板状燃料元件窄矩形通道实验装置设计及流动传热特性实验研究

发布时间：2020-05-06 08:40

【摘要】：从上世纪六十年代起,国内外学者开始对窄矩形通道内流动传热展开实验研究。在核能利用方面,逐渐从大规模建造核电厂向小型化设备转变,在一些情况下,如潜艇、大型移动设备供电、孤岛供电等,建造大型核电厂是不可行的。为此考虑改变堆芯燃料组件形状和冷却剂通道尺寸,堆芯采用板状燃料组件和窄矩形冷却剂通道,比如NP工程反应堆,日本的第三代研究堆JRR-3等。尺寸效应使窄矩形通道具有一定的强化换热。窄矩形通道由于尺寸效应,使得流体具有复杂的流动状态和传热现象。本文结合NP工程反应堆相关参数和实验需求,设计搭建了一套热工水力实验回路。实验系统可满足1.0 MPa的系统压力,温度可达到200 ℃,回路体积流量最大为1.7 m3/h。实验回路具有压力控制,流量调节,加热和冷凝功能。根据实际的反应堆运行参数和实验要求,将流动方向设定为竖直向下流动,并采用双面加热方式。实验流道间隙尺寸为2.3 mm,通道宽度为67 mm(加热宽度为62 mm),流道长度为1000 mm(加热长度为750 mm)。对竖直向下流动阻力特性开展等温强迫循环实验,得到了层流和紊流的转捩雷诺数(Re),Re=3000。与圆管相比,临界雷诺数变大,过渡区域消失,对实验数据进行处理,分别得到了层流区域和紊流区域的经验关系式。与现有的经验关系式进行计算对比,发现了在Re≤1600的区域内,实验数据与圆管层流解析法计算公式比较吻合,在2300≤Re3000区域内,实验数据与Kays公式、马建的拟合公式比较吻合;在Re3000区域内,由于高宽比对摩擦系数的影响,使得实验值小于现有经验关系式的计算值。对于竖直向下窄矩形通道内单相强迫对流换热特性,开展不同加热功率、不同入口温度、不同体积流量下的单一变量循环实验,得到了强迫对流换热系数的变化规律:在竖直向下流动、双面加热工况下,提高加热功率、升高主流入口温度和增加体积流量,均能使换热系数越大。对现有的对流换热Nu计算关系式进行评价,发现了Dittus-Boelter关系式、Gnielinski关系式的计算结果可以较好地预测换热系数,平均相对误差在±11%。最后对两相不稳定特性进行研究,实验结果发现了汽泡的前期行为(产生,融合,滑移等)会使压降产生短暂波动后恢复相对稳定,随着热流密度增加,压降振荡幅度增大。对于入口温度的影响,温度升高会使压降振荡提前发生,振荡幅度增大,流量会出现一定周期的波动;对于体积流量的影响,流量越大,发生压降振荡的热流密度越高。通过可视化观察得到了在竖直向下流动的过程,增大体积流量可以减小通道内汽泡振荡位移,增强主流带走汽泡的能力。本文针对竖直向下流动、双面加热条件下的窄矩形通道开展单相及两相的流动传热特性研究,得到压降传热相关变化规律,丰富冷却剂在窄矩形通道内的实验研究数据,对NP反应堆热工水力学优化提供依据。
【图文】：

板状燃料组件,反应堆燃料,堆芯,燃料板

第１章绪论逡逑．１研究背景逡逑于核动力的发展，在注重核电安全性的同时，核电的经济性也成为要标准之一。就经济性而言，建造大型反应堆核电厂来提供动力有设备小型化非常重要。板状燃料组件的冷却剂道为窄矩形通道，就内的传热面积而言，尺寸效应使得窄矩形通道具有一定的强化换热。件是由板状燃料和窄矩形冷却剂通道组成，，因板间距只有２？３邋ｍｍ凑的特点。此外板状燃料组件中燃料芯体温度低和燃耗深也是其优应用在一体化反应堆和实验堆堆芯中，如中国工程物理研宄院的ＮＰ、中国原子能科学研宄院的中国先进研宄堆（ＣＡＲＲ）邋［１］和日本的系列（ＪＲＲ－３，邋ＪＲＲ－３Ｍ）邋［２］等，使得堆芯体积与常规核电厂的相比，以适应海岛供电或移动装置供能的需求。此类型反应堆在国内设计。逡逑ｒ＞＜逦逦逦逡逑

模型图,实验台架,模型图,实物

第２章实验台架方案设计逡逑第２章实验台架方案设计逡逑为了对板状燃料组件中冷却剂通道内流动传热情况进行研究，搭建了热验装置，可以满足强迫循环不同工况参数条件下流动传热实验。本章主系统回路，实验内容，参数测量方案及不确定性分析等几个方进行介绍２．１实验系统回路逡逑基于调研国内外热工水力实验回路设计，中国科学技术大学搭建了热工台。该实验装置主要用于窄矩形通道内单相及两相流动传热实验研宄。回路主要包括水循环系统和辅助系统两部分，其中实验段的结构设计是台设计的关键部分。实验台架３Ｄ模型图和实验室实物图如下图所示。逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL352

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