本发明涉及超临界水并联通道分段加热技术领域，具体涉及一种新型超临界水并联通道分段可调节电加热装置。
背景技术：
核电是低碳能源供应的支柱，相对于传统的火电、水电以及风电等能源，核电具有不排放二氧化碳和废气、无环境污染、发电稳定及成本低廉等优点。由于全球经济的持续发展以及低碳减排的需求，核电受到越来越多国家的青睐。为了进一步提高未来核电站的安全性以及经济性，国内外核电企业及科研机构开始了第四代核能系统的研发工作。
超临界水冷堆是第四代核能系统中唯一入选的水冷堆。我国目前的核电技术路线均以压水堆为主。因此从满足我国未来清洁能源发展需求和技术延续性出发，超临界水冷堆是一种具有安全性、经济性和可持续性的极具前景的堆芯方案。超临界水冷堆由于堆芯结构复杂、出入口冷却剂密度差较大，堆芯中存在发生异相流动不稳定性的可能。超临界水并联通道流动不稳定性实验是研究超临界水冷堆流动不稳定特征的重要机理性实验，用于反映超临界水冷堆在冷却剂密度变化情况下可能出现的流动不稳定性特征。
原型超临界水冷堆堆芯功率沿轴向为非均匀分布，这种非均匀分布特征会影响通道沿程的温度分布、边界层特征、流动特性，进而影响流动不稳定性现象的起始点、不稳定性动态特性等规律。因此需要在热工实验中开展非均匀热流密度条件下的流动不稳定性研究。目前，一般采用非均匀壁厚方法实现功率的非均匀分布，但是这种方法对于通道的加工制造要求水平很高，关键技术还掌握在国外公司中；另外，这种方式对于一个通道只能得到一组固定的功率分布形状，无法实现功率分布的瞬态控制和定向调节，不能应用于有瞬态调节需求的实验研究中。
基于此，研究并开发设计了一种新型的超临界水并联通道分段可调节电加热方法用于模拟原型超临界水冷堆轴向功率分布特性。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是现有针对热工实验中对非均匀热流密度流动不稳定性的研究中，采用非均匀壁厚方法，对加热通道的加工制造水平要求较高，无法实现对功率分布的瞬态控制和定向调节，不能应用于有瞬态调节需求的实验研究中。本发明目的在于提供一种新型超临界水并联通道分段可调节电加热装置，在加热通道上安装导电铜排，相邻导电铜排间设置为对应加热通道区域加热的独立加热端，解决了无法实现对水冷堆轴向功率分布特性进行模拟，瞬态控制、定向调节的技术问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种新型超临界水并联通道分段可调节电加热装置，包括等壁厚的加热通道，在加热通道上至少设置三个导电铜排，相邻两个导电铜排之间连接有加热模块，加热模块包括可编程直流电源及和可编程直流电源连接的单向二极管，相邻两个加热模块构成一个加热模块组，加热模块组的两个单向二极管的负极与负极相连，两个单向二极管的正极与正极相连，相邻两个加热模块分别与导电铜排构成的电流回路互不串流。
目前，针对热工实验中开展非均匀热流密度条件下的流动不稳定性研究，一般采用非均匀壁厚方法实现功率的非均匀分布，但是该方法采用的装置无法实现对功率分布进行瞬态控制和定向调节。
基于此，发明人研究设计了超临界水并联通道分段可调节装置，采用等壁厚的加热通道作为实验用加热流道，降低加热通道采用管道的加工难度和生产成本，其作为原型水堆结构中的典型通道；在加热通道上至少设置三个导电铜排，导电铜排的设置将加热通道分隔成多个小段加热通道；在相邻两个导电铜排之间连接加热模块，加热模块对加热通道分段加热；加热模块具体结构为包括可编程直流电源及和可编程直流电源连接的单向二极管，可编程直流电源控制相邻两个导电铜排间的小段加热通道，实现加热通道功率的瞬态分布变化；设置相邻两个加热模块构成一个加热模块组，加热模块组的两个单向二极管的负极与负极相连，两个单向二极管的正极与正极相连，相邻两个加热模块分别与导电铜排构成的电流回路互不串流。
工作原理：以在加热通道的进口端设置的导电铜排命名为下端导电铜排，在加热通道的中间端设置的导电铜排命名为中间端导电铜排，选取下端导电铜排、与下端导电铜排相邻的中间端导电铜排、与下端导电铜排、中间端导电铜排分别连接的一小段加热通道作为对象，说明具体分段加热的过程，可编程模块化直流电源的电流从正极流出，经过单向二极管到中间端导电铜排、再经过下端导电铜排、中间端导电铜排分别连接的一小段加热通道，对一小段加热通道进行加热，然后到达下端导电铜排，再流入可编程直流电源的负极。单向二极管的设置，使得可编程直流电源的电流不会流入相邻的加热通道电路系统中，实现每个可编程直流电源仅对相邻的导电铜排间对应的加热通道分段加热，最终实现对整个加热通道的加热。
具体地，本技术方案采用的等壁厚的加热通道，而现有主要采用非均匀壁厚的加热通道，非均匀壁厚的加热通道用于模拟轴向功率的非均匀分布，即在轴向非均匀壁厚的加热通道两端加上直流电源，壁厚越厚的部位，其电阻越小，壁厚越薄的部位，其电阻越大。整根加热通道上的电流是恒定的，电阻越大之处，功率越大，现有装置能够实现对加热通道上轴向功率非均匀分布以及大小的瞬态调节，但是模拟出的功率分布形状是固定的，仅有一种形状，而采用等壁厚的加热通道则能很好的解决该问题，加热通道上不同位置处的加热功率大小可根据需求进行调节，功率的分布形状也可随时间变化，与真实反应堆中的瞬态变化情况更为接近。通过对加热通道进行分段加热，且采用均匀壁厚的加热通道，可实现对功率分布的瞬态控制和定向调节，能应用于有瞬态调节需求的实验研究中。而采用非均匀壁厚的加热通道，整个加热通道功率形状不随时间变化，为正弦分布或为其他固定形状分布，具体功率形状分布与管道壁厚度的形状有关，在管道壁厚度确定的情况下，功率分布形状亦确定，且仅能调节功率大小，加热通道的相同位置处不同时刻的功率为成比例变化，无法反映反应堆真实的瞬态变化情况。
具体地，可编程直流电源又称可编程模块电源，对分段加热通道进行独立精细调节控制，提供加热能量，其结构及其原理为所属领域的公知常识，不再详述。
具体地，单向二极管，又称晶体二极管，即只往一个方向传送电流的电子零件，用于保护可编程直流电源不会超载，其具体结构及其原理为所属领域的公知常识，不再详述。
具体地，本技术方案中所述的导电铜排，实现对加热通道进行分段电气隔离，而非物理分割，每相连两个导电铜排间串接可编程直流电源，实现对加热段独立瞬态调节。导电铜排的结构及其原理为所属领域的公知常识，不再详述。
进一步地，所述加热通道为采用镍基合金制成。镍基合金是以镍为基体，在650—1000℃下具有较高的强度、良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。在本技术方案中采用镍基合金制备的加热通道，降低了对加热管道的加工制造要求。
进一步地，所述相邻可编程直流电源之间采用两两相向方式布置。可编程直流电源设置在相邻两个导电铜排之间，并对相邻两个导电铜排间对应的加热通道进行独立调节控制。而相邻的为一体结构的小段加热通道之间连接的可编程直流电源，正极对正极、负极对负极。上述设置方式，针对多个可编程直流电源联接的情况，其电势会在一定程度上进行抵消，整个回路的最高电势降低，有助于电气安全。
进一步地，所述加热通道由两根并联等壁厚的电加热管构成。电加热管是由高强度的镍基合金材料制作而成，满足超临界水的高温高压运行环境。这里对加热通道的结构进行进一步限定，优选，由两根并排的等壁厚加热管构成，即并联通道，水流从入口进入，分别进入两根加热管道后被加热成超临界水，最后由出口混合后流出。
本技术方案中设置加热通道由两根电加热管构成，并非对构成加热通道电加热个数的限定，根据研究试验的类型不同，电加热管的个数为可大于等于两根。
进一步地，所述每根电加热管的出口端、进口端均设有绝缘法兰。绝缘法兰的结构为本领域的公知结构，不再详述。绝缘法兰的设置，使两根并联电加热管的电流不会交叉流动，对两根电加热管的独立加热。
进一步地，所述加热通道为整体一体化结构，即加热通道为非分割结构，如加热通道由两根并排等壁厚的电加热管构成，每根加热管为一个整体结构，不能分割，从而降低了对加热管道的加工制造要求。
进一步地，所述导电铜排与加热通道焊接。这里对导电铜排与加热通道的连接方式进行限定，优选通过焊接的方式，实现对对应区段的加热通道进行加热。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
（1）本发明超临界水并联通道分段可调节电加热装置，采用等壁厚非分割的加热通道，降低对加热管道的加工制造要求。
（2）本发明超临界水并联通道分段可调节电加热装置，在加热通道上根据应用需求设置多个导电铜排，每相邻两个导电铜排之间为独立加热端，每两个导电铜排间设置的可编程直流电源，每个可编程直流电源可对对应的独立加热端进行调节控制，可根据实验需求，瞬态调整通道的功率分布。
（3）本发明超临界水并联通道分段可调节电加热装置，在每个可编程直流电源的正极通过单向二极管接入电路，确保每个可编程直流电源的电流输出方向保持稳定，起到保护电源的作用。
（4）本发明所采用的装置，实现了超临界并联通道的分段加热，每段加热功率可实现独立瞬态调节，满足反应堆热工水力实验研究中对非均匀加热实验条件的模拟。目前已利用本发明对超临界水冷堆方案的流动不稳定性开展了机理性实验研究，探索了超临界条件下流动不稳定性的规律和特点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
附图中标记及相应的零部件名称：
1-加热通道，2-导电铜排，，3-可编程直流电源，4-单向二极管，5-绝缘法兰。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，本发明一种新型超临界水并联通道分段可调节电加热装置，包括等壁厚的加热通道1，在加热通道1上至少设置三个导电铜排2，相邻两个导电铜排2之间连接有加热模块，加热模块包括可编程直流电源3及和可编程直流电源3连接的单向二极管4，相邻两个加热模块构成一个加热模块组，加热模块组的两个单向二极管4的负极与负极相连，两个单向二极管的4的正极与正极相连，相邻两个加热模块分别与导电铜排2构成的电流回路互不串流。。
其中，所述加热通道1为采用镍基合金制成。
其中，所述相邻可编程直流电源3之间采用两两相向方式布置。
其中，所述加热通道1由两根并联等壁厚的电加热管形成。
其中，所述每根电加热管的出口端、进口端均设有绝缘法兰5。
其中，所述加热通道1为整体一体化结构。
其中，所述导电铜排与加热通道1焊接。
本实施例1与现有技术相比，
（1）本实施例采用等壁厚非分割的加热通道1，降低对加热管道的加工制造要求。
（2）本实施例在加热通道1上可根据应用需求设置多个导电铜排，每相邻两个导电铜排之间为独立加热端，每两个导电铜排间设置的可编程直流电源3，每个可编程直流电源3可对对应的独立加热端进行调节控制，可根据实验需求，瞬态调整通道的功率分布。
（3）本实施例在每个可编程直流电源的正极通过单向二极管4接入电路，确保每个可编程直流电源的电流输出方向保持稳定，起到保护电源的作用。
（4）本实施例所述装置实现了超临界并联通道的分段加热，每段加热功率可实现独立瞬态调节，满足反应堆热工水力实验研究中对非均匀加热实验条件的模拟。目前已利用本发明对超临界水冷堆方案的流动不稳定性开展了机理性实验研究，探明了超临界条件下流动不稳定性的规律和特点。
实施例2：
采用实施例1所述超临界水并联通道分段可调节电加热装置，对水冷堆堆芯功率轴向非均匀分布模拟，模拟过程中对功率瞬态控制与调节方法为手动调节控制和自动调节控制。
手动调节控制方法为：每一个可编程直流电源有一个信号输入端口，操作人员可根据试验需要通过在可编程直流电源的控制终端输入4—20mA的信号来调节每一个可编程直流电源的加热功率，由于每一个可编程直流电源与加热通道的部分区域一一对应，即一个可编程直流电源与相邻两个导电铜排、单向二极管及相邻两个导电铜排间的加热通道部分区域构成回路，从而在试验中实现对加热通道的分段功率调节。由于每一个可编程直流电源为独立控制，加热通道的功率分布可根据试验需求而变化。
自动调节控制方法为：在每一个可编程直流电源中嵌入一个自动功率控制程序，该程序可根据试验需求来制定，如随实践逐渐增大、减小或周期性震荡，也可根据具体的物理现象来制定，例如试验研究中流量、温度以及压力的函数，会随这些参数的变化而实时改变。当可编程直流电源中嵌入这些自动功率控制程序后，实验人员在试验控制平台激活自动功率控制程序，可编程直流电源的功率将按照控制程序的规定发生变化，每一个可编程直流电源的控制程序可以相同，也可不同，实现对其独立控制，从而达到分段加热功率的调节和控制。
其中，自动调节控制方法中，内部嵌有自动功率控制程序的可编程直流电源为现有技术，其型号为Power Ten P66其结构及其原理为本领域的公知常识，不再详述。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。