本發(fā)明涉及快中子反應(yīng)堆中輻照組件設(shè)計(jì)試驗(yàn)的臺架裝置，具體涉及一種進(jìn)行高溫氣隙傳熱特性試驗(yàn)研究的裝置。

背景技術(shù)：

高溫氣隙傳熱特性試驗(yàn)是快中子反應(yīng)堆中進(jìn)行輻照組件設(shè)計(jì)時(shí)確定組件中間隙尺寸必須進(jìn)行的一項(xiàng)工作。快中子反應(yīng)堆中的輻照組件工作環(huán)境為液態(tài)鈉環(huán)境，由于液態(tài)鈉試驗(yàn)臺架比較復(fù)雜，所以在確定氣體間隙實(shí)際尺寸時(shí)通常在水臺架上進(jìn)行。

傳統(tǒng)的氣隙傳熱特性試驗(yàn)裝置采用與輻照組件一樣的尺寸在水冷卻回路上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是由于外側(cè)冷卻劑水的沸點(diǎn)和中心加熱棒的熔點(diǎn)的限值，使得常規(guī)的氣隙傳熱特性試驗(yàn)裝置只能在較低溫度條件下(氣隙內(nèi)側(cè)溫度約400℃)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在高溫條件下(氣隙內(nèi)側(cè)溫度約640℃)的氣隙傳熱特性試驗(yàn)無法進(jìn)行。如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的氣隙傳熱特性試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，則需要將冷卻流體由水變更為液態(tài)鈉。

如果使用液態(tài)鈉冷卻的氣隙傳熱特性試驗(yàn)裝置，則需要配套建設(shè)鈉回路，使得試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性下降。同時(shí)，由于冷卻劑鈉極容易與水、空氣等發(fā)生劇烈反應(yīng)，所以在試驗(yàn)時(shí)比使用水冷卻試驗(yàn)裝置要更注重安全性。在平時(shí)維護(hù)方面，鈉試驗(yàn)回路需要用惰性氣體進(jìn)行隔絕，并需要特殊的裝置進(jìn)行清洗等，不如水冷卻試驗(yàn)裝置維護(hù)方便。也就是說，使用鈉臺架進(jìn)行該試驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)性、安全性上將比使用水臺架進(jìn)行試驗(yàn)要差，同時(shí)鈉試驗(yàn)臺架可維護(hù)性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種能夠使用水試驗(yàn)臺架進(jìn)行高溫氣隙傳熱特性試驗(yàn)研究的裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種進(jìn)行高溫氣隙傳熱特性試驗(yàn)研究的裝置，包括間隙傳熱裝置本體、真空系統(tǒng)、冷卻劑水回路和電控系統(tǒng)，所述的間隙傳熱裝置本體包括加熱元件，在加熱元件外設(shè)有傳熱套筒，傳熱套筒外設(shè)有水回路套筒，水回路套筒連接冷卻劑水回路，其中，所述的傳熱套筒共有三層，三層傳熱套筒之間形成兩層傳熱氣隙，外層傳熱氣隙用于控制溫度，使溫度達(dá)到試驗(yàn)條件，內(nèi)層傳熱氣隙為試驗(yàn)區(qū)域。

進(jìn)一步，如上所述的進(jìn)行高溫氣隙傳熱特性試驗(yàn)研究的裝置，其中，所述的三層傳熱套筒的內(nèi)層為銅材質(zhì)，中間層和外層為不銹鋼材質(zhì)。

進(jìn)一步，如上所述的進(jìn)行高溫氣隙傳熱特性試驗(yàn)研究的裝置，其中，所述的三層傳熱套筒的內(nèi)層厚度為8mm～15mm，中間層厚度為4mm～10mm，外層厚度為5mm～7mm。

進(jìn)一步，如上所述的進(jìn)行高溫氣隙傳熱特性試驗(yàn)研究的裝置，其中，所述的內(nèi)層傳熱氣隙厚度為0.02mm～0.5mm，外層傳熱氣隙厚度為0.5mm～3mm。

進(jìn)一步，如上所述的進(jìn)行高溫氣隙傳熱特性試驗(yàn)研究的裝置，其中，所述的真空系統(tǒng)包括真空泵和氦氣瓶，真空系統(tǒng)分別與兩層傳熱氣隙連接，對傳熱氣隙進(jìn)行抽真空和充氦。

進(jìn)一步，如上所述的進(jìn)行高溫氣隙傳熱特性試驗(yàn)研究的裝置，其中，在兩層傳熱氣隙內(nèi)以及加熱元件表面設(shè)置若干熱電偶用于溫度監(jiān)測，熱電偶與電控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊相連接。

進(jìn)一步，如上所述的進(jìn)行高溫氣隙傳熱特性試驗(yàn)研究的裝置，其中，所述的間隙傳熱裝置本體通過安裝法蘭固定在支承座上，并通過o型圈和密封膠進(jìn)行密封。

進(jìn)一步，如上所述的進(jìn)行高溫氣隙傳熱特性試驗(yàn)研究的裝置，其中，所述的加熱元件為圓柱形的電加熱棒。

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明采用雙層氣隙的設(shè)計(jì)，通過外側(cè)氣隙保證內(nèi)側(cè)試驗(yàn)氣隙達(dá)到試驗(yàn)所需的線功率和兩側(cè)溫差，這是采用傳統(tǒng)的水冷卻的氣隙傳熱特性試驗(yàn)裝置無法達(dá)到的。與理論上可以達(dá)到同樣效果的液態(tài)鈉冷卻的氣隙傳熱特性試驗(yàn)裝置相比，本發(fā)明中采用的裝置可以沿用傳統(tǒng)的水冷卻的氣隙傳熱特性試驗(yàn)裝置的主體結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)氣隙外側(cè)增加調(diào)溫氣隙，可以采用類似的水臺架回路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其經(jīng)濟(jì)性、安全性和可維護(hù)性都優(yōu)于使用液態(tài)鈉冷卻的氣隙傳熱特性試驗(yàn)裝置。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例中間隙傳熱裝置本體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為為本發(fā)明具體實(shí)施例中試驗(yàn)段的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

本發(fā)明所提供的進(jìn)行高溫氣隙傳熱特性試驗(yàn)研究的裝置包括間隙傳熱裝置本體、實(shí)驗(yàn)臺架、真空系統(tǒng)、冷卻劑水回路和電控系統(tǒng)等設(shè)備。其中，真空系統(tǒng)用于對間隙傳熱裝置進(jìn)行抽真空充氦，主要由真空機(jī)械泵、he氣瓶、壓力表等構(gòu)成，冷卻劑水回路用于帶走間隙傳熱裝置本體的熱量，穩(wěn)定裝置溫度。電控系統(tǒng)負(fù)責(zé)電氣控制和監(jiān)測溫度，并設(shè)有溫度預(yù)警功能，對超高溫進(jìn)行報(bào)警，保護(hù)試驗(yàn)人員和裝置的安全。

如圖1所示，間隙傳熱裝置本體是由加熱元件3、三層傳熱套筒1、安裝法蘭4、支承座5和水回路套筒2等構(gòu)成，水回路套筒2上設(shè)有進(jìn)水口7和出水口8，用于連接冷卻劑水回路。三層傳熱套筒之間形成兩層傳熱氣隙，其中最里層的傳熱套筒為純銅材質(zhì)，其它兩層為奧氏體不銹鋼，內(nèi)層和中間套筒可以更換，通過組合可以進(jìn)行不同工況條件下的傳熱試驗(yàn)。分別在銅質(zhì)內(nèi)套筒內(nèi)外兩側(cè)、中間套筒、外套筒的對稱兩側(cè)開槽，插入8支鎧裝熱電偶6監(jiān)測氣隙溫度，熱電偶的測量范圍為0-800℃，熱電偶與電控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊相連接。間隙傳熱裝置的整體尺寸為φ190×610mm，裝置為密封結(jié)構(gòu)，主要靠支承座5和安裝法蘭4的o型橡膠圈和密封膠進(jìn)行密封。加熱元件3采用圓柱形的電加熱元件棒，最高熱功率為3.04kw，最高線功率為19kw/m，表面最高溫度為800℃。加熱段冷卻水的流速為0.4-0.6m/s，入口冷卻水溫度約為20℃。

試驗(yàn)裝置的原理示意圖如圖2所示，圖中標(biāo)示出試驗(yàn)裝置的調(diào)溫氣隙、試驗(yàn)氣隙和加熱棒的布局情況以及氣隙兩側(cè)的材料布置情況，調(diào)溫氣隙、試驗(yàn)氣隙的厚度，氣隙兩側(cè)的材料和加熱棒可根據(jù)實(shí)際需要做出調(diào)整。圖2中，最中間的區(qū)域?yàn)閳A柱形的加熱元件，由外向內(nèi)，依次為環(huán)形的不銹鋼、氣體、不銹鋼、氣體、銅，各層的幾何尺寸和溫度見圖中的標(biāo)注，其中，d0-d5處的溫度分別為t0-t5，在試驗(yàn)裝置的最外層不銹鋼設(shè)置有水冷卻回路帶走熱量。三層傳熱套筒的內(nèi)層(d0-d1)厚度為8mm～15mm，中間層(d2-d3)厚度為4mm～10mm，外層(d4-d5)厚度為5mm～7mm。內(nèi)層傳熱氣隙(試驗(yàn)氣隙d1-d2)厚度為0.02mm～0.5mm，外層傳熱氣隙(調(diào)溫氣隙d3-d4)厚度為0.5mm～3mm。

由于氣體導(dǎo)熱性較差，在氣體間隙兩側(cè)有熱量傳導(dǎo)就會產(chǎn)生溫差。假如人為的加大氣體間隙的尺寸，就會產(chǎn)生較大的溫差，從而在氣體間隙兩側(cè)形成較高的溫度梯度。在試驗(yàn)裝置中，最外層的氣體間隙(d3-d4)用于控制溫度，使溫度達(dá)到試驗(yàn)條件；中間層的氣體間隙(d1-d2)是試驗(yàn)關(guān)心的區(qū)域，為了使這個(gè)區(qū)域與實(shí)驗(yàn)快堆輻照罐設(shè)計(jì)中的間隙有相同的條件，試驗(yàn)時(shí)設(shè)置這層氣隙的內(nèi)層為純銅，外層為不銹鋼。

對于雙層氣體間隙，熱量傳遞主要包括輻射傳熱和導(dǎo)熱，計(jì)算公式如下：

式中，εi是氣隙內(nèi)表面材料的表面輻射系數(shù)；εs是氣隙外表面材料的表面輻射系數(shù)；ai是氣隙內(nèi)表面的輻射面積，m²；as是氣隙外表面的輻射面積，m²；ti是氣隙內(nèi)表面溫度，k；ts是氣隙外表面溫度，k。

式中，khe是氦氣的熱導(dǎo)率，w/(m·k)；di是氣隙的內(nèi)徑，m；ds是氣隙的外徑，m；l是氣隙軸向長度，m。

輻射容器的總釋熱為二者之和：

φ總釋熱＝φ輻射+φ導(dǎo)熱(3)

試驗(yàn)段外側(cè)冷卻熱工計(jì)算

適用條件：

1.5＜prf＜5002300＜ref＜10⁶

式中，prf是以流體的溫度確定的普朗特?cái)?shù)；prw是以壁面的溫度確定的普朗特?cái)?shù)；d是冷卻試驗(yàn)段的外徑，m；l是冷卻試驗(yàn)段的高度，m；ref是以流體的溫度確定的雷諾數(shù)；nuf是以流體的溫度確定的試驗(yàn)段外側(cè)冷卻壁面換熱的努賽爾數(shù)。

采用本發(fā)明裝置的試驗(yàn)方法如下：

①實(shí)驗(yàn)前，按照裝置設(shè)計(jì)方案進(jìn)行間隙傳熱裝置裝配，獲得選定的氣體間隙；

②依照實(shí)驗(yàn)流程，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)先用機(jī)械泵對氣隙傳熱裝置內(nèi)抽真空，真空壓力表顯示真空度合格后，使用氦氣瓶對不銹鋼筒內(nèi)充氦氣，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值后關(guān)閉閥門，此時(shí)記錄下壓力表的數(shù)值。

③打開水回路裝置的進(jìn)水閥門，利用屏蔽泵將去離子水通過穩(wěn)壓罐注入冷卻回路，直至充滿整個(gè)回路。

④通過手動調(diào)整旁路調(diào)節(jié)閥使得去離子水達(dá)到額定流量，待回路運(yùn)行穩(wěn)定后對屏蔽泵排氣。

⑤提升電加熱元件的加熱功率，熱功率應(yīng)分階段逐步升高，記錄每階段穩(wěn)定后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。注意觀察裝置內(nèi)套筒外壁溫度，若超過計(jì)算溫度后則立刻停止提升加熱功率，手動調(diào)整冷卻水流量以降低外壁溫度。

⑥待外壁溫度下降至計(jì)算溫度以下且穩(wěn)定后，再逐步提升加熱功率達(dá)到額定值，此時(shí)再調(diào)節(jié)冷卻劑流量保證外壁溫度達(dá)到計(jì)算值，記錄溫度穩(wěn)定后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

⑦在確保加熱元件表面溫度和銅柱溫度不超出限值的情況下，可考慮嘗試進(jìn)行更高的實(shí)驗(yàn)溫度。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。