CN115586209A - 运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段及试验方法 - Google Patents

运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段，该试验段采用直流电源单侧电加热，包括压紧玻璃视窗、压紧螺栓、外侧玻璃视窗、内测玻璃视窗、矩形窄缝流道、加热板组件、上下承压壳体、流道入口、流道出口、进口电极组件、出口电极组件。试验段通过调整加热板部分区域厚度来改变区域电阻，从而改变区域分配电压和功率，实现热流局部集中效果。压紧玻璃组件、外侧视窗、气隙、内侧视窗共同组成可视化窗口，用于观察实验现象。该试验装置可以完成中低压热流局部集中条件下矩形窄缝通道沸腾临界的可视化试验。

Description

运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段及试验 方法
技术领域
本发明涉及矩形窄缝通道内的沸腾临界特性研究领域，具体涉及一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段及试验方法。
背景技术
弥散型板状燃料元件相比于传统棒状燃料元件具有更高的安全性和高效性。但在弥散型板燃料元件制备过程中，核裂变颗粒弥散会有一定偏差的不均匀沉积和聚集，使中子通量相同的条件下局部反应性增大，与之相对应的是在该处形成热流密度局部集中现象，在热流密度集中区域可能提前出现沸腾临界现象。亟需开展热流局部集中下矩形窄缝通道内板燃料元件临界沸腾机理研究，揭示热流局部集中下压力、质量流速、过冷度、表面粗糙度等关键工况参数对CHF的影响机理，为全范围工况下弥散型燃料元件热工安全准则的精确制定提供技术支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段及试验方法，为热流局部集中下矩形窄缝通道内的流动沸腾特性研究提供实验装置和方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段，所述试验段采用直流电源单侧电加热，放置于六自由度运动平台上，完成静止及运动条件下对临界热流密度影响的研究；包括压紧视窗玻璃1、压紧螺栓2、外侧玻璃视窗3、内侧玻璃视窗4、矩形窄缝流道5、上承压壳6、下承压壳7、流道出口8、出口电极组件9、进口电极组件10、流道入口11及Inconel625加热板12；
压紧视窗玻璃1、压紧螺栓2、外侧玻璃视窗3、内侧玻璃视窗4共同构成可视化玻璃组件，压紧螺栓2将可视玻璃组件与上承压壳6相固定，外侧玻璃视窗3和内侧玻璃视窗4之间设置有气隙，同时角落设置通孔与矩形窄缝流道5连接，通入去离子水工质，用于平衡气隙和矩形窄缝流道5两侧压力，使外侧玻璃视窗3满足承压要求，内侧玻璃视窗4满足承温要求；内侧玻璃视窗4两侧用螺栓固定于上承压壳6中，下部与矩形窄缝流道5直接接触；
上承压壳6与下承压壳7间设置有矩形窄缝流道5，Inconel625加热板12嵌于下承压壳7上侧，Inconel625加热板12与矩形窄缝流道5接触，对矩形窄缝流道5中的去离子水工质进行加热；流道入口11、流道出口8分布在下承压壳7中，分别与矩形窄缝流道5两端相通，流道进出口分别设置有进出口腔室筒体，进出口腔室筒体的结构尺寸相同，用于减小试验段进出口效应；出口电极组件9和进口电极组件10用于传导直流电源提供的电流；试验段还包括用于测量Inconel625加热板12温度的热电偶布置测温孔。
所述Inconel625加热板12总体长800mm，宽60mm，厚度3.3mm，在距离流道出口200mm处的两个凹槽尺寸为30*20*2.7mm，降低凹槽厚度增大了凹槽区域电阻，增大分配的电阻及功率，以实现热流密度集中效果。
所述上承压壳6与下承压壳7为316L不锈钢壳体。
出口电极组件9、进口电极组件10为导电铜柱，铜柱与Inconel625加热板两侧焊接的镍板固定。
所述Inconel625加热板12两端分别焊接有非加热区导电镍板。
所述出口电极组件9和进口电极组件10结构相同，主体为实心铜柱，实心铜柱直径与试验段所需导电量相匹配；铜柱外包覆有套管及密封环，起到密封和隔绝作用。
所述的一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段的试验方法，试验开始时，工质自流道入口11进入矩形窄缝流道5，同时工质进入到外侧玻璃视窗3和内侧玻璃视窗4之间的气隙；待工质流动稳定之后，使用直流电源通过出口电极组件9、进口电极组件10传导电流加热，逐步提升电加热功率，保证Inconel625加热板12温度平缓上升，当Inconel 625加热板12内壁面出现温度突增，直流电源按照20％当前功率的降低幅度切除功率，以防止试验段损毁；待试验段温度降至室温以后，依据工况表调整进口压力、质量流速和过冷度参数，重复以上步骤调整加热功率，完成不同工况下的实验。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1)在Inconel625加热板12设置了两处凹槽，通过降低凹槽区域厚度来增大凹槽区域的电阻，增大区域内分配的电压和功率，从而增大了两个凹槽间区域的表面热流密度，实现了热流密度集中效果。
2)压紧视窗玻璃1、压紧螺栓2、外侧玻璃视窗3、内侧玻璃视窗4共同构成可视化玻璃组件，外侧玻璃视窗和内侧玻璃视窗之间设置的气隙降低了试验对玻璃材质须同时满足耐高温高压的苛刻要求，保证了试验的安全性。
附图说明
图1为本发明热流局部集中下矩形窄缝通道试验段示意图。
图2为Inconel625加热板三维结构图。
图3为Inconel625加热板及表面热电偶布置情况图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段，主要由压紧视窗玻璃1、压紧螺栓2、外侧玻璃视窗3、内侧玻璃视窗4、矩形窄缝流道5、上承压壳6、下承压壳7、流道出口8、出口电极组件9、进口电极组件10、流道入口11及Inconel625加热板12组成。试验段放置于两吨级六自由度运动平台上，可完成静止及运动条件对临界热流密度影响的相关研究。压紧视窗玻璃1、压紧螺栓2、外侧玻璃视窗3、内侧玻璃视窗4共同构成可视化玻璃组件，压紧螺栓2将可视玻璃组件与上承压壳6相固定，外侧玻璃视窗3和内侧玻璃视窗4之间设置有气隙，同时角落设置通孔与矩形窄缝流道5连接，通入去离子水工质，用于平衡气隙和矩形窄缝流道5两侧压力，使外侧玻璃视窗3主要满足承压要求，内侧玻璃视窗4主要满足承温要求。内侧玻璃视窗4两侧用螺栓固定于上承压壳6中，下部与矩形窄缝流道5直接接触。上承压壳6与下承压壳7间设置有矩形窄缝流道5，Inconel625加热板12嵌于下承压壳7上侧，Inconel625加热板12与矩形窄缝流道5接触，可对矩形窄缝流道5中的去离子水工质进行加热。流道入口11、流道出口8分布在下承压壳7中，分别与矩形窄缝流道5两端相通，流道进出口分别设置有进出口腔室筒体，进出口腔室筒体的结构尺寸相同，可以用于减小试验段进出口效应。除上述主要组件外，试验段还包括用于测量Inconel625加热板12温度的热电偶布置测温孔。
可开展静止及运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验，采用去离子水为流动工质，去离子水自流道入口11进入，而后通过矩形窄缝流道5，经流道出口8流出。
所述试验段进出口分别设置有进口腔室筒体和出口腔室筒体，用于减小进入矩形窄缝流道的工质湍流度，减少试验段的进出口效应。
如图2所示，作为本发明的优选实施方式，所述在Inconel625加热板12总体长800mm，宽60mm，厚度3.3mm，在距离流道出口200mm处设置了两处凹槽。凹槽尺寸为30*20*2.7mm，通过设置凹槽减小了板局部区域的厚度，通过电阻计算公式可知凹槽区域电阻增大，增大区域内分配的电压和功率，从而增大了两个凹槽间区域的表面热流密度，实现了热流密度集中效果。
如图3所示，作为本发明的优选实施方式，Inconel625加热板12两端焊接有两块100*60*3.3mm的非加热区导电镍板。非加热区的设置可以使去离子水工质进入加热区时达到充分发展阶段。在试验工况低于400℃的温度条件下，Inconel625加热板的电阻远远大于非加热区导电镍板的电阻，因此直流电源的绝大部分加热功率会作用在Inconel625加热板上，使得临界沸腾现象发生于加热区。导电镍板中心各焊接有一个实心铜柱，铜柱直径与试验回路直流电源参数相匹配。在加热板背面布置了12排测温孔，用于插入热电偶测量壁面温度。靠近试验段进口位置的前3排测温孔，以60mm等间距按每排1个布置，测温孔布置在加热板沿流体流动方向的中线上；在热流局部集中区域中心以及距加热板末端34mm，60mm，110mm布置了4组单个测温孔，测温孔布置在加热板沿流体流动方向的中线上。在距试验段出口8mm处及距凹槽中心两侧40mm处分别布置了3个热电偶测温孔，每组相邻测温孔间距20mm。设置的两个凹槽内部分别布置有两个间距20mm的测温孔。
作为本发明的优选实施方式，所述上承压壳体6和下承压壳体7为316L不锈钢壳体，316L不锈钢具有优良的抗腐蚀性和耐高温性，可以避免高温时上下部壳体出现较大的形变。
如图1所示，本发明一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段的试验方法，包括以下步骤：
(1)保持试验段进出口参数，即入口压力、入口流量、入口欠热度稳定；试验开始时，工质自流道入口11进入矩形窄缝流道5，同时工质进入到外侧玻璃视窗3和内侧玻璃视窗4之间的气隙；待工质流动稳定之后，使用直流电源通过出口电极组件9、进口电极组件10传导电流加热。
(2)逼近理论临界功率时，逐步缓慢提升试验段功率，同时减小提升试验段功率速率。每隔10min调节一次功率并记录数据，每次调节的幅度不超过当前功率的2％；
(3)关注高速摄像仪所拍摄的流道影像，随时准备触发高速摄像仪以捕捉临界热流密度发生时的气泡运动特性；
(4)当Inconel 625加热板12内壁面温度以5～15℃/s速度上升且无回落持续3s以上时认为发生沸腾临界，计算机临界判断程序确认，直流电源按照程序设定以20％当前功率的降低幅度切除功率，以防止实验段热疲劳损坏。当壁温超过20-50℃时或者超过设定的温度上限，为防止试验段受热烧毁也可手动切断直流电源，保证实验的安全性。
(5)依据工况表调整进口压力、质量流速和过冷度参数，重复以上步骤调整加热功率，直至所有临界热流密度工况实验完成。

Claims (7)

1.一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段，其特征在于：所述试验段采用直流电源单侧电加热，放置于六自由度运动平台上，完成静止及运动条件下对临界热流密度影响的研究；包括压紧视窗玻璃(1)、压紧螺栓(2)、外侧玻璃视窗(3)、内侧玻璃视窗(4)、矩形窄缝流道(5)、上承压壳(6)、下承压壳(7)、流道出口(8)、出口电极组件(9)、进口电极组件(10)、流道入口(11)及Inconel625加热板(12)；
压紧视窗玻璃(1)、压紧螺栓(2)、外侧玻璃视窗(3)、内侧玻璃视窗(4)共同构成可视化玻璃组件，压紧螺栓(2)将可视玻璃组件与上承压壳(6)相固定，外侧玻璃视窗(3)和内侧玻璃视窗(4)之间设置有气隙，同时角落设置通孔与矩形窄缝流道(5)连接，通入去离子水工质，用于平衡气隙和矩形窄缝流道(5)两侧压力，使外侧玻璃视窗(3)满足承压要求，内侧玻璃视窗(4)满足承温要求；内侧玻璃视窗(4)两侧用螺栓固定于上承压壳(6)中，下部与矩形窄缝流道(5)直接接触；
上承压壳(6)与下承压壳(7)间设置有矩形窄缝流道(5)，Inconel625加热板(12)嵌于下承压壳(7)上侧，Inconel625加热板(12)与矩形窄缝流道(5)接触，对矩形窄缝流道(5)中的去离子水工质进行加热；流道入口(11)、流道出口(8)分布在下承压壳(7)中，分别与矩形窄缝流道(5)两端相通，流道进出口分别设置有进出口腔室筒体，进出口腔室筒体的结构尺寸相同，用于减小试验段进出口效应；出口电极组件(9)和进口电极组件(10)用于传导直流电源提供的电流；试验段还包括用于测量Inconel625加热板(12)温度的热电偶布置测温孔。
2.根据权利要求1所述的一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段，其特征在于：所述Inconel625加热板(12)总体长800mm，宽60mm，厚度3.3mm，在距离流道出口200mm处的两个凹槽尺寸为30*20*2.7mm，降低凹槽厚度增大了凹槽区域电阻，增大分配的电阻及功率，以实现热流密度集中效果。
3.根据权利要求1所述的一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段，其特征在于：所述上承压壳(6)与下承压壳(7)为316L不锈钢壳体。
4.根据权利要求1所述的一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段，其特征在于：出口电极组件(9)、进口电极组件(10)为导电铜柱，铜柱与Inconel625加热板两侧焊接的镍板固定。
5.根据权利要求1所述的一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段，其特征在于：所述Inconel625加热板(12)两端分别焊接有非加热区导电镍板。
6.根据权利要求1所述的一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段，其特征在于：所述出口电极组件(9)和进口电极组件(10)结构相同，主体为实心铜柱，实心铜柱直径与试验段所需导电量相匹配；铜柱外包覆有套管及密封环，起到密封和隔绝作用。
7.权利要求1至6任一项所述的一种运动条件下热流局部集中窄矩形通道沸腾临界试验段的试验方法，其特征在于：试验开始时，工质自流道入口(11)进入矩形窄缝流道(5)，同时工质进入到外侧玻璃视窗(3)和内侧玻璃视窗(4)之间的气隙；待工质流动稳定之后，使用直流电源通过出口电极组件(9)、进口电极组件(10)传导电流加热，逐步提升电加热功率，保证Inconel625加热板(12)温度平缓上升，当Inconel 625加热板12内壁面出现温度突增，直流电源按照20％当前功率的降低幅度切除功率，以防止试验段损毁；待试验段温度降至室温以后，依据工况表调整进口压力、质量流速和过冷度参数，重复以上步骤调整加热功率，完成不同工况下的实验。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116644628A (zh) * 2023-05-19 2023-08-25 西安交通大学 判定弥散型板燃料元件起泡与沸腾临界先后顺序的数值模拟方法

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