CN203444769U - 压力容器热惯性模拟试验件 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种压力容器热惯性模拟试验件，包括：热惯性模拟体，具有第一侧和与第一侧相对的第二侧；热源，设置在热惯性模拟体的第一侧；通道形成部，设置在热惯性模拟体的第二侧，通道形成部与热惯性模拟体的第二侧围合成冷却水流动通道，其中：所述热惯性模拟体的第一侧还设置有氧化铝陶瓷涂层，所述热源与氧化铝陶瓷涂层面接触，氧化铝陶瓷层作为热源与热惯性模拟体之间的导热层以及绝缘层。利用本实用新型的技术方案，解决了加热块或热源与热惯性模拟体的壁面之间的电绝缘和导热双优的矛盾问题，另外，由于采用无热源壁面热惯性模拟的方案，使得对传热过程的模拟相较于传统方法更加真实。

Description

压力容器热惯性模拟试验件
技术领域
本实用新型涉及压力容器的散热，尤其涉及一种压力容器热惯性模拟试验件。
背景技术
1989年Theofanous提出了IVR-ERVC(堆内熔融物滞留-压力容器外部冷却)策略，并最先应用于Loviisa核电厂，作为其严重事故管理措施的重要基础之一。IVR-ERVC策略作为一项主要的事故管理措施于1995年被芬兰核安全监管当局(STUK)所接受。
压力容器内熔融物滞留是AP1000及其再发展堆型核电站严重事故缓解措施之一。IVR-ERVC策略是否成功，取决于堆内熔池行为和压力容器外的流动传热条件。
压力容器外表面热流密度如果低于临界热流密度，外部冷却水通过核态沸腾的方式能够有效导出堆内热量；而一旦外表面热流密度高于临界热流密度，压力容器外部将转变为膜态沸腾换热，最终导致壁面失效。
针对IVR-ERVC措施，国内外进行了很多相关研究，如法国的SULTAN、美国的ULPU以及韩国的GAMMA、SBLB等。目前上述实验都没有考虑原型材料(压力容器壁面)的热流扩散效应对CHF(临界热流密度)的影响，而且在加热方案上大都采用铜块内含加热棒的方案，实验装置结构复杂，安装调试繁琐，整个实验台热源部分的成本相对较高。另外，传统加热方案的工作极限往往不取决于加热棒，而是受铜块本身有效工作温度的限制，一般不得高于750℃，从而限制了实验的热流密度参数范围。
针对倾斜下表面沸腾及CHF，一般并未考虑壁面热惯性对沸腾及CHF的影响，而且所用加热面与本体结构之间要做绝缘处理，对实验用水工质的绝缘性也有要求。如果要研究流量等相关参数的影响因素，其进出口接管也要做相应的绝缘处理。
在IVR-ERVC的实际运行条件下，热流首先是以导热的形式经过压力容器壁面(无内热源壁面)，然后以对流换热的方式与冷却水换热。为了使实验条件更加接近于实际工作状态，试验研究中应设置无内热源模拟体，分析其对气泡、气膜的行为和CHF发生机理的影响。由于附加了无内热源壁面，传统铜块内含加热棒的方案已经不再可行，需要探索新的思路来实现热源及其加热方案的设计。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种压力容器热惯性模拟试验件，其可以实现无热源壁面热惯性模拟。
本实用新型提供了一种压力容器热惯性模拟试验件，包括：热惯性模拟体，具有第一侧和与第一侧相对的第二侧；热源，设置在热惯性模拟体的第一侧；通道形成部，设置在热惯性模拟体的第二侧，通道形成部与热惯性模拟体的第二侧围合成冷却水流动通道，其中：所述热惯性模拟体的第一侧还设置有氧化铝陶瓷层，所述热源与氧化铝陶瓷层面接触，氧化铝陶瓷层作为热源与热惯性模拟体之间的导热层以及绝缘层。
有利的，所述氧化铝陶瓷层的厚度在0.01mm-0.1mm之间。
可选的，所述冷却水流动通道为弧形通道，所述热惯性模拟体沿冷却水的流动方向为弧形。
可选的，所述压力容器热惯性模拟试验件还包括另外的热惯性模拟体，所述另外的热惯性模拟体的厚度不同于所述热惯性模拟体的厚度。
有利的，所述通道形成部位于所述热惯性模拟体处的部分是透明的。有利的，所述热惯性模拟体的与通道形成部接触的边缘进行了倒角处理。
可选的，所述热源包括两个电极以及电阻发热体。可选的，每一个电极沿横向于所述冷却水流动通道的横向方向布置；每一个电极沿横向方向的两端延伸到冷却水流动通道的外侧，每一个电极的两端设置有第一孔；冷却水流动通道的下方与每一个电极对应的位置设置有一个固定板，每一个固定板在所述横向方向上延伸超出冷却水流动通道的两端设置有第二孔；四个电极固定螺栓中的每一个穿过电极上对应的第一孔以及固定板上对应的第二孔以利用螺母将电极紧固在电阻发热体上。固定板与冷却水流动通道的下侧之间可设置有绝缘体。所述电阻发热体的厚度沿冷却水流动方向上可不同。
有利的，所述热惯性模拟体沿厚度方向设置有两个温度测量孔。
上述的所有压力容器热惯性模拟试验件可为核电站的安全壳热惯性模拟试验件。
可选的，在上述的所有压力容器热惯性模拟试验件中，所述压力容器热惯性模拟试验件还包括上夹板、下夹板，上夹板下侧设置有容纳热惯性模拟体的凹槽，下夹板上侧设置有容纳热惯性模拟体下方的通道形成部的凹槽，其中上夹板和下夹板彼此相对紧固以将热惯性模拟体和通道形成部夹持。有利的，上夹板的凹槽中与所述热惯性模拟体接触的区域设置有隔热层。有利的，通道形成部与热惯性模拟体的第二侧接触的部位设置有密封件。有利的，所述上夹板和所述下夹板利用紧固螺栓连接在一起，紧固螺栓位于冷却水流动通道的两侧，进一步的，通道形成部在热惯性模拟体下方的部分的横截面为U形，更进一步的，所述压力容器热惯性模拟试验件还包括另外的通道形成部，所述另外的通道形成部与所述热惯性模拟体的第二侧之间形成的通道的横截面积不同于所述通道形成部与所述热惯性模拟体的第二侧之间形成的通道的横截面积。上夹板和下夹板之间的间隙可通过调整紧固螺栓上的螺母进行调整。
或者可选的，在上述的所有压力容器热惯性模拟试验件中，所述压力容器热惯性模拟试验件还包括冷却水进口法兰和冷却水出口法兰，冷却水流动通道连接在冷却水进口法兰和冷却水出口法兰之间。
利用本实用新型的技术方案，解决了加热块或热源与热惯性模拟体的壁面之间的电绝缘和导热双优的矛盾问题，另外，由于采用无热源壁面热惯性模拟的方案，使得对传热过程的模拟相较于传统方法更加真实。
附图说明
图1是根据本实用新型的一个示例性实施例的压力容器热惯性模拟试验件的结构示意图；
图2是根据本实用新型的另一个示例性实施例的压力容器热惯性模拟试验件的结构示意图；
图3为图2中的压力容器热惯性模拟试验件的俯视图；
图4图2中的压力容器热惯性模拟试验件的试验结果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实例性的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。下面参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1-3所示，根据本实用新型的压力容器热惯性模拟试验件包括：热惯性模拟体10，具有第一侧(对应于图1中的上侧)和与第一侧相对的第二侧(对应于图1中的下侧)；热源20，设置在热惯性模拟体的第一侧；通道形成部30，设置在热惯性模拟体的第二侧，通道形成部30与热惯性模拟体的第二侧围合成冷却水流动通道P，其中：所述热惯性模拟体10的第一侧还设置有氧化铝陶瓷层40，所述热源20与氧化铝陶瓷层40面接触，氧化铝陶瓷层40作为热源与热惯性模拟体之间的导热层以及绝缘层。可以通过热喷涂技术，在热惯性模拟体的第一侧上喷涂氧化铝陶瓷，这成功解决了热源与热惯性模拟体之间电绝缘又导热的矛盾问题。有利的，氧化铝陶瓷层的厚度在0.01mm-0.1mm之间。
上面的压力容器可以是核电站的安全壳。不过压力容器也可以是其他任何需要在外部利用水对其进行散热(尤其是核态沸腾散热)的压力容器。
所述冷却水流动通道可为弧形通道，相应地，所述热惯性模拟体沿冷却水的流动方向可为弧形。这样的热惯性模拟体的形状可以对应于压力容器中的弧形壁的形状。
所述压力容器热惯性模拟试验件还可包括另外的热惯性模拟体，所述另外的热惯性模拟体的厚度不同于所述热惯性模拟体的厚度。这样，通过更换热惯性模拟体，可以模拟压力容器的不同厚度的壁的热惯性。
有利的，所述通道形成部位于所述热惯性模拟体处的部分是透明的。如图1中所示，图1中示出的U形的通道形成部30为透明的。相应地，可以通过该U形的通道的三面来观察通道内气泡、气膜的发生和发展规律。可以设置高速摄像仪进行图像采集。
为了防止热惯性模拟体10的边缘顶碎透明的通道形成部，所述热惯性模拟体10的与通道形成部接触的边缘进行倒角处理。
上述的热源20可以包括两个电极21以及电阻发热体22。这里的电极21可以是铜电极，而电阻发热体22可以是不锈钢发热体。相比于传统加热方案中750℃的工作极限，利用本实用新型的技术方案可以将热源的温度提升到1200℃。这样既简化了热源结构，又可以提高实验研究的热流密度参数范围。可以施加低电压、高电流的直流电流到电阻发热体22，这可以降低实验室触电安全事故发生的可能性。电阻发热体22的厚度沿冷却水流动方向上可不同，以实现不均匀的加热方案。
如图2-3中所示，每一个电极21沿横向于所述冷却水流动通道(对应于通道形成部30)的横向方向布置；每一个电极沿横向方向的两端延伸到冷却水流动通道的外侧，每一个电极的两端设置有第一孔；冷却水流动通道(对应于通道形成部30)的下方与每一个电极对应的位置设置有一个固定板23，每一个固定板23在所述横向方向上延伸超出冷却水流动通道的两端设置有第二孔；四个电极固定螺栓24中的每一个穿过电极上对应的第一孔以及固定板上对应的第二孔以利用螺母25将电极紧固在电阻发热体22上。可选的，固定板23与冷却水流动通道的下侧之间设置有绝缘体26。
所述热惯性模拟体10沿厚度方向设置有两个温度测量孔11，用于实现温度测量和当地热流密度的测量。
如图1中所示，所述压力容器热惯性模拟试验件还包括上夹板50、下夹板60，上夹板50下侧设置有容纳热惯性模拟体的凹槽，下夹板60上侧设置有容纳热惯性模拟体下方的通道形成部的凹槽，其中上夹板50和下夹板60彼此相对紧固以将热惯性模拟体10和通道形成部30夹持。
上夹板50的凹槽中与所述热惯性模拟体10接触的区域设置有隔热层51。
通道形成部30与热惯性模拟体10的第二侧接触的部位可设置有密封件70。密封件70可以防止水渗透到热惯性模拟体10与上夹板50的凹槽之间的间隙。
所述上夹板50和所述下夹板60可利用紧固螺栓80连接在一起，紧固螺栓80位于冷却水流动通道的两侧。通道形成部30在热惯性模拟体10下方的部分的横截面可为U形。
需要指出的是，在必要时需要调整冷却水流动通道的横截面积。由于所述上夹板50和所述下夹板60可利用紧固螺栓80连接在一起，所以，可以更换形成不同横截面积的通道形成部。具体的，所述压力容器热惯性模拟试验件还包括另外的通道形成部，所述另外的通道形成部与所述热惯性模拟体的第二侧之间形成的通道的横截面积不同于所述通道形成部与所述热惯性模拟体的第二侧之间形成的通道的横截面积。所述另外的通道形成部可以具有与所述通道形成部30相同的外部形状和尺寸，仅仅是其与热惯性模拟体10的第二侧围合成的冷却水流动通道的横截面积不同。所述另外的通道形成部也可以具有与所述通道形成部30不同的尺寸，例如，比图1中的通道形成部30的U形的臂更长一些。此时，可通过调整紧固螺栓80上的螺母90调整上夹板50和下夹板60之间的间隙。从而当需要考虑流道宽度或深度对实验的影响时，只需要改变冷却水流动通道的横截面积，即使用另外的通道形成部，而不需对压力容器热惯性模拟试验件的进行另外的修改。
如图2中所示，作为另一个可选实施例，所述压力容器热惯性模拟试验件还包括冷却水进口法兰101和冷却水出口法兰102，冷却水流动通道连接在冷却水进口法兰101和冷却水出口法兰102之间。
图4给出了测试样件的实验结果，具体示出了两个温度测量孔处的温度变化。图4中的温度飞升现象证实了CHF的发生，从而有力证明了该加热方案的可行性。
本实用新型的技术方案与现有技术相比，至少存在如下技术优点之一：
(1)通过选择适当厚度的氧化铝陶瓷层，解决了加热块(热源)与热惯性模拟体10的壁面之间绝缘和导热双优的矛盾问题，可以有效实现传热过程的真实模拟。
(2)较传统的铜块内含加热棒的热方案，本实用新型的加热方案不仅结构简单，而且可以大幅提高实验热流密度的参数范围。
(3)本实用新型的加热方案适用性强，通过选择不同的加热体形状可以适应多种应用工作场景。
(4)根据本实用新型的压力容器热惯性模拟试验件可以同时适用于流动沸腾和池沸腾的相关研究工作。
(5)较传统的铜块内含加热棒的热方案，根据本实用新型的技术方案在局部位置热流密度更加均匀，使得实验数据分析单一影响因数分析更加准确。
(6)根据本实用新型的技术方案，为了实现不均匀加热方案，可以通过改变加热体的厚度来实现，可扩展性强。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (20)

1.一种压力容器热惯性模拟试验件，包括：
热惯性模拟体，具有第一侧和与第一侧相对的第二侧；
热源，设置在热惯性模拟体的第一侧；
通道形成部，设置在热惯性模拟体的第二侧，通道形成部与热惯性模拟体的第二侧围合成冷却水流动通道，
其特征在于：
所述热惯性模拟体的第一侧还设置有氧化铝陶瓷层，所述热源与氧化铝陶瓷层面接触，氧化铝陶瓷层作为热源与热惯性模拟体之间的导热层以及绝缘层。
2.根据权利要求1所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述氧化铝陶瓷层的厚度在0.01mm-0.1mm之间。
3.根据权利要求1所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述冷却水流动通道为弧形通道，所述热惯性模拟体沿冷却水的流动方向为弧形。
4.根据权利要求1所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述压力容器热惯性模拟试验件还包括另外的热惯性模拟体，所述另外的热惯性模拟体的厚度不同于所述热惯性模拟体的厚度。
5.根据权利要求1所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述通道形成部位于所述热惯性模拟体处的部分是透明的。
6.根据权利要求5所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述热惯性模拟体的与通道形成部接触的边缘进行了倒角处理。
7.根据权利要求1所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述热源包括两个电极以及电阻发热体。
8.根据权利要求7所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
每一个电极沿横向于所述冷却水流动通道的横向方向布置；
每一个电极沿横向方向的两端延伸到冷却水流动通道的外侧，每一个电极的两端设置有第一孔；
冷却水流动通道的下方与每一个电极对应的位置设置有一个固定板，每一个固定板在所述横向方向上延伸超出冷却水流动通道的两端设置有第二孔；
四个电极固定螺栓中的每一个穿过电极上对应的第一孔以及固定板上对应的第二孔以利用螺母将电极紧固在电阻发热体上。
9.根据权利要求8所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
固定板与冷却水流动通道的下侧之间设置有绝缘体。
10.根据权利要求7所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述电阻发热体的厚度沿冷却水流动方向上不同。
11.根据权利要求1所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述热惯性模拟体沿厚度方向设置有两个温度测量孔。
12.根据权利要求1所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述压力容器热惯性模拟试验件为核电站的安全壳热惯性模拟试验件。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述压力容器热惯性模拟试验件还包括上夹板、下夹板，上夹板下侧设置有容纳热惯性模拟体的凹槽，下夹板上侧设置有容纳热惯性模拟体下方的通道形成部的凹槽，其中上夹板和下夹板彼此相对紧固以将热惯性模拟体和通道形成部夹持。
14.根据权利要求13所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
上夹板的凹槽中与所述热惯性模拟体接触的区域设置有隔热层。
15.根据权利要求13所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
通道形成部与热惯性模拟体的第二侧接触的部位设置有密封件。
16.根据权利要求13所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述上夹板和所述下夹板利用紧固螺栓连接在一起，紧固螺栓位于冷却水流动通道的两侧。
17.根据权利要求16所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
通道形成部在热惯性模拟体下方的部分的横截面为U形。
18.根据权利要求17所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述压力容器热惯性模拟试验件还包括另外的通道形成部，所述另外的通道形成部与所述热惯性模拟体的第二侧之间形成的通道的横截面积不同于所述通道形成部与所述热惯性模拟体的第二侧之间形成的通道的横截面积。
19.根据权利要求18所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
上夹板和下夹板之间的间隙能够通过调整紧固螺栓上的螺母进行调整。
20.根据权利要求1-12中任一项所述的压力容器热惯性模拟试验件，其特征在于：
所述压力容器热惯性模拟试验件还包括冷却水进口法兰和冷却水出口法兰，冷却水流动通道连接在冷却水进口法兰和冷却水出口法兰之间。
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