22，电极正极21和电极负极22分别与外部电源连接，电极正极21和电极负极22均采用无氧紫铜的材料加工制作，其导电率高，耐腐蚀性能好，可提高装置的工作效率。流体通道3包括从底部到顶部依次设置并分别用连接法兰和紧固螺栓相连接的底部盖压板4、进口组件5、进口稳流段6、可视化实验段7、出口稳流段8、出口组件9及顶部盖压板10。可视化实验段7的位置与电加热组件1的加热段相对应，且可根据加热段的长度及位置适时调整，以达到最佳的实验效果。
各连接法兰之间设有法兰垫片，法兰垫片采用四氟垫或云母垫，其耐高温、耐水性好且绝缘效果较佳；紧固螺栓采用高强度绝缘螺栓，螺栓上还安装有胶木绝缘套，进一步提高了装置的密封性。底部盖压板4和顶部盖压板10上均设有与电加热组件1排列相同，且孔径与电加热棒外径大小相同的通孔，电加热组件1两端分别穿过顶部盖压板4和底部盖压板10的通孔与电极正极21、电极负极22连接。
如图2所示，进口组件5包括进口段51，设置在进口段51轴向两端的第一法兰52和第二法兰53，及垂直进口段51设置的进口通道54，第一法兰52与第二法兰53之间还设有法兰垫片，法兰垫片采用四氟垫或云母垫，进口段51内部沿轴向设置有环形折流板55，其上端与第二法兰53固定连接，下端与第一法兰52之间设有间隙，折流板的设置用于减小入口流体直接冲击电加热棒对棒束造成的冲击，进而提高棒束的使用寿命。
如图3所示，出口组件9包括出口段91，设置在出口段91轴向两端的第三法兰92和第四法兰93，及垂直出口段91设置的出口通道94；第三法兰92沿径向设有排气口95，排气口95有利于实验过程中排出气体，使得整个实验装置中不凝结气体，提高装置的安全性及实验数据的准确性。第三法兰92与第四法兰93之间设有法兰垫片，法兰垫片采用四氟垫或云母垫。
第三法兰92与顶部盖压板10之间、第一法兰52与底部盖压板4之间分别设有带通孔的绝缘的密封垫圈，密封垫圈采用氟胶材质；密封垫圈上的通孔与顶部盖压板10、底部盖压板4上的通孔相对应，在安装实验装置时，第三法兰92与顶部盖压板10通过挤压密封垫圈，将电加热组件1的顶部、顶部盖压板4及第三法兰92密封连接，第一法兰52与底部盖压板4通过挤压密封垫圈，将电加热组件1的底端、底部盖压板4与第一法兰52密封连接。
顶部压盖板10、第三法兰92、第四法兰93、第六法兰73、第五法兰72、第二法兰53、第一法兰52、底部压盖板5及各连接法兰均选用不锈钢304材质，该材质成本较低且绝缘效果较好。
如图4所示，可视化实验段7包括可视通道71，设置在可视通道71轴向两端的第五法兰72和第六法兰73，及沿轴向均布在可视通道7外侧的多个螺纹丝杆74；可视通道7由第五法兰72和第六法兰73夹持，并通过螺纹丝杆74锁紧固定。可视通道7的材质选用石英玻璃，其耐高温，稳定性好，且便于对实验过程进行更直观的观察，第五法兰72沿径向分别设有第一测温通道721和第一测压通道722，分别连接外接的传感器(图中未示出)，用于测量流体进入可视化实验段7时的起始温度和压力；第六法兰73沿径向分别设有第二测压通道731和第二测温通道732，分别连接外接的传感器(图中未示出)，用于测量流体通过可视化实验段7后的温度和压力。
如图5所示，流体通道3为正六棱柱体或圆柱体，本实施例中示出了流体通道3为正六棱柱体的结构，其底面边长D为70.98mm；电加热组件1中的多根电加热棒均匀分布在流体通道3内，每个电加热棒的直径φ为37.2mm，相邻电加热棒中心轴间的垂直距离S为43mm。电加热组件1由7根电加热棒组成，内加热件11与相邻的外加热组件上12相邻的两个电加热棒可组成三角形，三角形作为最小的单元，其空间占用较小，且稳定性佳，该排列方式简化了实验装置，且为实验结果的精度提供了强有力的支撑。
如图6所示，外加热组件12至少两层，且每层外加热组件12的电加热棒的数量由内至外递增。为了研究更高功率工况下流体的临界热流密度，本实施例中给出了由内加热组件11和两层外加热组件12组成的电加热组件结构，由19根电加热棒组成，分别为中心的1根电加热棒，第一层的6根电加热棒及第二层的12根电加热棒，第二层外加热组件的排列方式和第一层的排列方式相同，均呈正六边形排列。如若需进行更高功率工况下的实验研究，则可在此基础上增加多层外加热组件来进行相应的热工水力实验研究。
作为另一种优选的方案，本发明中，可根据实际环境的要求，在各电加热棒间增加绝缘保护套，来控制单根或多根电加热棒的加热功率，从而适应多工况下单相或两相流体临界热流密度的测试实验。
本发明的一种电加热燃料组件热工水力实验装置的工作过程如下：
首先，接通电极连接装置2与外接电源，确保实验装置正常运行，此时外部电源通过电极正极21和电极负极22对电加热组件1供电加热；待测流体通过进口通道54进入流体通道3内部，通过环形折流板55后进入进口稳流段6；之后进入可视化实验段7，此时，在外接的传感器中(图中未示出)分别获取流体在经过可视化实验段7前、后的温度信号和压力信号，待信号稳定后采集实验数据信号；此外，也可采用高速摄像机在可视化实验段7外侧根据实际需求拍摄两相流动时的特性，为模拟脉冲堆反应提供有效的理论数据及模型；最后流体通过出口通道94排出，在实验过程中顶部的排气口95可实时排出气体，确保流体通道3内部的压强稳定，进而提供精确的实验数据。
以上内容仅用来说明本发明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。
Claims (10)
1.一种电加热燃料组件热工水力实验装置，其特征在于：包括电加热组件(1)、连接在电加热组件(1)端部的电极连接装置(2)、及套设在电加热组件(1)外侧的流体通道(3)，所述电加热组件(1)的两端均伸出流体通道(3)；所述流体通道(3)包括从底部到顶部依次设置并连接的底部盖压板(4)、进口组件(5)、进口稳流段(6)、可视化实验段(7)、出口稳流段(8)、出口组件(9)及顶部盖压板(10)；所述可视化实验段(7)的位置与电加热组件(1)的加热段相对应；
所述电加热组件(1)包括内加热件(11)和环绕在内加热件(11)外侧的外加热组件(12)，所述内加热件(11)由1根电加热棒组成，所述外加热组件(12)由多根电加热棒组成。
2.根据权利要求1所述的一种电加热燃料组件热工水力实验装置，其特征在于：
所述外加热组件(12)以内加热件(11)的轴心为中心，呈正多边形排布。
3.根据权利要求1所述的一种电加热燃料组件热工水力实验装置，其特征在于：
所述外加热组件(12)至少两层，且每层外加热组件(12)的电加热棒的数量由内至外递增。
4.根据权利要求2或3所述的一种电加热燃料组件热工水力实验装置，其特征在于：
所述进口组件(5)包括进口段(51)，设置在进口段(51)轴向两端的第一法兰(52)和第二法兰(53)，及垂直进口段(51)设置的进口通道(54)；所述进口段(51)内部沿轴向设置有环形折流板(55)，所述环形折流板(55)顶端与第二法兰(53)固定连接，底端与第一法兰(52)之间设有间隙。
5.根据权利要求4所述的一种电加热燃料组件热工水力实验装置，其特征在于：
所述出口组件(9)包括出口段(91)，设置在出口段(91)轴向两端的第三法兰(92)和第四法兰(93)，及垂直出口段(91)设置的出口通道(94)；所述第三法兰(92)沿径向设有排气口(95)。
6.根据权利要求5所述的一种电加热燃料组件热工水力实验装置，其特征在于：
所述可视化实验段(7)包括可视通道(71)，设置在可视通道(71)轴向两端的第五法兰(72)和第六法兰(73)，及沿轴向均布在可视通道(7)外侧的多个螺纹丝杆(74)；所述可视通道(7)由第五法兰(72)和第六法兰(73)夹持，并通过螺纹丝杆(74)锁紧固定；
所述第五法兰(72)沿径向分别设有第一测温通道(721)和第一测压通道(722)；
所述第六法兰(73)沿径向分别设有第二测压通道(731)和第二测温通道(732)。
7.根据权利要求6所述的一种电加热燃料组件热工水力实验装置，其特征在于：
所述电极连接装置(2)包括分别设置在电加热组件(1)顶部的电极正极(21)和底部的电极负极(22)，所述电极正极(21)和电极负极(22)分别与外部电源连接；
所述底部盖压板(4)和顶部盖压板(10)上沿轴向设有与电加热组件(1)排列相同，且孔径与电加热棒外径大小相同的通孔，所述电加热组件(1)两端分别穿过顶部盖压板(4)和底部盖压板(10)的通孔与电极正极(21)、电极负极(22)连接；
所述第三法兰(92)与顶部盖压板(10)之间、第一法兰(52)与底部盖压板(4)之间分别设有带通孔的密封垫圈，所述密封垫圈的通孔的排列方式与顶部盖压板(10)、底部盖压板(4)上的通孔相对应。
8.根据权利要求7所述的一种电加热燃料组件热工水力实验装置，其特征在于：
所述流体通道(3)为正六棱柱体或圆柱体。
9.根据权利要求8所述的一种电加热燃料组件热工水力实验装置，其特征在于：
所述第三法兰(92)与第四法兰(93)之间，第一法兰(52)与第二法兰(53)之间，及各连接法兰之间分别设有法兰垫片。
10.根据权利要求1至9任一所述的一种电加热燃料组件热工水力实验装置，其特征在于：
所述电加热组件(1)采用低电压高电流加热方式，最大电流20000A，最大电压25V。
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