一种高瑞利数耦合传热特性测量和评估装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种高瑞利数耦合传热特性测量和评估装置。包括试验本体和辅助系统，所述试验本体包括圆筒状容器，该圆筒状容器包括上板、下板和侧壁，所述上板用于冷却，所述下板用于加热，其特征在于，整个所述侧壁用于冷却；所述圆筒状容器的高径比的范围是0.1-2；所述圆筒状容器的高度至少为0.5米。所述上板和所述侧壁采用独立的循环冷却回路进行冷却。可以验证相关传热关系在高功率核反应堆真实工况下的适用性，为核电站设计的安全评审提供科学数据。为示范电站及其它堆型核电站严重事故预防和缓解措施设计提供重要依据，为研发更高功率压水堆核电技术预研提供技术基础。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种高瑞利数耦合传热特性测量和评估装置
本技术涉及一种高瑞利数耦合传热特性测量和评估装置，更具体地说，涉及一种能够单独地控制冷却的高瑞利数耦合传热特性测量和评估装置。
技术介绍
当压水堆核电站发生严重事故时，堆芯熔融物移位至压力容器下封头，并重新混合重组。在稳定的熔融池中，熔融物分为两层，下方为温度较高含有内热源的氧化物层，上方为金属层。氧化物层在金属层下方进行加热，金属层通过上部热辐射和侧面热传导传递热量。在初期的研究中，研究方法尚不成熟，通常将金属层内向上传热简化成物理模型为下边界加热、上边界冷却的自然对流，不考虑侧壁的热传导，即Rayleigh-Bfenard对流现象。1959 年 S.Globe 和 D.Dropkin 对Rayleigh-ΒβΜrd自然对流的研究是最经典的试验，试验得到了至今仍被广泛应用的G-D试验关联式，此后其他研究者的试验基本原理与G-D试验在本质上均十分相似。G-D试验本体是一个圆柱形容器，上下传热面为铜板，下板为电加热，上板为水冷却板，两个铜板之间的距离为1.39-2.62英寸。环形侧壁面的内径为5英寸，采用树脂玻璃制造并保证绝热。试验本体上端连接一个膨胀箱用以收集试验时因升温膨胀溢出的工质和不溶气体。试验中的温差通过上下传热面上的热电偶测量。试验采用了水、汞以及不同粘度的硅油作为工质，得到以下传热关系式:Nu= 0,1卿《R；|)'-.(Frfri Ulxl()5 Rit 6.76χ!Cf⑴。目前，针对熔融池金属层向上部空间的传热，国际上各主要研究机构(包括Westinghouse、DOE、INEEL及ERI )仍然采用此关系式。但G-D试验中的Ra数较小，目前在AP1000中金属熔融物的Ra数已超过I (f:,而对于更高功率反应堆核电站，高此数下G-D公式是否适用存在疑问。限于早期的试验装置尺寸较小，试验工质多为水等常见物质，很难达到较高的Ra数。那么为了研究高Ra数区强湍流情况下的传热和流动性质，需要发展新的试验装置。由Ra数的定义可以看出，有效地提高Ra数的办法主要有扩大特征尺寸、改变物性参数、增大温差三个途径。而自然对流可以用Ra数来表示的一个限制就是Boussinesq假设，因此温差并不能无限制的扩大。只能通过扩大特征尺寸和采用特殊的工质提高Ra数。 由于Ra数和特征尺度的3次方成正比，增大特征尺度可以有效提高Ra数，比较传统的方法就是采用更高大的试验装置。如G.Ahlers等采用了常温常压下的氦气作为工质进行的试验，其试验装置是高为2.24米、直径为1.12米的环形容器，Ra数范围最高可达到].1 X.10“。然而若达到本技术开发设施采用传统工质达到的设计Ra数的要求，估算试验装置的高度需要达到4-5米，这种试验装置过于笨重，且经济性差。与此同时若高径比过大，可能会影响到对流的宏观流动模式，从而对传热性能造成影响。目前，高径比对Rayleigh-Baiarci自然对流传热性能的影响并无定论，因此难以准确估计高径比改变自然对流宏观流动模式的临界值。但本技术的专利技术人发现，试验装置的高径比在0.1-2之间时，对于试验结果并没有明显影响。因此在本技术将装置的高径比选在这个范围之内，能够保证高径比对传热性能的影响可以忽略。根据前人的研究，对于传统工质来说，Ra数达到.1 0n-1 量级较为困难，现有的试验装置都未能达到，采用较大尺寸的试验装置造成很大的加工建造难度，且提高了成本。与此同时，目前一些超高Ra数试验的结论还有较大的争议。因此虽然现有研究已经可以达到非常高的Ra数，但是对于传统工质，如何利用更加简单可靠的试验装置提高Ra数还有很大的待研究空间，工程中在高Ra数范围内也尚无比较公认的可以计算热流的传热关联式，需要进行相关机理的细致研究。虽然在研究初期对于Raylelgh-Bfenard对流的研究结果比较多，但是实际反应堆熔融池内金属层的传热过程并非理想的Rayleigh-Bamrd自然对流，实际反应堆熔融池内金属层是通过上边界和侧壁两个相互垂直的方向耦合传热将下边界热量传递出去的，为了减少由于物理模型简化引起的差异，应采用以耦合传热为模型的试验装置对金属层内部传热过程进行研究，目前国内外研究这种模拟辐合传热过程的试验装置极少。典型的试验装置是Theofanous在1996年进行的MELAD试验装置。该试验装置为50cm X IOcm XIOcm的长方体容器，内部装有水为工质。下部为不锈钢制加热板，保持等热流的边界条件；上壁面和一个侧壁面内布置有冷却水通道，采用水冷的方式对壁面冷却；其余侧壁面为绝热边界条件；此外，还有一个容器收集多余的工质及气体。试验中通过测量冷却面进出口的冷却水温度以及流量，计算得到通过该壁面的传热量。各壁面上装有热电偶测量温度，以得到相应壁面的温度。ME LAD试验与G-D试验基本相同，主要有两个不同之处:首先，在MELAD试验中，有一部分试验侧壁是进行冷却的，这是为了模拟真实的金属层传热工况，研究热聚焦效应。事实上，在金属层中，金属层的高径比对于热聚焦效应有着重要的影响。而T.G.Theofanous等人只是通过数值计算的方法对此进行了研究,在MELAD试验中并没有进行试验验证。其次，MELAD的试验的Ra数范围要比G-D试验大，其Ra最大达到了2.8 X IOi,在这种情况下，试验结果与G - D公式符合的较好，因此认为可以将G - D关系式应用于AP600。但在MELAD试验里，其Ra数的范围没有高于。那么，G - D公式能否适用于高功率反应堆的安全设计仍有待进一步检验。另外，采用矩形的试验装置，由于与真实熔融池金属层流动区域的形状不同，会带来几何形状失真。因此，需要一种试验装置，其能使用传统工质水来实现高瑞利数，并能对该高瑞利数下的耦合传热特性进行测量和评估，同时该试验装置本身不会对所述传热产生不利的影响。
技术实现思路
( I )要解决的技术问题为了弥补现有研究中没有利用常压试验装置使传统工质水的Ra数达到J (J12的不足，同时能够对真实熔融池金属层内部耦合传热过程进行研究，研制了本技术。( 2 )技术方案本技术主要由试验本体和辅助系统组成，其中辅助系统包括循环冷却水系统、数据采集系统和供电系统。试验本体是整个试验系统的核心结构，用于模拟熔融池金属层传热过程。试验本体结构为圆柱形容器，主要由上冷却板、冷却侧壁和下加热板三部分组成。上冷却板用于载出试验工质的向上传热量，模拟金属层向上辐射换热的等温边界条件，紫铜材质的上冷却板内部均匀布置冷却流道，上方设置一个膨胀水箱，用于保证试验本体内充满试验工质，同时容纳因加热膨胀的工质。冷却侧壁采用紫铜材质，并在侧壁上设计冷却流道，冷却剂与试验工质进行换热，外侧敷设保温层，尽量减少侧壁冷却系统与环境之间的热交换。在试验中以保证不影响工质内部自然对流的形成过程为标准设计了不同的高径比I，用以提闻试验的Ra数。下加热板为内置加热管的紫铜平板，用于模拟氧化物层向金属层的传热过程，提供下表面的恒热流边界条件。试验本体整体外敷保温层，防止试验本体与环境之间的热交换。侧壁筒体与上下板使用法兰连接，为减少侧壁筒体与上下板之间的导热，筒体法兰与上下板之间装配绝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耦合传热特性测量和评估装置，其包括试验本体，所述试验本体包括圆筒状容器，该圆筒状容器包括上板、下板和侧壁，所述上板用于冷却，所述下板用于加热，其特征在于，整个所述侧壁用于冷却；所述圆筒状容器的高径比的范围是0.1‑2；所述圆筒状容器的高度至少为0.5米。

【技术特征摘要】
1.一种耦合传热特性测量和评估装置，其包括试验本体，所述试验本体包括圆筒状容器，该圆筒状容器包括上板、下板和侧壁，所述上板用于冷却，所述下板用于加热，其特征在于，整个所述侧壁用于冷却；所述圆筒状容器的高径比的范围是0.1-2 ;所述圆筒状容器的高度至少为0.5米。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上板和所述侧壁采用独立的循环冷却回路进行冷却。3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高度至少为I米。4.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：马莉，胡腾，汲水，张明，张金龙，李晶，亓振锋，孙财新，邸智，
申请(专利权)人：国核华清北京核电技术研发中心有限公司，国家核电技术有限公司，
类型：新型
国别省市：北京;11