CN203745401U - 一种高瑞利数耦合传热特性测量和评估装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高瑞利数耦合传热特性测量和评估装置。包括试验本体和辅助系统，所述试验本体包括圆筒状容器，该圆筒状容器包括上板、下板和侧壁，所述上板用于冷却，所述下板用于加热，其特征在于，整个所述侧壁用于冷却；所述圆筒状容器的高径比的范围是0.1-2；所述圆筒状容器的高度至少为0.5米。所述上板和所述侧壁采用独立的循环冷却回路进行冷却。可以验证相关传热关系在高功率核反应堆真实工况下的适用性，为核电站设计的安全评审提供科学数据。为示范电站及其它堆型核电站严重事故预防和缓解措施设计提供重要依据，为研发更高功率压水堆核电技术预研提供技术基础。

Description

一种高瑞利数耦合传热特性测量和评估装置

技术领域

本实用新型涉及一种高瑞利数耦合传热特性测量和评估装置，更具体地说，涉及一种能够单独地控制冷却的高瑞利数耦合传热特性测量和评估装置。 

背景技术

当压水堆核电站发生严重事故时，堆芯熔融物移位至压力容器下封头，并重新混合重组。在稳定的熔融池中，熔融物分为两层，下方为温度较高含有内热源的氧化物层，上方为金属层。氧化物层在金属层下方进行加热，金属层通过上部热辐射和侧面热传导传递热量。 

在初期的研究中，研究方法尚不成熟，通常将金属层内向上传热简化成物理模型为下边界加热、上边界冷却的自然对流，不考虑侧壁的热传导，即 对流现象。 

1959 年 S . Globe 和 D . Dropkin 对自然对流的研究是最经典的试验，试验得到了至今仍被广泛应用的G-D试验关联式，此后其他研究者的试验基本原理与G-D试验在本质上均十分相似。G-D 试验本体是一个圆柱形容器，上下传热面为铜板，下板为电加热，上板为水冷却板，两个铜板之间的距离为1.39-2.62英寸。环形侧壁面的内径为5英寸，采用树脂玻璃制造并保证绝热。试验本体上端连接一个膨胀箱用以收集试验时因升温膨胀溢出的工质和不溶气体。试验中的温差通过上下传热面上的热电偶测量。试验采用了水、汞以及不同粘度的硅油作为工质，得到以下传热关系式： 

。

目前，针对熔融池金属层向上部空间的传热，国际上各主要研究机构(包括 Westinghouse、DOE、INEEL及ERI ）仍然采用此关系式。但G-D试验中的Ra数较小，目前在AP1000中金属熔融物的 Ra 数已超过，而对于更高功率反应堆核电站，高Ra数下G-D公式是否适用存在疑问。限于早期的试验装置尺寸较小，试验工质多为水等常见物质，很难达到较高的Ra数。那么为了研究高Ra数区强湍流情况下的传热和流动性质，需要发展新的试验装置。 

由Ra数的定义可以看出，有效地提高 Ra 数的办法主要有扩大特征尺寸、改变物性参数、增大温差三个途径。而自然对流可以用 Ra 数来表示的一个限制就是Boussinesq假设，因此温差并不能无限制的扩大。只能通过扩大特征尺寸和采用特殊的工质提高Ra数。 

由于Ra数和特征尺度的3次方成正比，增大特征尺度可以有效提高Ra数，比较传统的方法就是采用更高大的试验装置。如 G. Ahlers 等采用了常温常压下的氦气作为工质进行的试验，其试验装置是高为 2.24米、直径为1.12米的环形容器， Ra数范围最高可达到。然而若达到本实用新型开发设施采用传统工质达到的设计 Ra 数的要求，估算试验装置的高度需要达到 4-5 米，这种试验装置过于笨重，且经济性差。与此同时若高径比过大，可能会影响到对流的宏观流动模式，从而对传热性能造成影响。 

目前，高径比对自然对流传热性能的影响并无定论，因此难以准确估计高径比改变自然对流宏观流动模式的临界值。但本实用新型的发明人发现，试验装置的高径比在0.1-2之间时，对于试验结果并没有明显影响。因此在本实用新型将装置的高径比选在这个范围之内，能够保证高径比对传热性能的影响可以忽略。 

根据前人的研究，对于传统工质来说，Ra数达到量级较为困难，现有的试验装置都未能达到，采用较大尺寸的试验装置造成很大的加工建造难度，且提高了成本。与此同时，目前一些超高Ra数试验的结论还有较大的争议。因此虽然现有研究已经可以达到非常高的 Ra 数，但是对于传统工质，如何利用更加简单可靠的试验装置提高Ra数还有很大的待研究空间，工程中在高Ra数范围内也尚无比较公认的可以计算热流的传热关联式，需要进行相关机理的细致研究。 

虽然在研究初期对于对流的研究结果比较多，但是实际反应堆熔融池内金属层的传热过程并非理想的自然对流，实际反应堆熔融池内金属层是通过上边界和侧壁两个相互垂直的方向耦合传热将下边界热量传递出去的，为了减少由于物理模型简化引起的差异，应采用以耦合传热为模型的试验装置对金属层内部传热过程进行研究，目前国内外研究这种模拟辐合传热过程的试验装置极少。典型的试验装置是Theofanous 在1996年进行的MELAD试验装置。该试验装置为50cm × l0cm × l0cm 的长方体容器，内部装有水为工质。下部为不锈钢制加热板，保持等热流的边界条件；上壁面和一个侧壁面内布置有冷却水通道，采用水冷的方式对壁面冷却；其余侧壁面为绝热边界条件；此外，还有一个容器收集多余的工质及气体。试验中通过测量冷却面进出口的冷却水温度以及流量，计算得到通过该壁面的传热量。各壁面上装有热电偶测量温度，以得到相应壁面的温度。ME LAD 试验与G-D 试验基本相同，主要有两个不同之处：首先，在MELAD 试验中，有一部分试验侧壁是进行冷却的，这是为了模拟真实的金属层传热工况，研究热聚焦效应。事实上，在金属层中，金属层的高径比对于热聚焦效应有着重要的影响。而 T. G. Theofanous等人只是通过数值计算的方法对此进行了研究，在MELAD试验中并没有进行试验验证。其次，MELAD的试验的Ra数范围要比G-D试验大，其Ra最大达到了，在这种情况下，试验结果与G - D 公式符合的较好，因此认为可以将 G - D 关系式应用于AP600。但在MELAD试验里，其Ra数的范围没有高于。那么，G - D公式能否适用于高功率反应堆的安全设计仍有待进一步检验。另外，采用矩形的试验装置，由于与真实熔融池金属层流动区域的形状不同，会带来几何形状失真。 

因此，需要一种试验装置，其能使用传统工质水来实现高瑞利数，并能对该高瑞利数下的耦合传热特性进行测量和评估，同时该试验装置本身不会对所述传热产生不利的影响。 

实用新型内容

( 1 )要解决的技术问题 

为了弥补现有研究中没有利用常压试验装置使传统工质水的Ra数达到的不足，同时能够对真实熔融池金属层内部耦合传热过程进行研究，研制了本实用新型。

( 2 )技术方案 

本实用新型主要由试验本体和辅助系统组成，其中辅助系统包括循环冷却水系统、数据采集系统和供电系统。试验本体是整个试验系统的核心结构，用于模拟熔融池金属层传热过程。试验本体结构为圆柱形容器，主要由上冷却板、冷却侧壁和下加热板三部分组成。

上冷却板用于载出试验工质的向上传热量，模拟金属层向上辐射换热的等温边界条件，紫铜材质的上冷却板内部均匀布置冷却流道，上方设置一个膨胀水箱，用于保证试验本体内充满试验工质，同时容纳因加热膨胀的工质。 

冷却侧壁采用紫铜材质，并在侧壁上设计冷却流道，冷却剂与试验工质进行换热，外侧敷设保温层，尽量减少侧壁冷却系统与环境之间的热交换。 

在试验中以保证不影响工质内部自然对流的形成过程为标准设计了不同的高径比，用以提高试验的Ra数。 

下加热板为内置加热管的紫铜平板，用于模拟氧化物层向金属层的传热过程，提供下表面的恒热流边界条件。试验本体整体外敷保温层，防止试验本体与环境之间的热交换。侧壁筒体与上下板使用法兰连接，为减少侧壁筒体与上下板之间的导热，筒体法兰与上下板之间装配绝热垫。 

上冷却板、冷却侧壁和下加热板上布置多个温度测点，用于测量壁面的温度分布，获得更加准确的试验数据。 

试验的辅助系统包括循环冷却水系统、数据采集系统和供电系统。试验工质采用传统工质水，试验系统的可靠性和准确性已经通过相关试验进行了试验验证。 

( 3 )有益效果 

本实用新型通过设计合理的高径比，能够在常压条件下利用水使Ra数达到，并能够进行底部向顶部轴向换热、底部向侧面换热和耦合换热试验模拟金属层内部传热过程。

本实用新型针对高功率反应堆设计，可用在核能工程、热能工程和工程热物理等领域中，验证应用于AP1000的相关传热关系式在高功率工况下的适用性，形成的技术成果不仅应用于高功率反应堆的安全评审，同时将填补国际上在更大规模压水反应堆核电站开发支持中存在的数据空白，相应的研究过程及试验方法也为今后大型核电技术的开发试验工作提供了参考依据，为我国今后能够更好的参与核能开发的国际竞争莫定基础。 

本实用新型还提供了如下方案： 

方案1. 一种耦合传热特性测量和评估装置，其包括试验本体，所述试验本体包括圆筒状容器，该圆筒状容器包括上板、下板和侧壁，所述上板用于冷却，所述下板用于加热，其特征在于，整个所述侧壁用于冷却；所述圆筒状容器的高径比的范围是0.1-2；所述圆筒状容器的高度至少为0.5米。

方案2. 如方案1所述的装置，其特征在于，所述上板和所述侧壁采用独立的循环冷却回路进行冷却。 

方案3. 如方案1所述的装置，其特征在于，所述高度至少为1米。 

方案4. 如方案1所述的装置，其特征在于，所述高径比的范围是0.1-1。 

方案5. 如方案1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括辅助系统，控制辅助系统，使得所述上板的温度分布均匀。 

方案6. 如方案1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括辅助系统，控制辅助系统，使得所述上板的温度分区等温，从而实现所述上板的沿径向从中心到边缘的逐渐减小的温度分布。 

方案7. 如方案1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括辅助系统，控制辅助系统，使得所述侧壁的内表面的温度分布均匀。 

附图说明

图1是试验本体的示意图； 

图2是膨胀水箱的示意图；

图3是上冷却板的示意图；

图4是冷却侧壁的示意图；

图5是下加热板的示意图；

图6是调节支架的示意图；

图7为冷却系统平面布置图；

图8是配电柜原理图；

其中：

1：膨胀水箱组件；2：上冷却板组件；3：冷却板隔热垫；4：冷却侧壁组件；5：加热板隔热垫；6：下加热板组件；7：螺栓；8：调节支架；

11：上盖：12：水箱主体；13：液位计；14：连接管；

21：固定螺栓；22：不锈钢盖板；23：氟橡胶板；24：冷却铜板；25：热电阻；

41：上法兰；42：热电阻；43：筒体；44：下法兰；

51：加热铜板；52：热电阻；53：固定螺栓；54：石棉橡胶板；55：不锈钢盖板；

81：加热体座；82球接支撑组件；83：锁紧机构；84：铰接支撑组件。

具体实施方式

下面的具体描述本质上只是示例性的，并不用于限制本实用新型、以及其使用和用途。 

如图 1 所示，试验本体结构为一圆筒状容器，主要由五部分组成， 从上到下分别是：膨胀水箱、上冷却板、冷却侧壁、下加热板、调节支架。 

膨胀水箱为一个圆筒形不锈钢容器，由水箱主体、上盖、液位计、连接管组成，如图 2 所示。 

上冷却板由冷却铜板、氟橡胶板、不锈钢盖板、进出水管、热电阻、固定螺栓组成，如图 3 所示。综合考虑冷却水流量、铜板厚度、冷却管道形状和分布等因素，冷却板内有流道。 

冷却侧壁由筒体、上法兰、下法兰和热电阻组成，如图 4 所示。 

下加热板由加热铜板、加热管、石墨粉、石棉橡胶板、不锈钢盖板和热电阻、固定螺栓组成，如图 5 所示。下加热板整体是圆形铜板。加热板内安装加热管，在内凹边缘处开有一个排水的通孔。下加热板布置热电阻测量点。下加热板下表面依次配合安装石棉板和不锈钢盖板，石棉板和不锈钢盖板用螺丝固定。 

调节支架从上到下分别由 4 部分组成：加热体座、球接支撑组件、铰接支撑组件、锁紧机构，用于调节角度，如图 6 所示。 

辅助系统 

循环冷却水系统

循环冷却水系统向试验本体提供冷却水，用于冷却试验本体上冷却板和侧壁，使上冷却板和侧壁的冷却水进出口温差及传热面的温度均匀性满足试验方案要求，作为整个试验系统的最终热阱。这需要循环冷却水系统具有与试验本体加热功率匹配的冷却能力以及跟设计流量下管路阻力相对应的扬程。

循环冷却水回路主要设备：循环冷却器、测量仪表(质量流量计、铂电阻Pt1000）和管道管件，图 7 为冷却系统平面布置图。 

数据采集系统 

试验用的测量仪表主要用来测量流量与温度，并将采集信息输送到数据采集系统。其主要功能为：( 1 )试验本体上冷却板、下加热板、冷却侧壁的壁面温度测量；( 2 )上冷却板内外区出入口管道弯头处、冷却侧壁出入口管道弯头处流体温差测量；( 3 )试验本体径向流体温度测量；( 4 )上冷却板回路入口段、侧壁冷却回路入口段流量测量。

供电系统 

配电拒原理图如图 8 图所示。

实施例

本实用新型主要由试验本体和辅助系统组成，其中辅助系统包括循环冷却水系统、数据采集系统和供电系统。 

试验本体 

试验本体是整个试验设施的主要结构，用于模拟熔融池金属层传热过程。试验本体结构为一个圆筒状容器，主要由五部分组成，从上到下分别是：膨胀水箱、上冷却板、冷却侧壁、下加热板、调节支架， 结构如图 1 所示。试验本体内径1m ，约为1/4压力容器内径值。为研究高径比对传热关系的影响，冷却侧壁高度1 m从而实现Ra数达到；替换地，如果只需要使Ra数达到，冷却侧壁高度也可以至少是0.5m；冷却侧壁外表面开设若干条冷却水流道；下加热板为内置加热管的紫铜平板；上冷却板为内设冷却流道的紫铜平板。试验本体外部包裹保温层，防止与环境换热。冷却侧壁与上下板使用法兰连接，为限制冷却侧壁与上下板之间传热，筒体法兰与上下板之间装配绝热垫，保证试验本体的传热满足设计要求。

试验本体内充入试验工质，通过下加热板中的加热管加热试验工质，提供试验本体下表面加热边界条件；通过上冷却板的冷却水载出工质向上传热量，提供试验本体上表面等温边界条件；通过冷却侧壁的冷却水载出工质向侧壁传热量，实现试验本体等温侧壁边界条件。所以试验本体可以实现多种传热模型：一种使用下加热板和上冷却板构成轴向传热模型；一种使用下加热板和冷却侧壁构成径向传热模型；一种使用下加热板、上冷却板和紫铜侧壁组合构成下底面加热、上表面和侧壁冷却的耦合传热模型。 

膨胀水箱 

功能用途：膨胀水箱是用于盛放由于热膨胀而溢出试验本体的工质，同时保证工质可以完全充满整个试验本体内部空间。

设计要求：根据计算，使用去离子水作为试验工质，其膨胀的最大体积大约为 11L ，总容积为 22L。 

结构组成：膨胀水箱为一个圆筒形不锈钢制容器，由水箱主体、上盖、液位计、连接管组成，如图 2 所示。 

装配：将筒体和液位计用螺丝紧固，筒体与连接管焊接。 

上冷却板 

功能用途：上冷却板是载出试验工质向上传热量，使试验工质顶部保持一个较低温度等温边界条件的装置。

设计要求：具有与加热系统相匹配的冷却能力，可以载出全部加热量；顶部铜板的下表面温度分布均匀，接近等温边界条件；可以提供分区等温边界，以模拟金属层上表面温度沿径向从中心到壁面逐渐减小的温度分布；流道最大阻力损失不超过泵的工作能力，每条流道的阻力损失差别不大。 

结构组成：上冷却板由冷却铜板、氟橡胶板、不锈钢盖板、进出水管、热电阻、固定螺栓组成。综合考虑冷却水流量、铜板厚度、冷却管道形状和分布等因素，冷却板的设计结构如图 3 所示。上冷却板整体是圆形铜板，截面呈“凹”形冷却板内设有冷却水流道，流道截面呈正方形，每条流道由若干条同心圆槽道组成。在内凹边缘处开有一个膨胀水箱的通孔。上冷却板上表面依次配合安装防水垫和不锈钢盖板，防水垫和不锈钢盖板用螺丝固定，并保证冷却板流道间的独立和密封性。冷却水总流量随底面加热板加热功率的不同而变化，当加热功率为时，冷却水的总流量为 6t/h。上冷却板布置热电阻测量点测量温度分布。 

装配：冷却铜板上安装氟橡胶板，再安装不锈钢盖板，用螺钉紧固，最后安装热电阻，用铜箔填实缝隙，保证密封性，进出水管装配到相应进出口位置。 

冷却侧壁 

功能用途：冷却侧壁是为载出试验工质向侧壁传热量，使试验工质侧壁面保持一个较低温度等温边界条件的装置。

设计要求：连接上冷却板和下加热板，组成圆筒形试验本体，提供足够的刚度和强度；冷却侧壁具有足够的冷却能力载出全部加热量，侧壁内表面温度分布均匀。 

结构组成：冷却侧壁由筒体、上法兰、下法兰和热电阻组成。冷却侧壁的结构如图4所示。冷却侧壁布置热电阻测量点测量温度分布。 

装配：采用氮弧焊接方法，将筒体与上下法兰分别加热到进行焊接，通过车加工和焊接方法使筒体形成流道，将热电阻安装到相应测量位置上。 

下加热板 

功能用途：下加热板是对试验本体内的工质进行加热，使底部工质因温度升高密度变小而向上流动，从而形成自然对流的装置。

设计要求：加热功率应该能满足试验所需的热流，获得所需的 Ra数；加热板上表面温度分布应比较均匀，接近自然对流物理原型；为避免工质沸腾，加热底板表面设计温度应小于。为了使底面铜板上表面温度分布更加均匀，需要对加热管的排布和铜板的厚度等进行优化设计。 

结构组成：下加热板由加热铜板、加热管、石棉橡胶板、不锈钢盖板和热电阻、固定螺栓组成，下加热板设计结构布置如5所示。下加热板整体是圆形铜板。加热板内安装加热管，在内凹边缘处开有一个排水的通孔。下加热板布置热电阻测量点测量温度分布。下加热板下表面依次配合安装石棉板和不锈钢盖板，石棉板和不锈钢盖板用螺丝固定。 

装配：将加热管装配到加热铜板槽内，添加填充粉，喷涂固化漆，盖上石棉橡胶板，再安装不锈钢盖板，用螺钉紧固，最后安装热电阻。 

调节支架 

功能用途：调节支架主要用于支撑试验本体，同时调节试验本体的水平角度，通过调节角度可以实现试验本体内部残余气体排除。

设计要求：试验本体最大重量2吨，要求支架强度满足重量要求，支撑牢固。为排除注水过程中试验本体内气体，需要试验本体水平角度在范围内可调。 

结构组成：调节支架从上到下分别由4部分组成：加热体座、球接支撑组件、铰接支撑组件、锁紧机构，用于调节角度，如图 6 所示。使用中通过调节铰接支撑组件来控制试验本体水平角度。 

装配：先定位确定球接支撑组件和铰接支撑组件位置，再安装加热体座，最后将锁紧机构依次装配到位，并调至水平。 

循环冷却系统 

试验本体上冷却板和冷却侧壁的冷却水分别取自两个循环冷却水回路。进行轴向传热特性试验时，侧壁冷却水回路关闭，只运行上板冷却水回路。根据试验工况要求，冷却水在循环冷却器内冷却到设定温度后由循环冷却器内置的泵升压送向试验本体，在进入试验本体前分为两路。一路冷却水进入试验本体的冷却板内水管，对试验工质进行冷却；另一路为流量调节支路，用以满足不同工况下试验本体冷却水流量的需要。两路水汇合后，进入试验本体上冷却板。进行耦合传热试验时，试验本体上冷却板和冷却侧壁冷却水回路均开启。在各冷却水循环回路上装有调节阀和流量计，用以调节和实时监测各路流量，以满足试验不同工况的要求。主要设备(试验本体、制冷机组） 进出口装有温度探头，用于采集冷却水温度数据和指导流量调节。

测量仪表 

温度的测量仪表为Pt100、Pt1000及热电偶三种，流量的测量仪表为质量流量计：

Pt100：采用三线制，主要安装在上冷却板下表面、下加热板上表面以及试验本体侧壁上来测量壁面温度。

Pt1000：采用四线制，主要用来测量上冷却板内外区出入口管道弯头处、冷却侧壁出入口管道弯头处流体温差。 

热电偶：主要用来测量试验本体径向流体温度。 

质量流量计：用来测量上冷却板回路外区支路入口段、侧壁冷却回路入口段流量。 

数采系统 

数据采集系统用来测量温度及流量信号，主要由信号调理模块、信号采集模块、上位机模块、接口模块等组成。主要实现以下功能：

1 .实时监测显示各测点参数；2 .保存所有数据；3 .显示历史曲线；4 .报警；5 .生成报表等。

数据采集系统硬件设备主要包括：工控机一台、数据采集模块若干、1工位操作台一个、标准机拒一台、其它相关辅助设备等。数据采集系统软硬件部分要求如下。 

硬件要求： 

1 ）系统采用模块化平台设计；

2 ）输入通道间隔离200V以上；

3 ）输入通道实现对地隔离；

4 ）采集系统硬件具有可设计增益和滤波器设置；

5 ）采集硬件具有可设计偏移校准；

6 ）硬件通道具有过压保护；

7 ）输入阻抗不低于1M欧姆；

8 ）通道输入形式：差分输入；

9 ）需要在不同试验时改变接线的传感器，采用航空插头实现传感器到数据采集系统的连接，其余采用接线端子；

10 ）机柜防护等级要求不低于IP43；

11 ）数据采集系统可以长时间存储数据；

12 ）系统接地满足国家相关规范要求，以保证系统的安全性及抗干扰性。

供电系统 

供电系统的要求如下，原理图如图 8 所示：

1 ）要求配电柜能够分别控制以上六套用电设备的通断；

2 ）要求分别为加热器和制冷机各预留一路；

3 ）要求配备总空开；

4 ）要求能够显示电压、电流及用电量；

5 ）配电柜防护等级应不低于IP32。

上面的具体描述仅是对本实用新型的优选实施例的描述，并不是用来限制本实用新型。本领域技术人员在阅读本实用新型后能够意识到，在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以进行各种改进和改变。本实用新型的范围由权利要求限定。 

Claims (7)

1.一种耦合传热特性测量和评估装置，其包括试验本体，所述试验本体包括圆筒状容器，该圆筒状容器包括上板、下板和侧壁，所述上板用于冷却，所述下板用于加热，其特征在于，整个所述侧壁用于冷却；所述圆筒状容器的高径比的范围是0.1-2；所述圆筒状容器的高度至少为0.5米。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上板和所述侧壁采用独立的循环冷却回路进行冷却。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高度至少为1米。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高径比的范围是0.1-1。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括辅助系统，控制辅助系统，使得所述上板的温度分布均匀。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括辅助系统，控制辅助系统，使得所述上板的温度分区等温，从而实现所述上板的沿径向从中心到边缘的逐渐减小的温度分布。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括辅助系统，控制辅助系统，使得所述侧壁的内表面的温度分布均匀。