[发明专利]一种海洋条件下不同加热面结构池式沸腾实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种海洋条件下不同加热面结构池式沸腾实验装置及方法，该装置包括海洋运动条件平台、水箱、高速摄像仪、实验段和角度调整机构；水箱固定在海洋运动条件平台上，其顶部安装有冷凝器，下部安装有辅助加热器。高速摄像仪安装在水箱侧面并与海洋运动条件平台固定。实验段与水箱连接，其内部紫铜块钻孔并安装有加热棒，紫铜块除底面外被保温棉包裹，保温棉外侧安装与紫铜块底面四周焊接的不锈钢罩，实验段底部安装可更换的铜片。实验装置能够进行单一或者复合的升潜、摇摆和振荡运动条件下，不同加热面倾斜角度下的池式沸腾实验并且能够测量临界热流密度。此外，该装置还可以通过更换加热面对不同微观结构表面的沸腾换热能力进行研究。

技术领域

本发明涉及海上核反应堆严重事故条件下堆内熔融物滞留研究技术领域，具体涉及一种海洋条件下不同加热面结构池式沸腾实验装置及方法。

研究背景

核反应堆发生严重事故后，堆芯和结构材料熔化，熔化的堆芯材料会迁移到压力容器下封头内部形成带有衰变内热源的熔融池结构。在陆基反应堆中，熔融物堆内持留策略IVR(In-Vessel Retention)是缓解严重事故后果的一项关键措施。该策略通过向堆坑注水实现压力容器外部冷却，带走衰变熔融物所释放的余热，防止压力容器下封头失效。压力容器下封头与冷却工质的换热形式为池式沸腾，为了保证压力容器下封头的完整性，需要获得压力容器下封头不同位置的临界热流密度(CHF,Critical Heat Flux)。然后和压力容下封头不同位置的热流密度对比，对压力容器的安全性进行评估。同时，压力容器下封头外壁面CHF越高，压力容器的安全性能越好，因此提升压力容器下封头的CHF对压力容器的设计有着非常重要的意义。目前，国内外的大量研究表明改变换热面的表面微观结构可以显著的提高换热面的CHF，但是不同的微观结构下CHF的提升幅度尚无统一结论，且微观结构对压力容器下封头不同位置CHF提升的研究十分匮乏，需要通过实验得到适用于压力容器下封头的表面微观结构形式。

国内外针对静止条件下的压力容器下封头外壁面不同位置的池式沸腾换热和CHF研究较为深入。在海洋条件下，压力容器下封头外壁面的池式沸腾换热与临界热流密度的研究十分匮乏，熔融物堆内持留策略能否成功应用到海上核反应堆还存在较大的不确定性。经过调研发现，运动条件会引起附加力，从而改变流体的流动与传热特性。由于静止条件下，压力容器下封头外部为自然对流传热，驱动力较弱，可以预见海洋运动引起的附加力将会使压力容器下封头外壁面的对流传热特性发生较大的变化。因此有必要设计相关实验装置，对海洋运动条件下压力容器下封头不同位置的池式沸腾传热特性和CHF进行研究。

中国专利申请号CN201910505807.3提出了一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置。该装置通过锡焊将可更换的加热面与导热铜柱连接，可以对不同结构加热面的池式沸腾传热特性进行研究。由于其导热铜柱与水箱连接，无法改变加热面的倾斜角度实现对压力容器下封头不同位置的池式沸腾特性和CHF值研究。

中国专利申请号CN201810487665.8公开了一种可视化池式沸腾及临界热流密度试验系统，能够实现不同倾斜角度下换热面的池式沸腾换热研究。但是，其实验段通过钢丝绳悬挂于水箱内，在海洋运动条件下实验段将会晃动导致加热面相对位置不稳定。此外，其水箱为开式设计，换热工质在运动过程中将会泄漏，无法满足海洋运动条件下的实验要求，因此需要设计一种海洋条件下不同加热面结构池式沸腾实验装置。

发明内容

本发明目的在于提供一种海洋条件下不同加热面结构池式沸腾实验装置及方法，能够研究海洋运动条件下压力容器下封头外壁面的不同位置的池式沸腾传热特性和CHF值。此外，该实验装置能够方便的更换不同加热面，对不同表面微观结构的加热面沸腾传热特性和CHF值进行研究。

本发明通过下述技术方案实现：