CN207097467U - 一种进行高温气隙传热特性试验研究的装置 - Google Patents

一种进行高温气隙传热特性试验研究的装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种进行高温气隙传热特性试验研究的装置，包括间隙传热装置本体、真空系统、冷却剂水回路和电控系统，所述的间隙传热装置本体包括加热元件，在加热元件外设有传热套筒，传热套筒外设有水回路套筒，水回路套筒连接冷却剂水回路，所述的传热套筒共有三层，三层传热套筒之间形成两层传热气隙，外层传热气隙用于控制温度，使温度达到试验条件，内层传热气隙为试验区域。本实用新型采用双层气隙的设计，通过外侧气隙保证内侧试验气隙达到试验所需的线功率和两侧温差。本实用新型中采用的装置可以沿用传统的水冷却的气隙传热特性试验装置的主体结构，其经济性、安全性和可维护性都优于使用液态钠冷却的气隙传热特性试验装置。

Description

一种进行高温气隙传热特性试验研究的装置
技术领域
本实用新型涉及快中子反应堆中辐照组件设计试验的台架装置，具体涉及一种进行高温气隙传热特性试验研究的装置。
背景技术
高温气隙传热特性试验是快中子反应堆中进行辐照组件设计时确定组件中间隙尺寸必须进行的一项工作。快中子反应堆中的辐照组件工作环境为液态钠环境，由于液态钠试验台架比较复杂，所以在确定气体间隙实际尺寸时通常在水台架上进行。
传统的气隙传热特性试验装置采用与辐照组件一样的尺寸在水冷却回路上进行实验，但是由于外侧冷却剂水的沸点和中心加热棒的熔点的限值，使得常规的气隙传热特性试验装置只能在较低温度条件下(气隙内侧温度约400℃)进行实验，在高温条件下(气隙内侧温度约640℃)的气隙传热特性试验无法进行。如果继续采用传统的气隙传热特性试验装置进行试验，则需要将冷却流体由水变更为液态钠。
如果使用液态钠冷却的气隙传热特性试验装置，则需要配套建设钠回路，使得试验的经济性下降。同时，由于冷却剂钠极容易与水、空气等发生剧烈反应，所以在试验时比使用水冷却试验装置要更注重安全性。在平时维护方面，钠试验回路需要用惰性气体进行隔绝，并需要特殊的装置进行清洗等，不如水冷却试验装置维护方便。也就是说，使用钠台架进行该试验，经济性、安全性上将比使用水台架进行试验要差，同时钠试验台架可维护性较差。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种能够使用水试验台架进行高温气隙传热特性试验研究的装置。
本实用新型的技术方案如下：一种进行高温气隙传热特性试验研究的装置，包括间隙传热装置本体、真空系统、冷却剂水回路和电控系统，所述的间隙传热装置本体包括加热元件，在加热元件外设有传热套筒，传热套筒外设有水回路套筒，水回路套筒连接冷却剂水回路，其中，所述的传热套筒共有三层，三层传热套筒之间形成两层传热气隙，外层传热气隙用于控制温度，使温度达到试验条件，内层传热气隙为试验区域。
进一步，如上所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其中，所述的三层传热套筒的内层为铜材质，中间层和外层为不锈钢材质。
进一步，如上所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其中，所述的三层传热套筒的内层厚度为8mm～15mm，中间层厚度为4mm～10mm，外层厚度为5mm～7mm。
进一步，如上所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其中，所述的内层传热气隙厚度为0.02mm～0.5mm，外层传热气隙厚度为0.5mm～3mm。
进一步，如上所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其中，所述的真空系统包括真空泵和氦气瓶，真空系统分别与两层传热气隙连接，对传热气隙进行抽真空和充氦。
进一步，如上所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其中，在两层传热气隙内以及加热元件表面设置若干热电偶用于温度监测，热电偶与电控系统的数据采集模块相连接。
进一步，如上所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其中，所述的间隙传热装置本体通过安装法兰固定在支承座上，并通过O型圈和密封胶进行密封。
进一步，如上所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其中，所述的加热元件为圆柱形的电加热棒。
本实用新型的有益效果如下：本实用新型采用双层气隙的设计，通过外侧气隙保证内侧试验气隙达到试验所需的线功率和两侧温差，这是采用传统的水冷却的气隙传热特性试验装置无法达到的。与理论上可以达到同样效果的液态钠冷却的气隙传热特性试验装置相比，本实用新型中采用的装置可以沿用传统的水冷却的气隙传热特性试验装置的主体结构，在试验气隙外侧增加调温气隙，可以采用类似的水台架回路进行实验，其经济性、安全性和可维护性都优于使用液态钠冷却的气隙传热特性试验装置。
附图说明
图1为本实用新型具体实施例中间隙传热装置本体的结构示意图；
图2为为本实用新型具体实施例中试验段的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
本实用新型所提供的进行高温气隙传热特性试验研究的装置包括间隙传热装置本体、实验台架、真空系统、冷却剂水回路和电控系统等设备。其中，真空系统用于对间隙传热装置进行抽真空充氦，主要由真空机械泵、He气瓶、压力表等构成，冷却剂水回路用于带走间隙传热装置本体的热量，稳定装置温度。电控系统负责电气控制和监测温度，并设有温度预警功能，对超高温进行报警，保护试验人员和装置的安全。
如图1所示，间隙传热装置本体是由加热元件3、三层传热套筒1、安装法兰4、支承座5和水回路套筒2等构成，水回路套筒2上设有进水口7和出水口8，用于连接冷却剂水回路。三层传热套筒之间形成两层传热气隙，其中最里层的传热套筒为纯铜材质，其它两层为奥氏体不锈钢，内层和中间套筒可以更换，通过组合可以进行不同工况条件下的传热试验。分别在铜质内套筒内外两侧、中间套筒、外套筒的对称两侧开槽，插入8支铠装热电偶6监测气隙温度，热电偶的测量范围为0-800℃，热电偶与电控系统的数据采集模块相连接。间隙传热装置的整体尺寸为φ190×610mm，装置为密封结构，主要靠支承座5和安装法兰4的O型橡胶圈和密封胶进行密封。加热元件3采用圆柱形的电加热元件棒，最高热功率为3.04kW，最高线功率为19kW/m，表面最高温度为800℃。加热段冷却水的流速为0.4-0.6m/s，入口冷却水温度约为20℃。
试验装置的原理示意图如图2所示，图中标示出试验装置的调温气隙、试验气隙和加热棒的布局情况以及气隙两侧的材料布置情况，调温气隙、试验气隙的厚度，气隙两侧的材料和加热棒可根据实际需要做出调整。图2中，最中间的区域为圆柱形的加热元件，由外向内，依次为环形的不锈钢、气体、不锈钢、气体、铜，各层的几何尺寸和温度见图中的标注，其中，d0-d5处的温度分别为t0-t5，在试验装置的最外层不锈钢设置有水冷却回路带走热量。三层传热套筒的内层(d0-d1)厚度为8mm～15mm，中间层(d2-d3)厚度为4mm～10mm，外层(d4-d5)厚度为5mm～7mm。内层传热气隙(试验气隙d1-d2)厚度为0.02mm～0.5mm，外层传热气隙(调温气隙d3-d4)厚度为0.5mm～3mm。
由于气体导热性较差，在气体间隙两侧有热量传导就会产生温差。假如人为的加大气体间隙的尺寸，就会产生较大的温差，从而在气体间隙两侧形成较高的温度梯度。在试验装置中，最外层的气体间隙(d3-d4)用于控制温度，使温度达到试验条件；中间层的气体间隙(d1-d2)是试验关心的区域，为了使这个区域与实验快堆辐照罐设计中的间隙有相同的条件，试验时设置这层气隙的内层为纯铜，外层为不锈钢。
对于双层气体间隙，热量传递主要包括辐射传热和导热，计算公式如下：
式中，εi是气隙内表面材料的表面辐射系数；εs是气隙外表面材料的表面辐射系数；Ai是气隙内表面的辐射面积，m2；As是气隙外表面的辐射面积，m2；Ti是气隙内表面温度，K；Ts是气隙外表面温度，K。
式中，kHe是氦气的热导率，W/(m·K)；di是气隙的内径，m；ds是气隙的外径，m；l是气隙轴向长度，m。
辐射容器的总释热为二者之和：
φ总释热＝φ辐射+φ导热 (3)
试验段外侧冷却热工计算
适用条件：
式中，Prf是以流体的温度确定的普朗特数；Prw是以壁面的温度确定的普朗特数；d是冷却试验段的外径，m；l是冷却试验段的高度，m；Ref是以流体的温度确定的雷诺数；Nuf是以流体的温度确定的试验段外侧冷却壁面换热的努赛尔数。
采用本实用新型装置的试验方法如下：
①实验前，按照装置设计方案进行间隙传热装置装配，获得选定的气体间隙；
②依照实验流程，实验开始时先用机械泵对气隙传热装置内抽真空，真空压力表显示真空度合格后，使用氦气瓶对不锈钢筒内充氦气，当压力达到设定值后关闭阀门，此时记录下压力表的数值。
③打开水回路装置的进水阀门，利用屏蔽泵将去离子水通过稳压罐注入冷却回路，直至充满整个回路。
④通过手动调整旁路调节阀使得去离子水达到额定流量，待回路运行稳定后对屏蔽泵排气。
⑤提升电加热元件的加热功率，热功率应分阶段逐步升高，记录每阶段稳定后的试验数据。注意观察装置内套筒外壁温度，若超过计算温度后则立刻停止提升加热功率，手动调整冷却水流量以降低外壁温度。
⑥待外壁温度下降至计算温度以下且稳定后，再逐步提升加热功率达到额定值，此时再调节冷却剂流量保证外壁温度达到计算值，记录温度稳定后的试验数据。
⑦在确保加热元件表面温度和铜柱温度不超出限值的情况下，可考虑尝试进行更高的实验温度。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若对本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种进行高温气隙传热特性试验研究的装置，包括间隙传热装置本体、真空系统、冷却剂水回路和电控系统，所述的间隙传热装置本体包括加热元件，在加热元件外设有传热套筒，传热套筒外设有水回路套筒，水回路套筒连接冷却剂水回路，其特征在于：所述的传热套筒共有三层，三层传热套筒之间形成两层传热气隙，外层传热气隙用于控制温度，使温度达到试验条件，内层传热气隙为试验区域。
2.如权利要求1所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其特征在于：所述的三层传热套筒的内层为铜材质，中间层和外层为不锈钢材质。
3.如权利要求1或2所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其特征在于：所述的三层传热套筒的内层厚度为8mm～15mm，中间层厚度为4mm～10mm，外层厚度为5mm～7mm。
4.如权利要求1或2所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其特征在于：所述的内层传热气隙厚度为0.02mm～0.5mm，外层传热气隙厚度为0.5mm～3mm。
5.如权利要求1或2所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其特征在于：所述的真空系统包括真空泵和氦气瓶，真空系统分别与两层传热气隙连接，对传热气隙进行抽真空和充氦。
6.如权利要求1或2所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其特征在于：在两层传热气隙内以及加热元件表面设置若干热电偶用于温度监测，热电偶与电控系统的数据采集模块相连接。
7.如权利要求1或2所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其特征在于：所述的间隙传热装置本体通过安装法兰固定在支承座上，并通过O型圈和密封胶进行密封。
8.如权利要求1或2所述的进行高温气隙传热特性试验研究的装置，其特征在于：所述的加热元件为圆柱形的电加热棒。
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