CN116825408B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了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，属于板状燃料元件实验研究领域。它包括上基体、石英玻璃板、氟橡胶垫片、起泡加热板、光纤光栅温度传感器和下基体，氟橡胶垫片为环形结构，氟橡胶垫片设置在起泡加热板上方边缘处，石英玻璃板边缘为凸台结构，石英玻璃板的凸台结构设置在氟橡胶垫片上方，石英玻璃板、氟橡胶垫片和起泡加热板所围空间为起泡矩形通道，起泡加热板背面粘贴多根光纤光栅温度传感器，光纤光栅温度传感器设置在下基体上，上基体设置在石英玻璃板上，上基体与下基体压紧相连。它主要用于测量板状燃料起泡周围温度分布，可实现对板状燃料元件起泡条件下相态变化以及流动传热特性的研究。
Description
技术领域
本发明属于板状燃料元件实验领域，特别是涉及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。
背景技术
板状燃料元件具有结构紧凑、换热面积大、燃耗高等优点，在小型研究堆中被广泛应用。由于板状燃料元件的包壳和芯块之间没有气隙，因此在反应堆长期运行中，燃料芯块释放的裂变气体不断聚集，在包壳应力、裂变气体压力、燃料元件温度等因素的影响下，可能会引起包壳表面局部鼓起，称为起泡。起泡内部气隙热阻较大，芯块局部传热路径发生改变，起泡附近温度分布复杂，输入到冷却剂通道的热流密度分布不均匀。流动沸腾条件下，受通道几何结构和热流密度分布的影响，起泡窄矩形通道内的起泡行为特征不同于正常情况。采用可视化实验方法研究板状燃料元件起泡条件下的起泡行为特征以及准确测量起泡附近的温度分布十分必要。
板状燃料元件包壳起泡并非简单的几何结构变形，还涉及到起泡附近局部温度及热流密度分布的不均匀性。因此不能简单地将起泡加热板采用一体化加工方式整体制造出来，必须要在起泡内部填充一定的气体以准确反映气隙热阻的影响。同时，起泡周围的温度分布十分复杂，首先较大的气隙热阻会使起泡覆盖面积下的芯块温度较高；其次起泡附近流体流场发生变化会导致起泡周围温度分布发生变化；此外，起泡附近热流密度分布的不均匀还会导致流体沸腾特性发生变化，从而加剧了温度分布的复杂程度。所以能够发明一种在起泡内部填充气体的窄矩形起泡通道实验装置并且能够准确测量起泡周围复杂的温度分布情况是十分必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出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，以掌握板状燃料起泡周围复杂温度分布以及解决起泡对局部流动传热影响的相关问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种模拟板状燃料起泡的可视化实验装置，包括上基体、石英玻璃板、氟橡胶垫片、起泡加热板、光纤光栅温度传感器和下基体，所述氟橡胶垫片为环形结构，所述氟橡胶垫片设置在起泡加热板上方边缘处，所述石英玻璃板边缘为凸台结构，所述石英玻璃板的凸台结构设置在氟橡胶垫片上方，所述石英玻璃板、氟橡胶垫片和起泡加热板所围空间为起泡矩形通道，所述起泡加热板背面固定多根光纤光栅温度传感器，所述光纤光栅温度传感器设置在下基体上，所述上基体设置在石英玻璃板上，所述上基体与下基体压紧相连，所述起泡加热板包括起泡板本体、进口通道、出口通道、铜电极和补充块，所述起泡板本体为一体式成型结构，起泡板本体中间设置有起泡凸起，起泡凸起下方连接有补充块，补充块与起泡板本体所围空间内部充满空气，所述起泡板本体两侧开设有通孔，两个通孔分别连接进口通道和出口通道，所述进口通道和出口通道与起泡矩形通道连通，所述起泡板本体下方设置有两个铜电极，两个铜电极与外部电源相连。
更进一步的，所述起泡板本体边缘厚度小于主体厚度，起泡凸起处厚度可基于实验需求进行调整。
更进一步的，所述起泡板本体、进口通道、出口通道和补充块的材质均为不锈钢，所述铜电极材质为紫铜，所述起泡板本体与进口通道、出口通道、铜电极和补充块之间均通过焊接相连。
更进一步的，所述光纤光栅温度传感器的测温长度与起泡加热板的有效加热长度相同，所述多根光纤光栅温度传感器的光栅测温点交错排列，所述光纤光栅温度传感器沿长度方向的有效测温点间隔为50mm，所述多根光纤光栅温度传感器沿起泡加热板的宽度方向布置。
更进一步的，所述光纤光栅温度传感器包括纤芯和光栅，所述纤芯内部刻入光栅，所述纤芯粘贴在起泡加热板测温段背面，测温段区域外的纤芯外侧设置有包层。
更进一步的，所述出口通道的内径大于进口通道的内径。
更进一步的，所述上基体和下基体均为不锈钢材质，所述上基体与下基体通过螺栓和螺母连接压紧，所述螺栓与上基体和下基体之间采用电木隔离。
更进一步的，所述下基体中间设置有凹台结构，凹台结构上粘贴有云母纸。
更进一步的，所述铜电极上开设有两个通孔。
本发明还提供了一种模拟板状燃料起泡的可视化实验装置的实验方法，具体为：铜电极连接外部电源，通电后对起泡加热板进行加热，流体经过进口通道流入起泡矩形通道，在起泡矩形通道内经过加热后发生沸腾，汽液两相混合物从出口通道流出实验装置，实验人员通过石英玻璃板观察实验现象，通过光纤光栅温度传感器测量温度分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明旨在进行流动沸腾可视化研究，采用光纤光栅传感器测量起泡附近的温度分布情况，可为模拟反应堆包壳起泡事故提供方法。具体优点如下：
（1）起泡板本体采用一体化加工方法制作，可以使中间起泡凸起结构和周围平坦结构实现光滑过渡，避免加工工艺对中间凸起结构附近起泡成核、生长等沸腾特性产生影响；
（2）起泡板本体的中间起泡凸起结构厚度较小，所产生的电加热功率几乎可以忽略，可以模拟反应堆板状燃料元件包壳起泡的情况；
（3）起泡板本体和补充块之间填充空气，可以准确反映起泡内部气隙热阻的影响；
（4）起泡加热板和下基体之间采用光纤光栅温度传感器和云母纸的双重隔离可以达到绝缘的目的，螺栓和上基体、下基体之间采用电木隔离亦可避免意外的导电情况发生；
（5）本发明采用光纤光栅温度传感器测量温度可以达到在起泡附近获取较多温度数据的目的；
（6）相较于传统的热电偶测温方法，本发明采用光纤光栅温度传感器测量温度可以有效地避免周围环境对温度测量产生干扰；
（7）相较于传统的热电偶测温方法，本发明采用光纤光栅温度传感器测量温度可以避免在下不锈钢板上开设通孔而导致的测量位置固定的问题。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种模拟板状燃料起泡的可视化实验装置爆炸结构示意图；
图2为本发明所述的一种模拟板状燃料起泡的可视化实验装置在垂直长度方向起泡凸起中心位置的截面结构示意图；
图3为本发明所述的起泡加热板在垂直宽度方向起泡凸起中心位置的剖面结构示意图；
图4为本发明所述的图3中A处放大结构示意图；
图5为本发明所述的单根光纤光栅温度传感器结构示意图；
图6为本发明所述的起泡凸起周围温度测量方案示意图。
1-螺母，2-电木，3-上基体，4-石英玻璃板，5-氟橡胶垫片，6-起泡加热板，7-光纤光栅温度传感器，8-云母纸，9-下基体，10-螺栓，11-起泡板本体，12-进口通道，13-出口通道，14-铜电极，15-补充块，16-空气，17-纤芯，18-光栅，19-包层。
具体实施方式
下面将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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。
参见图1-图6说明本实施方式，一种模拟板状燃料起泡的可视化实验装置，包括上基体3、石英玻璃板4、氟橡胶垫片5、起泡加热板6、光纤光栅温度传感器7和下基体9，所述氟橡胶垫片5落位于起泡加热板6的边缘厚度较小处；所述氟橡胶垫片5为环形结构，尺寸与起泡加热板6的边缘厚度较小处相同。所述石英玻璃板4边缘存在凸台结构，落位于氟橡胶垫片5上部；所述石英玻璃板4、氟橡胶垫片5和起泡加热板6所围空间为起泡窄矩形通道。
所述上基体3设置在石英玻璃板4上，所述下基体9中间存在凹台结构并在该处粘贴云母纸8，以避免起泡加热板6和下基体9之间任何可能的直接接触，从而达到绝缘的目的；所述上基体3和下基体9均为不锈钢材质，所述上基体3和下基体9通过螺母1和螺栓10连接，将内部组件压紧，使氟橡胶垫片5产生形变而达到密封的目的；所述螺栓10与上基体3和下基体9之间采用电木2隔离，以避免意外的导电情况发生。
所述起泡加热板6为关键部件，所述起泡加热板6包括起泡板本体11、进口通道12、出口通道13、铜电极14和补充块15，所述起泡板本体11为不锈钢材料，其结构为一体式加工而成的边缘平坦且薄、内部平坦且厚、中间设置有起泡凸起的形式，以便石英玻璃板4在边缘通过氟橡胶垫片5与起泡板本体11压紧密封，亦可减弱边缘释热的效果。内部平坦处厚度比边缘处大，以实现对流体的加热，起泡凸起处厚度可调整，以模拟板状燃料元件包壳起泡结构，亦可达到忽略凸起区少量释热的目的。
所述起泡板本体11两端开有通孔，两个通孔分别与进口通道12和出口通道13焊接，进口通道12和出口通道13的材料均为不锈钢，所述进口通道12和出口通道13与起泡矩形通道连通，通道中心对应起泡板本体11上的通孔中心，以便流体的流入和流出。所述出口通道13的内径大于进口通道12的内径，以便及时排出流动沸腾所产生的汽液两相混合物。
所述铜电极14为紫铜材料，中下部设有两个通孔便于和外部电源连接，两个铜电极14通过焊接和起泡板本体11相连，起泡加热板6的有效加热长度为两个铜电极14之间的距离。
所述补充块15为不锈钢材料，补充块15通过焊接与起泡板本体11相连；所述补充块15与起泡板本体11所围空间内部充满空气16，以模拟真实反应堆起泡内部的裂变气体，有限空间内的空气16与外界不连通。
所述起泡加热板6的温度测量通过光纤光栅温度传感器7实现，所述光纤光栅温度传感器7的测温长度与起泡加热板6的有效加热长度接近；所述光纤光栅温度传感器7采用绝缘耐高温胶粘在起泡加热板6的背侧，以测量起泡加热板6外壁面温度，多根光纤光栅温度传感器7的光栅测温点交错排列。所述光纤光栅温度传感器7设置在下基体9上。所述光纤光栅温度传感器7沿长度方向的有效测温点间隔为50mm，光纤光栅温度传感器7沿起泡加热板6的宽度方向布置多根以测量整个起泡加热板6背部的温度分布情况；光纤光栅温度传感器7在起泡加热板6宽度方向的中间位置布置得相对密集，以便获取起泡附近的较多的温度测量数据。
如图5所示，所述光纤光栅温度传感器7包括纤芯17和光栅18，所述纤芯17内部已被提前刻入光栅18，所述纤芯17用绝缘耐高温胶粘贴在起泡加热板6的测温段背面进行测温，测温段区域外的纤芯17外侧设置有包层19。测温段内的光纤光栅温度传感器7无需保留包层19以便达到减小尺寸的目的，从测温段延伸出来的光纤光栅温度传感器外部可保留包层19以便保护光纤光栅温度传感器7从测温段到光纤传感分析仪之间的部分。图5中箭头所指为光的传播方向。
如图6所示为起泡附近起泡加热板6的温度测量方案示例。将光栅18位置对应到待测温点进行温度测量。在起泡区域布置多个光栅18测温点，各测温点在纤芯17轴向交错布置，相邻两根纤芯17可以距离很近甚至接触。在起泡中心区域布置的光纤光栅温度传感器7数量较多以准确获取起泡中心区域温度分布，在起泡以外的区域布置一定数量的光纤光栅温度传感器以获取起泡周围的温度分布。
所述石英玻璃板4材料为石英，以便承受较高温度而不变形，同时还能保证可视化效果，其结构为一侧平坦、一侧边缘存在凸台的形式。存在凸台的边缘厚度比内部厚度略大，以便在边缘处通过氟橡胶垫片5与起泡加热板6压紧密封。
所述氟橡胶垫片5为环形结构，厚度可调整，氟橡胶垫片5的尺寸与起泡板本体11的边缘区域的尺寸相契合，以便其落位于该处，从而达到密封的目的。
所述上基体3中间为大通孔，其形状尺寸与石英玻璃板4相契合。上基体3沿宽度方向的两侧开有多个通孔，以便电木2和螺栓10穿过进行压紧操作。
所述下基体9一侧平整，另一侧表面带有凹台，凹台尺寸与起泡加热板6相契合。下基体9的中轴线上开有两个圆孔和两个方孔，以便进口通道12、出口通道13和两个铜电极14穿过。两个圆孔和两个方孔的尺寸比进口通道12、出口通道13和两个铜电极14的外部尺寸略大，便于在开孔处沿周向粘贴云母纸8，以达到绝缘的目的。下基体9沿宽度方向的两侧开有多个通孔，以便电木2和螺栓10穿过进行压紧操作。
结合图1和图2对实验装置的装配做如下说明：
在开始装配前先将云母纸8粘贴在下基体9的内侧凹台处，并在台阶处和开孔处均按照几何形状粘好云母纸8。按照预先设计好的光纤光栅温度测量方案将光纤光栅温度传感器7粘在起泡加热板6的背部。将石英玻璃板4小心放入上基体3的中间通孔处并确保牢固贴合。
在开始装配时首先将多个电木2分别放入上基体3和下基体9的两侧通孔内，将螺栓10穿过电木2中心的孔洞和下基体9。接着，对应下基体9的开孔位置将起泡加热板6的进口通道12、出口通道13和两个铜电极14穿入，并将粘有光纤光栅温度传感器7的起泡加热板6的背面平稳落在下基体9的内侧凹台处的云母纸8上。接着，将氟橡胶垫片5置于起泡加热板6的外侧边缘处，再将上基体3和石英玻璃板4置于氟橡胶垫片5上方，确保石英玻璃板4的边缘凸台平稳贴合在氟橡胶垫片5上，同时保证上基体3两侧的电木2中心通孔内穿入螺栓10。最后，将螺母1多次小幅度地分别拧入到螺栓10的螺纹上，确保氟橡胶垫片5产生形变而密封。
实验装置装配完成后，将其进口通道12和出口通道13分别连接到实验回路上，将两个铜电极14与外部电源相连。
本实施例为一种模拟板状燃料起泡的可视化实验装置的实验方法，具体为：铜电极14连接外部电源，通电后对起泡加热板6进行加热，流体经过进口通道12流入起泡矩形通道，在起泡矩形通道内经过加热后发生沸腾，汽液两相混合物从出口通道13流出实验装置，实验人员通过石英玻璃板4观察实验状态，通过光纤光栅温度传感器7测量温度分布。可以通过调整加热功率、入口流体流量、入口流体温度等因素调整起泡矩形通道内流动沸腾发生的起始位置和剧烈程度，从而开展起泡位置所处在不同沸腾条件时的后果研究。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (10)
1.一种模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置，其特征在于：包括上基体(3)、石英玻璃板(4)、氟橡胶垫片(5)、起泡加热板(6)、光纤光栅温度传感器(7)和下基体(9)，所述氟橡胶垫片(5)为环形结构，所述氟橡胶垫片(5)设置在起泡加热板(6)上方边缘处，所述石英玻璃板(4)边缘为凸台结构，所述石英玻璃板(4)的凸台结构设置在氟橡胶垫片(5)上方，所述石英玻璃板(4)、氟橡胶垫片(5)和起泡加热板(6)所围空间为起泡矩形通道，所述起泡加热板(6)背面粘贴多根光纤光栅温度传感器(7)，所述光纤光栅温度传感器(7)设置在下基体(9)上，所述上基体(3)设置在石英玻璃板(4)上，所述上基体(3)与下基体(9)压紧相连，所述起泡加热板(6)包括起泡板本体(11)、进口通道(12)、出口通道(13)、铜电极(14)和补充块(15)，所述起泡板本体(11)为一体式成型结构，起泡板本体(11)中间设置有起泡凸起，起泡凸起下方连接有补充块(15)，补充块(15)与起泡板本体(11)所围空间内部充满空气(16)，所述起泡板本体(11)两侧开设有通孔，两个通孔分别连接进口通道(12)和出口通道(13)，所述进口通道(12)和出口通道(13)与起泡矩形通道连通，所述起泡板本体(11)下方设置有两个铜电极(14)，两个铜电极(14)与外部电源相连，所述光纤光栅温度传感器(7)的测温长度与起泡加热板(6)的有效加热长度相同，多根所述光纤光栅温度传感器(7)的光栅测温点交错排列，多根所述光纤光栅温度传感器(7)沿起泡加热板(6)的宽度方向布置。
2.根据权利要求1所述的一种模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置，其特征在于：所述起泡板本体(11)边缘厚度小于内部厚度。
3.根据权利要求2所述的一种模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置，其特征在于：所述起泡板本体(11)、进口通道(12)、出口通道(13)和补充块(15)的材质均为不锈钢，所述铜电极(14)材质为紫铜，所述起泡板本体(11)与进口通道(12)、出口通道(13)、铜电极(14)和补充块(15)之间均通过焊接相连。
4.根据权利要求1所述的一种模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置，其特征在于：所述光纤光栅温度传感器(7)沿长度方向的有效测温点间隔为50mm。
5.根据权利要求4所述的一种模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置，其特征在于：所述光纤光栅温度传感器(7)包括纤芯(17)和光栅(18)，所述纤芯(17)内部刻入光栅(18)，所述纤芯(17)粘贴在起泡加热板(6)测温段背面，测温段区域外的纤芯(17)外侧设置有包层(19)。
6.根据权利要求1所述的一种模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置，其特征在于：所述出口通道(13)的内径大于进口通道(12)的内径。
7.根据权利要求1所述的一种模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置，其特征在于：所述上基体(3)和下基体(9)均为不锈钢材质，所述上基体(3)与下基体(9)通过螺栓(10)和螺母(1)连接压紧，所述螺栓(10)与上基体(3)和下基体(9)之间采用电木(2)隔离。
8.根据权利要求1所述的一种模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置，其特征在于：所述下基体(9)中间设置有凹台结构，凹台结构上粘贴有云母纸(8)。
9.根据权利要求1所述的一种模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置，其特征在于：所述铜电极(14)上开设有两个通孔。
10.一种如权利要求1所述的模拟板状燃料包壳起泡的可视化实验装置的实验方法，其特征在于：铜电极(14)连接外部电源，通电后对起泡加热板(6)进行加热，流体经过进口通道(12)流入起泡矩形通道，在起泡矩形通道内经过加热后发生沸腾，汽液两相混合物从出口通道(13)流出实验装置，实验人员通过石英玻璃板(4)观察实验现象，通过光纤光栅温度传感器(7)测量温度分布。
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