螺旋十字型单棒和棒束通道流动传热实验装置及实验方法

摘要

本发明公开了一种螺旋十字型单棒和棒束通道流动传热实验装置及实验方法，涉及实验装置技术领域。本发明的实验装置采用直流电源加热，通过控制直流电源电流的大小开展不同加热功率的实验。在测温截面设置壁温和流体温度测点，采用钎焊将热电偶焊接在螺旋十字型元件的外壁面，为消除对流场的干扰，将热电偶信号引线从螺旋十字型元件的空心管中引出。外壳筒体垂直焊接有两组引压管，两组压差测量结果可以相互校正。本发明可以精确地获得螺旋十字型单棒和棒束通道的流动传热特性实验数据，从而为核反应堆堆芯设计和安全分析提供数据支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及实验装置技术领域，具体涉及一种螺旋十字型单棒和棒束通道流动传热实验装置及实验方法。

背景技术

螺旋十字型燃料组件是一种新型核反应堆燃料组件，其具有的螺旋结构能够强化冷却剂与燃料元件之间的传热。螺旋十字燃料元件之间可以相互支撑定位，从而取消了定位格架。与传统反应堆核燃料相比，螺旋十字型燃料组件可以提高功率密度和增加堆芯燃料装载量。研究冷却剂在螺旋十字型燃料组件中的流动传热特性可以支持堆芯设计和安全分析。

螺旋十字型燃料元件表面为螺旋结构，在开展流动传热实验时，面临实验段加热、壁面温度和流体温度测量等问题，已有的螺旋十字型燃料组件相关实验均为流动阻力特性实验，涉及螺旋十字型燃料组件的传热实验未见报道。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种螺旋十字型单棒和棒束通道流动传热实验装置，利用螺旋十字型单棒和棒束通道的实验结果获得螺旋十字型燃料组件的流动传热特性。通过本发明的实验装置可以开展螺旋十字型单棒和棒束通道的流动传热特性实验，可以较为精确地获得阻力和传热实验关联式和实验数据，为反应堆堆芯设计和安全分析提供数据支撑。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种螺旋十字型单棒和棒束通道流动传热实验装置，所述实验装置包括上密封组件1-1、上端盖法兰1-2、上导电铜排1-3、上导电头1-4、导电套1-5、定位块1-6、外壳筒体1-7、绝缘件1-8、螺旋十字型元件1-9、定位筒1-10、下导电头1-11、下导电铜排1-12、下密封盖1-13、下端盖法兰1-14、绝缘密封件1-15、铜辫子1-16、引压管1-17、下腔室1-18、定位格架1-19、紧固螺栓螺母1-20、上腔室1-21、第一压差变送器1-22和第二压差变送器1-23；螺旋十字型元件1-9位于实验装置内部，螺旋十字型元件1-9上部与上密封组件1-1过盈连接，上密封组件1-1通过导电套1-5与上导电头1-4过盈连接；上密封组件1-1、上端盖法兰1-2和上导电铜排1-3采用紧固螺栓螺母1-20及绝缘密封件1-15连接；在上导电头1-4下部设置定位块1-6，定位块1-6与上密封组件1-1的周向面接触，限制上密封组件1-1的横向位移；下腔室1-18设置入口接管，上腔室1-21设置出口接管，外壳筒体1-7、下腔室1-18和上腔室1-21采用焊接连接；外壳筒体1-7与绝缘件1-8过盈连接，绝缘件1-8内设置螺旋十字型元件1-9，定位格架1-19位于绝缘件1-8和螺旋十字型元件1-10之间，起到固定螺旋十字型元件1-10的作用；螺旋十字型元件1-9下部采用定位筒1-10固定，螺旋十字型元件1-9通过铜辫子1-16与下导电头1-11连接；下导电铜排1-12在下导电头1-11和下密封盖1-13之间，下导电铜排1-12、下密封盖1-13和下端盖法兰1-14采用紧固螺栓螺母1-20及绝缘密封件1-15连接；

当螺旋十字型元件1-9为单棒时，实验装置的测温截面包括单棒第一测温截面A-A和单棒第二测温截面B-B；

当螺旋十字型元件1-9为棒束时，实验装置的测温截面包括棒束第一测温截面C-C和棒束第二测温截面D-D。

当螺旋十字型元件1-9为单棒时，所述绝缘件1-8在实验装置中为绝缘流道管，当螺旋十字型元件1-9为棒束时，在实验装置中为绝缘流道板；绝缘流道管和绝缘流道板的制作材料为聚醚醚酮。

所述螺旋十字型元件1-9为单棒时，实验装置中为单根元件；所述螺旋十字型元件1-9为棒束时，实验装置中为多根元件；当螺旋十字型元件1-9为单棒时，所述定位块1-6为单个，当螺旋十字型元件1-9为棒束时，所述定位块1-6的数量与棒束中螺旋十字型元件1-9的数量相同。

所述外壳筒体1-7包含上筒体、中筒体和下筒体，上筒体和中筒体之间、下筒体和中筒体之间均采用紧固螺栓螺母及绝缘密封件连接。

所述引压管1-17包括第一引压管1-17-1、第二引压管1-17-2、第三引压管1-17-3和第四引压管1-17-4，第一引压管1-17-1和第三引压管1-17-3为一组测量实验装置的压差，第二引压管1-17-2和第四引压管1-17-4为一组实验装置的压差，两组压差能够相互校正；引压管1-17垂直焊接在外壳筒体1-7上，第一引压管1-17-1设置在靠近上腔室1-21的下部位置，第二引压管1-17-2设置在靠近第一引压管1-17-1的下部位置，第三引压管1-17-3和第四引压管1-17-4设置在第一引压管1-17-1和第二引压管1-17-2下方，第一引压管1-17-1和第三引压管1-17-3之间的垂直距离与第二引压管1-17-2和第四引压管1-17-4之间的垂直距离相等。

所述单棒第一测温截面A-A的测点包括单棒壁温第一测点A-1、单棒壁温第二测点A-2、流体温度第一测点A-3和流体温度第二测点A-4，单棒壁温第一测点A-1位于螺旋十字型元件1-9的叶瓣中点，单棒壁温第二测点A-2位于螺旋十字型元件1-9的叶谷中点，流体温度第一测点A-3和流体温度第二测点A-4位于螺旋十字型元件1-9叶谷附近的流体区域；单棒第二测温截面B-B和单棒第一测温截面A-A测点布置相同；

棒束第一测温截面C-C的测点包括多组壁温测点和多组流体温度测点，壁温测点位于螺旋十字型元件1-9的叶谷和叶瓣中点；流体温度测点位于螺旋十字型元件1-9附近的流体区域；棒束第一测温截面C-C和棒束第二测温截面D-D测点布置相同。

所述螺旋十字型元件1-9为七根元件时，所述棒束通道流动传热实验装置的第一测温截面C-C测点包括棒束流体温度第一测点C-1、棒束流体温度第二测点C-2、棒束流体温度第三测点C-3、棒束流体温度第四测点C-4、第一元件棒壁温第一测点C-5、第一元件棒流体温度第一测点C-6、第二元件棒壁温第一测点C-7、第二元件棒壁温第二测点C-8、第三元件棒流体温度第一测点C-17、第三元件棒流体温度第二测点C-18、第四元件棒壁温第一测点C-19、第四元件棒壁温第二测点C-20、第四元件棒壁温第三测点C-21、第五元件棒壁温第一测点C-9、第五元件棒壁温第二测点C-11、第五元件棒流体温度第一测点C-10、第六元件棒壁温第一测点C-15、第六元件棒壁温第二测点C-16、第七元件棒壁温第一测点C-12、第七元件棒壁温第二测点C-13、第七元件棒流体温度第三测点C-14；第一元件棒壁温第一测点C-5、第二元件棒壁温第一测点C-7、第二元件棒壁温第二测点C-8、第五元件棒壁温第二测点C-11、第七元件棒流体温度第三测点C-14、第六元件棒壁温第一测点C-15、第四元件棒壁温第一测点C-19和第四元件棒壁温第三测点C-21位于螺旋十字型元件1-9的叶瓣中点；第五元件棒壁温第一测点C-9、第七元件棒壁温第一测点C-12、第七元件棒壁温第二测点C-13、第六元件棒壁温第二测点C-16和第四元件棒壁温第二测点C-20位于螺旋十字型元件的叶谷中点；棒束流体温度第一测点C-1、棒束流体温度第二测点C-2、棒束流体温度第三测点C-3、棒束流体温度第四测点C-4、第一元件棒流体温度第一测点C-6、第五元件棒流体温度第一测点C-10、第三元件棒流体温度第一测点C-17和第三元件棒流体温度第二测点C-18位于七根螺旋十字型元件1-9附近的流体区域；棒束第二测温截面D-D和棒束第一测温截面C-C测点布置相同。

单棒第一测温截面A-A、单棒第二测温截面B-B、棒束第一测温截面C-C和棒束第二测温截面D-D中，壁温测点和流体温度测点采用K型热电偶，壁温测点的热电偶采用钎焊焊接在螺旋十字型元件1-9的外壁面上；第一元件棒流体温度第一测点C-6、第五元件棒流体温度第一测点C-10、第三元件棒流体温度第一测点C-17、第三元件棒流体温度第二测点C-18和壁温测点的热电偶信号引线通过螺旋十字型元件的内部空心管从上密封组件1-1中引出。

所述的一种螺旋十字型单棒和棒束通道流动传热实验装置的实验方法，所述方法是通过以下步骤实现：

步骤一：测试单棒第一测温截面A-A、单棒第二测温截面B-B、棒束第一测温截面C-C和棒束第二测温截面D-D上K型热电偶的工作性能；

步骤二：将实验装置的下腔室1-18入口接管和上腔室1-21出口接管与实验回路的接管相连；将第一压差变送器1-22的两个接口分别与第一引压管1-17-1和第三引压管1-17-3相连；将第二压差变送器1-23的两个接口分别与第二引压管1-17-2和第四引压管1-17-4相连；

步骤三：设置螺旋十字型元件1-9为单棒，则实验装置为螺旋十字型单棒通道流动传热实验装置，开展螺旋十字型单棒通道流动传热实验装置的流动阻力实验，调节实验回路的流量和螺旋十字型单棒通道流动传热实验装置的入口接管流体温度，同时记录第一压差变送器1-22和第二压差变送器1-23的示数；完成不同的实验工况；

步骤四：设置螺旋十字型元件1-9为单棒，则实验装置为螺旋十字型单棒通道流动传热实验装置，开展螺旋十字型单棒通道流动传热实验装置的传热实验，调节与单棒通道流动传热实验装置的上导电铜排1-3和下导电铜排1-12相连的低电压直流电源电流大小，利用螺旋十字型元件1-9电阻进行加热；调节实验回路的流量；固定螺旋十字型单棒通道流动传热实验装置的入口接管流体温度和出口接管流体温度；同时记录单棒第一测温截面A-A和单棒第二测温截面B-B的温度测点值；完成不同的实验工况；

步骤五：设置螺旋十字型元件1-9为棒束，则实验装置为螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置，将螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置的下腔室1-18入口接管和上腔室1-21出口接管与实验回路的接管相连；将第一压差变送器1-22的两个接口分别与第一引压管1-17-1和第三引压管1-17-3相连；将第二压差变送器1-23的两个接口分别与第二引压管1-17-2和第四引压管1-17-4相连；步骤六：设置螺旋十字型元件1-9为棒束，则实验装置为螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置，开展螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置的流动阻力实验，调节实验回路的流量和螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置的入口接管流体温度，同时记录第一压差变送器1-22和第二压差变送器1-23的示数；完成不同的实验工况；

步骤七：设置螺旋十字型元件1-9为棒束，则实验装置为螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置，开展螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置的传热实验，调节与螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置的上导电铜排1-3和下导电铜排1-12相连的低电压直流电源电流大小，利用螺旋十字型元件1-9电阻进行加热；调节实验回路的流量；固定螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置的入口接管流体温度和出口接管流体温度；同时记录棒束第一测温截面C-C和棒束第二测温截面D-D的温度测点值；完成不同的实验工况。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明的实验装置采用绝缘流道管和绝缘流道板作为绝缘部件，具有良好的安全性和可靠性。

2、本发明的压力测点和温度测点考虑了冗余量，具有良好的可靠性。

3、本发明采用低电压高电流对螺旋十字型元件进行电阻加热，通过调整直流电流改变螺旋十字型元件的加热功率。

4、本发明的壁温测量方法可以消除热电偶信号引线对流场的干扰，流体温度测量方法可以尽可能降低热电偶信号引线对流场的干扰。

附图说明

图1为本发明的单棒通道流动传热实验装置结构示意图。

图2为本发明的棒束通道流动传热实验装置结构示意图。图3为本发明的单棒通道流动传热实验装置的单棒第一测温截面A-A测点分布图。

图4为本发明的棒束通道流动传热实验装置的棒束第一测温截面C-C测点分布图。

具体实施方式

本发明提供了一种螺旋十字型单棒和棒束通道流动传热实验装置，现结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，一种螺旋十字型单棒和棒束通道流动传热实验装置，包括上密封组件1-1、上端盖法兰1-2、上导电铜排1-3、上导电头1-4、导电套1-5、定位块1-6、外壳筒体1-7、绝缘件1-8、螺旋十字型元件1-9、定位筒1-10、下导电头1-11、下导电铜排1-12、下密封盖1-13、下端盖法兰1-14、绝缘密封件1-15、铜辫子1-16、引压管1-17、下腔室1-18、定位格架1-19、紧固螺栓螺母1-20、上腔室1-21、第一压差变送器1-22和第二压差变送器1-23；螺旋十字型元件1-9位于实验装置内部，螺旋十字型元件1-9上部与上密封组件1-1过盈连接，上密封组件1-1通过导电套1-5与上导电头1-4过盈连接；上密封组件1-1、上端盖法兰1-2和上导电铜排1-3采用紧固螺栓螺母1-20及绝缘密封件1-15连接；在上导电头1-4下部设置定位块1-6，定位块1-6与上密封组件1-1的周向面接触，限制上密封组件1-1的横向位移；下腔室1-18设置入口接管，上腔室1-21设置出口接管，外壳筒体1-7、下腔室1-18和上腔室1-21采用焊接连接；外壳筒体1-7与绝缘件1-8过盈连接，绝缘件1-8内设置螺旋十字型元件1-9，定位格架1-19位于绝缘件1-8和螺旋十字型元件1-10之间，起到固定螺旋十字型元件1-10的作用；螺旋十字型元件1-9下部采用定位筒1-10固定，螺旋十字型元件1-9通过铜辫子1-16与下导电头1-11连接；下导电铜排1-12在下导电头1-11和下密封盖1-13之间，下导电铜排1-12、下密封盖1-13和下端盖法兰1-14采用紧固螺栓螺母1-20及绝缘密封件1-15连接；

当螺旋十字型元件1-9为单棒时，实验装置的测温截面包括单棒第一测温截面A-A和单棒第二测温截面B-B；

当螺旋十字型元件1-9为棒束时，实验装置的测温截面包括棒束第一测温截面C-C和棒束第二测温截面D-D。

作为本发明的优选实施方式，当螺旋十字型元件1-9为单棒时，绝缘件1-8在实验装置中为绝缘流道管，当螺旋十字型元件1-9为棒束时，在实验装置中为绝缘流道板；绝缘流道管和绝缘流道板的制作材料为聚醚醚酮。

作为本发明的优选实施方式，螺旋十字型元件1-9采用不锈钢空心管车削加工。

作为本发明的优选实施方式，单棒和棒束通道流动传热实验装置的螺旋十字型元件的长度优选1.5-2m。

作为本发明的优选实施方式，螺旋十字型元件1-9为单棒时，实验装置中为单根元件；螺旋十字型元件1-9为棒束时，实验装置中为多根元件；当螺旋十字型元件1-9为单棒时，定位块1-6为单个，当螺旋十字型元件1-9为棒束时，定位块1-6的数量与棒束中螺旋十字型元件1-9的数量相同。

作为本发明的优选实施方式，外壳筒体1-7包含上筒体、中筒体和下筒体，上筒体和中筒体之间、下筒体和中筒体之间均采用紧固螺栓螺母及绝缘密封件连接。

作为本发明的优选实施方式，引压管1-17包括第一引压管1-17-1、第二引压管1-17-2、第三引压管1-17-3和第四引压管1-17-4；第一引压管1-17-1和第三引压管1-17-3为一组测量实验装置的压差，第二引压管1-17-2和第四引压管1-17-4为一组实验装置的压差，两组压差能够相互校正；引压管1-17垂直焊接在外壳筒体1-7上，第一引压管1-17-1设置在靠近上腔室1-21的下部位置，第二引压管1-17-2设置在靠近第一引压管1-17-1的下部位置，第三引压管1-17-3和第四引压管1-17-4设置在第一引压管1-17-1和第二引压管1-17-2下方，第一引压管1-17-1和第三引压管1-17-3之间的垂直距离与第二引压管1-17-2和第四引压管1-17-4之间的垂直距离相等。

如图3所示，作为本发明的优选实施方式，单棒第一测温截面A-A的测点包括单棒壁温第一测点A-1、单棒壁温第二测点A-2、流体温度第一测点A-3和流体温度第二测点A-4，单棒壁温第一测点A-1位于螺旋十字型元件1-9的叶瓣中点，单棒壁温第二测点A-2位于螺旋十字型元件1-9的叶谷中点，流体温度第一测点A-3和流体温度第二测点A-4位于螺旋十字型元件1-9叶谷附近的流体区域；单棒第二测温截面B-B和单棒第一测温截面A-A测点布置相同；

棒束第一测温截面C-C的测点包括多组壁温测点和多组流体温度测点，壁温测点位于螺旋十字型元件1-9的叶谷和叶瓣中点；流体温度测点位于螺旋十字型元件1-9附近的流体区域；棒束第一测温截面C-C和棒束第二测温截面D-D测点布置相同。

如图4所示，作为本发明的优选实施方式，螺旋十字型元件1-9为七根元件时，所述棒束通道流动传热实验装置的第一测温截面C-C测点包括棒束流体温度第一测点C-1、棒束流体温度第二测点C-2、棒束流体温度第三测点C-3、棒束流体温度第四测点C-4、第一元件棒壁温第一测点C-5、第一元件棒流体温度第一测点C-6、第二元件棒壁温第一测点C-7、第二元件棒壁温第二测点C-8、第三元件棒流体温度第一测点C-17、第三元件棒流体温度第二测点C-18、第四元件棒壁温第一测点C-19、第四元件棒壁温第二测点C-20、第四元件棒壁温第三测点C-21、第五元件棒壁温第一测点C-9、第五元件棒壁温第二测点C-11、第五元件棒流体温度第一测点C-10、第六元件棒壁温第一测点C-15、第六元件棒壁温第二测点C-16、第七元件棒壁温第一测点C-12、第七元件棒壁温第二测点C-13、第七元件棒流体温度第三测点C-14；第一元件棒壁温第一测点C-5、第二元件棒壁温第一测点C-7、第二元件棒壁温第二测点C-8、第五元件棒壁温第二测点C-11、第七元件棒流体温度第三测点C-14、第六元件棒壁温第一测点C-15、第四元件棒壁温第一测点C-19和第四元件棒壁温第三测点C-21位于螺旋十字型元件1-9的叶瓣中点；第五元件棒壁温第一测点C-9、第七元件棒壁温第一测点C-12、第七元件棒壁温第二测点C-13、第六元件棒壁温第二测点C-16和第四元件棒壁温第二测点C-20位于螺旋十字型元件的叶谷中点；棒束流体温度第一测点C-1、棒束流体温度第二测点C-2、棒束流体温度第三测点C-3、棒束流体温度第四测点C-4、第一元件棒流体温度第一测点C-6、第五元件棒流体温度第一测点C-10、第三元件棒流体温度第一测点C-17和第三元件棒流体温度第二测点C-18位于七根螺旋十字型元件1-9附近的流体区域；棒束第二测温截面D-D和棒束第一测温截面C-C测点布置相同。

作为本发明的优选实施方式，单棒第一测温截面A-A、单棒第二测温截面B-B、棒束第一测温截面C-C和棒束第二测温截面D-D中，壁温测点和流体温度测点采用K型热电偶，壁温测点的热电偶采用钎焊焊接在螺旋十字型元件1-9的外壁面上；第一元件棒流体温度第一测点C-6、第五元件棒流体温度第一测点C-10、第三元件棒流体温度第一测点C-17、第三元件棒流体温度第二测点C-18和壁温测点的热电偶信号引线通过螺旋十字型元件的内部空心管从上密封组件1-1中引出。

一种螺旋十字型单棒和棒束通道流动传热实验装置实现的实验方是通过以下步骤实现：

步骤一：测试单棒第一测温截面A-A、单棒第二测温截面B-B、棒束第一测温截面C-C和棒束第二测温截面D-D上K型热电偶的工作性能；

步骤二：将实验装置的下腔室1-18入口接管和上腔室1-21出口接管与实验回路的接管相连；将第一压差变送器1-22的两个接口分别与第一引压管1-17-1和第三引压管1-17-3相连；将第二压差变送器1-23的两个接口分别与第二引压管1-17-2和第四引压管1-17-4相连；

步骤三：设置螺旋十字型元件1-9为单棒，则实验装置为螺旋十字型单棒通道流动传热实验装置，开展螺旋十字型单棒通道流动传热实验装置的流动阻力实验，调节实验回路的流量和螺旋十字型单棒通道流动传热实验装置的入口接管流体温度，同时记录第一压差变送器1-22和第二压差变送器1-23的示数；完成不同的实验工况；

步骤四：设置螺旋十字型元件1-9为单棒，则实验装置为螺旋十字型单棒通道流动传热实验装置，开展螺旋十字型单棒通道流动传热实验装置的传热实验，调节与单棒通道流动传热实验装置的上导电铜排1-3和下导电铜排1-12相连的低电压直流电源电流大小，利用螺旋十字型元件1-9电阻进行加热；调节实验回路的流量；固定螺旋十字型单棒通道流动传热实验装置的入口接管流体温度和出口接管流体温度；同时记录单棒第一测温截面A-A和单棒第二测温截面B-B的温度测点值；完成不同的实验工况；

步骤五：设置螺旋十字型元件1-9为棒束，则实验装置为螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置，将螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置的下腔室1-18入口接管和上腔室1-21出口接管与实验回路的接管相连；将第一压差变送器1-22的两个接口分别与第一引压管1-17-1和第三引压管1-17-3相连；将第二压差变送器1-23的两个接口分别与第二引压管1-17-2和第四引压管1-17-4相连；

步骤六：设置螺旋十字型元件1-9为棒束，则实验装置为螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置，开展螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置的流动阻力实验，调节实验回路的流量和螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置的入口接管流体温度，同时记录第一压差变送器1-22和第二压差变送器1-23的示数；完成不同的实验工况；

步骤七：设置螺旋十字型元件1-9为棒束，则实验装置为螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置，开展螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置的传热实验，调节与螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置的上导电铜排1-3和下导电铜排1-12相连的低电压直流电源电流大小，利用螺旋十字型元件1-9电阻进行加热；调节实验回路的流量；固定螺旋十字型棒束通道流动传热实验装置的入口接管流体温度和出口接管流体温度；同时记录棒束第一测温截面C-C和棒束第二测温截面D-D的温度测点值；完成不同的实验工况。