CN116994784A - 一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，包括入口联箱、整流孔板、不锈钢管束、耐高温加热元件、出口联箱等。能够在真实环境下模拟铅铋螺旋管换热器内的存在的横掠、斜掠管束流动热工水力特性。可研究铅铋入口温度，铅铋入口流速，加热热流密度，棒束倾斜角度等参数对于流动换热特性的影响。该实验装置还设计有压力，压差，温度测点，对于壁温的测量采取在加热棒壁面加装开槽套管，插入多根热电偶并填充导热物质的，同时采取旋转重复实验的方式获得更为准确的加热棒壁面温度，对于研究换热关系式意义重大。实验装置可以在较宽的热工参数范围内运行并获得大量精准的试验数据，以便深入研究换热器内液态铅铋合金流动横掠管束换热特性。
Description
技术领域
本发明属于先进核反应堆液态金属实验技术领域，具体涉及一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置。
背景技术
铅铋合金是第四代反应堆冷却剂之一，使用其作为冷却剂时将使得反应堆在物理特性和安全运行方面具有显著优势。螺旋管蒸汽发生器是一种蒸汽发生器常用形式，其具有紧凑型好、换热效率高、热应力小等优点。在部分铅铋反应堆中，采用螺旋管蒸汽发生器作为一次侧的热量向二次侧传递的重要枢纽。
当前已有较多针对螺旋管蒸汽发生器的实验与数值模拟研究，但对于液态金属反应堆中的螺旋管蒸汽发生器研究较少。尤其是对于螺旋管蒸汽发生器的壳侧液态金属域的流动与传热关系式研究较少，学者们普遍使用常规流体外掠管束传热关系式。
因此对于铅铋横掠管束流动换热开展实验研究，获得热工水力模型，将为铅铋螺旋管蒸汽发生器的理论设计、性能优化以及程序开发等方面具工作有重要意义。
发明内容
为开展液态铅铋横掠棒束流动换热特性研究研究，本发明提供了一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，研究横掠棒束条件下液态铅铋工质的流动换热过程，有助于研究液态铅铋螺旋管蒸汽发生器等存在此类流动的铅铋工质换热器应用中的实际工程问题，指导铅铋工质换热器的设计工作。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，包括流动区域模块和功率加载模块；
所述流动区域模块包括进口管1、入口联箱3、整流孔板4、连接法兰5、入口段矩形流道6、不锈钢管束10、压力测量引压管9、引压缩径管与差压变送器接口法兰7、差压变送器接口8、入口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套2、出口段矩形流道12、出口联箱13、出口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套14和出口管15；所述进口管1一端与铅铋储罐相连通，另一端与入口联箱3相连通，作为实验装置铅铋的进入通道；所述入口联箱3、位于入口联箱3内的整流孔板4与入口段矩形流道6依次连接组成实验段入口区域，保证流经不锈钢管束10区域的液态铅铋流体提供均匀的充分发展流体；所述入口段矩形流道6、不锈钢管束10、出口段矩形流道12依次连接组成实验段内的横掠管束流动区，通过焊接方式进行连接；所述连接法兰5用于连接入口联箱与3入口段矩形流道6，采用铝垫片和氟橡胶密封，采用螺帽和螺栓固定，出口联箱13与出口段矩形流道12也采用该方式连接；所述压力测量引压管9与入口段矩形流道6和出口段矩形流道12连通，压力测量引压管9通过引压缩径管与差压变送器接口法兰7与差压变送器接口8连接；入口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套2和出口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套14分别设置在入口联箱3和出口联箱13处；
所述功率加载模块包括设置在不锈钢管束10处的电加热组件11，电加热组件11由测量不锈钢管束10外壁面温度的铠装热电偶11-1固定在加热元件11-2表面，铠装热电偶11-1及引线布置于加热元件11-2表面槽道内，引线从加热元件11-2带有固定卡套的引出管11-5引出，为保证壁温测量的准确性，在槽道内添加氧化镁粉末11-3；加热元件11-2外围为不锈钢套管11-4，以保证加热棒元件能重复使用，加热元件11-2并能在不锈钢套管11-4内旋转以获取不同位置的温度分布。
所述进口管1、入口联箱3、整流孔板4、连接法兰5、入口段矩形流道6、不锈钢管束10、出口段矩形流道12、出口联箱13和出口管15外表面均包覆有电加热丝，用于提供实验过程中损失的热量，同时在电加热丝外围包裹硅酸铝保温层，共同保证实验段与外界之间的热绝缘。
在开展不同管束几何布置对液态铅铋横掠棒束流动的影响实验时，入口联箱3、出口联箱13能重复使用，仅需要更换带有不同几何布置的不锈钢管束10，简化实验装置的制造流程，节省实验成本。
经过前期预分析，进口管1从入口联箱3侧方流入，能使入口段矩形流道6处液态铅铋流速展平效果更好，同时在入口联箱3与入口段矩形流道6之间添加整流孔板4，进一步增强入口段矩形流道6处流场均匀性。
电加热组件11由外壁面温度的测量采用4根铠装热电偶11-1通过加热元件外围为不锈钢套管11-4内的槽道固定在加热元件11-2表面，共采用四根铠装热电偶11-1，采用该方式能保证在不同加热元件11-2的重复使用，由于加热元件11-2能在不锈钢套管内旋转，因此在实验过程中通过旋转加热元件开展重复实验，从而获得更为准确的平均壁面温度，平均壁面温度计算方法见公式(1)；
——测点壁面温度，K；
——平均壁面温度，K。
所述入口段矩形流道6出口段矩形流道12长度需要在实验装置设计前进行预计算分析，入口段矩形流道6用于确保流入不锈钢管束10区域的液态铅铋流动充分发展，出口段矩形流道12用于确保流出不锈钢管束10区域的液态铅铋流动充分发展，在实验中能获得温度真实的实验段出口温度。
所述功率加载模块在升功率和降功率阶段均采用阶梯式缓慢调节，防止加热元件11-2热疲劳和短时冲击损坏，同时在与铅铋工质接触前需加热至200℃以上，并确保加热元件11-2在低功率范围运行。
所述进口管1、入口联箱3、整流孔板4、连接法兰5、入口段矩形流道6、不锈钢管束10、出口段矩形流道12、出口联箱13、出口管15均采用316L不锈钢材质，耐温程度高于铅铋合金熔点，满足450℃以下的液态铅铋横掠棒束流动换热实验研究，且在该温度范围内具有良好的耐腐蚀性。
用于测量实验装置进出口温度的铠装热电偶从入口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套2、出口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套14引出并固定，实验装置进出口压差的铠装热电偶从入口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套2，出口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套14引出并固定，差压变送器接口8外接的差压变送器测量的压力数据用于液态铅铋横掠棒束流动特性的分析。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1、本发明首次提出了液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，解决了高温液态铅铋工质开展横掠棒束流动换热实验存在的密封、温度测量等关键技术难点，为研究工程实际中涉及的液态铅铋横掠棒束流动提供了实验研究方法。
2、本发明提出的液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置通过加热组件的设计，简化了开展不同几何布置的管束实验时的实验流程，降低了开展不同几何布置的管束实验时的实验成本。
附图说明
图1为一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置结构图。
图2为加热组件结构图。
图3为整流孔板结构图。
具体实施方式
现结合实例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，包括流动区域模块和功率加载模块；
流动区域模块包括进口管1、入口联箱3、整流孔板4、连接法兰5、入口段矩形流道6、不锈钢管束10、压力测量引压管9、引压缩径管与差压变送器接口法兰7、差压变送器接口8、入口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套2、出口段矩形流道12、出口联箱13、出口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套14和出口管15；所述进口管1与铅铋储罐相连，作为实验装置铅铋的进入通道；所述入口联箱3、整流孔板4与入口段矩形流道6依次连接组成实验段入口区域，保证流经不锈钢管束10区域的液态铅铋流体提供均匀的充分发展流体；所述入口段矩形流道6、不锈钢管束10、出口段矩形流道12三部分依次连接组成实验段内的横掠管束流动区，通过焊接方式进行连接；所述连接法兰5用于连接入口联箱与3入口段矩形流道6，采用铝垫片和氟橡胶密封，采用螺帽和螺栓固定，防止液态铅铋合金从连接处溢出，出口联箱13与出口段矩形流道12也采用该方式连接；所述压力测量引压管9与入口段矩形流道6和出口段矩形流道12连通，压力测量引压管9通过引压缩径管与差压变送器接口法兰7与差压变送器接口8连接；入口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套2和出口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套14分别设置在入口联箱3和出口联箱13处。
功率加载模块包括设置在不锈钢管束10处的电加热组件11，电加热组件11由测量不锈钢管束10外壁面温度的四根铠装热电偶11-1固定在加热元件11-2表面，铠装热电偶11-1及引线布置于加热元件11-2表面槽道内，引线从加热元件11-2带有固定卡套的引出管11-5引出，为保证壁温测量的准确性，在槽道内添加氧化镁粉末11-3，加热元件外围为不锈钢套管11-4，该方式可保证加热棒元件可重复使用，并可以在不锈钢套管11-4内旋转以获取不同位置的温度分布。
进口管1、入口联箱3、整流孔板4、连接法兰5、入口段矩形流道6、不锈钢管束10、出口段矩形流道12和出口联箱13、出口管15外表面均包覆有电加热丝，用于提供实验过程中损失的热量，同时在电加热丝外围包裹硅酸铝保温层，共同保证实验段与外界之间的热绝缘。
横掠管束流动区与入口联箱3、出口联箱13采用连接法兰5和上法兰6连接，采用铝垫片和氟橡胶密封，采用螺帽和螺栓固定，防止液态铅铋合金从连接处溢出，在开展不同管束几何布置对液态铅铋横掠棒束流动的影响实验时，入口联箱3、出口联箱13可以重复使用，仅需要更换带有不同几何布置的不锈钢管束10，可简化实验装置的制造流程，节省实验成本。
入口联箱3、整流孔板4与入口段矩形流道6组成实验段入口区域，经过前期预分析，进口管1从入口联箱3侧方流入，可以使入口段矩形流道6处液态铅铋流速展平效果更好，同时在入口联箱3与入口段矩形流道6之间添加如图3所示的整流孔板4，进一步增强入口段矩形流道6处流场均匀性。
电加热组件11如图2所示，由外壁面温度的测量采用4根铠装热电偶11-1通过加热元件外围为不锈钢套管11-4内的槽道固定在加热元件11-2表面，共采用四根铠装热电偶11-1，采用该方式可以保证在不同加热元件的重复使用，由于加热元件在不锈钢套管内可以旋转，因此在实验过程中可以旋转加热元件开展重复实验，从而获得更为准确的平均壁面温度，平均壁面温度计算方法见公式(1)；
——测点壁面温度，K；
——平均壁面温度，K；
入口段矩形流道6出口段矩形流道12长度需要在实验装置设计前进行预计算分析，入口段矩形流道6用于确保流入不锈钢管束10区域的液态铅铋流动充分发展，出口段矩形流道12用于确保流出不锈钢管束10区域的液态铅铋流动充分发展，在实验中可以获得温度真实的实验段出口温度。
功率加载模块在升功率和降功率阶段均采用阶梯式缓慢调节，防止电加热元件热疲劳和短时冲击损坏，同时在与铅铋工质接触前需加热至200℃以上，并确保其在低功率范围运行。
进口管1、入口联箱3、整流孔板4、连接法兰5、入口段矩形流道6、不锈钢管束10、出口段矩形流道12、出口联箱13、出口管15均采用316L不锈钢材质，耐温程度高于铅铋合金熔点，满足450℃以下的液态铅铋横掠棒束流动换热实验研究，且在该温度范围内具有良好的耐腐蚀性。
用于测量实验装置进出口温度的铠装热电偶从入口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套2、出口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套14引出并固定，实验装置进出口压差的铠装热电偶从入口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套2，出口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套14引出并固定，差压变送器接口8外接的差压变送器测量的压力数据用于液态铅铋横掠棒束流动特性的分析。
本发明实验装置的实验方法为：在进行横掠棒束流动换热实验时，首先保证实验装置进口管1的温度达到并稳定在实验工况要求的进口温度。
通过调节电加热组件11输入功率为实验提供各设定工况下的的外表面热流密度。
铠装热电偶11-1测得的电加热组件11的近外壁面流体温度，由于加热元件11-2能在不锈钢套管内旋转，因此在实验过程中通过旋转加热元件开展重复实验，从而获得更为准确的平均壁面温度，热电偶布置四根，通过旋转以及重复实验获得八个不同周向位置的壁面温度。
在实验装置完成实验后，入口联箱3、出口联箱13能重复使用，仅需要更换带有不同几何布置的不锈钢管束10即可在开展不同管束几何布置、倾斜角度管束实验，探究管束几何布置、倾斜角度对液态铅铋横掠棒束流动的影响实验。
本发明实验装置工作可靠，操作方便，能够较好的开展相关科学研究工作。可以在较宽的热工参数范围内运行并获得大量精准的试验数据，以便深入研究换热器内液态铅铋合金流动横掠管束换热特性。该实验装置还设计有压力，压差，温度测点，其中对于壁温的测量采取在加热棒壁面加装开槽套管，插入多根热电偶并填充导热物质的，同时采取旋转重复实验的方式获得更为准确的加热棒壁面温度的方式，实验装置的压差测点得到的数据可以反映出燃料棒束的水力特性，对于液态铅铋横掠棒束流动阻力特性的研究提供重要参考。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (9)
1.一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，其特征在于：包括流动区域模块和功率加载模块；
所述流动区域模块包括进口管(1)、入口联箱(3)、整流孔板(4)、连接法兰(5)、入口段矩形流道(6)、不锈钢管束(10)、压力测量引压管(9)、引压缩径管与差压变送器接口法兰(7)、差压变送器接口(8)、入口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套(2)、出口段矩形流道(12)、出口联箱(13)、出口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套(14)和出口管(15)；所述进口管(1)一端与铅铋储罐相连通，另一端与入口联箱(3)相连通，作为实验装置铅铋的进入通道；所述入口联箱(3)、位于入口联箱(3)内的整流孔板(4)与入口段矩形流道(6)依次连接组成实验段入口区域，保证流经不锈钢管束(10)区域的液态铅铋流体提供均匀的充分发展流体；所述入口段矩形流道(6)、不锈钢管束(10)、出口段矩形流道(12)依次连接组成实验段内的横掠管束流动区，通过焊接方式进行连接；所述连接法兰(5)用于连接入口联箱与(3)入口段矩形流道(6)，采用铝垫片和氟橡胶密封，采用螺帽和螺栓固定，出口联箱(13)与出口段矩形流道(12)也采用该方式连接；所述压力测量引压管(9)与入口段矩形流道(6)和出口段矩形流道(12)连通，压力测量引压管(9)通过引压缩径管与差压变送器接口法兰(7)与差压变送器接口(8)连接；入口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套(2)和出口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套(14)分别设置在入口联箱(3)和出口联箱(13)处；
所述功率加载模块包括设置在不锈钢管束(10)处的电加热组件(11)，电加热组件(11)由测量不锈钢管束(10)外壁面温度的铠装热电偶(11-1)固定在加热元件(11-2)表面，铠装热电偶(11-1)及引线布置于加热元件(11-2)表面槽道内，引线从加热元件(11-2)带有固定卡套的引出管(11-5)引出，为保证壁温测量的准确性，在槽道内添加氧化镁粉末(11-3)；加热元件(11-2)外围为不锈钢套管(11-4)，以保证加热棒元件能重复使用，加热元件(11-2)并能在不锈钢套管(11-4)内旋转以获取不同位置的温度分布。
2.根据权利要求1所述一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，其特征在于：所述进口管(1)、入口联箱(3)、整流孔板(4)、连接法兰(5)、入口段矩形流道(6)、不锈钢管束(10)、出口段矩形流道(12)、出口联箱(13)和出口管(15)外表面均包覆有电加热丝，用于提供实验过程中损失的热量，同时在电加热丝外围包裹硅酸铝保温层，共同保证实验段与外界之间的热绝缘。
3.根据权利要求1所述一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，其特征在于：在开展不同管束几何布置对液态铅铋横掠棒束流动的影响实验时，入口联箱(3)、出口联箱(13)能重复使用，仅需要更换带有不同几何布置的不锈钢管束(10)，简化实验装置的制造流程，节省实验成本。
4.根据权利要求1所述一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，其特征在于：经过前期预分析，进口管(1)从入口联箱(3)侧方流入，能使入口段矩形流道(6)处液态铅铋流速展平效果更好，同时在入口联箱(3)与入口段矩形流道(6)之间添加整流孔板(4)，进一步增强入口段矩形流道(6)处流场均匀性。
5.根据权利要求1所述一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，其特征在于：电加热组件(11)由外壁面温度的测量采用4根铠装热电偶(11-1)通过加热元件外围为不锈钢套管(11-4)内的槽道固定在加热元件(11-2)表面，共采用四根铠装热电偶(11-1)，采用该方式能保证在不同加热元件(11-2)的重复使用，由于加热元件(11-2)能在不锈钢套管内旋转，因此在实验过程中通过旋转加热元件开展重复实验，从而获得更为准确的平均壁面温度，平均壁面温度计算方法见公式(1)；
Twθi——测点壁面温度，K；
——平均壁面温度，K。
6.根据权利要求1所述一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，其特征在于：所述入口段矩形流道(6)出口段矩形流道(12)长度需要在实验装置设计前进行预计算分析，入口段矩形流道(6)用于确保流入不锈钢管束(10)区域的液态铅铋流动充分发展，出口段矩形流道(12)用于确保流出不锈钢管束(10)区域的液态铅铋流动充分发展，在实验中能获得温度真实的实验段出口温度。
7.根据权利要求1所述一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，其特征在于：所述功率加载模块在升功率和降功率阶段均采用阶梯式缓慢调节，防止加热元件(11-2)热疲劳和短时冲击损坏，同时在与铅铋工质接触前需加热至200℃以上，并确保加热元件(11-2)在低功率范围运行。
8.根据权利要求1所述一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，其特征在于：进口管(1)、入口联箱(3)、整流孔板(4)、连接法兰(5)、入口段矩形流道(6)、不锈钢管束(10)、出口段矩形流道(12)、出口联箱(13)、出口管(15)均采用316L不锈钢材质，耐温程度高于铅铋合金熔点，满足450℃以下的液态铅铋横掠棒束流动换热实验研究，且在该温度范围内具有良好的耐腐蚀性。
9.根据权利要求1所述一种液态铅铋横掠棒束流动换热实验装置，其特征在于：用于测量实验装置进出口温度的铠装热电偶从入口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套(2)、出口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套(14)引出并固定，实验装置进出口压差的铠装热电偶从入口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套(2)，出口流体温度测量热电偶引出端及固定卡套(14)引出并固定，差压变送器接口(8)外接的差压变送器测量的压力数据用于液态铅铋横掠棒束流动特性的分析。
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