一种可视化池式沸腾及临界热流密度试验系统及方法技术方案

一种可视化池式沸腾及临界热流密度试验系统及方法，该系统包括装载换热工质的透明水箱，置于水箱底部的电加热棒，悬挂于水箱内的试验段以及通过钢丝绳与试验段连接、用于调整试验段倾斜角度的绞车；本发明专利技术还提供了试验方法；本发明专利技术通过开展池式沸腾及CHF试验，获得反应堆严重事故条件下的压力容器下封头外表面CHF数据进行安全设计。

A visualized pool boiling and critical heat flux test system and method

A visualized pool boiling and critical heat flux test system and method are provided. The system comprises a transparent water tank loaded with heat exchangers, an electric heating rod placed at the bottom of the water tank, a test section suspended in the water tank, and a winch connected with the test section by a wire rope for adjusting the inclination angle of the test section. The invention also provides a winch for adjusting the inclination angle of the test section. The invention obtains the CHF data of the pressure vessel under the condition of serious accident through pool boiling and CHF test.

【技术实现步骤摘要】
一种可视化池式沸腾及临界热流密度试验系统及方法
本专利技术涉及反应堆严重事故条件下的压力容器下封头内熔融物衰变热移除特性研究
，具体涉及一种可视化池式沸腾及临界热流密度(Criticalheatflux,CHF)试验系统及方法。
技术介绍
如果核电厂反应堆堆芯在发生严重事故条件下得不到足够的冷却，衰变热的不断累积会导致堆芯急剧升温发生熔化，熔化后的堆芯熔融物逐渐向下迁移，熔穿支撑板掉落到下封头内形成碎片床熔融池结构。对应于全堆芯熔化的极端条件，下封头内的熔融池在内热源的作用下发生高瑞利数的自然对流，向下封头壁面传递热量。如果下封头外壁面的强迫冷却不能够带走熔融池传递来的衰变热，下封头壁面会逐渐升温发生高温蠕变直至熔穿失效，引起大量放射性物质外泄。压力容器外壁面的CHF特性，直接影响了压力容器的完整性。CHF越高，反应堆的安全性能就越高。因此，通过开展池式沸腾及临界热流密度特性试验研究，可以确定影响压力容器外壁面的因素，对压力容器设计安全性分析具有重要的意义。针对压力容器下封头外壁面的沸腾及CHF特性，不同的试验采用不同试验设计、不同的换热工质、不同的壁面构造，因此也得到了不同的试验结果。换热工质种类与换热壁面构造作为临界热流密度问题的关键参数，对下封头的CHF特性具有重要的影响。目前，国际上开展的试验研究大多以改变下封头壁面的构造以及改变换热工质的种类来展开。例如，文献(ZhongDW,MengJA,etal.Experimentalstudyofsaturatedpoolboilingfromdownwardfacingstructuredsurfaces[J].InternationalJournalofThermalSciences,2016,105:52-61)公开的加热面朝下的CHF试验系统，试验分别采用不同结构的换热面进行试验。但是这种试验系统不能够开展不同换热面面积对CHF影响的研究，具有局限性。又例如，文献(WuYW,SuGH,etal.Experimentalstudyoncriticalheatfluxonadownward-facingstainlesssteeldiskinconfinedspace[J].AnnalsofNuclearEnergy,2011,38:279-285)公开了一种加热面朝下的CHF试验系统。但是由于试验段不能实现角度的调控以及可视化，可获得的试验数据种类不够齐全。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种可视化池式沸腾及临界热流密度试验系统及方法，开展池式沸腾及临界热流密度特性试验研究，获得反应堆严重事故条件下的临界热流密度数据。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种可视化池式沸腾及临界热流密度试验系统，包括绞车10、水箱电加热棒8、透明水箱9以及试验段；试验段包括不锈钢防水罩5、吊环6、紫铜块1、试验段电加热棒2、保温棉3和K型热电偶4；试验段有换热面积不同的几种，分别为2cm×2cm、4cm×4cm、8cm×8cm和16cm×16cm，根据不同实验需求进行替换，在试验过程中，试验段换热面即紫铜块1底壁完全浸没在透明水箱9的换热工质里，实现试验段与换热工质的热量交换，紫铜块1置于不锈钢防水罩5内，通过在底部焊接银焊点7与不锈钢防水罩5固定，紫铜块1与不锈钢防水罩5内壁的间隙中填充有保温棉3；在试验段内安装有K型热电偶4，用于监测试验段换热面即紫铜块1底壁近壁面处的温度变化；紫铜块1内部有多个钻孔，试验段电加热棒2安置于钻孔内，为紫铜块1提供试验所需的加热功率；绞车10通过钢丝绳11与设置在不锈钢防水罩5上的多个吊环6连接，通过转动绞车10精确调整试验段的倾斜角度，满足不同的实验工况需求；水箱电加热棒8置于透明水箱9底部，用于加热透明水箱9内的换热工质使其温度达到饱和；所述通透明水箱9的材质为PC，能够利用高速摄像仪对试验段换热面上的气泡行为进行拍摄。所述保温棉3采用硅酸铝保温棉。所述K型热电偶4布置在试验段换热面即紫铜块1底壁上方1mm处。所述透明水箱9表面包覆有保温层。所述保温层为硅酸铝板包覆层，用胶带固定，厚度大于100mm。所述换热工质为纳米流体或去离子水。所述的一种可视化池式沸腾及临界热流密度试验系统的试验方法，试验开始前，需要提前将换热工质加热到饱和温度，依次打开数据测量与采集系统、试验段段加热棒加热；从0开始提高试验段加热功率，为确保安全及试验数据的可靠性，每次功率增幅不超过上一稳定功率的5％，每次调整时间间隔为5分钟，必须确保试验段在调整功率后温度达到稳定不再上升时才能继续提高功率；当试验段换热面的温度飞升5-15℃/s且无回落，迅速切断电源，此时的热流密度即为实验需要取得的最终结果——临界热流密度，热流密度计算式为：热流密度待试验段换热面温度降低到与换热工质一致时，再开始重复性试验或下一工况，试验结束后，关闭数据采集系统。和现有技术相比较，本专利技术具备如下优点：本专利技术所述的一种可视化池式沸腾及临界热流密度CHF试验系统及方法，是针对压水堆核电厂反应堆严重事故条件下的下封头外表面CHF特性而专利技术的试验系统，本专利技术的试验系统采用的试验段可以有效与水隔离，避免水漏进试验段影响实验数据精度，可以通过转动绞车方便地调整试验段的倾斜角度，试验段有换热面积不同的几种，其换热面积依次为2cm×2cm,4cm×4cm,8cm×8cm,16cm×16cm，可以根据不同实验需求进行方便的替换，能够尽可能模拟真实压力容器下封头的CHF特性，试验结果能较大限度的应用于工程实际中；本专利技术所述的一种可视化池式沸腾及临界热流密度CHF试验系统及方法，在换热工质选取方面，采用各种纳米流体作为试验的换热工质，包括金属、非金属、金属氧化物及非金属氧化物等，可以尽可能实现试验的宽参数范围。试验得到的数据更具有实际指导价值。附图说明图1为本专利技术一种可视化池式沸腾及CHF试验系统示意图。图2a为本专利技术试验段结构示意图。图2b为图2a的俯视示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细的说明：如图1、图2a和图2b所示，本专利技术是一种可视化池式沸腾及临界热流密度试验系统，所述试验系统包括绞车10、水箱电加热棒8、透明水箱9以及试验段；试验段包括不锈钢防水罩5，吊环6，紫铜块1，试验段电加热棒2，保温棉3，K型热电偶4；试验段有换热面积不同的几种，分别为2cm×2cm,4cm×4cm,8cm×8cm,16cm×16cm，可以根据不同实验需求进行方便的替换，在试验过程中，试验段换热面即紫铜块1底壁完全浸没在PC水箱的换热工质里，实现试验段与换热工质的热量交换，在试验段内安装有K型热电偶4用于监测试验段换热面近壁面处的温度变化；绞车10通过钢丝绳11与试验段的吊环6连接，用于调整试验段的倾斜角度；水箱电加热棒8用于加热水箱内的换热工质使其温度达到饱和(100℃)；作为本专利技术的优选实施方式，所述实验段主体由紫铜块1构成，与不锈钢防水罩5通过银焊点7焊接在一起，在紫铜块1和不锈钢防水罩5之间填充硅酸铝保温棉3进行保温处理。在铜块换热面附近1mm处布置有K型热电偶4进行温度监测。作为本专利技术的优选实施方式，所述透明水箱9表面都包覆有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可视化池式沸腾及临界热流密度试验系统，其特征在于：包括绞车(10)、水箱电加热棒(8)、透明水箱(9)以及试验段；试验段包括不锈钢防水罩(5)、吊环(6)、紫铜块(1)、试验段电加热棒(2)、保温棉(3)和K型热电偶(4)；试验段有换热面积不同的几种，分别为2cm×2cm、4cm×4cm、8cm×8cm和16cm×16cm，根据不同实验需求进行替换，在试验过程中，试验段换热面即紫铜块(1)底壁完全浸没在透明水箱(9)的换热工质里，实现试验段与换热工质的热量交换，紫铜块(1)置于不锈钢防水罩(5)内，通过在底部焊接银焊点(7)与不锈钢防水罩(5)固定，紫铜块(1)与不锈钢防水罩(5)内壁的间隙中填充有保温棉(3)；在试验段内安装有K型热电偶(4)，用于监测试验段换热面即紫铜块(1)底壁近壁面处的温度变化；紫铜块(1)内部有多个钻孔，试验段电加热棒(2)安置于钻孔内，为紫铜块(1)提供试验所需的加热功率；绞车(10)通过钢丝绳(11)与设置在不锈钢防水罩(5)上的多个吊环(6)连接，通过转动绞车(10)精确调整试验段的倾斜角度，满足不同的实验工况需求；水箱电加热棒(8)置于透明水箱(9)底部，用于加热透明水箱(9)内的换热工质使其温度达到饱和。...

【技术特征摘要】
1.一种可视化池式沸腾及临界热流密度试验系统，其特征在于：包括绞车(10)、水箱电加热棒(8)、透明水箱(9)以及试验段；试验段包括不锈钢防水罩(5)、吊环(6)、紫铜块(1)、试验段电加热棒(2)、保温棉(3)和K型热电偶(4)；试验段有换热面积不同的几种，分别为2cm×2cm、4cm×4cm、8cm×8cm和16cm×16cm，根据不同实验需求进行替换，在试验过程中，试验段换热面即紫铜块(1)底壁完全浸没在透明水箱(9)的换热工质里，实现试验段与换热工质的热量交换，紫铜块(1)置于不锈钢防水罩(5)内，通过在底部焊接银焊点(7)与不锈钢防水罩(5)固定，紫铜块(1)与不锈钢防水罩(5)内壁的间隙中填充有保温棉(3)；在试验段内安装有K型热电偶(4)，用于监测试验段换热面即紫铜块(1)底壁近壁面处的温度变化；紫铜块(1)内部有多个钻孔，试验段电加热棒(2)安置于钻孔内，为紫铜块(1)提供试验所需的加热功率；绞车(10)通过钢丝绳(11)与设置在不锈钢防水罩(5)上的多个吊环(6)连接，通过转动绞车(10)精确调整试验段的倾斜角度，满足不同的实验工况需求；水箱电加热棒(8)置于透明水箱(9)底部，用于加热透明水箱(9)内的换热工质使其温度达到饱和。2.根据权利要求1所述的一种可视化池式沸腾及临界热流密度试验系统，其特征在于：所述通透明水箱(9)的材质为PC，能够利用高速摄像仪对试验段换热面上的气泡行为进行拍摄。3.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏光辉，张亚培，邓匡汉，罗琦，田文喜，秋穗正，余红星，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61