适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置

1.本实用新型涉及核电技术领域，具体地，涉及一种适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置。


背景技术：

2.核反应堆功率密度远大于常规的能动装置，并且反应堆堆芯处于高温高压的环境下。为了提高核燃料的换热面积，通常将燃料棒束布置为栅元式的棒束结构。反应堆一回路的冷却剂流经棒束组件并将堆芯产生的热量带走，研究棒束通道内的流动传热特性对保证反应堆堆芯安全具有重要意义。
3.对于压水反应堆堆芯，正常运转情况下堆芯内为单相流动。当一回路发生小破口事故或主泵停滞运转时，由于堆芯供冷不足，堆芯将发生沸腾传热并产生蒸汽泡。对于沸水反应堆，设计工况下冷却剂在堆芯直接发生沸腾，堆芯蒸汽经汽水分离器和干燥器后直接推动汽轮机做功。由此可见，流动沸腾传热现象在核反应堆的运行过程较为常见。
4.关于沸腾传热的相关理论中，zuber提出的孔穴理论被人们普遍接受。沸腾传热的孔穴理论认为，当传热面热流密度、热边界层流体过热度等参数达到一定范围后，传热壁面热流密度、热边界层流体过热度等参数达到一定范围后，传热壁面的核化点被激活。核化点附近的液相吸收热边界层传递的热量后迅速汽化并形成蒸汽泡。蒸汽泡增长到一定程度后，根据传热工况点的不同，蒸汽泡将发生湮灭、滑移、增长等行为。随着蒸汽泡不断从热边界层吸收热量，相关参数开始低于核化沸腾的临界点，蒸汽泡的停止增长。关于棒束组件沸腾传热的研究自上世纪七十年代开始就已经开始，但是至今没有一套完善的传热理论体系与预测模型。观测汽泡的瞬态行为对研究棒束通道的流动传热具有重要意义。
5.经过检索，专利文献cn110729060b公开了一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置及方法，包括位于棒束通道外壳内棒束元件、棒束通道，棒束通道外壳上设置可视窗；棒束通道外壳底部连接固定法兰盘，固定法兰盘用于固定棒束元件并能够使工作介质流入棒束通道内；固定法兰盘上表面设置若干针头，固定法兰盘内设置与所有针头相连通的流道，还包括向流道内注入示踪剂的注入系统。该现有技术对应的研究内容是单相流动条件下的浓度场测量，不具备两相流情况下研究蒸汽泡尺寸、寿命等特性的能力。
6.专利文献cn104681110b公开了一种棒束通道全透明可视化实验装置，包括棒束通道本体、设置在棒束通道本体外用于卡紧棒束通道本体的承压外壳，所述棒束通道本体由透明材料制成，所述承压外壳上在其四周开设有观察槽。该现有技术虽然初步实现了两相流的可视化实验，但是棒束内部区域的两相流特征无法获取。
7.由于棒束组件呈栅元结构，相对于圆管结构更为复杂，有必要开发一套可视化实验系统来观测棒束组件内的瞬态气泡图像。同时，该系统应具备采集棒束内流体流量、温度、热流密度等关键性实验参数的能力。


技术实现要素：

8.针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置，设计了一套闭式实验回路；将带ito电镀层的石英玻璃管作为实验棒，满足棒束通道的可视化要求；在拍摄棒束通道瞬态汽泡的同时，通过数据采集系统获得棒束通道内流量、水温、壁温和加热功率。
9.根据本实用新型提供的一种适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置，包括：实验回路部，实验回路部包括可视化实验本体、去离子水箱、磁力齿轮泵、过滤器、高压电源、观察段和可视化棒束实验段，可视化实验本体包括实验棒束；去离子水箱一端与所述磁力齿轮泵一端相连，另一端与观察段的一端相连；过滤器一端与所述磁力齿轮泵的另一端相连，另一端与可视化实验本体相连；
10.去离子水经磁力齿轮泵驱动，逆时针流经过滤器、可视化棒束实验段和观察段，最后回到去离子水箱内；实验棒束上设置ito电镀层，ito电镀层与高压电源连接。
11.优选地，去离子水箱包括可视化视窗、冷却盘管、加热器和排气阀，排气阀贯通连接去离子水箱的内部和外部，可视化视窗设置在冷却盘管和加热器之间。
12.优选地，通过去离子水箱顶部的排气阀将实验回路部内的不凝性气体排出，去离子水箱内的水温由冷却盘管和加热器共同调节。
13.优选地，可视化实验本体还包括实验棒束固定板和定位格架，实验棒束固定板设置于实验棒束的两端，定位格架等间距设置于实验棒束上。
14.优选地，可视化实验本体还包括可视化棒束实验段，实验棒束为石英玻璃管，石英玻璃管排列呈矩形并置于可视化棒束实验段中，ito电镀层设置于石英玻璃管的内壁面。
15.优选地，石英玻璃管的外径为9.5mm，壁厚为1mm，石英玻璃管的耐热温度超过800℃。
16.优选地，ito电镀层产生的热量经过石英玻璃管被棒束通道内的去离子水吸收，ito电镀层的透光度超过70％。
17.优选地，还包括热电偶和流量计，热电偶和流量计设置在棒束通道上，实验回路部内的流体流速由流量计记录，水温与壁温通过热电偶记录，加热功率通过高压电源上的示数读取。
18.与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
19.1、本实用新型通过棒束通道流动沸腾传热，采用可视化的实验段和可视化实验棒束，能够获取包括棒束内部区域的两相流蒸汽泡特征。
20.2、本实用新型通过利用石英玻璃管作为实验棒束，石英玻璃耐热性高、热膨胀系数小，可以满足各种各样的实验工况条件。
21.3、本实用新型通过在石英玻璃管并在内壁面上镀上ito电镀层，满足汽泡图像的拍摄要求，能够实现棒束通道的可视化，可以通过数据采集部直接拍摄到棒束组件内部的瞬态汽泡图像。
22.4、本实用新型通过结合流量计、热电偶等，使得在拍摄瞬态汽泡的同时采集流量、水温、壁温等参数用于热工分析。
附图说明
23.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
24.图1为本实用新型中适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置的整体结构示意图；
25.图2为本实用新型中可视化棒束实验段的结构示意图；
26.图3为本实用新型中实验棒固定板的结构示意图；
27.图4为本实用新型中电极固定板的结构示意图。
28.图中：
29.具体实施方式
30.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
31.如图1所示，本实用新型提供了一种适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置，包括：实验回路部和数据采集部，实验回路部包括可视化实验本体和高压电源12，可视化实验本体包括实验棒束；实验回路部内去离子水进入可视化实验本体后被实验棒束加热，可视化实验本体出口的经冷却剂冷却后重新进入可视化实验本体内；实验棒束上设置ito电镀层1502，ito电镀层1502与高压电源12连接，棒束通道内冷却剂吸收ito薄膜产生的热量后产生汽泡；数据采集部通过可视化实验本体采集棒束通道内部区域的两相流的瞬态气泡特征。
32.其中，实验回路部包括去离子水箱1、磁力齿轮泵6、阀门7、流量计8、过滤器9、第一热电偶10、实验棒束固定板11、观察段13和定位格架14和可视化棒束实验段15；去离子水箱1一端与磁力齿轮泵6一端相连，另一端与观察段13的一端相连；过滤器9一端与磁力齿轮泵
6的另一端相连，另一端与可视化实验本体相连。去离子水箱1包括可视化视窗2、冷却盘管3、加热器4和排气阀5，排气阀5贯通连接去离子水箱1的内部和外部，可视化视窗2设置在冷却盘管3和加热器4之间。可视化视窗2用于观测水箱内流体状态。实验棒束固定板11设置于实验棒束的两端，定位格架14等间距设置于实验棒束上。
33.在正式实验前，通过去离子水箱1顶部的排气阀5将实验回路部内的不凝性气体排出，去离子水箱1内的水温由冷却盘管3和加热器4共同调节。冷却盘管3内冷却剂流速和电机热器电功率，将去离子水箱1内水温问调整至指定范围。去离子水经磁力齿轮泵6驱动，依次流经流量计8、过滤器9、可视化棒束实验段15、观察段13，最后再回到去离子水箱1内。
34.数据采集部包括高速摄影仪16和计算机17，通过高速摄影仪16拍摄棒束通道内的汽泡特征，实验回路部内流体流速由流量计8记录，水温与壁温通过第一热电偶10和第二热电偶1503记录，加热功率直接通过高压电源12上的示数读取.
35.如图2所示，可视化棒束实验段15还包括第二热电偶1503、电极1504、实验棒固定板1505和电极固定板1506，实验棒束为石英玻璃管1501，石英玻璃耐温性好、热膨胀系数低，可以满足流动传热的实验要求，石英玻璃管1501的耐热温度超过800℃。电极为一段长100mm、直径9.4mm的圆柱，将电极插入石英玻璃管1501内部并通过银钎焊固定。
36.如图3所示，实验棒固定板1505包括法兰孔15051、实验棒定位孔15052和硅胶圈1503，实验棒固定板1505为不锈钢材料，厚度为30mm。实验棒固定板1505上的法兰孔15051用于固定可视化棒束实验段15，实验棒定位孔15052则是用于固定实验棒束。将实验棒束两端的电极1504穿过实验棒固定板1505上的栅元结构圆孔。在电极与栅元结构圆孔之间加装一个外径9.55mm内径9.45mm的硅胶圈1503，硅胶圈采用o型橡圈，o型橡圈可以将实验棒束完全封闭，并保持实验棒两端的电极1504与实验棒固定板1505之间绝缘，避免实验棒固定板1505带电。
37.如图4所示，电极固定板1506为紫铜材料，上面开有电极定位孔15061。将实验棒末端的电极1504穿过实验棒固定板1505后，插入电极定位孔15061。通过银钎焊将电极1504与电极固定板1506焊接在一起。通过铜线将电极固定板1506与高压电源12两端连接。
38.本实用新型的优选例，作进一步说明。
39.基于上述实施例，本实用新型中的石英玻璃管1501排列呈矩形并置于可视化棒束实验段15中，ito电镀层1502设置于石英玻璃管1501的内壁面。ito电镀层1502具有导电性并且透光度超过70％，实验过程中可以透过ito电镀层1502获取棒束组件内部的瞬态汽泡图像。
40.基于上述实施例，本实用新型中的石英玻璃管1501的外径为9.5mm，壁厚为1mm，
41.工作原理：
42.步骤s1：将带有ito电镀层1502的石英玻璃管1501排列呈矩形并置于可视化棒束实验段15中，将石英玻璃管1501上的ito电镀层1502与高压电源12连接；
43.步骤s2：打开实验回路部上的磁力齿轮泵6，通过排气阀5将不凝性气体排出实验回路部；
44.步骤s3：通过冷却盘管3和加热器4将去离子水箱1内的水温调整至指定温度，通过实验回路部上的阀门7调整实验回路部的流体流速；
45.步骤s4：启动高压电源12并调整高压电源12电功率，ito电镀层1502产生的热量经
过石英玻璃管1501后被可视化实验本体内的冷却剂吸收，并产生气泡；
46.步骤s5：通过数据采集部拍摄棒束通道内的气泡特征，同时记录实验回路部的流速、棒束通道进口和出口的水温、棒束通道壁面温度和高压电源12的加热功率；
47.步骤s6：改变实验回路部流速、可视化棒束实验段15进口温度和加热功率，重复步骤s1
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步骤s5，获得不同条件下的瞬态气泡图像和壁面温度参数。流速，通过调节回路各个阀门开度，温度，调节水箱内加热器电功率和冷却盘管内冷却剂流速，电功率，直接通过高压电源12进行调整。
48.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本实用新型提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本实用新型提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本实用新型提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
49.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
50.以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。