CN117831806B - 电加热螺旋花瓣型试验棒及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电加热螺旋花瓣型试验棒及其制作方法，涉及核工业中的燃料元件热工水力实验领域。所述试验棒包括螺旋花瓣型空心管，螺旋花瓣型空心管内设置有热电偶支架和陶瓷管，沿所述热电偶支架的轴向方向上形成有一个以上的凹槽，所述陶瓷管的一端与所述热电偶支架固定连接，与所述凹槽数量相同的热电偶经所述陶瓷管插入到所述凹槽内，位于所述凹槽内的所述热电偶的端部与弹簧的一端连接，所述弹簧的另一端固定在所述凹槽的底部，所述弹簧处于压缩状态，并通过胶体将弹簧和热电偶固定在所述凹槽内，当在所述空心管外部加热后，胶体受热挥发失效，弹簧回弹，将热电偶的端部探头紧压在螺旋花瓣型空心管的内壁面上。所述试验棒具有测温方便、能够提高发热功率等优点。
Description
技术领域
本发明涉及核工业中的燃料元件热工水力实验领域，尤其涉及一种耐压且具备多点测量的电加热螺旋花瓣型试验棒及其制作方法。
背景技术
核能是一种清洁、经济、高能量密度的战略能源。为了进一步提高反应堆功率，通过改良燃料几何结构获得高性能燃料元件，成为当前主流研究方向之一。近年来，一种新型的螺旋花瓣型燃料棒由于其优越的热工水力性能，备受国内外专家学者关注。我国现如今仍处于理论研究的起步阶段，认识还不够深入，尚未投入到工程应用中。
反应堆运行的安全性是核能发展最重要的目标和首要任务，针对新型螺旋花瓣形燃料棒，对其开展热工水力实验研究，为工程上提供关键数据和设计计算准则是非常有必要的。因此，亟需一种耐压且具备多点壁温测量的电加热螺旋花瓣型试验棒，以满足压水堆核反应堆一回路高温高压条件与临界热流密度等热工水力实验需求。
传统燃料试验棒制作工艺可以制造出相同直径下的圆柱型燃料棒，而新型的螺旋花瓣型燃料棒由于其独特的花瓣形截面形状、窄空间限制与自螺旋结构，现有的制作工艺极易导致壁厚的不均匀以及花瓣形截面变形的问题。新型螺旋花瓣型燃料棒采用空心结构，内部空间狭小，热电偶安装定位过程存在极大困难；可靠牢固的热电偶固定方式亟需解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种测温方便、能够提高发热功率的耐压且具备多点测量的电加热螺旋花瓣型试验棒及其制作方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种电加热螺旋花瓣型试验棒，包括螺旋花瓣型空心管，螺旋花瓣型空心管内设置有热电偶支架和陶瓷管，沿所述热电偶支架的轴向方向上形成有一个以上的凹槽，所述陶瓷管的一端与所述热电偶支架固定连接，与所述凹槽数量相同的热电偶经所述陶瓷管插入到所述凹槽内，位于所述凹槽内的所述热电偶的端部与弹簧的一端连接，所述弹簧的另一端固定在所述凹槽的底部，所述弹簧处于压缩状态，并通过胶体将弹簧和热电偶固定在所述凹槽内，当在所述空心管外部加热后，胶体受热挥发失效，弹簧回弹，将热电偶的端部探头紧压在螺旋花瓣型空心管的内壁面上。
进一步的技术方案在于：所述热电偶支架为绝缘材质制作，所述凹槽设置有两个，对称的设置在所述热电偶支撑架的左右两侧，且部分凹槽与所述螺旋花瓣型空心管上的内凹部相对设置，使得在所述弹簧的作用下，所述热电偶的端部探头能够与所述螺旋花瓣型空心管接触。
进一步的技术方案在于：所述凹槽的外侧为弧形槽，所述凹槽的内侧为矩形槽，凹槽的整体深度小于弹簧自然长度的一半，通过胶体将热电偶端部的探头粘在压缩弹簧的表面，并将弹簧压缩安装在凹槽内。
进一步的技术方案在于：所述试验棒还包括空心端塞和导电管，所述空心端塞的一端插入到所述螺旋花瓣型空心管的一端，所述空心端塞的另一端与所述导电管固定连接，陶瓷管从所述空心端塞以及导电管上穿出。
进一步的技术方案在于：所述空心端塞的一端为第一花瓣形截面，其外径略小于花瓣形螺旋管的内径，另一端为第一圆形截面，第一圆形截面的外径略小于导电管的内径，中间为第一缓变过渡区，沿所述空心端塞的轴心形成有贯穿其本体的通孔，所述通孔用于供所述陶瓷管伸出。
进一步的技术方案在于：所述试验棒还包括实心端塞和导电棒，所述实心端塞的一端插入到所述螺旋花瓣型空心管的另一端，所述实心端塞的另一端与导电棒固定连接。
进一步的技术方案在于：所述实心端塞的一端为第二花瓣形截面，其外径略小于花瓣形螺旋管的内径，另一端为第二圆形截面，中间为第二缓变过渡区。
本发明还公开了一种电加热螺旋花瓣型试验棒制作方法，包括如下步骤：
将弹簧压缩后放入热电偶支架的凹槽内，并用胶体固定，陶瓷管与热电偶支架通过胶体固定；
将热电偶穿过陶瓷管并通过点胶与热电偶支架上的弹簧固定；将热电偶支架，热电偶和陶瓷管水平插入不锈钢螺旋花瓣型空心管内；
热电偶达到指定位置后，在不锈钢螺旋花瓣型空心管外部加热，点胶高温失效，弹簧弹起，将热电偶探头压在不锈钢螺旋花瓣型空心管内壁面上；
将陶瓷管穿过空心端塞并与不锈钢螺旋花瓣型空心管焊接；通过振动密实方法，将纳米级氧化镁颗粒填充到不锈钢螺旋花瓣型空心管内；将实心端塞与不锈钢螺旋花瓣型空心管焊接，导电棒与实心端塞焊接并打磨光滑，导电管与空心端塞焊接并打磨光滑。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请所述试验棒通过弹簧、热电偶以及点胶结构，可以实现试验棒轴向和径向温度测量，使用方便。在不改变外部流场的前提下，实现螺旋花瓣型试验棒内壁面多点温度测量和最高20MPa承压需求，可用于螺旋花瓣型燃料棒的热工水力性能研究。相同电源条件下，采用螺旋花瓣型空心管可以减小电流流通面积，提高螺旋花瓣型空心管的电阻值，因此该设计可以显著提高螺旋花瓣型空心管的发热功率，实际应用价值极高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述试验棒的结构示意图；
图2是图1中A-A向的剖视结构示意图；
图3是本发明实施例中螺旋花瓣型空心管截面图；
图4是本发明实施例中螺旋花瓣型空心管整体图；
图5是本发明实施例中空心端塞图以及导电管的结构示意图；
图6是本发明实施例中实心端塞以及导电棒的结构示意图；
其中：1、热电偶支架；1-1、凹槽；2、热电偶；3、弹簧；4、陶瓷管；
5、胶体；6、填充剂；7、螺旋花瓣型空心管；7-1、螺旋花瓣型管的外径；7-2、花瓣形螺旋管的内径；8、空心端塞；8-1、第一花瓣形截面；8-2、第一圆形截面；8-3、第一缓变过渡区；8-4、通孔；9、实心端塞；9-1、第二花瓣形截面；9-2、第二圆形截面；9-3、第二缓变过渡区；10、导电管；11、导电棒。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-图图4所示，本发明实施例公开了一种电加热螺旋花瓣型试验棒，包括螺旋花瓣型空心管7，所述螺旋花瓣型空心管7为具有一定壁厚的圆管通过模具压制而成，具有花瓣形截面形状和自螺旋结构，制作材质为导电性能良好的金属材质。螺旋花瓣型空心管7内设置有热电偶支架1和陶瓷管4，沿所述热电偶支架1的轴向方向上形成有一个以上的凹槽1-1，所述陶瓷管4的一端与所述热电偶支架1固定连接，与所述凹槽1-1数量相同的热电偶2经所述陶瓷管4延伸到所述凹槽1-1内，所述陶瓷管4内填充有填充剂，用于将所述陶瓷管4填充密实；位于所述凹槽1-1内的所述热电偶2的端部与弹簧3的一端连接，所述弹簧3的另一端固定在所述凹槽1-1的底部，所述弹簧3处于压缩状态，并通过胶体6将弹簧3和热电偶2的探头固定在所述凹槽1-1内，当在所述空心管外部加热后，胶体6受热挥发失效，弹簧3回弹，将热电偶2的端部探头紧压在螺旋花瓣型空心管7的内壁面上。
如图2所示，所述热电偶支架1为绝缘材质制作，所述凹槽1-1设置有两个，对称的设置在所述热电偶支撑架1的左右两侧，且部分凹槽与所述螺旋花瓣型空心管上的内凹部相对设置，使得在所述弹簧3的作用下，所述热电偶2的端部探头能够与所述螺旋花瓣型空心管7接触。优选的，所述凹槽1-1的外侧为弧形槽，所述凹槽1-1的内侧为矩形槽，所述弧形槽方便热电偶2端部的探头的安装，所述矩形槽方便弹簧3的安装；凹槽1-1的整体深度小于弹簧3自然长度的一半，通过胶体6将热电偶2端部的探头粘在压缩弹簧3的表面，并将弹簧3压缩安装在凹槽1-1内。
进一步的，如图1和图5所示，所述试验棒还包括空心端塞8和导电管10，所述空心端塞8的一端插入到所述螺旋花瓣型空心管7的一端，所述空心端塞8的另一端与所述导电管10固定连接，陶瓷管4从所述空心端塞8以及导电管10上穿出。所述空心端塞8的一端为第一花瓣形截面8-1，其外径略小于花瓣形螺旋管的内径7-2，另一端为第一圆形截面8-2，第一圆形截面8-2的外径略小于导电管的内径，中间为第一缓变过渡区8-3，沿所述空心端塞8的轴心形成有贯穿其本体的通孔8-4，所述通孔8-4用于供所述陶瓷管4伸出。
进一步的，如图1和图6所示，所述试验棒还包括实心端塞9和导电棒11，所述实心端塞9的一端插入到所述螺旋花瓣型空心管7的另一端，所述实心端塞9的另一端与导电棒11固定连接。所述实心端塞9的一端为第二花瓣形截面9-1，其外径略小于花瓣形螺旋管的内径7-2，另一端为第二圆形截面9-2，中间为第二缓变过渡区9-3。
进一步的，本申请还公开了一种电加热螺旋花瓣型试验棒制作方法，包括如下步骤：
将弹簧3压缩后放入热电偶支架1的凹槽1-1内，并用胶体6固定，陶瓷管4与热电偶支架1通过胶体6固定；
将热电偶2穿过陶瓷管4并通过点胶6与热电偶支架1上的弹簧3固定；将热电偶支架1、热电偶2和陶瓷管4水平插入不锈钢螺旋花瓣型空心管7内；
热电偶2达到指定位置后，在不锈钢螺旋花瓣型空心管7外部加热，点胶6高温失效，弹簧3弹起，将热电偶2的探头压在不锈钢螺旋花瓣型空心管7内壁面上；
将陶瓷管4穿过空心端塞8并与不锈钢螺旋花瓣型空心管7焊接；通过振动密实方法，将纳米级氧化镁颗粒填充到不锈钢螺旋花瓣型空心管7内；将实心端塞9与不锈钢螺旋花瓣型空心管7焊接，导电棒11与实心端塞9焊接并打磨光滑，导电管10与空心端塞8焊接并打磨光滑。
本申请所述试验棒通过弹簧、热电偶以及点胶结构，可以实现试验棒轴向和径向温度测量，使用方便。在不改变外部流场的前提下，实现螺旋花瓣型试验棒内壁面多点温度测量和最高20MPa承压需求，可用于螺旋花瓣型燃料棒的热工水力性能研究。相同电源条件下，采用螺旋花瓣型空心管可以减小电流流通面积，提高螺旋花瓣型空心管的电阻值，因此该设计可以显著提高螺旋花瓣型空心管的发热功率，实际应用价值极高。对试验棒的改变不受限于传统工艺，且不影响燃料棒外表面的流场，对于非本领域或本领域的其他实验研究均可适用，普适性强，且其方法科学合理，可拓展性强，经济价值高。此外，需要说明的是，本发明不仅适用于花瓣形燃料棒，也适用于圆柱形燃料棒，螺旋绕肋形燃料棒等其他异形结构燃料棒。
Claims (10)
1.一种电加热螺旋花瓣型试验棒，其特征在于：包括螺旋花瓣型空心管（7），螺旋花瓣型空心管（7）内设置有热电偶支架（1）和陶瓷管（4），沿所述热电偶支架（1）的轴向方向上形成有一个以上的凹槽（1-1），所述陶瓷管（4）的一端与所述热电偶支架（1）固定连接，与所述凹槽（1-1）数量相同的热电偶（2）经所述陶瓷管（4）延伸到所述凹槽（1-1）内，位于所述凹槽（1-1）内的所述热电偶（2）的端部与弹簧（3）的一端连接，所述弹簧（3）的另一端固定在所述凹槽（1-1）的底部，所述弹簧（3）处于压缩状态，并通过胶体（6）将弹簧（3）和热电偶（2）的探头固定在所述凹槽（1-1）内，当在所述空心管外部加热后，胶体（6）受热挥发失效，弹簧（3）回弹，将热电偶（2）的端部探头紧压在螺旋花瓣型空心管（7）的内壁面上。
2.如权利要求1所述的电加热螺旋花瓣型试验棒，其特征在于：所述螺旋花瓣型空心管（7）为具有一定壁厚的圆管通过模具压制而成，具有花瓣形截面形状和自螺旋结构，制作材质为导电性能良好的金属材质。
3.如权利要求1所述的电加热螺旋花瓣型试验棒，其特征在于：所述陶瓷管（4）内以及所述螺旋花瓣型空心管（7）与所述陶瓷管之间填充有填充剂（5），用于将所述陶瓷管（4）以及螺旋花瓣型空心管（7）填充密实。
4.如权利要求1所述的电加热螺旋花瓣型试验棒，其特征在于：所述热电偶支架（1）为绝缘材质制作，所述凹槽（1-1）设置有两个，对称的设置在所述热电偶支撑架（1）的左右两侧，且部分凹槽与所述螺旋花瓣型空心管上的内凹部相对设置，使得在所述弹簧（3）的作用下，所述热电偶（2）的端部探头能够与所述螺旋花瓣型空心管（7）接触。
5.如权利要求4所述的电加热螺旋花瓣型试验棒，其特征在于：所述凹槽（1-1）的外侧为弧形槽，所述凹槽（1-1）的内侧为矩形槽，凹槽（1-1）的整体深度小于弹簧（3）自然长度的一半，通过胶体（6）将热电偶（2）端部的探头粘在压缩弹簧（3）的表面，并将弹簧（3）压缩安装在凹槽（1-1）内。
6.如权利要求1所述的电加热螺旋花瓣型试验棒，其特征在于：所述试验棒还包括空心端塞（8）和导电管（10），所述空心端塞（8）的一端插入到所述螺旋花瓣型空心管（7）的一端，所述空心端塞（8）的另一端与所述导电管（10）固定连接，陶瓷管（4）从所述空心端塞（8）以及导电管（10）上穿出。
7.如权利要求6所述的电加热螺旋花瓣型试验棒，其特征在于：所述空心端塞（8）的一端为第一花瓣形截面（8-1），其外径略小于花瓣形螺旋管的内径（7-2），另一端为第一圆形截面（8-2），第一圆形截面（8-2）的外径略小于导电管的内径，中间为第一缓变过渡区（8-3），沿所述空心端塞（8）的轴心形成有贯穿其本体的通孔（8-4），所述通孔（8-4）用于供所述陶瓷管（4）伸出。
8.如权利要求1所述的电加热螺旋花瓣型试验棒，其特征在于：所述试验棒还包括实心端塞（9）和导电棒（11），所述实心端塞（9）的一端插入到所述螺旋花瓣型空心管（7）的另一端，所述实心端塞（9）的另一端与导电棒（11）固定连接。
9.如权利要求8所述的电加热螺旋花瓣型试验棒，其特征在于：所述实心端塞（9）的一端为第二花瓣形截面（9-1），其外径略小于花瓣形螺旋管的内径（7-2），另一端为第二圆形截面（9-2），中间为第二缓变过渡区（9-3）。
10.一种电加热螺旋花瓣型试验棒制作方法，其特征在于包括如下步骤：
将弹簧（3）压缩后放入热电偶支架（1）的凹槽（1-1）内，并用胶体（6）固定，陶瓷管（4）与热电偶支架（1）通过胶体（6）固定；
将热电偶（2）穿过陶瓷管（4）并通过点胶（6）与热电偶支架（1）上的弹簧（3）固定；将热电偶支架（1）、热电偶（2）和陶瓷管（4）水平插入不锈钢螺旋花瓣型空心管（7）内；
热电偶（2）达到指定位置后，在不锈钢螺旋花瓣型空心管（7）外部加热，点胶（6）高温失效，弹簧（3）弹起，将热电偶（2）的探头压在不锈钢螺旋花瓣型空心管（7）内壁面上；
将陶瓷管（4）穿过空心端塞（8）并与不锈钢螺旋花瓣型空心管（7）焊接；通过振动密实方法，将纳米级氧化镁颗粒填充到不锈钢螺旋花瓣型空心管（7）内；将实心端塞（9）与不锈钢螺旋花瓣型空心管（7）焊接，导电棒（11）与实心端塞（9）焊接并打磨光滑，导电管（10）与空心端塞（8）焊接并打磨光滑。
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