一种反映热管堆非能动余热排出特性的实验装置及设计方法

专利名称：一种反映热管堆非能动余热排出特性的实验装置及设计方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111470400.5

专利申请（专利权）人：西安交通大学
权利人地址：陕西省西安市咸宁西路28号

专利发明（设计）人：苟军利,吴和鑫,徐世浩,单建强,桂淼

专利摘要：本发明公开了一种反映热管堆非能动余热排出特性的实验装置及设计方法，所述装置主要包括高温热管、陶瓷套管等；通过在陶瓷套管中穿插电阻丝径向加热热管蒸发段模拟热管堆中的环形燃料棒；在保证水套管水力当量直径与热管堆水力当量直径相等的基本原则下，通过高压水套管包裹热管绝热段并施加一定强迫循环流量的方式模拟深海环境中高压海水对热管的非能动冷却；通过调整流经电阻丝的电流和水套管当量直径模拟热管堆中不同空间位置的热管。本发明以单根热管结合高压水套管的方式实现快速模拟深海环境中热管堆在失去热阱的情况下通过海水的密度差以非能动的形式排出堆芯余热时热管瞬态特性的功能，为深海环境中热管堆驱动潜航器的设计提供技术支持。

主权利要求：
1.一种反映深海环境中热管堆非能动余热排出特性的实验装置，其特征在于，包括相连的热管蒸发段间接加热陶瓷套筒和热管绝热段高压水套管；
所述的热管蒸发段间接加热陶瓷套筒包括陶瓷套筒（2），陶瓷套筒（2）的中心开设有中心孔，以中心孔为中心，在陶瓷套筒（2）内的周向上开设有若干圆孔，圆孔内设置有电阻丝（1），陶瓷套筒（2）的中心孔处套装有热管本体（8），陶瓷套筒（2）分为多段，相邻两段之间留有间隙并设置有热管蒸发段温度测点定位结构（3），用于布置热电偶测量热管本体（8）外表面温度及陶瓷套筒（2）的温度梯度；
所述热管绝热段高压水套管包括两端密封的水套管本体（4），水套管本体（4）包括套装在一起的内管和外管，内管套装在热管本体（8），内管和外管之间形成圆环间隙，且在外管的侧壁上设置有与圆环间隙连通的水套管进口（5）和水套管出口（6）；
电阻丝（1）为一整根连续不间断的电阻丝，固定在陶瓷套筒（2）内部沿轴向均匀布置的一圈圆孔上，电阻丝（1）两端与电源电极连接；
根据热管本体（8）蒸发段温度测点的布置需求，不同轴向位置设置不同间隙的热管蒸发段温度测点定位结构（3）；
水套管本体（4）的内管模拟热管绝热段承压层，内径由热管直径和绝热段保温绝热层厚度决定，厚度为满足承压要求的最小厚度，水套管本体（4）外管内径由模拟对象的水力当量直径及水套管内管外径决定，保证水套管内外管形成的环管的水力当量直径与被模拟对象的水力当量直径相等，水套管进口（5）根据模拟对象不同位置热管的模拟需要，提供不同的入口压力条件和温度条件；
水套管本体（4）通过保证内外管形成的圆环的水力当量直径与被模拟对象的水力当量直径相等的方式模拟热管束中不同空间位置的流通通道，并通过改变水套管进口（5）的入口压力条件和温度条件模拟热管束中不同空间位置热管的非能动余热排出特性；
还包括套装在热管本体（8）上与水套管本体（4）相连的保温绝热层（7），保温绝热层（7）与热管本体（8）之间留有空气层（9），空气层（9）用于模拟热管本体（8）的冷凝段热阱丧失后的气体环境。
2.根据权利要求1所述的一种反映深海环境中热管堆非能动余热排出特性的实验装置，其特征在于，陶瓷套筒（2）的中心孔和圆孔之间留有宽度L的间隙，以防止高温膨胀破坏陶瓷套筒（2）结构。
3.权利要求1或2所述的反映深海环境中热管堆非能动余热排出特性的实验装置的设计方法，其特征在于，包括：根据需要模拟的热管堆的堆芯衰变功率和总热管数量确定单根热管需要模拟的功率范围和温度范围；
根据单根热管需要模拟的功率范围和温度范围确定使用的电阻丝（1）的材料和长度；
根据电阻丝（1）的长度和陶瓷套筒（2）的总长度确定陶瓷套筒（2）上的电阻丝穿孔的数量，并根据热管本体（8）的蒸发段上的热电偶布置位置和数量确定陶瓷套筒（2）的轴向分段数量和各段长度；
根据模拟对象的绝热段在非能动排热情况下的外部环境确定水套管本体（4）需要模拟的温度范围和压力范围；
根据水套管本体（4）需要模拟的温度范围和压力范围选取合适的内管、外管及密封圈的材料；
根据热管直径及热管绝热段保温绝热层厚度确定水套管本体（4）的内管内径，根据承压需求确定内管最小厚度；
根据模拟对象中不同流道当量直径和水套管本体（4）的内管外径确定水套管本体（4）的外管内径，根据承压需求确定外管最小厚度。 说明书 : 一种反映热管堆非能动余热排出特性的实验装置及设计方法技术领域[0001] 本发明属于核反应堆热工水力实验技术领域，具体涉及一种反映热管堆非能动余热排出特性的实验装置及设计方法。背景技术[0002] 热管是通过工作介质的汽液相变来传递热量的高导热性能传热元件，它充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热体的热量迅速传递到热源外。热管技术由于其极高的可靠性和传热效率，使其可应用于核能、宇航、军工等行业。典型热管堆一般采用高温热管，高温热管分为蒸发段、绝热段和冷凝段，蒸发段插入反应堆堆芯，绝热段包裹保温绝热材料，冷凝段与动力转换装置连接。相较于传统压水堆，热管堆的结构简单，没有类似压水堆的一回路及大量辅助设施。[0003] 设计一种使用热管堆作为动力装置的深海无人潜航器，当热管堆正常运行时，主要由与冷凝段相连的动力转换装置带走堆芯热量，并且要尽可能减少热管绝热段的热损失，故热管绝热段包裹有保温绝热层，且与海水隔离；当热管堆动力转换装置失效时，反应堆停堆，堆芯功率迅速降为衰变功率，打开海水隔离罩，利用海水密度差产生的流动横掠热管绝热段带走堆芯衰变热。[0004] 利用海水对热管堆进行非能动冷却的方式能够极大简化热管堆的结构，并且如果这种非能动余热排出方式能够满足热管堆余热排出要求，能够提高使用热管堆作为动力装置的深海无人潜航器的安全性。因此，对热管的非能动余热排出特性进行研究具有重要意义。但是，模拟深海条件下大规模热管束的实验成本昂贵，实验难度大，关键参数不易测量，不利于探究热管的非能动余热排出特性。因此，探索以低成本的方式实现对深海环境中热管堆非能动余热排出特性的研究具有重要意义。发明内容[0005] 为了解决上述问题，满足实验需要，本发明的目的是提供一种反映热管堆非能动余热排出特性的实验装置及设计方法。本发明以低成本的方式实现了对深海环境中热管堆非能动余热排出特性的研究，为深海环境中热管堆驱动潜航器的设计提供技术支持。[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：[0007] 一种反映深海环境中热管堆非能动余热排出特性的实验装置，包括相连的热管蒸发段间接加热陶瓷套筒和热管绝热段高压水套管；[0008] 所述的热管蒸发段间接加热陶瓷套筒包括陶瓷套筒，陶瓷套筒的中心开设有中心孔，以中心孔为中心，在陶瓷套筒内的周向上开设有若干圆孔，圆孔内设置有电阻丝，陶瓷套筒的中心孔处套装有热管本体，陶瓷套筒分为多段，相邻两段之间留有间隙并设置有热管蒸发段温度测点定位结构，用于布置热电偶测量热管本体外表面温度及陶瓷套筒的温度梯度；[0009] 所述热管绝热段高压水套管包括两端密封的水套管本体，水套管本体包括套装在一起的内管和外管，内管套装在热管本体，内管和外管之间形成圆环间隙，且在外管的侧壁上设置有与圆环间隙连通的水套管进口和水套管出口。[0010] 本发明进一步的改进在于，陶瓷套筒的中心孔和圆孔之间留有宽度L的间隙，以防止高温膨胀破坏陶瓷套筒结构。[0011] 本发明进一步的改进在于，电阻丝为一整根连续不间断的电阻丝，固定在陶瓷套筒内部沿轴向均匀布置的一圈圆孔上，电阻丝两端与电源电极连接。[0012] 本发明进一步的改进在于，根据热管本体蒸发段温度测点的布置需求，不同轴向位置设置不同间隙的热管蒸发段温度测点定位结构。[0013] 本发明进一步的改进在于，水套管本体的内管模拟热管绝热段承压层，内径由热管直径和绝热段保温绝热层厚度决定，厚度为满足承压要求的最小厚度，水套管本体外管内径由模拟对象的水力当量直径及水套管内管外径决定，保证水套管内外管形成的环管的水力当量直径与被模拟对象的水力当量直径相等，水套管进口根据模拟对象不同位置热管的模拟需要，提供不同的入口压力条件和温度条件。[0014] 本发明进一步的改进在于，水套管本体通过保证内外管形成的圆环的水力当量直径与被模拟对象的水力当量直径相等的方式模拟热管束中不同空间位置的流通通道，并通过改变水套管进口的入口压力条件和温度条件模拟热管束中不同空间位置热管的非能动余热排出特性。[0015] 本发明进一步的改进在于，还包括套装在热管本体上与水套管本体相连的保温绝热层，保温绝热层与热管本体之间留有空气层，空气层用于模拟热管本体的冷凝段热阱丧失后的气体环境。[0016] 所述的反映热管堆非能动余热排出特性的实验装置的设计方法，包括：[0017] 根据需要模拟的热管堆的堆芯衰变功率和总热管数量确定单根热管需要模拟的功率范围和温度范围；[0018] 根据单根热管需要模拟的功率范围和温度范围确定使用的电阻丝的材料和长度；[0019] 根据电阻丝的长度和陶瓷套筒的总长度确定陶瓷套筒上的电阻丝穿孔的数量，并根据热管本体的蒸发段上的热电偶布置位置和数量确定陶瓷套筒的轴向分段数量和各段长度；[0020] 根据模拟对象的绝热段在非能动排热情况下的外部环境确定水套管本体需要模拟的温度范围和压力范围；[0021] 根据水套管本体需要模拟的温度范围和压力范围选取合适的内管、外管及密封圈的材料；[0022] 根据热管直径及热管绝热段保温绝热层厚度确定水套管本体的内管内径，根据承压需求确定内管最小厚度；[0023] 根据模拟对象中不同流道当量直径和水套管本体的内管外径确定水套管本体的外管内径，根据承压需求确定外管最小厚度。[0024] 本发明至少具有如下有益的技术效果：[0025] 本发明提供的一种反映热管堆非能动余热排出特性的实验装置及设计方法，基于实验模拟的水力当量直径与待研究热管堆相同的设计准则，考虑深海环境中热管堆的堆芯余热功率水平和海水在密度差作用下形成的横掠热管绝热段的流量以及深海压力环境，采用电阻丝结合陶瓷套管的方式为热管蒸发段提供间接加热模拟热管堆堆芯环形燃料加热热管，采用在热管绝热段外包裹高压水套管结合小流量强迫循环的方式模拟海水在密度差作用下横掠热管绝热段。[0026] 综上，本发明可以模拟堆芯高热流密度和高温且便于布置热管温度测点的分段式间接加热陶瓷套筒；也可以模拟深海环境中海水在密度差的作用下横掠热管绝热段的高压水套管。因此，本发明以低成本的方式实现了对深海环境中热管堆非能动余热排出特性的研究，为深海环境中热管堆驱动潜航器的设计提供技术支持。附图说明[0027] 图1为本发明实例提供的实验装置结构示意图；[0028] 图2为本发明实例提供的模拟堆芯间接加热热管的陶瓷套管径向截面示意图；[0029] 图3为本发明实例提供的模拟深海压力环境及海水在密度差作用下横掠热管绝热段的高压水套管的径向截面示意图。[0030] 附图标记说明：[0031] 1、电阻丝，2、陶瓷套筒，3、热管蒸发段温度测点定位结构，4、热管绝热段水套管本体，5、水套管进口，6、水套管出口，7、保温绝热层，8、热管本体，9、空气层。具体实施方式[0032] 下面结合本发明实施例中的附图，以一种使用热管堆作为动力装置的深海无人潜航器的设计参数为基础，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。[0033] 本发明实施例提供一种反映热管堆非能动余热排出特性的实验装置及设计方法，图1为本发明实施例提供的实验装置结构示意图，用于描述发明装置的主要构成与连接方式。主要包括电阻丝1，陶瓷套筒2，热管蒸发段温度测点定位结构3，热管绝热段水套管本体4，水套管进口5，水套管出口6，保温绝热层7，热管本体8，以及空气层9。[0034] 陶瓷套筒2用于固定电阻丝1和热管本体8，用于为热管本体8的蒸发段提供间接加热热源；图2为本发明实例提供的陶瓷套筒2径向结构示意图，陶瓷套筒2外径为Ro，在半径为Rm的圆环上布有一圈直径为D的圆孔用于插入电阻丝1，中心孔半径为Ri，用于插入热管本体8；陶瓷套筒2共分为五段，每两段之间留有间隙用于布置热电偶测量热管本体8外表面温度及陶瓷套筒2的温度梯度；陶瓷套筒2内留有宽度L的间隙防止高温膨胀破坏陶瓷套筒2结构；陶瓷套筒2外包裹保温绝热层7使电阻丝1加热功率完全作用于热管本体8的蒸发段。[0035] 水套管本体4用于模拟海水在密度差驱动下自下而上横掠不同空间位置的热管本体8的绝热段；图3为本发明实例提供的水套管本体4径向结构示意图，包含半径为Rpb的内管用于模拟绝热段承压层，外径为Rot的外管，内管和外管之间形成间隙为Lwt的圆环；中心圆孔用于包裹热管本体8的绝热段，半径为Rin；热管本体8和水套管本体4之间有厚度为Lin的保温绝热层7；水套管本体4两头焊接密封。[0036] 进一步的，本发明实例提供的水套管本体4内管半径Rpb为定值，外管半径Rot由模拟对象中不同位置的热管的当量直径确定：[0037] 水套管本体4当量直径：De＝Lwt＝Rot‑Rpb[0038] 本发明实例模拟对象当量直径：[0039] 水套管本体4外径：[0040] 空气层9模拟热管本体8的冷凝段热阱丧失后的气体环境。[0041] 以下为本发明所述的反映高温热管非能动余热排出特性的实验装置的设计方法，其具体的操作步骤为：[0042] 1)根据需要模拟的热管堆的堆芯衰变功率和总热管数量确定单根热管需要模拟的功率范围和温度范围；[0043] (2)根据单根热管需要模拟的功率范围和温度范围确定使用的电阻丝1的材料和长度；[0044] (3)根据电阻丝1的长度和陶瓷套筒2的总长度确定陶瓷套筒2上的电阻丝穿孔的数量，并根据热管本体8的蒸发段上的热电偶布置位置和数量确定陶瓷套筒2的轴向分段数量和各段长度；[0045] (4)根据模拟对象的绝热段在非能动排热情况下的外部环境确定水套管本体4需要模拟的温度范围和压力范围；[0046] (5)根据水套管本体4需要模拟的温度范围和压力范围选取合适的内管、外管及密封圈的材料；[0047] (6)根据热管直径及热管绝热段保温绝热层厚度确定水套管本体4的内管内径，根据承压需求确定内管最小厚度；[0048] (7)根据模拟对象中不同流道当量直径和水套管本体4的内管外径确定水套管本体4的外管内径，根据承压需求确定外管最小厚度。[0049] 本发明实施例以低成本的单根热管结合水套管的方式实现了快速模拟深海环境中热管堆在失去热阱的情况下通过海水的密度差以非能动的形式排出堆芯余热时热管瞬态特性的功能，解决了单根热管无法模拟不同空间位置热管非能动余热排出特性的难题，为深海环境中热管堆驱动潜航器的设计提供技术支持。[0050] 以上所述，仅为本发明的一个具体实例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以专利要求书的保护范围为准。

专利地区：陕西

专利申请日期：2021-12-03

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN114184633B