CN115753167A - 一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量实验装置，包括板状燃料元件组和铜排组，所述板状燃料元件组包括板状燃料元件外壳、上腔室壁、下腔室壁，板状燃料元件外壳里设置不锈钢加热板，不锈钢加热板的上端位于上腔室里，不锈钢加热板的下端位于下腔室里；所述铜排组包括正极铜法兰、负极铜法兰，正极铜法兰通过正极铜板连接不锈钢加热板，负极铜法兰通过负极铜板连接不锈钢加热板；板状燃料元件外壳上端和下端分别连接进水腔和出水腔，进水腔连接进水管，出水腔连接出水管。本发明可以真正有效、高精度的进行板状燃料元件多矩形通道的实验研究，模拟出板状燃料元件各通道间流动传热特性的影响，成本低廉，易于加工。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种可视化实验装置，具体地说是模拟加热条件下的可视化实验装置。
背景技术
板状燃料元件不同于常规的圆管通道，其内包含多个平行的矩形通道。近年来，虽然学者们针对圆管内经典的流动传热关联式能否有效预测板状燃料元件内的热工参数进行了大量研究，但是仍未得到统一的结论。板状燃料元件作为反应堆内的关键部件，其内的热工水力特性对反应堆的安全运行和设计至关重要。然而，因为板状燃料元件复杂的结构，学者们多数只能对单个矩形通道进行实验研究，但是单个矩形通道无法模拟出板状燃料元件内各矩形通道间的相互影响；尽管学者们对板状燃料元件进行了大量的数值模拟研究，但是数值模拟结果过于保守，还需要大量的板状燃料元件的实验数据进行佐证，因此需要设计一种装置可以有效模拟出板状燃料元件多通道内的流动传热特性。但是板状燃料元件不同于常规的流道，其内各矩形流道狭窄且长，各矩形通道的间隙仅为1-3mm，流道长度可达600mm，且各通道间互不相通，在加热条件下狭小的空间内容易产生气泡吸附在加热板表面，且板状燃料元件在加工组装中易发生加工偏差以及长期使用时易发生变形弯曲，都会对板状燃料元件的实验数据引入误差，因此在采用常规测量手段对其内部流动传热特性进行测量的同时，还需要对通道间的流体行为、各矩形通道间的加工差异、和加热板变形弯曲率等参数进行监测。所以可将可视化测量手段应用其中，但这更增加了板状燃料元件的设计要求。不仅要设计一种可以真正模拟板状燃料元件多通道的本体，还需在加热条件下对各通道内的流体行为和各燃料板的状态进行监测，实现对板状燃料元件内流动传热特性的有效、高精度的测量，从而揭示其内的流动传热机理，给板状燃料元件的设计和反应堆的安全运行提供参考。
发明内容
本发明的目的在于提供可以有效、高精度的进行板状燃料元件多矩形通道的实验研究，模拟出板状燃料元件各通道间流动传热特性影响的一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量实验装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量实验装置，其特征是：包括板状燃料元件组和铜排组，所述板状燃料元件组包括板状燃料元件外壳、上腔室壁、下腔室壁，上腔室壁固定在板状燃料元件外壳的上方，下腔室壁固定在板状燃料元件外壳的下方，板状燃料元件外壳里设置不锈钢加热板，不锈钢加热板之间加入绝缘连接块和铜连接块从而实现串联连接，不锈钢加热板的上端位于上腔室壁形成的上腔室里，不锈钢加热板的下端位于下腔室壁形成的下腔室里；所述铜排组包括正极铜法兰、负极铜法兰，正极铜法兰通过正极铜板连接不锈钢加热板，负极铜法兰通过负极铜板连接不锈钢加热板；板状燃料元件外壳上端和下端分别连接进水腔和出水腔，进水腔连接进水管，出水腔连接出水管。
本发明还可以包括：
1、上腔室壁与板状燃料元件外壳之间设置加热板上定位板，下腔室壁与板状燃料元件外壳之间设置加热板下定位板，不锈钢加热板通过加热板上定位板、加热板下定位板形成相互平行的矩形通道。
2、上腔室壁顶部开设排气孔。
3、板状燃料元件外壳和不锈钢加热板侧面开设用于热电偶测量各加热板沿流向不同位置处的温度变化的测温孔。
4、上腔室壁和下腔室壁采用透明材料，板状燃料元件外壳采用耐高温绝缘材料。
5、所述正极铜法兰上设置正极连接槽，正极铜板的一端通过螺丝与连接槽相连，正极铜板的另一端通过螺丝与不锈钢加热板相连；负极铜法兰上设有负极连接槽，负极铜板的一端通过螺丝与负极连接槽相连，负极铜板的另一端通过螺丝与不锈钢加热板相连。
6、板状燃料元件外壳中部设置用于观测板状燃料元件各矩形通道内流体的流动特性、各矩形流道间的加工偏差和不锈钢加热板长期使用下的变形率的可视化窗口。
7、进水腔和出水腔上各设置一个热电偶。
本发明的优势在于：
1、本发明实验装置采用垂直进出口设计，并设计进水腔和出水腔，来减小进水段和出水段对板状燃料元件各矩形流道内流体的影响。
2、本发明的不锈钢板由直流电源加热，电源的正负极均位于本体下端，在给不锈钢加热板加热的同时，减小铜排组加载在板状燃料元件上的重量；上下腔室采用透明材料制成，使铜排组和不锈钢加热板不被遮挡，监测铜排组和不锈钢加热板连接情况，防止出现局部点接触或过热过载等现象，提高可视化范围。板状燃料元件外壳采用耐高温绝缘材料制作而成，提高实验热参数的范围。
3、本发明的可视化窗口由石英玻璃定制加工而成，可以观察加热条件下的板状燃料元件各矩形流道内的流体流动特性、各矩形流道间的加工偏差，同时可以实时监测各加热板在长期使用下的变形率等，同时观测入口段和出口段对流体的扰动情况。
4、本试验装置可以实现对板状燃料元件多矩形流道内流动传热特性进行实验研究，克服了国内外采用一个矩形通道模拟板状燃料元件内流动传热特性的不足。可以真正有效、高精度的进行板状燃料元件多矩形通道的实验研究，模拟出板状燃料元件各通道间流动传热特性的相互影响，成本低廉，易于加工。
附图说明
图1a为本发明的左视剖视图，图1b为前视剖视图；
图2a为铜法兰三维图，图2b为铜法兰和铜排板连接图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1a-图2b，本发明一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量装置主要包括板状燃料元件组和铜排组。板状燃料元件组包括上腔室1-1、不锈钢加热板1-2、板状燃料元件外壳1-3、矩形流道1-4、下腔室1-5、加热板上定位板1-6、加热板下定位板1-7、排气孔1-8、测温孔1-9、可视化窗口1-10、进水管1-11、进水腔1-12、出水管1-13、出水腔1-14、绝缘圈1-15。其中，上腔室1-1、板状燃料元件外壳1-3、下腔室1-5之间通过法兰机械连接，所述不锈钢加热板1-2通过不锈钢上定位板1-6、不锈钢下定位板1-7形成多个平行的矩形通道1-4，所述板状燃料元件外壳1-3和不锈钢加热板1-2侧面设有多个测温孔1-9。用于热电偶测量各加热板沿流向不同位置处的温度变化。所述排气孔1-8位于上腔室1-1最上端，用于排除加热条件下溶解在流体内的气体与吸附在铜排组和不锈钢加热板1-2表面上的气泡，同时调整实验本体内的压力。所述上腔室1-1、下腔室1-5采用透明材料制成，使铜排组和不锈钢加热板1-2不被遮挡，监测铜排组和不锈钢加热板连接情况，防止出现局部点接触或过热过载等现象，提高可视化范围。所述板状燃料元件外壳1-3采用耐高温绝缘材料制作而成，提高实验热参数的范围。
如图2中的图2a、图2b所示，所述铜排组包括正极铜法兰2-1、负极铜法兰2-2、正极铜板2-3、负极铜板2-4，所述正极铜法兰2-1上设有连接槽2-7，正极铜板2-3一侧通过螺丝与连接槽2-7相连，另一侧通过螺丝与不锈钢加热板1-2相连；同理，负极铜法兰2-2上设有连接槽2-7，负极铜板2-4一侧通过螺丝与连接槽2-7相连，另一侧通过螺丝与不锈钢加热板1-2相连；所述正极铜法兰2-1和负极铜法兰2-2均位于板状燃料元件外壳1-3的底端，分别与电源正负极相连。在给不锈钢加热板1-2加热的同时，减小铜排组加载在板状燃料元件外壳上的重量。所述不锈钢加热板1-2通过绝缘连接块2-6、铜连接块2-5实现串联连接，增加加热板总电阻，减小电源功率成本。所述正极铜法兰2-1、下腔室1-5、负极铜法兰2-2通过绝缘圈1-15绝缘密封连接。
可视化窗口1-10由石英玻璃定制加工而成，设置在板状燃料元件外壳1-3一侧的中间，即出水腔1-14和进水腔1-12中间，用于观测板状燃料元件各矩形通道内流体的流动特性、各矩形流道1-4间的加工偏差和不锈钢加热板1-2长期使用下的变形率等，同时观测入口段和出口段对各矩形流道内流体的扰动情况。
进水管1-11与进水腔1-12相连，进水腔1-12设计成长方体与板状燃料元件外壳1-3相连，进水腔1-12设计成足够的长度，保证来自进水管1-11的流体在进水腔1-12内充分发展；同理，出水管1-13与出水腔1-14相连，出水腔1-14设计成长方体与板状燃料元件外壳1-3相连，出水腔1-14设计成足够的长度，降低出水腔1-14内水的回流对矩形流道1-4内流体的影响。所述进水腔1-12、出水腔1-14上各设有一个热电偶，用于监测进出口流体温度变化，同时评估板状燃料元件本体的热损失。
本发明装置可以对板状燃料元件内多个矩形流道进行流动传热特性研究，克服了国内外仅采用单个矩形流道模拟板状燃料元件的不足，同时结合可视化手段，可以有效监测加热条件下多个矩形通道内的流体流动特性和板状燃料元件内各加热板长期使用下的弯曲率等。本实验本体成本低廉，加工简易，操作方便，能够较好的开展相关实验研究工作。
Claims (8)
1.一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量实验装置，其特征是：包括板状燃料元件组和铜排组，所述板状燃料元件组包括板状燃料元件外壳、上腔室壁、下腔室壁，上腔室壁固定在板状燃料元件外壳的上方，下腔室壁固定在板状燃料元件外壳的下方，板状燃料元件外壳里设置不锈钢加热板，不锈钢加热板之间加入绝缘连接块和铜连接块从而实现串联连接，不锈钢加热板的上端位于上腔室壁形成的上腔室里，不锈钢加热板的下端位于下腔室壁形成的下腔室里；所述铜排组包括正极铜法兰、负极铜法兰，正极铜法兰通过正极铜板连接不锈钢加热板，负极铜法兰通过负极铜板连接不锈钢加热板；板状燃料元件外壳上端和下端分别连接进水腔和出水腔，进水腔连接进水管，出水腔连接出水管。
2.根据权利要求1所述的一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量实验装置，其特征是：上腔室壁与板状燃料元件外壳之间设置加热板上定位板，下腔室壁与板状燃料元件外壳之间设置加热板下定位板，不锈钢加热板通过加热板上定位板、加热板下定位板形成相互平行的矩形通道。
3.根据权利要求1所述的一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量实验装置，其特征是：上腔室壁顶部开设排气孔。
4.根据权利要求1所述的一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量实验装置，其特征是：板状燃料元件外壳和不锈钢加热板侧面开设用于热电偶测量各加热板沿流向不同位置处的温度变化的测温孔。
5.根据权利要求1所述的一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量实验装置，其特征是：上腔室壁和下腔室壁采用透明材料，板状燃料元件外壳采用耐高温绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量实验装置，其特征是：所述正极铜法兰上设置正极连接槽，正极铜板的一端通过螺丝与连接槽相连，正极铜板的另一端通过螺丝与不锈钢加热板相连；负极铜法兰上设有负极连接槽，负极铜板的一端通过螺丝与负极连接槽相连，负极铜板的另一端通过螺丝与不锈钢加热板相连。
7.根据权利要求1所述的一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量实验装置，其特征是：板状燃料元件外壳中部设置用于观测板状燃料元件各矩形通道内流体的流动特性、各矩形流道间的加工偏差和不锈钢加热板长期使用下的变形率的可视化窗口。
8.根据权利要求1所述的一种加热条件下的板状燃料元件可视化测量实验装置，其特征是：进水腔和出水腔上各设置一个热电偶。
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|---|---|---|---|---|
| CN116825408A (zh) * | 2023-08-31 | 2023-09-29 | 哈尔滨工程大学 | 一种模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置及实验方法 |
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2022
- 2022-11-04 CN CN202211378466.6A patent/CN115753167A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN116825408A (zh) * | 2023-08-31 | 2023-09-29 | 哈尔滨工程大学 | 一种模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置及实验方法 |
| CN116825408B (zh) * | 2023-08-31 | 2023-11-03 | 哈尔滨工程大学 | 一种模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置及实验方法 |
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