次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置製造方法
2023-06-01 12:41:26
次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了次臨界能源堆冷卻劑典型彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，包括彎曲的加熱單管，加熱單管的兩端連通有穩定直管，穩定直管連通有螺紋接頭，螺紋接頭套有螺紋法蘭，穩定直管焊接有加電銅排，穩定直管還開有引壓孔，其中，加熱單管為偏心彎管或同心彎管；偏心彎管內徑圓的圓心為 O 1，偏心彎管外徑圓的圓心為 O 2， O 1到 O 2的距離大於零， O 1連接 O 2的線段為線段 O 1 O 2，偏心彎管焊接有熱電偶，偏心彎管外壁設置有絕熱保護結構；同心彎管內徑圓的圓心與同心彎管外徑圓的圓心重合於點 X1 ，同心彎管的外壁上焊接有多個熱電偶，同心彎管外壁設置有絕熱保護結構。本發明可為次臨界堆冷卻劑熱工水力設計的可行性研究提供實驗支撐。
【專利說明】次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及新型核反應堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，具體的是一種模擬混合堆次臨界能源包層冷卻劑典型彎曲單通道流動傳熱特性的實驗裝置。屬於聚變驅動裂變反應堆新型能源開發領域，具體來說屬於熱工水力設計驗證和熱工安全準則制定所必需開展的實驗【技術領域】。
【背景技術】
[0002]日本福島核事故後，裂變反應堆的安全性遭到質疑；加之廢料處理困難、燃料儲量有限及防核擴散等問題，裂變核反應堆難以滿足人類長久的能源需求。以目前的技術條件，純氘氚聚變商用核能短期內難以實現，在此背景下，聚變-裂變混合能源系統有望成為實現裂變核能長期可持續發展和純聚變核能提前利用的有效途徑。
[0003]我國依託國際熱核聚變實驗堆計劃項目(ITER)，提出採用聚變中子源(ITER裝置)驅動次臨界能源包層和氚增殖包層以實現能量輸出和氚自持的新型核反應堆。ITER驅動的次臨界能源堆是一個快-熱耦合的系統，具有包層空間狹小、幾何結構複雜、徑向功率梯度大等特點。ITER驅動的次臨界能源包層概念設計中，採用模塊化燃料包層代替原來的包層，並將其沿環向分割成32個子模塊；採用嵌入子模塊內部的並聯圓管作為主冷卻劑通道，每個子模塊從等離子體側向外共設置六層冷卻劑管道。為適應ITER裝置「D形」等離子體截面，次臨界堆外包層冷卻劑通道為長彎管；內包層冷卻劑通道中部為直管，兩端為彎管。現有物理設計表明，ITER裝置驅動的次臨界能源包層徑向功率梯度大(峰值因子1.33)，相應的冷卻劑管道周向熱流密度呈非均勻分布。為適應ITER裝置特殊的幾何形狀，大量冷卻劑管道為長彎管，且曲率半徑變化範圍較大。因此，主冷卻劑通道的設計和布置不可直接採用普通壓水堆熱工安全準則。通過實驗研究建立新的次臨界堆熱工安全準則，是次臨界能源堆實現工程應用的必經之路。
[0004]模擬次臨界能源堆燃料包層典型彎曲單通道冷卻劑流動傳熱特性的實驗裝置應能反映其原型最具代表的彎曲結構，且能實現全周向非均勻加熱。目前彎管內流動和傳熱特性研究主要針對特定彎曲角度或曲率半徑，尚無專門針對ITER裝置驅動的次臨界能源堆冷卻劑典型彎管內流動和傳熱特性相關研究。周向非均勻加熱管內流動傳熱特性研究主要採用半圓周均勻加熱半圓周絕熱的直管，主要研究對象為太陽能吸熱管和鍋爐傳熱管。現有裝置無法模擬ITER裝置驅動的次臨界包層冷卻劑彎曲通道周向非均勻加熱條件下流動和傳熱特性，需重新設計實驗裝置，為次臨界能源堆熱工設計和相關準則的建立提供實驗支撐。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，設計的實驗裝置可用於彎曲單通道全周向非均勻加熱條件下流動傳熱特性實驗研究和彎曲單通道周向均勻加熱條件下流動傳熱特性實驗研究，使得二者的研究數據具備對比分析條件，從而檢驗次臨界堆燃料包層熱工水力設計的合理性，進而制定相應的次臨界堆熱工安全準則，為ITER裝置驅動的次臨界能源堆燃料包層冷卻系統的設計提供參考。
[0006]本發明的實現方案如下:次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，包括彎曲的加熱單管，加熱單管的兩端連通有穩定直管，穩定直管遠離加熱單管的一端連通有螺紋接頭，螺紋接頭的外徑面套有螺紋法蘭，穩定直管外壁焊接有加電銅排，穩定直管還開有連通到穩定直管內部的引壓孔，其中，加熱單管為偏心彎管或同心彎管；偏心彎管內徑圓的圓心為^偏心彎管外徑圓的圓心為^ 0,到込的距離大於零，0,連接込的線段為線段偏心彎管的外壁上焊接有多個熱電偶，熱電偶與偏心彎管的連接焊接點以線段OA為對稱軸進行對稱分布，偏心彎管外壁設置有絕熱保護結構；同心彎管內徑圓的圓心與同心彎管外徑圓的圓心重合於點z/，同心彎管的外壁上焊接有多個熱電偶，同心彎管外壁設置有絕熱保護結構。
[0007]設計的上述裝置可用於彎曲單通道全周向非均勻或均勻加熱條件下流動傳熱特性實驗研究，以檢驗次臨界堆燃料包層熱工水力設計的合理性，進而制定相應的次臨界堆熱工安全準則，為ITER裝置驅動的次臨界能源堆燃料包層冷卻系統的設計提供參考。
[0008]加熱單管的一端為端A，加熱單管的另一端為端B，連接端A的穩定直管為第一穩定直管，連接端B的穩定直管為第二穩定直管，第一穩定直管上的銅排為第一加電銅排，第二穩定直管上的銅排為第二加電銅排，第一加電銅排與第二加電銅排垂直。第二穩定直管的軸線與第一穩定直管的軸線垂直。
[0009]所述偏心彎管和同心彎管都為不鏽鋼鋼管。
[0010]弓|壓孔通過弓I壓管連通到壓差變送器。
[0011 ] 螺紋接頭與穩定直管通過氬弧焊連接。
[0012]穩定直管與發熱單管為一整體，由均勻或非均勻壁厚直管彎曲獲得。發熱單管軸線的曲線方程與ITER驅動次臨界能源堆內包層冷卻劑管道出口附近曲線保持一致。
[0013]螺紋法蘭與熱工水力實驗迴路連通，偏心彎管和同心彎管的內徑圓直徑與次臨界堆冷卻劑通道內徑保持一致。
[0014]偏心彎管和同心彎管的內徑圓直徑為16 mm。
[0015]加電銅排通過銀釺焊與穩定直管焊接。
[0016]基於上述結構，本發明的目標是這樣實現的:偏心彎管和同心彎管分別通過偏心直管和同心直管參照典型的ITER包層曲線方程彎曲獲得，以模擬次臨界能源堆包層冷卻劑通道典型的彎曲幾何結構，偏心直管採用高精度深孔鑽加工。加熱電流通過加電銅排和穩定直管傳導給加熱單管，獲得壁厚不均勻的偏心彎管周向非均勻發熱功率或壁厚均勻的同心彎管周向均勻發熱功率；加熱單管外壁做絕熱結構，釋熱量主要經內壁通過冷卻劑導出，以模擬次臨界能源堆燃料包層冷卻劑管道周向不均勻熱流密度，及獲得周向均勻熱流密度下流動傳熱基本實驗數據。
[0017]設計的均勻壁厚的同心彎管可模擬次臨界能源堆冷卻劑通道典型彎曲幾何結構效應，並作為非均勻壁厚偏心彎管流動傳熱特性研究的基準，在使用本發明時，先將同心彎管實驗本體安裝於熱工水力實驗迴路，在設定的內部流動條件下啟動加熱電源，使得同心彎管受熱，此時通過壓差變送器及熱電偶檢測數據，此時的數據為基準數據，然後更換偏心彎管實驗本體，在設定的內部流動條件下啟動加熱電源，使得偏心彎管受熱，即可獲得周向非均勻熱流密度，此時通過壓差變送器及熱電偶檢測數據，並對比均勻彎管實驗數據，分析得出偏心彎管和同心彎管內流動傳熱特性的異同。從而基於實驗制定相應的次臨界堆熱工安全準則，為ITER裝置驅動的次臨界混合堆燃料包層冷卻系統的設計提供參考。
[0018]按照本發明提供的偏心彎管橫截面，主要用於模擬次臨界堆冷卻劑通道熱流密度周向非均勻分布特性。其中，偏心彎管內圓直徑與次臨界堆冷卻劑通道內徑保持一致，外圓直徑02及偏心距由結構強度需求及熱流密度確定。偏心彎管的外徑壁上焊接有多個熱電偶，熱電偶與偏心彎管的連接焊接點以線段為對稱軸進行對稱分布，以獲得周向局部壁溫分布。
[0019]所述的偏心彎管採偏心直管彎制獲得，偏心直管採用高精度深孔鑽加工獲得，偏心彎管內徑t=16 mm;通過加電銅排採用直流電加熱，利用偏心彎管周向厚度不同從而獲得周向不均勻加熱功率。通道外壁面做絕熱處理，即在偏心彎管外壁設置有絕熱保護結構，從而獲得通道內壁面周向不均勻熱流密度。沿程阻力通過引壓管結合壓差變送器測得，即偏心彎管連接的引壓管連接有壓差變送器，通過引壓管測量流動方向的壓降。同理，同心彎管內徑61=16 mm;通過加電銅排採用直流電加熱，利用同心彎管周向厚度相同從而獲得周向均勻加熱功率。通道外壁面做絕熱處理，即在同心彎管外壁設置有絕熱保護結構，從而獲得通道內壁面周向均勻熱流密度。沿程阻力通過引壓管結合壓差變送器測得，即同心彎管連接的引壓管連接有壓差變送器，通過引壓管測量流動方向的壓降。
[0020]本發明的有益效果:利用本實驗裝置開展典型彎曲結構下均勻和非均勻彎管內單相流動及傳熱特性實驗，以模擬次臨界堆燃料包層冷卻劑通道典型的彎曲幾何結構和特殊的流動傳熱邊界條件。目前本實驗裝置正在開展次臨界能源包層模塊式燃料部件熱工安全行為實驗研究，為次臨界堆熱工水力設計的可行性研究提供實驗支撐。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的結構示意圖。
[0022]圖2為偏心彎管的橫截面示意圖。
[0023]圖3為同心彎管的橫截面示意圖。
[0024]圖中的附圖標識分別表示為:21、螺紋法蘭；22、螺紋接頭；23、穩定直管；24、引壓孔；25、加電銅排；26、加熱單管；27、銀釺焊。
【具體實施方式】
[0025]實施例一
如圖1至圖3所示。
[0026]本發明基於ITER驅動的次臨界混合堆燃料包層曲線方程，從熱工安全研究的需求出發，選擇內包層出口附近彎曲度最大、含汽率最高的彎曲通道作為典型的彎曲幾何特性。本發明利用直流電加熱周向壁厚不等的偏心彎管實現周向非均勻加熱，以模擬次臨界堆冷卻劑通道熱流密度周向非均勻分布特性。流道內徑與次臨界堆冷卻劑通道內徑保持一致(0=16 mm)，偏心彎管外圓直徑及偏心距由結構強度需求及熱流密度分布需求確定。偏心彎管基於偏心直管填充彎制獲得，偏心彎管的彎曲幾何結構和同心彎管的彎曲幾何結構相同。
[0027]次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，包括彎曲的加熱單管
26,加熱單管26的兩端連通有穩定直管23,穩定直管23遠離加熱單管26的一端連通有螺紋接頭22，螺紋接頭22的外徑面套有螺紋法蘭21，穩定直管外壁焊接有加電銅排25，穩定直管還開有連通到穩定直管內部的引壓孔24，穩定直管與加熱單管連為一體，由均勻或非均勻直管彎制獲得，其中，加熱單管26為偏心彎管或同心彎管；偏心彎管內徑圓的圓心為0，偏心彎管外徑圓的圓心為02, Ox到0,的距離大於零，Ox連接0,的線段為線段，偏心彎管的外壁上焊接有多個熱電偶，熱電偶與偏心彎管的連接焊接點以線段為對稱軸進行對稱分布，偏心彎管25外壁設置有絕熱保護結構；同心彎管內徑圓的圓心與同心彎管外徑圓的圓心重合於點Z/，同心彎管的外壁上焊接有多個熱電偶，同心彎管外壁設置有絕熱保護結構。
[0028]設計的上述裝置可用於彎曲單通道全周向非均勻或均勻加熱條件下流動傳熱特性實驗研究，以檢驗次臨界堆燃料包層熱工水力設計的合理性，進而制定相應的次臨界堆熱工安全準則，為ITER裝置驅動的次臨界混合能源堆燃料包層冷卻系統的設計提供參考。
[0029]加熱單管26的一端為端A,加熱單管26的另一端為端B,連接端A的穩定直管為第一穩定直管，連接端B的穩定直管為第二穩定直管，第一穩定直管上的銅排為第一加電銅排，第二穩定直管上的銅排為第二加電銅排，第一加電銅排與第二加電銅排垂直。第二穩定直管的軸線與第一穩定直管的軸線垂直。
[0030]所述偏心彎管和同心彎管都為不鏽鋼鋼管。
[0031]引壓孔24通過引壓管連通到壓差變送器。
[0032]螺紋接頭22與穩定直管23通過氬弧焊連接。
[0033]螺紋法蘭21與熱工水力實驗迴路連通，偏心彎管和同心彎管的內徑圓直徑與次臨界堆冷卻劑通道內徑保持一致。
[0034]偏心彎管和同心彎管的內徑圓直徑為16 mm。
[0035]加電銅排25通過銀釺焊27與穩定直管焊接。
[0036]穩定直管與發熱單管連為一體，由均勻或非均勻壁厚直管彎曲獲得。發熱單管軸線的曲線方程與ITER驅動次臨界能源堆內包層冷卻劑管道出口附近曲線保持一致。
[0037]基於上述結構，本發明的目標是這樣實現的:偏心彎管和同心彎管分別通過偏心直管和同心直管參照典型的ITER驅動次臨界混合堆燃料包層曲線彎制獲得，以模擬次臨界能源堆包層冷卻劑通道典型的彎曲幾何結構，偏心直管採用高精度深孔鑽加工。加熱電流通過加電銅排和穩定直管傳導給加熱單管，獲得壁厚不均勻的偏心彎管周向非均勻發熱功率或壁厚均勻的同心彎管周向均勻發熱功率；加熱單管外壁做絕熱結構，釋熱量主要經內壁通過冷卻劑導出，以模擬次臨界能源燃料包層冷卻劑管道周向不均勻熱流密度，及獲得周向均勻熱流密度下流動傳熱基本實驗數據。
[0038]設計的均勻壁厚的同心彎管可模擬次臨界能源堆冷卻劑通道典型彎曲幾何結構效應，並作為非均勻壁厚偏心彎管流動傳熱特性研究的基準，在使用本發明時，先將同心彎管實驗本體安裝於熱工水力實驗迴路，啟動加熱電流，使得同心彎管受熱，此時通過壓差變送器和熱電偶檢測數據，此時的數據為基準數據，然後更換偏心彎管實驗本體，啟動加熱電源，使得同心彎管受熱，即可獲得周向非均勻熱流密度，此時通過壓差變送器和熱電偶檢測數據，對比偏心彎管和同心彎管實驗數據，分析得出同心彎管和偏心彎管內流動傳熱特性的異同。從而基於實驗制定相應的次臨界堆熱工安全準則，為ITER裝置驅動的次臨界混合堆燃料包層冷卻系統的設計提供參考。
[0039]按照本發明提供的偏心彎管橫截面，主要用於模擬次臨界堆冷卻劑通道熱流密度周向非均勻分布特性。其中，偏心彎管內圓直徑與次臨界堆冷卻劑通道內徑保持一致，外圓直徑02及偏心距由結構強度需求及熱流密度確定。偏心彎管的外徑壁上焊接有多個熱電偶，熱電偶與偏心彎管的連接焊接點以線段為對稱軸進行對稱分布，以獲得周向局部壁溫分布。
[0040]所述的偏心彎管由偏心直管彎制獲得，偏心直管採用高精度深孔鑽加工獲得，偏心彎管內徑t=16 mm;通過加電銅排採用直流電加熱，利用偏心彎管周向厚度不同從而獲得周向不均勻加熱功率。通道外壁面做絕熱處理，即在偏心彎管外壁設置有絕熱保護結構，從而獲得通道內壁面周向不均勻熱流密度。沿程阻力通過引壓管結合壓差變送器測得，即偏心彎管連接的引壓管連接有壓差變送器，通過引壓管測量流動方向的壓降。同理，同心彎管內徑61=16 mm;通過加電銅排採用直流電加熱，利用同心彎管周向厚度相同從而獲得周向均勻加熱功率。通道外壁面做絕熱處理，即在同心彎管外壁設置有絕熱保護結構，從而獲得通道內壁面周向均勻熱流密度。沿程阻力通過引壓管結合壓差變送器測得，即同心彎管連接的引壓管連接有壓差變送器，通過引壓管測量流動方向的壓降。
[0041]按照圖1所示，上述結構的實驗操作過程為:按照上述結構組裝好兩組實驗裝置，第一組實驗裝置包括連接到熱工水力實驗裝置的螺紋法蘭21、螺紋接頭、穩定直管、引壓孔、加電銅排和同心彎管。將引壓孔連通到壓差變送器上，安裝好熱電偶到同心彎管外壁上，啟動加熱電源，由於同心彎管的壁厚為均勻狀態，在外壁絕熱保護結構的作用下，可以獲得周向均勻熱流密度，此時通過記錄熱電偶的數值，同時記錄壓差變送器的數值，可以綜合分析出全周向均勻加熱條件下單相流動及傳熱特性，從而達到模擬次臨界堆燃料包層冷卻劑在典型彎曲流道均勻加熱條件下的熱工水力特性。然後進行第二組實驗裝置的實驗，第二組實驗裝置包括連接到熱工水力實驗裝置的螺紋法蘭21、螺紋接頭、穩定直管、引壓孔、加電銅排和偏心彎管。將引壓孔連通到壓差變送器上，安裝好熱電偶到偏心彎管外壁上，啟動加熱電源，由於偏心彎管的壁厚為非均勻狀態，在外壁絕熱保護結構的作用下，可以獲得周向非均勻熱流密度，此時通過記錄熱電偶的數值，同時記錄壓差變送器的數值，可以綜合分析出全周向非均勻加熱條件下單相流動及傳熱特性，從而達到模擬次臨界堆燃料包層冷卻劑在典型彎曲流道周向非均勻加熱條件下的熱工水力特性。分析上述兩組實驗的區別，以檢驗次臨界堆燃料包層熱工水力設計的合理性，進而制定相應的次臨界堆熱工安全準則，為ITER裝置驅動的次臨界混合堆燃料包層冷卻系統的設計提供參考。
[0042]如上所述，則能很好的實現本發明。
【權利要求】
1.次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，其特徵在於:包括彎曲的加熱單管(26),加熱單管(26)的兩端連通有穩定直管(23),穩定直管(23)遠離加熱單管(26)的一端連通有螺紋接頭(22)，螺紋接頭(22)的外徑面套有螺紋法蘭(21)，穩定直管外壁焊接有加電銅排(25)，穩定直管還開有連通到穩定直管內部的引壓孔(24)，其中，加熱單管(26)為偏心彎管或同心彎管；偏心彎管內徑圓的圓心為0，偏心彎管外徑圓的圓心為O2,01到O2的距離大於零，0連接仏的線段為線段偏心彎管的外壁上焊接有多個熱電偶，偏心彎管外壁設置有絕熱保護結構；同心彎管內徑圓的圓心與同心彎管外徑圓的圓心重合於點同心彎管的外壁上焊接有多個熱電偶，同心彎管外壁設置有絕熱保護結構。
2.根據權利要求1所述的次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，其特徵在於:加熱單管(26)的一端為端A,加熱單管(26)的另一端為端B,連接端A的穩定直管為第一穩定直管，連接端B的穩定直管為第二穩定直管,第一穩定直管與第二穩定直管軸線垂直，第一穩定直管上的銅排為第一加電銅排，第二穩定直管上的銅排為第二加電銅排，第一加電銅排與第二加電銅排垂直。
3.根據權利要求1所述的次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，其特徵在於:所述偏心彎管和同心彎管都為不鏽鋼鋼管。
4.根據權利要求1所述的次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，其特徵在於:穩定直管與加熱單管為一整體，由同心直管或偏心直管彎制獲得。
5.根據權利要求1所述的次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，其特徵在於:螺紋接頭(22)與穩定直管(23)通過氬弧焊連接。
6.根據權利要求1所述的次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，其特徵在於:通過螺紋法蘭(21)與熱工水力實驗迴路連通，偏心彎管和同心彎管的內徑圓直徑與次臨界堆冷卻劑通道內徑保持一致。
7.根據權利要求1所述的次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，其特徵在於:偏心彎管和同心彎管的內徑圓直徑為16 mm。
8.根據權利要求1所述的次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，其特徵在於:加電銅排(25)通過銀釺焊(27)與穩定直管焊接。
9.根據權利要求1-8中任意一項所述的次臨界能源堆冷卻劑彎曲單通道流動傳熱特性實驗裝置，其特徵在於:熱電偶與偏心彎管的連接焊接點以線段為對稱軸進行對稱分布。
【文檔編號】G01N25/20GK104407010SQ201410726582
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月4日 優先權日:2014年12月4日
【發明者】幸奠川, 彭勁楓, 黃彥平, 徐建軍, 劉文興, 劉亮, 楊祖毛 申請人:中國核動力研究設計院