整体烧结的矩形窄缝通道临界热流密度可视化测量实验装置的制作方法

本发明属于气液两相流动传热领域，具体涉及一种整体烧结的矩形窄缝通道临界热流密度可视化测量的实验装置。

背景技术：

临界热流密度是保证反应堆堆芯安全最为重要的热工水力限制参数，临界沸腾现象发生时，冷却剂流动沸腾机理转变、换热系数降低，燃料元件表面传热性能恶化、壁温升高，严重的可使燃料元件烧毁从而引起放射性泄漏。因此对临界热流密度的准确预测对于反应堆设计和安全分析具有重要的意义，可为设计提供依据，为传热设备的安全运行提供保障。

矩形窄缝通道是窄缝通道一种重要的结构形式。窄缝通道传热技术由于具有传热温差小、结构紧凑、无需复杂的表面加工和处理、在通道内高速流体的冲刷下，换热表面不易发生沉淀和污染等特点，已作为一种新兴传热技术日益被人们所重视，它在反应堆工程及其他的诸如航天技术、制冷技术、电子器件冷却等工程领域，都得到了广泛的实际工程应用。

矩形窄缝通道与常规通道的热工水力特性不同，对矩形窄缝通道的临界热流密度进行准确测量，结合通道的可视化，明确临界热流密度发生过程中汽相的运动行为，有助于揭示矩形窄缝通道内临界热流密度的发生机理。

目前在矩形通道临界热流密度可视化测量方面，尚未找到已公开的实验装置。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种整体烧结的矩形窄缝通道临界热流密度可视化测量实验装置，该装置主体为烧结陶瓷，结构简单，根据通道出口的可视化窗口观察气泡行为及壁温测量实现对临界热流密度的捕获。

本发明的目的是通过以下技术方案实现：

一种整体烧结的矩形窄缝通道临界热流密度可视化测量实验装置，包括整体烧结陶瓷基体r，置入整体烧结陶瓷基体r一侧凹形通道中的加热板g，压合在凹形通道中与加热板g间留有间隙的内嵌石英玻璃e的不锈钢板f，加热板g宽度与凹形通道宽度之间采用公差配合的方式紧固，加热板g长度小于凹形通道长度，两边留有空腔；还包括由嵌在整体烧结陶瓷基体r中导电装置即入口端铜排i、加热板g和出口端铜排d构成的导电回路，整体烧结陶瓷基体r另一侧的一端插入入口端铜排i，另一端插入出口端铜排d，入口端铜排i两端为弯折成90°角的弯折段，一端弯折段较长，延伸出整体烧结陶瓷基体r的另一侧，一端弯折段较短，插入加热板g一端沿整体烧结陶瓷基体r高度方向的入口端槽孔s，出口端铜排d两端也为弯折成90°角的弯折段，长弯折段延伸出整体烧结陶瓷基体r的另一侧，短弯折段插入加热板g另一端沿整体烧结陶瓷基体r高度方向的出口端槽孔p，加热板g处于入口端铜排i和出口端铜排d的非弯折段之间，加热板g两端弯折成90°角，两端的弯折段长度相等且等于入口端铜排i和出口端铜排d短弯折段的长度，加热板g一端的弯折段插入入口端槽孔s，与入口端铜排i的短弯折段在入口端槽孔s内贴面焊接，加热板g另一端的弯折段插入出口端槽孔p，与出口端铜排d的短弯折段在出口端槽孔p内贴面焊接；还包括由入口通道k、入口缓冲腔j、矩形窄缝通道h和出口缓冲腔c、出口通道m组成的流体流动通道，入口空心铜柱u的中空间隙为入口通道k，出口空心铜柱n的中空间隙为出口通道m，入口空心铜柱u顶部与入口端铜排i长弯折段部分侧面、不锈钢板f部分底面围成的区域为入口缓冲腔j，出口空心铜柱n顶部与出口端铜排d长弯折段部分侧面、不锈钢板f部分底面围成的区域为出口缓冲腔c，内嵌石英玻璃e的不锈钢板f与加热板g之间的间隙即为矩形窄缝通道h；还包括位于整体烧结陶瓷基体r上的入口测压组件孔t、出口测压组件孔o和多个热电偶组件系列孔q以及用于压合内嵌石英玻璃e的不锈钢板f和整体烧结陶瓷基体r的上不锈钢紧固件b和下不锈钢紧固件l，入口测压组件孔t穿过下不锈钢紧固件l、整体烧结陶瓷基体r和入口端铜排i与矩形窄缝通道h连通，出口测压组件孔o穿过下不锈钢紧固件l、整体烧结陶瓷基体r和出口端铜排d与矩形窄缝通道h连通，多个热电偶组件系列孔q均穿过下不锈钢紧固件l和整体烧结陶瓷基体r直达加热板g但不穿过加热板g，孔位横向布置在加热板g中心线上且等间距分布，按一排三个和一排一个的方式交替布置，在一排三个的截面上，除加热板g中心线上的多个热电偶组件系列孔q外，剩下两个点分别布置在加热板g中心线与两侧边线的中点位置，在加热板g末端位置密集布置三排热电偶组件系列孔q，中间一排按一排两个的方式布置，剩下两排按一排三个的方式布置，这种热电偶组件系列孔的布置方法，能有效捕捉到临界热流密度的发生，除了在出口段发生的dryout型，还能捕捉加热板中间甚至入口段发生的dnb型临界热流密度，入口测压组件孔t和首个热电偶组件孔以及出口测压组件孔o和最后一个热电偶组件孔均相隔一定距离，上不锈钢紧固件b和下不锈钢紧固件l用螺栓a紧固连接以便压合内嵌石英玻璃e的不锈钢板f与整体烧结陶瓷基体r，上不锈钢紧固件b为一平板，中间开方形槽，方形槽尺寸小于石英玻璃e，以上所有组件与整体烧结陶瓷基体r的接触面之间全部涂抹高温密封胶用于密封连接。

流体通过入口通道k进入实验装置，经过入口缓冲腔j后流经矩形窄缝通道h，此时流体流动处于充分发展阶段，再经出口缓冲腔c及出口通道m流出，当流体流量达到预定值后稳步增加压力，在入口端铜排i和出口端铜排d上接入直流电源，电流流经加热板g后发热直接加热通道中的流体，缓慢升高电源功率直至通道内发生临界沸腾现象，临界沸腾现象发生时，某个热电偶测得的温度会发生飞升，透过加热板g出口位置的石英玻璃e能够直观观察临界沸腾现象发生时汽相的运动行为，通过汽相运动行为也能判断临界沸腾现象的发生。

所述不锈钢板f和石英玻璃e之间采用橡胶垫片缓冲，以避免不锈钢板f与石英玻璃e的热膨胀效应不同而挤压石英玻璃e至损坏。

石英玻璃e透光率高达98％，且承压能力强，能够承受高温流体的冲击。

内嵌石英玻璃e的不锈钢板f、上不锈钢紧固件b和下不锈钢紧固件l等结构与整体烧结陶瓷r相接触部位均涂抹高温密封胶，有效地实现装置在高温高压条件下的密封。

在入口通道k和矩形窄缝通道h之间、出口通道m和矩形窄缝通道h之间分别设置有入口缓冲腔j、入口端铜排i的非弯折段和出口缓冲腔c、出口端铜排d的非弯折段，有助于流体在窄缝通道中形成充分发展流动。

位于入口端槽孔s和出口端槽孔p内的加热板g的弯折段与入口端铜排i、出口端铜排d的非焊接面均不与槽孔壁面接触，留出的间隙有效解决了加热板g受热轴向膨胀而带来的结构件之间的挤压问题。

通过调节加热板g及入口端铜排i和出口端铜排d的厚度，确保矩形窄缝通道h的间隙在1～3mm内自由调整，无需重新烧结陶瓷实验本体，增强了实验装置在矩形窄缝通道实验方面的实用性。

所有的导电装置均嵌在整体烧结陶瓷基体r中，无需考虑与实验装置的绝缘问题。

热电偶采用直接插入，外部螺纹密封的方式安装，一旦出现热电偶失效，可以单独对失效热电偶进行更换，方便快捷。

通过直达加热板g上的多个热电偶组件系列孔q置入热电偶组件用于测量加热板g温度，通过入口测压组件孔t和出口测压组件孔o连接测压组件用于测量通道压力。

整个实验装置除石英玻璃外全部用保温棉包裹，减少散热，减轻电源的功率负担，在相同的电源额定功率下，可以扩大实验工况范围

本发明具有以下优点和有益效果：

1.实验主体采用整体烧结陶瓷，结构简单。

2.通电电极均嵌入整体烧结陶瓷基体r中，因此无需考虑与实验装置的绝缘问题。

3.石英玻璃的高透光率保证了观察气泡行为的清晰度。

4.采用不锈钢板f内嵌石英玻璃e的方式，在保证可视化的前提下确保了实验装置在高温高压下的安全性。

5.内嵌石英玻璃e的不锈钢板f、上不锈钢紧固件b和下不锈钢紧固件l等结构与整体烧结陶瓷r相接触部位均涂抹高温密封胶，确保实验装置在高温高压条件下的密封问题。

6.在入口通道k和矩形窄缝通道h之间设有入口缓冲腔j和入口端铜排i的非弯折段，有利于流体流动的充分发展。

7.入口端槽孔s和出口端槽孔p内留有充分的间隙，有效解决了加热板g受热轴向膨胀挤压的问题。

8.通过调节加热板g及入口端铜排i和出口端铜排d的厚度，可调节矩形窄缝通道h的间隙，增强了实验装置的实用性。

9.通过合理的热电偶布置，可以有效监测dryout型及dnb型两类临界热流密度的发生。

10.在临界热流密度的捕捉过程中，除了监测热电偶的温度变化信息，还可结合出口处的气泡运动行为判断临界热流密度的发生，有利于弥补温度判断的不足。

11.保温棉的使用有效减少了热损失，一定程度上减轻了电源的功率负担，在相同的电源额定功率下，可以扩大实验工况范围。

12.本实验装置可承受高温高压条件下的汽液两相流动，结合可视化方法，对深入研究矩形窄缝通道内临界热流密度的发生机理有重要意义。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为测点布置示意图。

图3为图1的z-z截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明一种整体烧结的矩形窄缝通道临界热流密度可视化测量实验装置，包括整体烧结陶瓷基体r，置入整体烧结陶瓷基体r一侧凹形通道中的加热板g，压合在凹形通道中与加热板g间留有间隙的内嵌石英玻璃e的不锈钢板f，加热板g宽度与凹形通道宽度之间采用公差配合的方式紧固，加热板g长度小于凹形通道长度，两边留有空腔；还包括由嵌在整体烧结陶瓷基体r中导电装置即入口端铜排i、加热板g和出口端铜排d构成的导电回路，整体烧结陶瓷基体r另一侧的一端插入入口端铜排i，另一端插入出口端铜排d，入口端铜排i两端为弯折成90°角的弯折段，一端弯折段较长，延伸出整体烧结陶瓷基体r的另一侧，一端弯折段较短，插入加热板g一端沿整体烧结陶瓷基体r高度方向的入口端槽孔s，出口端铜排d两端也为弯折成90°角的弯折段，长弯折段延伸出整体烧结陶瓷基体r的另一侧，短弯折段插入加热板g另一端沿整体烧结陶瓷基体r高度方向的出口端槽孔p，加热板g处于入口端铜排i和出口端铜排d的非弯折段之间，加热板g两端弯折成90°角，两端的弯折段长度相等且等于入口端铜排i和出口端铜排d短弯折段的长度，加热板g一端的弯折段插入入口端槽孔s，与入口端铜排i的短弯折段在入口端槽孔s内贴面焊接，加热板g另一端的弯折段插入出口端槽孔p，与出口端铜排d的短弯折段在出口端槽孔p内贴面焊接；还包括由入口通道k、入口缓冲腔j、矩形窄缝通道h和出口缓冲腔c、出口通道m组成的流体流动通道，入口空心铜柱u的中空间隙为入口通道k，出口空心铜柱n的中空间隙为出口通道m，入口空心铜柱u顶部与入口端铜排i长弯折段部分侧面、不锈钢板f部分底面围成的区域为入口缓冲腔j，出口空心铜柱n顶部与出口端铜排d长弯折段部分侧面、不锈钢板f部分底面围成的区域为出口缓冲腔c，内嵌石英玻璃e的不锈钢板f与加热板g之间的间隙即为矩形窄缝通道h；还包括位于整体烧结陶瓷基体r上的入口测压组件孔t、出口测压组件孔o和多个热电偶组件系列孔q以及用于压合内嵌石英玻璃e的不锈钢板f和整体烧结陶瓷基体r的上不锈钢紧固件b和下不锈钢紧固件l，入口测压组件孔t穿过下不锈钢紧固件l、整体烧结陶瓷基体r和入口端铜排i与矩形窄缝通道h连通，出口测压组件孔o穿过下不锈钢紧固件l、整体烧结陶瓷基体r和出口端铜排d与矩形窄缝通道h连通，多个热电偶组件系列孔q均穿过下不锈钢紧固件l和整体烧结陶瓷基体r直达加热板g但不穿过加热板g，孔位横向布置在加热板g中心线上且等间距分布，按一排三个和一排一个的方式交替布置，在一排三个的截面上，除加热板g中心线上的多个热电偶组件系列孔q外，剩下两个点分别布置在加热板g中心线与两侧边线的中点位置，在加热板g末端位置密集布置三排热电偶组件系列孔q，中间一排按一排两个的方式布置，剩下两排按一排三个的方式布置，这种热电偶组件系列孔的布置方法，能有效捕捉到临界热流密度的发生，除了在出口段发生的dryout型，还能捕捉加热板中间甚至入口段发生的dnb型临界热流密度，入口测压组件孔t和首个热电偶组件孔以及出口测压组件孔o和最后一个热电偶组件孔均相隔一定距离，上不锈钢紧固件b和下不锈钢紧固件l用螺栓a紧固连接以便压合内嵌石英玻璃e的不锈钢板f与整体烧结陶瓷基体r，上不锈钢紧固件b为一平板，中间开方形槽，方形槽尺寸小于石英玻璃e，以上所有组件与整体烧结陶瓷基体r的接触面之间全部涂抹高温密封胶用于密封连接。

流体通过入口通道k进入实验装置，经过入口缓冲腔j后流经矩形窄缝通道h，此时流体流动处于充分发展阶段，再经出口缓冲腔c及出口通道m流出，当流体流量达到预定值后稳步增加压力，在入口端铜排i和出口端铜排d上接入直流电源，电流流经加热板g后发热直接加热通道中的流体，缓慢升高电源功率直至通道内发生临界沸腾现象。

临界沸腾现象是本实验装置的观测重点。临界沸腾现象发生时，某个热电偶测得的温度会发生飞升，透过加热板g出口位置的石英玻璃e能够直观观察临界沸腾现象发生时汽相的运动行为，通过汽相运动行为也能判断临界沸腾现象的发生。

若满足以下任一条件，则认为临界沸腾现象已发生：

1.某个热电偶温度出现了飞升现象(壁温以5～15℃/s的速度上升且无回落，持续3s以上；或壁温上升20～50℃)；

2.在加热段出口位置的石英玻璃e外采用高速摄像仪进行拍摄，通过拍摄，发现虽然热电偶温度没有发生明显飞升，但出现了气泡长时间附着在石英玻璃e上的现象。

发生临界沸腾现象后，此时应缓慢切除加热功率，防止实验装置被烧毁及实验装置的热疲劳损坏。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。