基于反馈加热的高温热管冷却反应堆非核样机系统及方法技术方案

一种基于反馈加热的高温热管冷却反应堆非核样机系统及方法，包括：高温热管冷却固体加热模块和分别与之相连的可控直流电源、光纤传感器、温度采集卡和上位机，本发明专利技术通过温度与热膨胀反馈加热模式进行热管加热实验，采用电热管模拟代替核反应释热，具有更好的经济性与安全性，可用于研究热管堆应用场景下高温热管的瞬态传热与温度分布特性。管的瞬态传热与温度分布特性。管的瞬态传热与温度分布特性。

【技术实现步骤摘要】
基于反馈加热的高温热管冷却反应堆非核样机系统及方法


[0001]本专利技术涉及的是一种小型先进反应堆控制领域的技术，具体是一种考虑温度与热膨胀反馈效应的高温热管冷却反应堆非核样机系统及方法。

技术介绍

[0002]高温热管是一种被动传热装置，利用内部装填工质的相变实现高效的轴向热传递，在太阳能收集器、斯特林机、小型核反应堆等各类工业领域有着广阔的应用前景。近年来出现大量关于高温热管传热特性的实验研究，但这些研究采用的热管加热模式为恒定功率加热模式，即热管蒸发段的输入加热功率不变。然而这并不能反映热管在热管堆动态运行过程中的真实受热过程。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有高温热管性能实验方法均采用恒定功率加热模式，只能研究高温热管在某个恒定功率下的稳态温度分布特性、只能模拟不同反馈效应下燃料棒本身的释热行为且没有考虑受热堆芯对上位机以及加热系统施加的温度反馈效应的不足，提出一种基于反馈加热的高温热管冷却反应堆非核样机系统及方法，通过温度与热膨胀反馈加热模式进行热管加热实验，采用电热管模拟代替核反应释热，具有更好的经济性与安全性，可用于研究热管堆应用场景下高温热管的瞬态传热与温度分布特性。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种基于反馈加热的高温热管冷却反应堆非核样机系统，包括：高温热管冷却固体加热模块和分别与之相连的可控直流电源、光纤传感器、温度采集卡和上位机，其中：高温热管冷却固体加热模块在不同位置设置14个K型铠装热电偶并与温度采集卡相连以测量系统的温度分布；光纤传感器对光栅反射波长的变化量进行处理，得到固体堆芯基体的轴向膨胀形变数据；温度采集卡与布置在实验样机内部不同点位的热电偶相连，采集得到反应堆基体、加热管、高温热管各处的温度数据；上位机根据传感器采集得到的系统温度和轴向膨胀形变数据，更新当前反馈反应性，并求解点堆方程，传递新的功率信号并调节反应堆样机的加热功率。
[0006]所述的上位机包括：输入接口单元、传感器信息处理单元、点堆模型计算单元以及功率输出单元，其中：输入接口单元根据操作人员的手动输入，更新外部反应性的值，传感器信息处理单元根据传感器上传的温度和应变数据，更新反馈反应性的值，点堆模型计算单元根据外部反应性与反馈反应性得到总反应性并求解点堆方程，最终得到下一时刻的系统功率，功率输出单元将系统功率转换为电压信号，并发送到待测样机的可编程电源以调节系统加热功率。
[0007]本专利技术涉及一种基于上述装置的高温热管瞬态传热特性实验方法，通过反馈加热方式，根据系统温度动态调节高温热管蒸发段的输入功率，使得其更接近于热管堆中高温热管的实际受热过程，具体包括：
[0008]步骤一、通过温度采集卡测量实验装置内部各部件的温度；
[0009]步骤二、更新由外部反应性ρ
e
与反馈反应性ρ
f
组成的反应性ρ；
[0010]步骤三、更新并控制直流电源功率输出；
[0011]步骤四、在反馈效应下，动态调整热管蒸发段外壁输入功率P，此时热管实际传递的功率，通过计算瞬态热阻评估高温热管在温度反馈加热模式下的瞬态传热特性。技术效果
[0012]本专利技术通过上位机与实验装置的实时数据交换，基于温度与热膨胀反馈加热模式，能够动态调整热管蒸发段的输入加热功率，可用于研究高温热管在热管堆应用场景下的动态运行特性。相比现有技术，本专利技术能够根据实验台采集的堆芯温度实时更新热管加热功率，因此能够同时研究反应堆系统的功率与温度的耦合演化特性，并揭示高温热管在反应堆应用场景下的关键瞬态传热现象。本实验平台的结果表明：反应堆冷态运行场景下全系统的功率和温度呈现交错上升的现象，这可以归因于中子倍增周期和固体堆芯热惯性之间不同的瞬态时间尺度。
附图说明
[0013]图1为实施例待测样机装置示意图；
[0014]图2为正六棱柱受热基体结构示意图；
[0015]图中：热电偶安装槽1、燃料孔2、热管孔3、光纤4、光纤安装槽5、正六棱柱受热基体6；
[0016]图3为上位机示意图；
[0017]图4为实施例热管堆待测样机冷态启动输入功率与堆芯温度随时间的变化示意图；
[0018]图5为热管堆待测样机冷态启动时热管轴向热阻随时间的变化示意图。
具体实施方式
[0019]如图1所示，为本实施例涉及一种高温热管瞬态传热特性实验装置，包括：高温热管冷却固体加热模块和分别与之相连的可控直流电源、光纤传感器、温度采集卡和上位机，其中：高温热管冷却固体加热模块在不同位置设置14个K型铠装热电偶并与温度采集卡相连以测量系统的温度分布；光纤传感器对光栅反射波长的变化量进行处理，得到固体堆芯基体的轴向膨胀形变数据；温度采集卡与布置在实验样机内部不同点位的热电偶相连，采集得到反应堆基体、加热管、高温热管各处的温度数据；上位机根据传感器采集得到的系统温度和轴向膨胀形变数据，更新当前反馈反应性，并求解点堆方程，传递新的功率信号并调节反应堆样机的加热功率。
[0020]所述的上位机包括：输入接口单元、传感器信息处理单元、点堆模型计算单元以及功率输出单元，其中：输入接口单元根据操作人员的手动输入，更新外部反应性的值，传感器信息处理单元根据传感器上传的温度和应变数据，更新反馈反应性的值，点堆模型计算单元根据外部反应性与反馈反应性得到总反应性并求解点堆方程，最终得到下一时刻的系统功率，功率输出单元将系统功率转换为电压信号，并发送到待测样机的可编程电源以调节系统加热功率。
[0021]本实施例中待测样机部件为一个正六棱柱不锈钢316基体，并沿轴向贯穿7个孔，用于设置六根电加热管与1根高温热管。
[0022]本实施例通过在基体侧面布置一个光纤传感器测量基体的轴向形变。这些被记录的温度数据从NI9174机箱上传到桌面PC的LabVIEW程序中，该程序负责控制实验进程。在反馈加热模式下，LabVIEW程序对读取的温度数据进行处理，通过可控直流电源不断调整热管蒸发段的功率输入值。
[0023]所述的可控直流电源为可编程模式，使其功率输出通过网线直接由PC控制，直流电源共有四个通道，以实现对加热棒的分别控制，每个通道的峰值加热功率上限为500W。
[0024]所述的高温热管冷却固体加热模块包括：六根电加热管、1根高温热管、1根冷却螺旋盘管、一个不锈钢基体和一个氦气腔及保温材料，其中：正六棱柱不锈钢基体沿轴向贯穿7个孔，六根电加热管设置于不锈钢基体的6个燃料孔内，热管蒸发段设置于不锈钢基体中心的热管孔内，一个方形空腔呈水平放置，不锈钢基体外包覆多层硅酸铝保温棉，并水平固定于一个方形的充满氦气的保护空腔内；热电偶插入在基体内部开设的方槽中，光纤传感器用高温胶固定在基体外侧面开设的方槽中；所有传感器以及六根加热管的引线均从氦气腔中穿出，热管亦从氦气腔中穿出并将其冷凝段暴露在空气中；在热管冷凝段外部环绕一段等长的冷却螺旋盘管，通过测量内部水流量以及进出水口温度可以计算热管的换本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反馈加热的高温热管冷却反应堆非核样机系统，其特征在于，包括：高温热管冷却固体加热模块和分别与之相连的可控直流电源、光纤传感器、温度采集卡和上位机，其中：高温热管冷却固体加热模块在不同位置设置14个K型铠装热电偶并与温度采集卡相连以测量系统的温度分布；光纤传感器对光栅反射波长的变化量进行处理，得到固体堆芯基体的轴向膨胀形变数据；温度采集卡与布置在实验样机内部不同点位的热电偶相连，采集得到反应堆基体、加热管、高温热管各处的温度数据；上位机根据传感器采集得到的系统温度和轴向膨胀形变数据，更新当前反馈反应性，并求解点堆方程，传递新的功率信号并调节反应堆样机的加热功率。2.根据权利要求1所述的基于反馈加热的高温热管冷却反应堆非核样机系统，其特征是，所述的上位机包括：输入接口单元、传感器信息处理单元、点堆模型计算单元以及功率输出单元，其中：输入接口单元根据操作人员的手动输入，更新外部反应性的值，传感器信息处理单元根据传感器上传的温度和应变数据，更新反馈反应性的值，点堆模型计算单元根据外部反应性与反馈反应性得到总反应性并求解点堆方程，最终得到下一时刻的系统功率，功率输出单元将系统功率转换为电压信号，并发送到待测样机的可编程电源以调节系统加热功率。3.根据权利要求1所述的基于反馈加热的高温热管冷却反应堆非核样机系统，其特征是，所述的高温热管冷却固体加热模块包括：六根电加热管、1根高温热管、1根冷却螺旋盘管、一个不锈钢基体和一个氦气腔及保温材料，其中：正六棱柱不锈钢基体沿轴向贯穿7个孔，六根电加热管设置于不锈钢基体的6个燃料孔内，热管蒸发段设置于不锈钢基体中心的热管孔内，一个方形空腔呈水平放置，不锈钢基体外包覆多层硅酸铝保温棉，并水平固定于一个方形的充满氦气的保护空腔内；热电偶插入在基体内部开设的方槽中，光纤传感器用高温胶固定在基体外侧面开设的方槽中；所有传感器以及六根加热管的引线均从氦气腔中穿出，热管亦从氦气腔中穿出并将其冷凝段暴露在空气中；在热管冷凝段外部环绕一段等长的冷却螺旋盘管，通过测量内部水流量以及进出水口温度可以计算热管的换热功率。4.根据权利要求3所述的基于反馈加热的高温热管冷却反应堆非核样机系统，其特征是，所述的电加热管和热管初步插入不锈钢块之前，在加热棒侧表面均匀涂抹硅脂以降低热阻，在实验台反复加热和冷却过程中，结构材料的热膨胀将使装配体发生形变，随着这些组件的结合更为紧密，接触热阻会进一步降低。5.一种基于权利要求1
‑
4中任一所述系统的高温热管瞬态传热特性实验方法，其特征在于，通过反馈加热方式，根据系统温度动态调节高温热管蒸发段的输入功率，使得其更接近于热管堆中高温热管的实际受热过程，包括：步骤一、通过温度采集卡...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴翔，邓蛟龙，刘晓晶，熊进标，张滕飞，何辉，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：