本发明专利技术提供了一种适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置，包括：实验回路部和数据采集部，实验回路部包括可视化实验本体和高压电源，可视化实验本体包括实验棒束；实验回路部内去离子水进入可视化实验本体后被实验棒束加热，可视化实验本体出口的经冷却剂冷却后重新进入可视化实验本体内；实验棒束上设置ITO电镀层，ITO电镀层与高压电源连接，棒束通道内冷却剂吸收ITO薄膜产生的热量后产生汽泡；数据采集部通过可视化实验本体采集棒束通道内部区域的两相流的瞬态气泡特征。本发明专利技术设计了一套闭式实验回路，满足棒束通道的可视化要求，在获取棒束通道瞬态汽泡的同时，通过数据采集系部获得棒束通道内流量、水温、壁温和加热功率。加热功率。加热功率。
【技术实现步骤摘要】
适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置及方法
[0001]本专利技术涉及核电
，具体地，涉及一种适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置及方法。
技术介绍
[0002]核反应堆功率密度远大于常规的能动装置，并且反应堆堆芯处于高温高压的环境下。为了提高核燃料的换热面积，通常将燃料棒束布置为栅元式的棒束结构。反应堆一回路的冷却剂流经棒束组件并将堆芯产生的热量带走，研究棒束通道内的流动传热特性对保证反应堆堆芯安全具有重要意义。
[0003]对于压水反应堆堆芯，正常运转情况下堆芯内为单相流动。当一回路发生小破口事故或主泵停滞运转时，由于堆芯供冷不足，堆芯将发生沸腾传热并产生蒸汽泡。对于沸水反应堆，设计工况下冷却剂在堆芯直接发生沸腾，堆芯蒸汽经汽水分离器和干燥器后直接推动汽轮机做功。由此可见，流动沸腾传热现象在核反应堆的运行过程较为常见。
[0004]关于沸腾传热的相关理论中，Zuber提出的孔穴理论被人们普遍接受。沸腾传热的孔穴理论认为，当传热面热流密度、热边界层流体过热度等参数达到一定范围后，传热壁面热流密度、热边界层流体过热度等参数达到一定范围后，传热壁面的核化点被激活。核化点附近的液相吸收热边界层传递的热量后迅速汽化并形成蒸汽泡。蒸汽泡增长到一定程度后，根据传热工况点的不同，蒸汽泡将发生湮灭、滑移、增长等行为。随着蒸汽泡不断从热边界层吸收热量，相关参数开始低于核化沸腾的临界点，蒸汽泡的停止增长。关于棒束组件沸腾传热的研究自上世纪七十年代开始就已经开始，但是至今没有一套完善的传热理论体系与预测模型。观测汽泡的瞬态行为对研究棒束通道的流动传热具有重要意义。
[0005]经过检索，专利文献CN110729060B公开了一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置及方法，包括位于棒束通道外壳内棒束元件、棒束通道，棒束通道外壳上设置可视窗；棒束通道外壳底部连接固定法兰盘，固定法兰盘用于固定棒束元件并能够使工作介质流入棒束通道内；固定法兰盘上表面设置若干针头，固定法兰盘内设置与所有针头相连通的流道，还包括向流道内注入示踪剂的注入系统。该现有技术对应的研究内容是单相流动条件下的浓度场测量，不具备两相流情况下研究蒸汽泡尺寸、寿命等特性的能力。
[0006]专利文献CN104681110B公开了一种棒束通道全透明可视化实验装置，包括棒束通道本体、设置在棒束通道本体外用于卡紧棒束通道本体的承压外壳，所述棒束通道本体由透明材料制成，所述承压外壳上在其四周开设有观察槽。该现有技术虽然初步实现了两相流的可视化实验，但是棒束内部区域的两相流特征无法获取。
[0007]由于棒束组件呈栅元结构，相对于圆管结构更为复杂，有必要开发一套可视化实验系统来观测棒束组件内的瞬态气泡图像。同时，该系统应具备采集棒束内流体流量、温度、热流密度等关键性实验参数的能力。
技术实现思路
[0008]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置及方法，设计了一套闭式实验回路；将带ITO电镀层的石英玻璃管作为实验棒，满足棒束通道的可视化要求；在拍摄棒束通道瞬态汽泡的同时，通过数据采集系统获得棒束通道内流量、水温、壁温和加热功率。
[0009]根据本专利技术提供的一种适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置，包括：实验回路部和数据采集部，实验回路部包括可视化实验本体和高压电源，可视化实验本体包括实验棒束；实验回路部内去离子水进入可视化实验本体后被实验棒束加热，可视化实验本体出口的经冷却剂冷却后重新进入可视化实验本体内；实验棒束上设置ITO电镀层，ITO电镀层与高压电源连接，棒束通道内冷却剂吸收ITO薄膜产生的热量后产生汽泡；数据采集部通过可视化实验本体采集棒束通道内部区域的两相流的瞬态气泡特征。
[0010]优选地，实验回路部包括去离子水箱、磁力齿轮泵、过滤器和观察段；去离子水箱一端与磁力齿轮泵一端相连，另一端与观察段的一端相连；过滤器一端与磁力齿轮泵的另一端相连，另一端与可视化实验本体相连。
[0011]优选地，去离子水箱包括可视化视窗、冷却盘管、加热器和排气阀，排气阀贯通连接去离子水箱的内部和外部，可视化视窗设置在冷却盘管和加热器之间。
[0012]优选地，通过去离子水箱顶部的排气阀将实验回路部内的不凝性气体排出，去离子水箱内的水温由冷却盘管和加热器共同调节。
[0013]优选地，可视化实验本体还包括实验棒束固定板和定位格架，实验棒束固定板设置于实验棒束的两端，定位格架等间距设置于实验棒束上。
[0014]优选地，可视化实验本体还包括可视化棒束实验段，实验棒束为石英玻璃管，石英玻璃管排列呈矩形并置于可视化棒束实验段中，ITO电镀层设置于石英玻璃管的内壁面。
[0015]优选地，石英玻璃管的外径为9.5mm，壁厚为1mm，石英玻璃管的耐热温度超过800℃。
[0016]优选地，ITO电镀层产生的热量经过石英玻璃管被棒束通道内的去离子水吸收，ITO电镀层的透光度超过70％。
[0017]优选地，还包括热电偶和流量计，热电偶和流量计设置在棒束通道上，实验回路部内的流体流速由流量计记录，水温与壁温通过热电偶记录，加热功率通过高压电源上的示数读取。
[0018]根据本专利技术提供的一种适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验方法，采用上述的适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置进行可视化实验，包括以下步骤：
[0019]步骤S1：将带有ITO电镀层的石英玻璃管排列呈矩形并置于可视化棒束实验段中，将石英玻璃管上的ITO电镀层与高压电源连接；
[0020]步骤S2：打开实验回路部上的磁力齿轮泵，通过排气阀将不凝性气体排出实验回路部；
[0021]步骤S3：通过冷却盘管和加热器将去离子水箱内的水温调整至指定温度，通过实验回路部上的阀门调整实验回路部的流体流速；
[0022]步骤S4：启动高压电源并调整高压电源电功率，ITO电镀层产生的热量经过石英玻璃管后被可视化实验本体内的冷却剂吸收，并产生气泡；
[0023]步骤S5：通过数据采集部拍摄棒束通道内的气泡特征，同时记录实验回路部的流速、棒束通道进口和出口的水温、棒束通道壁面温度和高压电源的加热功率；
[0024]步骤S6：改变实验回路部流速、可视化棒束实验段进口温度和加热功率，重复步骤S1
‑
步骤S5，获得不同条件下的瞬态气泡图像和壁面温度参数。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0026]1、本专利技术通过棒束通道流动沸腾传热，采用可视化的实验段和可视化实验棒束，能够获取包括棒束内部区域的两相流蒸汽泡特征。
[0027]2、本专利技术通过利用石英玻璃管作为实验棒束，石英玻璃耐热性高、热膨胀系数小，可以满足各种各样的实验工况条件。
[0028]3、本专利技术通过在石英玻璃管并在内壁面上镀上ITO电镀层，满足汽泡图像的拍摄要求，能够实现棒束通道的可视化，可以通过数据采集部直接拍摄到棒束组件本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置，其特征在于，包括：实验回路部和数据采集部，所述实验回路部包括可视化实验本体和高压电源(12)，所述可视化实验本体包括实验棒束；所述实验回路部内去离子水进入可视化实验本体后被实验棒束加热，可视化实验本体出口的经冷却剂冷却后重新进入可视化实验本体内；所述实验棒束上设置ITO电镀层(1502)，所述ITO电镀层(1502)与所述高压电源(12)连接，棒束通道内冷却剂吸收ITO薄膜产生的热量后产生汽泡；所述数据采集部通过可视化实验本体采集棒束通道内部区域的两相流的瞬态气泡特征。2.根据权利要求1所述的适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置，其特征在于，所述实验回路部包括去离子水箱(1)、磁力齿轮泵(6)、过滤器(9)和观察段(13)；所述去离子水箱(1)一端与所述磁力齿轮泵(6)一端相连，另一端与所述观察段(13)的一端相连；所述过滤器(9)一端与所述磁力齿轮泵(6)的另一端相连，另一端与所述可视化实验本体相连。3.根据权利要求1所述的适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置，其特征在于，所述去离子水箱(1)包括可视化视窗(2)、冷却盘管(3)、加热器(4)和排气阀(5)，所述排气阀(5)贯通连接所述去离子水箱(1)的内部和外部，所述可视化视窗(2)设置在所述冷却盘管(3)和加热器(4)之间。4.根据权利要求3所述的适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置，其特征在于，通过所述去离子水箱(1)顶部的排气阀(5)将实验回路部内的不凝性气体排出，去离子水箱(1)内的水温由所述冷却盘管(3)和加热器(4)共同调节。5.根据权利要求1所述的适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置，其特征在于，所述可视化实验本体还包括实验棒束固定板(11)和定位格架(14)，所述实验棒束固定板(11)设置于所述实验棒束的两端，所述定位格架(14)等间距设置于所述实验棒束上。6.根据权利要求1所述的适用于棒束通道流动沸腾传热的可视化实验装置，其特征在于，所述可视化实验本体还包括可视化棒束实验段(15)，所述实验棒束为石英玻璃管(1501)，所述石英玻璃管(1501)排列呈矩形并置于可视化棒束实验段(15)中，...
【专利技术属性】
技术研发人员：顾汉洋，张琦，刘莉，刘利民，丛腾龙，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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