CN112179512A - 一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置及测量方法，涉及海洋条件下的核反应堆热工水力装置技术领域，该装置包括多根表面包裹有绝缘层的热电偶，所述热电偶的一端向绝缘层外伸出形成测量端，所述热电偶用于设于中空的加热棒内部以使测量端位于加热棒壁面测点位置上开设的小孔中，且位于小孔的测量端的顶面与所述加热棒的外壁面平齐。所述加热棒的内部设有多根热电偶，且位于加热棒内部的热电偶沿加热棒的轴向方向设置。本发明能够较为方便和准确地测量加热元件的外壁温，有助于提高加热棒表面换热特性的计算准确性。

Description

一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及海洋条件下的核反应堆热工水力装置技术领域，具体涉及一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置及测量方法。

背景技术

大多数压水核反应堆的堆芯通道都是以棒束通道的形式组成，如何将燃料棒元件产生的热量安全导出是一个极为重要的问题，因此棒束通道的冷却剂换热特性研究对于反应堆的设计和安全运行具有重要意义。对于实际的加热棒束通道换热特性研究而言，要想获得棒束与冷却剂之间的换热系数，加热棒的壁面温度(尤其是外壁面温度，即与冷却剂接触一侧的壁面温度)是必不可少的参量，准确地测量加热棒的外壁面温度是换热计算准确性的重要保障。

由于堆芯棒束元件的尺寸限制，温度测量仪表的布置往往较为困难。在实验研究中常用电加热棒来模拟堆芯的燃料元件棒以产生热量，对于空心的加热棒而言，比较常见的布置方法是选用较细的热电偶(一种温度测量设备)布置在棒束内壁相应的轴向高度处，从而测得该轴向高度处的内壁温，如附图1所述，然后根据加热功率等参数，对棒束本体求解导热方程得出相应位置的外壁温，进而得到加热棒外表面与外部流体的换热温差，从而求得换热系数，参照附图2所述。

对于稳态条件下的换热过程，上述测量方式结合导热计算基本能够得到较为准确的外壁温，但是对于非稳态条件下的换热过程，如船用核反应堆在海洋条件下的冷却剂换热过程，冷却剂流量会产生波动，由于棒束蓄热和换热边界条件的延迟变化，使得在非稳态条件下，很难得到准确的导热方程，从而无法求解得到较为准确的外壁温结果，尽管现有技术中已提出了非稳态条件下由内壁温求解外壁温的函数关系，但也仅限于一些固定的函数变化形式，而不能满足更为复杂的非稳态换热过程中外壁温的计算。另外，对于电加热棒束而言，热电偶在布置的过程中会在测点以上位置，热电偶线通过加热棒一端开口引出，但由于加热棒直径通常需在毫米量级，较为狭小，热电偶线在引出的时候不可避免地会与棒内壁接触，接触点与测量点之间的这段热电偶线就会与加热棒发生并联，从而有电流通过而被加热，导致热电偶测量值失真，导致热电偶测得的壁温并不是真实的测点温度，尽管现有技术中存在给热电偶套上陶瓷环以起到绝缘作用的方案，但对于细小的加热棒而言，这一方案实现起来较为困难，且会限制放入同一根加热棒内的热电偶数量，从而减少测点数量，导致最终得到的加热棒外壁温存在误差。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置及测量方法，能够较为方便和准确地测量加热元件的外壁温，有助于提高加热棒表面换热特性的计算准确性。

为达到以上目的，本发明提供的一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置，包括多根表面包裹有绝缘层的热电偶，所述热电偶的一端向绝缘层外伸出形成测量端，所述热电偶用于设于中空的加热棒内部以使测量端位于加热棒壁面测点位置上开设的小孔中，且位于小孔的测量端的顶面与所述加热棒的外壁面平齐。

在上述技术方案的基础上，所述加热棒的内部设有多根热电偶，且位于加热棒内部的热电偶沿加热棒的轴向方向设置。

在上述技术方案的基础上，所述加热棒的壁面上开设有多个用于连通加热棒内部和外部的小孔，且所述小孔的轴向方向与加热棒的轴向方向垂直。

在上述技术方案的基础上，所述加热棒的每个小孔中均设有一根热电偶的测量端。

在上述技术方案的基础上，所述热电偶的测量端与小孔之间的空隙中填充有焊料。

在上述技术方案的基础上，所述加热棒的内部填充有耐热绝缘粉末。

在上述技术方案的基础上，所述耐热绝缘粉末为氧化铝。

在上述技术方案的基础上，所述绝缘层为耐热绝缘胶布。

本发明提供的一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量方法，包括以下步骤：

在加热棒壁面的测点位置开设小孔；

将热电偶含有测量端的一端伸入加热棒内部，另一端位于加热棒外，并将测量端伸入小孔中，且保证测量端的顶面与加热棒的外壁面平齐；

在热电偶的测量端与小孔之间的空隙中填充焊料，并采用钎焊方式将热电偶的测量端焊接在小孔处；

向加热棒内部填充耐热绝缘粉末并压实。

在上述技术方案的基础上，当向加热棒内部填充耐热绝缘粉末并压实之后，还包括：在加热棒的两端注入耐热绝缘胶以对加热棒两端进行封口。

与现有技术相比，本发明的优点在于：将热电偶测量端直接布置在加热棒外壁面处，直接测量得到加热棒外壁面的温度，同时使用耐热绝缘胶布对热电偶引线进行包覆，并在加热棒内部填充耐热绝缘粉末然后压紧，与现有常用的测量方法相比，该方法能直接获取加热棒外壁温，且适用于较为复杂的非稳态换热过程，避免了由内壁温求解外壁温带来的各种问题，同时解决了热电偶引线与加热棒接触通电被加热的问题，保证了测量结果的真实性，本发明可用于非稳态条件下的棒束形式的堆芯通道热工水力实验研究，能够较为方便和准确地测量加热元件的外壁温，有助于提高加热棒表面换热特性的计算准确性，对推动非稳态条件下的堆芯热工水力特性研究进展具有积极的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中加热棒中热电偶的布置示意图；

图2为加热棒轴向剖面图；

图3为本发明实施例中测量装置布置示意图；

图4为本发明实施例中热电偶测量端位置图。

图中：1-热电偶与加热棒接触点，2-加热棒，3-热电偶，4-内壁面，5-外壁面，6-测量端，7-耐热绝缘粉末，8-小孔。

具体实施方式

本发明实施例提供一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置，通过在加热棒2的壁面上开设小孔8，将热电偶3的测量端6伸入小孔8中，直接进行加热棒2外壁面温度的测量，测量结果准确。本发明实施例相应地还提供了一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量方法。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图3所示，本发明实施例提供的一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置，包括多根表面包裹有绝缘层的热电偶3，热电偶3的一端向绝缘层外伸出形成测量端6，热电偶3用于设于中空的加热棒2内部以使测量端6位于加热棒2壁面测点位置上开设的小孔8中，且位于小孔8的测量端6的顶面与所述加热棒2的外壁面平齐，热电偶3设有测量端6的一端伸入加热棒2中，另一端位于加热棒2外。加热棒2位于流体中。加热棒2的内部设有多根热电偶3，且位于加热棒2内部的热电偶3沿加热棒2的轴向方向设置。加热棒2的壁面上开设有多个用于连通加热棒2内部和外部的小孔8，且小孔8的轴向方向与加热棒2的轴向方向垂直。加热棒2的每个小孔8中均设有一根热电偶3的测量端6。

本发明为了能够直接测量加热棒2的外壁面温度，以避免根据内壁温进行推导求解外壁温所产生的误差问题，本发明在加热棒2对应的测点位置开设小孔8，小孔8直径比热电偶3测量端6的直径稍大，使得小孔8能够刚好容纳热电偶3的测量端6，将热电偶3测量端6通过支杆送至小孔8位置并将测量端6伸入小孔8，并使其顶面与加热棒2外壁面保持平齐，参见附图4所述。

进一步的，本发明实施例中，热电偶3的测量端6与小孔8之间的空隙中填充有焊料。与点焊在内壁面不同，此时测量端6与加热棒2壁面的接触点为小孔8的周向边缘处，此时如果采用点焊方法只能使测量端6与小孔8周向某一小部分进行连接，无法充分测量局部位置的平均温度。为了填充小孔8与测量端6之间的间隙，让测量端6充分与周围的加热棒2棒体接触，从而使该位置加热棒2外壁面的温度充分传递到热电偶3的测量端6，本发明采用钎焊的方式将热电偶3测量端6焊接在开孔处，测量端6和开孔之间的缝隙由焊料填充，完成后将加热棒2壁面外的多余焊料打磨至加热棒2开孔之前的外形状态，则热电偶3测量端6的固定完成。

由于钎焊温度相对较低，对于加热棒2开孔处和热电偶3测量端6的形状和材料性质影响较小，同时开设的小孔8体积很小，对加热棒2整体电阻的影响可以忽略，因此加热棒2的发热量不受影响，加热棒2的温度分布和焊接之前基本相同。此外，热电偶3测量端6与小孔8处加热棒2外壁面充分接触，其测量温度即为该测点位置的加热棒2外壁面温度。通过从加热棒2内部布置热电偶3直接测量加热棒2外壁面的温度，避免了在外部布置测量端6对流体流动的影响。直接测量外壁温也简化了后期换热计算的过程，可以更快地得出加热棒2表面的换热系数，同时采用本发明的测量方式无需对加热棒2内部的导热过程进行分析，尤其是在非稳态条件下，加热棒2内部的导热过程非常复杂，分析难度很大，直接获得外壁温可以避免由于分析错误或者误差导致的计算结果失真和偏差。

进一步的，本发明还提供了以绝缘方式解决热电偶3引线在加热棒2内部与加热棒2并联而被加热的问题，加热棒2的内部填充有耐热绝缘粉末7，耐热绝缘粉末7为氧化铝，热电偶3的表面包裹有绝缘层，绝缘层为耐热绝缘胶布。热电偶3在伸入加热棒2进行焊接前先用耐热绝缘胶布缠绕包覆足够的长度，以保证从测量端6位置至加热棒2顶端都有绝缘隔离层，热电偶3测量端6伸入加热棒2小孔8的长度不进行包覆以方便焊接，缠绕包覆过程中胶带紧贴热电偶3表面，保证热电偶3的直径增量尽可能小，在单根加热棒2内的所有热电偶3都布置完成后，向加热棒2内填充耐热绝缘粉末7并反复压紧，最后在加热棒2两端注入少量耐热绝缘胶以进行封口和固化。

本发明所采用的绝缘方式可以很好地起到绝缘效果，避免热电偶3引线在狭小的加热棒2内部与棒壁面接触从而被通电加热，并且采用耐热的绝缘胶布和绝缘粉末可以保证在加热状态下绝缘层不会失效，具有很高的绝缘可靠性，同时绝缘胶布紧贴热电偶3引线包覆不会明显增大单只热电偶3的体积，能很好地满足狭小加热棒2内部的测点布置需求。此外，在某些非稳态条件下，由于环境和设备可能处于运动状态下，会导致热电偶3和加热棒2发生相对位移，在加热棒2内部填充耐热绝缘粉末7并压紧不仅能进一步增加绝缘保障，还可以起到固定热电偶3引线的作用，使其在运动条件下不会因往复摩擦而造成绝缘胶布的破损，更重要的是能防止热电偶3测量端6由于受到相对运动的拉扯而发生接触不良或者脱落的现象。

从加热棒2内部将热电偶3测量端6直接布置在外壁面处，既可以得到精确的外壁温测量结果，又避免了从加热棒2外表面布置热电偶3而破坏外部流体流动特性；由于测量位置处开设的小孔8体积极小，可以认为其不影响加热棒2的整体温度分布，且热电偶3测量端6紧贴附近的加热棒2外壁面，其测点处的温度即为对应的外壁面温度。

对于稳态条件下的换热过程，将热电偶3测量端6直接布置在外壁面处，使其直接测量加热棒2外壁温，避免了根据内壁温求解导热方程计算外壁温过程中所产生的计算误差，提升了外壁温测量结果的准确性，从而能够得到更为准确的换热系数，对于分析和优化核反应堆堆芯的换热特性有重要意义。

对于非稳态条件下的换热过程，直接测量加热棒2外壁温，避免了复杂的针对加热棒2本身的蓄热和非稳态导热过程的理论分析，很大程度上简化了整体换热特性的计算难度和工作量；对于非稳态条件下的换热过程，即使选取了较为简单的求解方程和边界函数，能够简化外壁温的计算过程，但仍会与真实的物理过程存在一定的偏差，造成外壁温计算结果的失真，直接测量外壁温避免了非稳态条件下计算结果的失真问题。

采用简化求解的方式只能满足某些特定非稳态条件下的外壁温计算，无法对更为复杂的非稳态换热过程进行求解，应用范围具有很大的局限性，直接测量加热棒2外壁温能够在复杂的非稳态换热过程中也得到较为准确的换热系数结果，极大地拓宽了换热工况的应用范围，对于不同工作条件下的核反应堆堆芯的换热特性分析和优化具有重要意义。

在热电偶3表面包覆耐热绝缘胶带能很好地将其表面与加热棒2内壁面隔离，绝缘效果的可靠性较高，并且在正常的换热工况下，不会因为加热棒2发热而影响其绝缘效果；与其他传统的绝缘手段相比，使用耐热绝缘胶带包覆热电偶3既能起到很好的绝缘效果又不会明显增大单个热电偶3的占用空间而牺牲加热棒2内热电偶3的布置数量；在加热棒2内填充耐热绝缘粉末7能进一步提高热电偶3与加热棒2壁面的绝缘可靠性，且填充方式较为简单，有很高的可操作性；将填充的耐热绝缘粉末7压紧后还能对热电偶3起到较好的固定效果，在某些非稳态条件如运动条件下，能避免包覆热电偶3的绝缘胶带和加热棒2内壁长时间发生摩擦而导致的绝缘层破损问题，以及热电偶3长期晃动导致测点处发生脱落的问题。

本发明实施例的堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置，将热电偶3测量端6直接布置在加热棒2外壁面处，直接测量得到加热棒2外壁面的温度，同时使用耐热绝缘胶布对热电偶3引线进行包覆，并在加热棒2内部填充耐热绝缘粉末7然后压紧，与现有常用的测量方法相比，该方法能直接获取加热棒2外壁温，且适用于较为复杂的非稳态换热过程，避免了由内壁温求解外壁温带来的各种问题，同时解决了热电偶3引线与加热棒2接触通电被加热的问题，保证了测量结果的真实性，本发明可用于非稳态条件下的棒束形式的堆芯通道热工水力实验研究，能够较为方便和准确地测量加热元件的外壁温，有助于提高加热棒2表面换热特性的计算准确性，对推动非稳态条件下的堆芯热工水力特性研究进展具有积极的作用。

本发明实施例还提供一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量方法，基于上述所述的堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置进行，本发明实施例的堆芯通道中加热棒束外壁温测量方法，包括以下步骤：

S1：在加热棒2壁面的测点位置开设小孔8；

S2：将热电偶3含有测量端6的一端伸入加热棒2内部，另一端位于加热棒2外，并将测量端6伸入小孔8中，且保证测量端6的顶面与加热棒2的外壁面平齐；

S3：在热电偶3的测量端6与小孔8之间的空隙中填充焊料，并采用钎焊方式将热电偶3的测量端6焊接在小孔8处；

S4：向加热棒2内部填充耐热绝缘粉末7并压实。

进一步的，当向加热棒2内部填充耐热绝缘粉末7并压实之后，还包括：在加热棒2的两端注入耐热绝缘胶以对加热棒2两端进行封口。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置，其特征在于，包括多根表面包裹有绝缘层的热电偶(3)，所述热电偶(3)的一端向绝缘层外伸出形成测量端(6)，所述热电偶(3)用于设于中空的加热棒(2)内部以使测量端(6)位于加热棒(2)壁面测点位置上开设的小孔(8)中，且位于小孔(8)的测量端(6)的顶面与所述加热棒(2)的外壁面平齐。

2.如权利要求1所述的一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置，其特征在于：所述加热棒(2)的内部设有多根热电偶(3)，且位于加热棒(2)内部的热电偶(3)沿加热棒(2)的轴向方向设置。

3.如权利要求2所述的一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置，其特征在于：所述加热棒(2)的壁面上开设有多个用于连通加热棒(2)内部和外部的小孔(8)，且所述小孔(8)的轴向方向与加热棒(2)的轴向方向垂直。

4.如权利要求3所述的一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置，其特征在于：所述加热棒(2)的每个小孔(8)中均设有一根热电偶(3)的测量端(6)。

5.如权利要求1所述的一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置，其特征在于：所述热电偶(3)的测量端(6)与小孔(8)之间的空隙中填充有焊料。

6.如权利要求1所述的一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置，其特征在于：所述加热棒(2)的内部填充有耐热绝缘粉末(7)。

7.如权利要求6所述的一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置，其特征在于：所述耐热绝缘粉末(7)为氧化铝。

8.如权利要求1所述的一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量装置，其特征在于：所述绝缘层为耐热绝缘胶布。

9.一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量方法，使用权利要求1所述测量装置进行，其特征在于，包括以下步骤：

在加热棒(2)壁面的测点位置开设小孔(8)；

将热电偶(3)含有测量端(6)的一端伸入加热棒(2)内部，另一端位于加热棒(2)外，并将测量端(6)伸入小孔(8)中，且保证测量端(6)的顶面与加热棒(2)的外壁面平齐；

在热电偶(3)的测量端(6)与小孔(8)之间的空隙中填充焊料，并采用钎焊方式将热电偶(3)的测量端(6)焊接在小孔(8)处；

向加热棒(2)内部填充耐热绝缘粉末(7)并压实。

10.如权利要求9所述的一种堆芯通道中加热棒束外壁温测量方法，其特征在于：当向加热棒(2)内部填充耐热绝缘粉末(7)并压实之后，还包括：在加热棒(2)的两端注入耐热绝缘胶以对加热棒(2)两端进行封口。

Images