一种球床综合实验测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种球床综合实验测量装置及方法，由球床实验段本体供气系统和实验数据测量与采集系统组成，球床实验段本体的进、出气腔分别通过管道与供气系统的出气口和进气口连通，球床实验段本体由金属网封闭,外侧设有加热带，球床实验段本体内的中部安装有热线，球床实验段本体上安装有用于采集实验段温度、压力/压差以及流量信号并传递给数据采集端的温度传感器、压力传感器以及实验段入口处的流量传感器，温度传感器用于检测热线及球床温度变化。本发明专利技术可用于球床热工流体参数测量中，不仅球床测量工况范围广，而且可在一次实验中同时实施各个参数的测量，有效降低了实验成本和实验时间。

【技术实现步骤摘要】
一种球床综合实验测量装置及方法
：本专利技术属于热工水力学测量
，主要涉及一种球床综合实验测量装置及方法。
技术介绍
：球床广泛应用于高效换热器、化学反应器和球床式反应堆等领域。在核聚变领域，氚增殖包层是聚变堆的核心部件之一，主要任务是实现氚自持、输出能量及提供屏蔽。而氚增殖球床既是聚变堆固态氚增殖包层内产氚载体，也是包层内实现核能转换成热能的功能区域。其在包层工作条件下的综合性能直接关系包层的能量转换和传递效率、氚提取效率和使用寿命。依托于国家磁约束核聚变发展研究专项课题，等离子体所开展了面向CFETR候选概念之一水冷陶瓷增殖剂包层概念（WCCB）设计研究。WCCB采用新型的Li2TiO3/Be12Ti混合球床作为产氚载体。这种新型的混合球床虽具有卓越的产氚性能，但仍然缺少相关综合性能参数，尤其是热工水力学参数（例如有效热导率、有效热扩散系数、吹扫气压降等）。因此本专利旨在设计一种球床综合实验测量装置，对增殖剂球床有效热导率、有效热扩散系数、吹扫气压降等参数进行实验测量，为水冷陶瓷增殖剂包层研发提供基础数据支持。聚变堆固态包层一般通过氦气（携带有少量氢气）流经增殖剂球床颗粒之间的孔隙，利用氢同位素置换的方法提取在增殖区产生的氚，然后输送到包层外部的氚回收系统，实现氚提取。一般情况下，吹扫气流速约为0.01~0.5m/s，温度最高可达800℃，微球尺寸约为0.5~2mm。球床的综合性能，特别是热工水力学参数，与上述流速、温度、微球直径等密切相关，实验测量时不仅需要完全覆盖上述参数范围，并且要兼顾实验测量周期和成本。这就要求测量装置不但能够适应较大的工况范围，而且兼具要求的测量功能。目前，德国KIT、日本JAERI和美国UCLA等单位，相继开展了Li4SiO4、Li2TiO3和Be等聚变堆包层球床的热导率测量研究工作；德国KIT还进行了球床吹扫气压降测量工作，日本JAERI也进行了球床热扩散系数测量。中国专利CN104122071、CN104730104和CN105784257也分别涉及聚变包层球床的实验模拟、热导率测量和吹扫压降测量。这些实验测量装置均能完成聚变包层球床单一参数的测量实验，但也存在不足之处：（1）一次实验只能完成球床在单一工况变化条件下，单一参数的测量，需要针对不同球床参数设计不同功能的实验段分别测量；（2）实验测量未考虑传热和流动的耦合效应，与存在气体流动的球床实际工况存在一定差异；（3）实验测量范围较窄，不能适应多个参数同时变化的测量需求。此外，国家标准GB/T5990-2006规定了耐火材料的导热系数试验方法——瞬态热线法，但该国家标准的具体实施方案针对块状固体材料提出，不能直接应用于由大量颗粒堆积而成的球床有效热导率的测量。
技术实现思路
：本专利技术目的就是克服现有球床实验测量装置只能针对单一参数实施测量、不能考虑传热流动耦合效应，测量工况范围较窄的缺点，本专利技术提出一种球床综合实验测量装置，可用于球床热工流体参数（如球床有效热导率、有效热扩散系数以及吹扫气压降）测量中；该方案不仅球床测量工况范围广，而且可在一次实验中同时实施各个参数的测量；有效降低了实验成本和实验时间，为新型球床，特别是聚变包层球床研发提供相关参数快速测试手段。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种球床综合实验测量装置，其特征在于：由球床实验段本体（2）、供气系统（8）和实验数据测量与采集系统组成，所述球床实验段本体（2）的进、出气腔分别通过管道与供气系统的出气口和进气口连通，所述球床实验段本体（2）由金属网（17）封闭，外侧设有加热带（3），所述球床实验段本体（2）内的中部安装有热线（11），所述球床实验段本体（2）上安装有用于采集实验段温度、压力/压差以及流量信号并传递给数据采集端（14）的温度传感器（6）、压力传感器（12）以及实验段入口处的流量传感器（9），所述温度传感器（6）用于检测热线及球床温度变化。所述的球床实验段本体（2）中的热线（11）通过使用辅助螺杆（20）安装，保证热线安装的同心度，所述热线（11）由直流电源（4）供电。所述的热线（11）两端为电极接头（19-1和19-2），所述电极接头（19-1和19-2）上分别插入热线电极（15-1和15-2），所述热线（11）由热线电极（15-1和15-2）支撑。所述的电极接头（19-1和19-2）与其两端的金属网（17）之间设有陶瓷垫(16)。所述的压力传感器（10）由阀门（13）实现量程切换，以适应不同范围的球床吹扫气压差测量需求，并保证压差测量精度。所述的球床综合实验测量装置的实验方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：实验前首先安装热线，填充待测球床，安装球床实验段本体（2），并连接供气系统（8），做好密封，准备实验；步骤2：实验开始时，打开供气系统（8），对球床实验段本体（2）进行抽真空和流洗，将实验本体内的空气置换为指定要求的高纯气体；步骤3：将供气系统（8）的供气压力和流量调节至实验指定值，打开球床实验段本体（2）上的加热带（3），加热球床实验段本体（2），至实验指定温度；步骤4：根据压力传感器（12）的读数显示，通过各并联支路阀门（13）的开闭，选择合适的量程和精度，测量球床实验段本体（2）的进出口压差；步骤5：打开直流电源（4）为热线（11）通电，通过测温传感器测量热线和球床温度变化；步骤6：通过数据采集端（14）自动采集并记录实验数据，处理实验数据，获得球床的有效热导率、有效热扩散系数以及吹扫气压降，球床有效热导率和热扩散系数的计算方法依照国家标准GB/T5990-2006执行；步骤7：调节装置参数至新的吹扫气目标压力、流量和温度，直至完成所有实验；实验完成后，关闭加热带（3）和直流电源（4），直至气体温度降至室温后关闭供气系统（8），最后再关闭其他设备，断开电源，结束实验。所述的步骤1中热线（11）安装时，先将从实验段本体（2）侧壁开孔穿入的测温探头的引线通过高温胶固定在热线（11）上，再依靠辅助螺杆（20）固定缠绕热线（11）的电极接头（19-1和19-2），并插入实验段本体（2）中，使一端的电极接头正好落入陶瓷垫（16-1或16-2）的对应中心孔内，然后插入热线电极（15-1和15-2）固定电极接头（19-1和19-2），最后取出辅助螺杆（20）。本专利技术的优点是：1.本专利技术的球床实验装置兼具球床有效热导率、有效热扩散系数以及球床压降测量的功能，单次实验可以同时测量多个球床参数，大大降低了实验成本，节约了实验时间；2.本专利技术的球床实验装置可以考虑流动和传热的耦合效应，研究气体流动状态下球床的传热特性，更接近气体流动的球床的实际工况，弥补了现有实验测量装置的不足；3.本专利技术的球床实验装置球床压力、温度和流量均可调节，可测量的球床实际工况范围广，针对压差变化大的特点还设置了不同量程，在保证实验覆盖范围的同时也保证了实验数据的准确度。附图说明：图1为本专利技术的实验原理图；图2为本专利技术的球床试验段本体三维轴测图；图3为本专利技术的热线安装及固定图；图4为本专利技术的实验步骤图。图中：1.进气腔；2.球床试验段本体；3.加热带；4.直流电源；5.保温层；6.温度传感器（6-1至6-7均为温度传感器）；7.出气腔；8.供气系统；9.流量传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种球床综合实验测量装置，其特征在于：由球床实验段本体（2）、供气系统（8）和实验数据测量与采集系统组成，所述球床实验段本体（2）的进、出气腔分别通过管道与供气系统的出气口和进气口连通，所述球床实验段本体（2）由金属网（17）封闭，外侧设有加热带（3），所述球床实验段本体（2）内的中部安装有热线（11），所述球床实验段本体（2）上安装有用于采集实验段温度、压力/压差以及流量信号并传递给数据采集端（14）的温度传感器（6）、压力传感器（12）以及实验段入口处的流量传感器（9），所述温度传感器（6）用于检测热线及球床温度变化。

【技术特征摘要】
1.一种球床综合实验测量装置，其特征在于：由球床实验段本体（2）、供气系统（8）和实验数据测量与采集系统组成，所述球床实验段本体（2）的进、出气腔分别通过管道与供气系统的出气口和进气口连通，所述球床实验段本体（2）由金属网（17）封闭，外侧设有加热带（3），所述球床实验段本体（2）内的中部安装有热线（11），所述球床实验段本体（2）上安装有用于采集实验段温度、压力/压差以及流量信号并传递给数据采集端（14）的温度传感器（6）、压力传感器（12）以及实验段入口处的流量传感器（9），所述温度传感器（6）用于检测热线及球床温度变化。2.根据权利要求1所述的球床综合实验测量装置，其特征在于：所述的球床实验段本体（2）中的热线（11）通过使用辅助螺杆（20）安装，保证热线安装的同心度，所述热线（11）由直流电源（4）供电。3.根据权利要求2所述的球床综合实验测量装置，其特征在于：所述的热线（11）两端为电极接头（19-1和19-2），所述电极接头（19-1和19-2）上分别插入热线电极（15-1和15-2），所述热线（11）由热线电极（15-1和15-2）支撑。4.根据权利要求3所述的球床综合实验测量装置，其特征在于：所述的电极接头（19-1和19-2）与其两端的金属网（17）之间设有陶瓷垫(16)。5.根据权利要求1所述的球床综合实验测量装置，其特征在于：所述的压力传感器（10）由阀门（13）实现量程切换，以适应不同范围的球床吹扫气压差测量需求，并保证压差测量精度。6.根据权利要求1所述的球床综合实验测量装置的实验方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：实验前首先安装热线，填充待测球床，安装...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈磊，刘松林，陈有华，祝庆军，黄凯，李敏，马学斌，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34