一种环形燃料热流分离实验装置及方法与流程

本发明涉及核电厂环形燃料技术领域，具体涉及一种环形燃料热流分离实验装置及方法。

背景技术：

双面冷却环形燃料元件相对传统棒状燃料元件具有两个优势：1)减小了芯块径向热传导路径的厚度，显著降低了芯块内最高温度；2)增加了冷却剂润湿周长，冷却能力得到显著提高。环形燃料的设计中，内外通道的尺寸大小是非常重要的环节，所设计出的尺寸应该满足内外通道的平均热流密度分别和冷却剂流量相匹配。若环形芯块中心孔直径过小，则内通道将因冷却剂流量过小导致冷却能力不足；反之，元件内径过大会导致外通道冷却能力不足。这将导致内通道或外通道出口处冷却剂温度不能满足冷却剂出口所需要的过冷度，甚至在靠近出口发生饱和沸腾。合适的尺寸可以使得内外热流和冷却剂流量匹配，使得燃料得到充分的冷却。本发明正是基于这种需求而提供了一种针对某一尺寸的环形燃料进行热流分离实验的装置。现有的进行燃料棒热工实验的装置大都只能进行棒状或棒束的实验，以关键词双面冷却环形燃料(dual-cooledannularfuel)、模拟装置(simulator)、热工水力(thermalhydraulics)、电加热(electricheating)在专利网和中英文期刊网上进行了检索，没有检索到涉及该方面技术的记载。在非常窄的内通道内进行测点布置和数据测量是本领域的技术难点，亟待解决。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种环形燃料热流分离实验装置及方法，可以在双面冷却的条件下测量环形燃料元件内外热流和冷却剂流量。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种环形燃料热流分离实验装置，包括圆柱形套管4，设置在圆柱形套管4内的燃料元件5，焊接在圆柱形套管4下端的入口接管1，焊接在圆柱形套管4上端的出口接管9，所述实验装置通过入口接管1和出口接管9与实验管道系统相连接，入口接管1和出口接管10上分别焊接有热电偶2；所述燃料元件5包括三个环形圆柱，分别是外包壳5-1、环形加热段5-2和内包壳5-3，环形加热段5-2位于外包壳5-1和内包壳5-3间；内包壳5-3内的通道为内通道，外包壳5-1与圆柱形套管4间的通道为外通道，所述燃料元件5位于圆柱形套管4的中部，上端和下端分别留有入口段和出口段。

所述实验装置的表面设置有预设厚度的保温层。

所述燃料元件5和圆柱套管4之间通过定位格架3固定，所述定位格架共有三层，分别布置在接近燃料元件入口处、燃料元件中段和接近燃料元件出口处，每层包括三个矩形截面的定位件，沿周向均匀布置；所述定位格架3同时也是温度测量通道，每个定位件中安装有三个铠装热电偶，分别是用来测量外包壳内壁温度的热电偶3-2、测量外包壳外壁面温度的热电偶3-3，测量内包壳内冷却剂温度的热电偶3-1；所述测量内包壳内冷却剂温度的热电偶3-1、测量外包壳内壁温度的热电偶3-2和测量外包壳外壁面温度的热电偶3-3之间填充有屏蔽材料，防止热电偶之间的热或电磁干扰；通过外包壳内外壁面温度能够获得通过外包壳导出的热流密度，再通过与冷却剂获得的总热量比较计算获得通过内包壳导出的热流密度。

所述圆柱套管4上距离下端50cm和90cm处分别开有三个取压孔，取压孔内安装有测压组件8，所测压力用来计算外通道冷却剂流量，再通过与入口总质量流量比较计算获得内通道冷却剂流量。

所述的热电偶2、测量内包壳内冷却剂温度的热电偶3-1、测量外包壳内壁温度的热电偶3-2、测量外包壳外壁面温度的热电偶3-3和测压组件8与整个实验管道系统的数据采集系统连接，为环形燃料元件热流分配研究提供实验基础。

所述的一种环形燃料热流分离实验装置的实验方法，所述实验装置连接在实验管道系统的管道上，管道中的流体经泵加压通过入口接管1进入实验装置，经过一段入口段后进入环形燃料内外通道对燃料元件进行冷却，之后再在出口段汇合，经出口接管9流回主回路管道；通过热电偶2获得其进出口温度，通过安装在主回路中的流量计获得其流量，继而计算得出冷却剂获得的总能量，计算公式为qt＝gcp(tout-tin)，其中qt为总功率，g是质量流速，cp是水的比热容，tin和tout分别是进出口温度；由安装在定位格架(3)中的测量外包壳内壁温度的热电偶(3-2)和测量外包壳外壁面温度的热电偶(3-3)所测温度求得向外包壳导出的热流密度qo，计算公式为其中qo为热流密度，λ是热导率，ti和to分别是外包壳内壁面和外壁面温度，δ是外包壳厚度；热流密度qo乘以外包壳面积即得到向外导出的功率，总功率qt减去向外导出的功率再除以内包壳面积就最终得到了向内导出的热流密度qi；测压组件(8)所处位置流动已达到充分发展状态，通过两组测压组件获得的压力，忽略加速压降，只考虑重位压降和摩擦压降，引入摩擦压降关联式，即可求得加速压降和外通道质量流量，总的质量流量减去外通道质量流量即可求得内通道质量流速。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明实验装置，为研究环形燃料内外热流分离而发明的实验装置，能够合理的模拟环形燃料的结构，整体结构简单，容易加工，成本低廉。

2、本发明实验装置，采用了测量外通道数据然后计算内通道数据的思路，避免了在内通道直接进行数据测量的困难。

3、本发明中定位格架3既起到固定作用，同时还是热电偶引线通道，避免了过多热电偶引线在通道内对流动的干扰。

附图说明

图1为本发明装置整体示意图。

图2为图1沿a-a方向视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的说明：

如图1所示，一种环形燃料热流分离实验装置，包括圆柱形套管4，设置在圆柱形套管4内的燃料元件5，焊接在圆柱形套管4下端的入口接管1，焊接在圆柱形套管4上端的出口接管9，所述实验装置通过入口接管1和出口接管9与实验管道系统相连接，入口接管1和出口接管10上分别焊接有热电偶2。所述燃料元件5包括三个环形圆柱，分别是外包壳5-1、环形加热段5-2和内包壳5-3，环形加热段5-2位于外包壳5-1和内包壳5-3间；内包壳5-3内的通道为内通道，外包壳5-1与圆柱形套管4间的通道为外通道，所述燃料元件5位于圆柱形套管4的中部，上端和下端分别留有入口段和出口段。

如图2所示，所述燃料元件5和圆柱套管之间通过定位格架3固定，所述定位格架共有三层，分别布置在接近燃料元件入口处、燃料元件中段和接近燃料元件出口处，每层包括三个矩形截面的定位件，沿周向均匀布置。所述定位格架3同时也是温度测量通道，每个定位件中安装有三个铠装热电偶，分别是用来测量外包壳内壁温度的热电偶3-2、测量外包壳外壁面温度的热电偶3-3，测量内包壳内冷却剂温度的热电偶3-1。所述测量内包壳内冷却剂温度的热电偶3-1、测量外包壳内壁温度的热电偶3-2和测量外包壳外壁面温度的热电偶3-3之间填充有屏蔽材料，防止热电偶之间的热或电磁干扰。通过外包壳内外壁面温度可以获得通过外包壳导出的热流密度，再通过与冷却剂获得的总热量比较计算获得通过内包壳导出的热流密度。

如图1所示，圆柱套管4上距离下端50cm和90cm处分别开有三个取压孔，取压孔内安装有测压组件8，所测压力用来计算外通道冷却剂流量，再通过与入口总质量流量比较计算获得内通道冷却剂流量。所述的热电偶2、测量内包壳内冷却剂温度的热电偶3-1、测量外包壳内壁温度的热电偶3-2、测量外包壳外壁面温度的热电偶3-3和测压组件8与整个实验管道系统的数据采集系统连接，为环形燃料元件热流分配研究提供实验基础。

如图1和图2所示，本发明一种环形燃料热流分配实验方法，所述实验装置连接在实验管道系统的管道上，管道中的流体经泵加压通过入口接管1进入实验装置，经过一段入口段后进入环形燃料内外通道对燃料元件进行冷却，之后再在出口段汇合，经出口接管9流回主回路管道。通过热电偶2获得其进出口温度，通过安装在主回路中的流量计获得其流量，继而计算得出冷却剂获得的总能量，计算公式为qt＝gcp(tout-tin)，其中qt为总功率，g是质量流速，cp是水的比热容，tin和tout分别是进出口温度；由安装在定位格架3中的测量外包壳内壁温度的热电偶3-2和测量外包壳外壁面温度的热电偶3-3所测温度求得向外包壳导出的热流密度qo，计算公式为其中qo为热流密度，λ是热导率，ti和to分别是外包壳内壁面和外壁面温度，δ是外包壳厚度；热流密度qo乘以外包壳面积即可得到向外导出的功率，总功率qt减去向外导出的功率再除以内包壳面积就最终得到了向内导出的热流密度qi；测压组件8所处位置流动已达到充分发展状态，通过两组测压组件获得的压力，忽略加速压降，只考虑重位压降和摩擦压降，引入摩擦压降关联式，即可求得加速压降和外通道质量流量，总的质量流量减去外通道质量流量即可求得内通道质量流速。

以上内容仅用来说明本发明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。