CN208315212U - 超临界二氧化碳密封及可视化试验件 - Google Patents
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Abstract
一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，包括顶部法兰、底部法兰、承压不锈钢外管以及可视化部分，2×2电加热棒束插入到承压不锈钢外管内，2×2电加热棒束和承压不锈钢外管之间形成流体流道，可视化部分位于试验件的中部，由第一可视化法兰、第二可视化法兰、透明石英玻璃方腔、四根电加热不锈钢管，其中一根不锈钢管的中间部分由透明石英玻璃管构成。本试验件设计能够保证高压条件下超临界二氧化碳的有效密封，同时，可视化部分采用透明石英玻璃方腔与法兰直接连接，结合PIV技术能够对整个试验棒束内的流动特性进行测量，得到不同热工参数下湍流交混系数以及大尺度流量脉动规律，对超临界水冷堆燃料组件的热工设计以及安全分析具有重要意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及核反应堆热工水力领域，特别地涉及一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件。
背景技术
超临界二氧化碳的热物性随温度和压力的变化关系与超临界水非常相似，但是其临界压力(7.38MPa，31.1℃)远低于水的临界压力(22.1MPa，374℃)，因此采用超临界二氧化碳作为超临界水的替代工质，可以大幅降低试验成本和难度，现已广泛应用于超临界水冷堆(SCWR)燃料组件的热工水力试验研究中。超临界水冷堆是第四代核能系统国际论坛所选定的六种第四代新型核反应堆之一，具有热效率高、安全性好、系统结构简单及燃料利用率高等优点，是未来发展前景非常光明的堆型之一。SCWR堆芯结构异常复杂，堆芯流道狭小，燃料棒承受兆瓦级高热流密度及强烈的热核耦合。冷却剂流动特性试验研究的最大困难在于设计合理的可视化试验件结构，包括高压条件下的密封和电绝缘问题、加热管端部电极材料和结构设计、高压法兰的有效冷却以及可视化部分的密封和测量等。受限于以上原因，高压条件下流体在堆芯典型通道中的可视化流动研究异常匮乏。
以往关于堆芯稠密棒束内流体的流动及湍流交混特性研究大多集中在试验段的某一部位，例如在轴向某一位置开设一个面积很小的观察孔，采用高速摄像机进行拍摄，从而得到空间分辨率有限的图片资料。近期有一些研究者采用激光多普勒测速法来测量棒束间冷却剂的流动特征，这种方法虽然有比较高的测量精度，但是只能局限在某个点，无法得到试验段内部整体流动特性。其根本原因在于可视化试验段的设计不能承受高压，只能通过减小开孔面积的方式实现，从而大大削弱了可视化测量的效果。还有一些研究者虽然采用了最新的粒子成像测速法(PIV)观察整个流场的信息，在提高精度的同时获得了更大范围的流动特性，但是这种方法目前仍然局限于常温常压的试验条件，高压力下的相关研究很少，而关于超临界流体的流动及交混可视化试验研究几乎未见报道。为了解决上述试验研究中的困难，本实用新型提供一种超临界二氧化碳高压密封的流动可视化试验设计，能够对稠密棒束内冷却剂的湍流交混特性进行深入研究。
本实用新型主要针对超临界水冷堆的堆芯燃料组件，采用高压法兰、密封垫片、O型圈及石英玻璃管组成适用于超临界二氧化碳的流动及湍流交混试验件，配合高速摄像机和激光片光源，获得稠密棒束全流场范围内超临界二氧化碳的流动特性，为超临界水冷堆燃料组件的热工设计提供技术支撑。
发明内容
本实用新型提出一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，包括顶部法兰、底部法兰、承压不锈钢外管以及可视化部分，2×2电加热棒束插入到承压不锈钢外管内，2×2电加热棒束和承压不锈钢外管之间形成流体流道，其特征在于：可视化部分位于试验件的中部，由第一可视化法兰、第二可视化法兰、透明石英玻璃方腔、四根电加热不锈钢管，其中一根电加热不锈钢管的中间部分由透明石英玻璃管构成。
进一步，透明石英玻璃方腔的两个端部开有方槽，里面放置O型圈，第一和第二可视化法兰通过高压螺栓连接，O型圈受到挤压后产生形变，将超临界二氧化碳密封在试验段内。
可选地，透明石英玻璃方腔的壁厚为30mm。
可选地，可视化部分沿流体流动方向的长度为200mm。
进一步，四根电加热不锈钢管在上端部通过氩弧焊与顶部不锈钢电极连接，在下部通过银钎焊与底部铜电极连接，构成2×2电加热棒束。
进一步，在不锈钢承压外管上焊接有出口环形腔室和入口环形腔室。
进一步，顶部法兰由顶部压盖、石墨填料、第一顶部高压法兰、第一齿形密封垫片和第二顶部高压法兰构成。
更进一步，第一顶部高压法兰和第二顶部高压法兰通过螺栓压紧，在两片法兰之间放置第一齿形密封垫片。
更进一步，第一顶部高压法兰的外侧开有填料槽，里面放置一定数量的石墨填料，通过顶部压盖将石墨填料压紧，实现超临界二氧化碳的轴向密封。
进一步，底部法兰由第一底部高压法兰、齿形密封垫片、第二底部高压法兰、石墨填料和底部压盖构成。
更进一步，第一底部高压法兰和第二底部高压法兰通过螺栓压紧，在两片法兰之间放置第二齿形密封垫片。
更进一步，第二底部高压法兰的外侧开有填料槽，里面放置一定数量的石墨填料，通过底部压盖将石墨填料压紧，实现超临界二氧化碳的轴向密封。
本试验件设计能够保证高压条件下超临界二氧化碳的有效密封，同时，可视化部分采用透明石英玻璃方腔与法兰直接连接，结合PIV技术能够对整个试验棒束内的流动特性进行测量，得到不同热工参数下湍流交混系数以及大尺度流量脉动规律，对超临界水冷堆燃料组件的热工设计以及安全分析具有重要意义。
附图说明
图1为本实用新型的超临界二氧化碳密封及可视化试验件的截面图。
附图标记：1-顶部不锈钢电极；2-顶部压盖；3-石墨填料；4-第一顶部高压法兰；5-第一齿形密封垫片；6-第二顶部高压法兰；7-出口环形腔室；8-流体出口；9-不锈钢承压外管；10-可视化法兰；11-试验段可视化部分；12-可视化法兰；13-透明石英玻璃方腔；14-电加热不锈钢管；15-透明石英玻璃管；16- 入口环形腔室；17-流体入口；18-第一底部高压法兰；19-第二齿形密封垫片； 20-第二底部高压法兰；21-石墨填料；22-底部压盖；23-底部铜电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件的主体结构包括顶部法兰、底部法兰、2×2电加热棒束、承压不锈钢外管9以及中部可视化部分11组成。
四根电加热不锈钢管14，其中一根电加热不锈钢管的中间部分由透明石英玻璃管构成，在上端部通过氩弧焊与顶部不锈钢电极1连接，在下部通过银钎焊与底部铜电极23连接，这三部分构成了2×2电加热棒束，然后插入到承压不锈钢外管9内。超临界二氧化碳从流体入口17流入，在2×2电加热棒束和承压不锈钢外管9形成的流道内垂直上升流动，最后从流体出口8流出。出口环形腔室7和入口环形腔室16焊接在外管上，其作用是使流体均匀混合。
顶部法兰由顶部压盖2、石墨填料3、第一顶部高压法兰4、第一齿形密封垫片5和第二顶部高压法兰6构成。其中，第一顶部高压法兰4和第二顶部高压法兰6通过螺栓压紧，在两片法兰之间放置第一齿形密封垫片5，其作用是保证超临界二氧化碳不会从法兰之间泄漏以及2×2电加热棒束与承压不锈钢外管 9之间的电绝缘。第一顶部高压法兰4的外侧开有填料槽，里面放置一定数量的石墨填料3，通过顶部压盖2将石墨填料3压紧，实现超临界二氧化碳的轴向密封。
底部法兰由第一底部高压法兰18、第二齿形密封垫片19、第二底部高压法兰20、石墨填料21和底部压盖22构成。其中，第二底部高压法兰20和第一底部高压法兰18通过螺栓压紧，在两片法兰之间放置第二齿形密封垫片19，其作用是保证超临界二氧化碳不会从法兰之间泄漏以及2×2电加热棒束与承压不锈钢外管9之间的电绝缘。第二底部高压法兰20的外侧开有填料槽，里面放置一定数量的石墨填料21，通过底部压盖22将石墨填料21压紧，实现超临界二氧化碳的轴向密封。
可视化部分11位于试验件中部，其沿流动方向的长度为200mm。包括可视化法兰10、可视化法兰12、透明石英玻璃方腔13、四根电加热不锈钢管14，其中一根电加热不锈钢管的中间部分由透明石英玻璃管15构成。透明石英玻璃方腔13的两个端部开有方槽，里面放置O型圈，可视化法兰10和12通过高压螺栓连接，O型圈受到挤压后产生形变，将超临界二氧化碳密封在试验段内。
透明石英玻璃方腔的壁厚为30mm，以便承受内部的高压。激光片光源从试验件可视化部分11的右侧摄入，高速摄像机在垂直于纸面方向进行拍摄，由于透明石英玻璃管15对片光源几乎无遮挡和干扰，这样高速摄像机就可以拍摄到横截面A-A右下角四分之一区域的流动特性。通过这种设计，可以得到超临界二氧化碳沿流动方向200mm的速度分布和湍流交混特性，对建立交混理论模型及分析稠密棒束内大尺度流量脉动规律至关重要。
Claims (12)
1.一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，包括顶部法兰、底部法兰、承压不锈钢外管以及可视化部分，2×2电加热棒束插入到承压不锈钢外管内，2×2电加热棒束和承压不锈钢外管之间形成流体流道，其特征在于：所述可视化部分位于所述试验件的中部，由第一可视化法兰、第二可视化法兰、透明石英玻璃方腔、四根电加热不锈钢管，其中一根电加热不锈钢管的中间部分由透明石英玻璃管构成。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，其特征在于：所述透明石英玻璃方腔的两个端部开有方槽，里面放置O型圈，所述第一和第二可视化法兰通过高压螺栓连接，所述O型圈受到挤压后产生形变，将超临界二氧化碳密封在所述试验件内。
3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，其特征在于：所述透明石英玻璃方腔的壁厚为30mm。
4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，其特征在于：所述可视化部分沿流体流动方向的长度为200mm。
5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，其特征在于：所述四根电加热不锈钢管在上端部通过氩弧焊与顶部不锈钢电极连接，在下部通过银钎焊与底部铜电极连接，构成所述2×2电加热棒束。
6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，其特征在于：在所述承压不锈钢外管上焊接有出口环形腔室和入口环形腔室。
7.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，其特征在于：所述顶部法兰由顶部压盖、石墨填料、第一顶部高压法兰、第一齿形密封垫片和第二顶部高压法兰构成。
8.根据权利要求7所述的一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，其特征在于：所述第一顶部高压法兰和所述第二顶部高压法兰通过螺栓压紧，在两片法兰之间放置所述第一齿形密封垫片。
9.根据权利要求7所述的一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，其特征在于：所述第一顶部高压法兰的外侧开有填料槽，里面放置一定数量的石墨填料，通过所述顶部压盖将所述石墨填料压紧，实现超临界二氧化碳的轴向密封。
10.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，其特征在于：所述底部法兰由第一底部高压法兰、第二齿形密封垫片、第二底部高压法兰、石墨填料和底部压盖构成。
11.根据权利要求10所述的一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，其特征在于：所述第一底部高压法兰和所述第二底部高压法兰通过螺栓压紧，在两片法兰之间放置所述第二齿形密封垫片。
12.根据权利要求10所述的一种超临界二氧化碳密封及可视化试验件，其特征在于：所述第二底部高压法兰的外侧开有填料槽，里面放置一定数量的石墨填料，通过所述底部压盖将所述石墨填料压紧，实现超临界二氧化碳的轴向密封。
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