本發(fā)明涉及超臨界水并聯(lián)通道分段加熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型超臨界水并聯(lián)通道分段可調(diào)節(jié)電加熱裝置。

背景技術(shù)：

核電是低碳能源供應(yīng)的支柱，相對于傳統(tǒng)的火電、水電以及風(fēng)電等能源，核電具有不排放二氧化碳和廢氣、無環(huán)境污染、發(fā)電穩(wěn)定及成本低廉等優(yōu)點。由于全球經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展以及低碳減排的需求，核電受到越來越多國家的青睞。為了進一步提高未來核電站的安全性以及經(jīng)濟性，國內(nèi)外核電企業(yè)及科研機構(gòu)開始了第四代核能系統(tǒng)的研發(fā)工作。

超臨界水冷堆是第四代核能系統(tǒng)中唯一入選的水冷堆。我國目前的核電技術(shù)路線均以壓水堆為主。因此從滿足我國未來清潔能源發(fā)展需求和技術(shù)延續(xù)性出發(fā)，超臨界水冷堆是一種具有安全性、經(jīng)濟性和可持續(xù)性的極具前景的堆芯方案。超臨界水冷堆由于堆芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜、出入口冷卻劑密度差較大，堆芯中存在發(fā)生異相流動不穩(wěn)定性的可能。超臨界水并聯(lián)通道流動不穩(wěn)定性實驗是研究超臨界水冷堆流動不穩(wěn)定特征的重要機理性實驗，用于反映超臨界水冷堆在冷卻劑密度變化情況下可能出現(xiàn)的流動不穩(wěn)定性特征。

原型超臨界水冷堆堆芯功率沿軸向為非均勻分布，這種非均勻分布特征會影響通道沿程的溫度分布、邊界層特征、流動特性，進而影響流動不穩(wěn)定性現(xiàn)象的起始點、不穩(wěn)定性動態(tài)特性等規(guī)律。因此需要在熱工實驗中開展非均勻熱流密度條件下的流動不穩(wěn)定性研究。目前，一般采用非均勻壁厚方法實現(xiàn)功率的非均勻分布，但是這種方法對于通道的加工制造要求水平很高，關(guān)鍵技術(shù)還掌握在國外公司中；另外，這種方式對于一個通道只能得到一組固定的功率分布形狀，無法實現(xiàn)功率分布的瞬態(tài)控制和定向調(diào)節(jié)，不能應(yīng)用于有瞬態(tài)調(diào)節(jié)需求的實驗研究中。

基于此，研究并開發(fā)設(shè)計了一種新型的超臨界水并聯(lián)通道分段可調(diào)節(jié)電加熱方法用于模擬原型超臨界水冷堆軸向功率分布特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有針對熱工實驗中對非均勻熱流密度流動不穩(wěn)定性的研究中，采用非均勻壁厚方法，對加熱通道的加工制造水平要求較高，無法實現(xiàn)對功率分布的瞬態(tài)控制和定向調(diào)節(jié)，不能應(yīng)用于有瞬態(tài)調(diào)節(jié)需求的實驗研究中。本發(fā)明目的在于提供一種新型超臨界水并聯(lián)通道分段可調(diào)節(jié)電加熱裝置，在加熱通道上安裝導(dǎo)電銅排，相鄰導(dǎo)電銅排間設(shè)置為對應(yīng)加熱通道區(qū)域加熱的獨立加熱端，解決了無法實現(xiàn)對水冷堆軸向功率分布特性進行模擬，瞬態(tài)控制、定向調(diào)節(jié)的技術(shù)問題。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種新型超臨界水并聯(lián)通道分段可調(diào)節(jié)電加熱裝置，包括等壁厚的加熱通道，在加熱通道上至少設(shè)置三個導(dǎo)電銅排，相鄰兩個導(dǎo)電銅排之間連接有加熱模塊，加熱模塊包括可編程直流電源及和可編程直流電源連接的單向二極管，相鄰兩個加熱模塊構(gòu)成一個加熱模塊組，加熱模塊組的兩個單向二極管的負極與負極相連，兩個單向二極管的正極與正極相連，相鄰兩個加熱模塊分別與導(dǎo)電銅排構(gòu)成的電流回路互不串流。

目前，針對熱工實驗中開展非均勻熱流密度條件下的流動不穩(wěn)定性研究，一般采用非均勻壁厚方法實現(xiàn)功率的非均勻分布，但是該方法采用的裝置無法實現(xiàn)對功率分布進行瞬態(tài)控制和定向調(diào)節(jié)。

基于此，發(fā)明人研究設(shè)計了超臨界水并聯(lián)通道分段可調(diào)節(jié)裝置，采用等壁厚的加熱通道作為實驗用加熱流道，降低加熱通道采用管道的加工難度和生產(chǎn)成本，其作為原型水堆結(jié)構(gòu)中的典型通道；在加熱通道上至少設(shè)置三個導(dǎo)電銅排，導(dǎo)電銅排的設(shè)置將加熱通道分隔成多個小段加熱通道；在相鄰兩個導(dǎo)電銅排之間連接加熱模塊，加熱模塊對加熱通道分段加熱；加熱模塊具體結(jié)構(gòu)為包括可編程直流電源及和可編程直流電源連接的單向二極管，可編程直流電源控制相鄰兩個導(dǎo)電銅排間的小段加熱通道，實現(xiàn)加熱通道功率的瞬態(tài)分布變化；設(shè)置相鄰兩個加熱模塊構(gòu)成一個加熱模塊組，加熱模塊組的兩個單向二極管的負極與負極相連，兩個單向二極管的正極與正極相連，相鄰兩個加熱模塊分別與導(dǎo)電銅排構(gòu)成的電流回路互不串流。

工作原理：以在加熱通道的進口端設(shè)置的導(dǎo)電銅排命名為下端導(dǎo)電銅排，在加熱通道的中間端設(shè)置的導(dǎo)電銅排命名為中間端導(dǎo)電銅排，選取下端導(dǎo)電銅排、與下端導(dǎo)電銅排相鄰的中間端導(dǎo)電銅排、與下端導(dǎo)電銅排、中間端導(dǎo)電銅排分別連接的一小段加熱通道作為對象，說明具體分段加熱的過程，可編程模塊化直流電源的電流從正極流出，經(jīng)過單向二極管到中間端導(dǎo)電銅排、再經(jīng)過下端導(dǎo)電銅排、中間端導(dǎo)電銅排分別連接的一小段加熱通道，對一小段加熱通道進行加熱，然后到達下端導(dǎo)電銅排，再流入可編程直流電源的負極。單向二極管的設(shè)置，使得可編程直流電源的電流不會流入相鄰的加熱通道電路系統(tǒng)中，實現(xiàn)每個可編程直流電源僅對相鄰的導(dǎo)電銅排間對應(yīng)的加熱通道分段加熱，最終實現(xiàn)對整個加熱通道的加熱。

具體地，本技術(shù)方案采用的等壁厚的加熱通道，而現(xiàn)有主要采用非均勻壁厚的加熱通道，非均勻壁厚的加熱通道用于模擬軸向功率的非均勻分布，即在軸向非均勻壁厚的加熱通道兩端加上直流電源，壁厚越厚的部位，其電阻越小，壁厚越薄的部位，其電阻越大。整根加熱通道上的電流是恒定的，電阻越大之處，功率越大，現(xiàn)有裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對加熱通道上軸向功率非均勻分布以及大小的瞬態(tài)調(diào)節(jié)，但是模擬出的功率分布形狀是固定的，僅有一種形狀，而采用等壁厚的加熱通道則能很好的解決該問題，加熱通道上不同位置處的加熱功率大小可根據(jù)需求進行調(diào)節(jié)，功率的分布形狀也可隨時間變化，與真實反應(yīng)堆中的瞬態(tài)變化情況更為接近。通過對加熱通道進行分段加熱，且采用均勻壁厚的加熱通道，可實現(xiàn)對功率分布的瞬態(tài)控制和定向調(diào)節(jié)，能應(yīng)用于有瞬態(tài)調(diào)節(jié)需求的實驗研究中。而采用非均勻壁厚的加熱通道，整個加熱通道功率形狀不隨時間變化，為正弦分布或為其他固定形狀分布，具體功率形狀分布與管道壁厚度的形狀有關(guān)，在管道壁厚度確定的情況下，功率分布形狀亦確定，且僅能調(diào)節(jié)功率大小，加熱通道的相同位置處不同時刻的功率為成比例變化，無法反映反應(yīng)堆真實的瞬態(tài)變化情況。

具體地，可編程直流電源又稱可編程模塊電源，對分段加熱通道進行獨立精細調(diào)節(jié)控制，提供加熱能量，其結(jié)構(gòu)及其原理為所屬領(lǐng)域的公知常識，不再詳述。

具體地，單向二極管，又稱晶體二極管，即只往一個方向傳送電流的電子零件，用于保護可編程直流電源不會超載，其具體結(jié)構(gòu)及其原理為所屬領(lǐng)域的公知常識，不再詳述。

具體地，本技術(shù)方案中所述的導(dǎo)電銅排，實現(xiàn)對加熱通道進行分段電氣隔離，而非物理分割，每相連兩個導(dǎo)電銅排間串接可編程直流電源，實現(xiàn)對加熱段獨立瞬態(tài)調(diào)節(jié)。導(dǎo)電銅排的結(jié)構(gòu)及其原理為所屬領(lǐng)域的公知常識，不再詳述。

進一步地，所述加熱通道為采用鎳基合金制成。鎳基合金是以鎳為基體，在650—1000℃下具有較高的強度、良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力的高溫合金。在本技術(shù)方案中采用鎳基合金制備的加熱通道，降低了對加熱管道的加工制造要求。

進一步地，所述相鄰可編程直流電源之間采用兩兩相向方式布置?？删幊讨绷麟娫丛O(shè)置在相鄰兩個導(dǎo)電銅排之間，并對相鄰兩個導(dǎo)電銅排間對應(yīng)的加熱通道進行獨立調(diào)節(jié)控制。而相鄰的為一體結(jié)構(gòu)的小段加熱通道之間連接的可編程直流電源，正極對正極、負極對負極。上述設(shè)置方式，針對多個可編程直流電源聯(lián)接的情況，其電勢會在一定程度上進行抵消，整個回路的最高電勢降低，有助于電氣安全。

進一步地，所述加熱通道由兩根并聯(lián)等壁厚的電加熱管構(gòu)成。電加熱管是由高強度的鎳基合金材料制作而成，滿足超臨界水的高溫高壓運行環(huán)境。這里對加熱通道的結(jié)構(gòu)進行進一步限定，優(yōu)選，由兩根并排的等壁厚加熱管構(gòu)成，即并聯(lián)通道，水流從入口進入，分別進入兩根加熱管道后被加熱成超臨界水，最后由出口混合后流出。

本技術(shù)方案中設(shè)置加熱通道由兩根電加熱管構(gòu)成，并非對構(gòu)成加熱通道電加熱個數(shù)的限定，根據(jù)研究試驗的類型不同，電加熱管的個數(shù)為可大于等于兩根。

進一步地，所述每根電加熱管的出口端、進口端均設(shè)有絕緣法蘭。絕緣法蘭的結(jié)構(gòu)為本領(lǐng)域的公知結(jié)構(gòu)，不再詳述。絕緣法蘭的設(shè)置，使兩根并聯(lián)電加熱管的電流不會交叉流動，對兩根電加熱管的獨立加熱。

進一步地，所述加熱通道為整體一體化結(jié)構(gòu)，即加熱通道為非分割結(jié)構(gòu)，如加熱通道由兩根并排等壁厚的電加熱管構(gòu)成，每根加熱管為一個整體結(jié)構(gòu)，不能分割，從而降低了對加熱管道的加工制造要求。

進一步地，所述導(dǎo)電銅排與加熱通道焊接。這里對導(dǎo)電銅排與加熱通道的連接方式進行限定，優(yōu)選通過焊接的方式，實現(xiàn)對對應(yīng)區(qū)段的加熱通道進行加熱。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

（1）本發(fā)明超臨界水并聯(lián)通道分段可調(diào)節(jié)電加熱裝置，采用等壁厚非分割的加熱通道，降低對加熱管道的加工制造要求。

（2）本發(fā)明超臨界水并聯(lián)通道分段可調(diào)節(jié)電加熱裝置，在加熱通道上根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置多個導(dǎo)電銅排，每相鄰兩個導(dǎo)電銅排之間為獨立加熱端，每兩個導(dǎo)電銅排間設(shè)置的可編程直流電源，每個可編程直流電源可對對應(yīng)的獨立加熱端進行調(diào)節(jié)控制，可根據(jù)實驗需求，瞬態(tài)調(diào)整通道的功率分布。

（3）本發(fā)明超臨界水并聯(lián)通道分段可調(diào)節(jié)電加熱裝置，在每個可編程直流電源的正極通過單向二極管接入電路，確保每個可編程直流電源的電流輸出方向保持穩(wěn)定，起到保護電源的作用。

（4）本發(fā)明所采用的裝置，實現(xiàn)了超臨界并聯(lián)通道的分段加熱，每段加熱功率可實現(xiàn)獨立瞬態(tài)調(diào)節(jié)，滿足反應(yīng)堆熱工水力實驗研究中對非均勻加熱實驗條件的模擬。目前已利用本發(fā)明對超臨界水冷堆方案的流動不穩(wěn)定性開展了機理性實驗研究，探索了超臨界條件下流動不穩(wěn)定性的規(guī)律和特點。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖中標(biāo)記及相應(yīng)的零部件名稱：

1-加熱通道，2-導(dǎo)電銅排，，3-可編程直流電源，4-單向二極管，5-絕緣法蘭。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。

實施例1：

如圖1所示，本發(fā)明一種新型超臨界水并聯(lián)通道分段可調(diào)節(jié)電加熱裝置，包括等壁厚的加熱通道1，在加熱通道1上至少設(shè)置三個導(dǎo)電銅排2，相鄰兩個導(dǎo)電銅排2之間連接有加熱模塊，加熱模塊包括可編程直流電源3及和可編程直流電源3連接的單向二極管4，相鄰兩個加熱模塊構(gòu)成一個加熱模塊組，加熱模塊組的兩個單向二極管4的負極與負極相連，兩個單向二極管的4的正極與正極相連，相鄰兩個加熱模塊分別與導(dǎo)電銅排2構(gòu)成的電流回路互不串流。。

其中，所述加熱通道1為采用鎳基合金制成。

其中，所述相鄰可編程直流電源3之間采用兩兩相向方式布置。

其中，所述加熱通道1由兩根并聯(lián)等壁厚的電加熱管形成。

其中，所述每根電加熱管的出口端、進口端均設(shè)有絕緣法蘭5。

其中，所述加熱通道1為整體一體化結(jié)構(gòu)。

其中，所述導(dǎo)電銅排與加熱通道1焊接。

本實施例1與現(xiàn)有技術(shù)相比，

（1）本實施例采用等壁厚非分割的加熱通道1，降低對加熱管道的加工制造要求。

（2）本實施例在加熱通道1上可根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置多個導(dǎo)電銅排，每相鄰兩個導(dǎo)電銅排之間為獨立加熱端，每兩個導(dǎo)電銅排間設(shè)置的可編程直流電源3，每個可編程直流電源3可對對應(yīng)的獨立加熱端進行調(diào)節(jié)控制，可根據(jù)實驗需求，瞬態(tài)調(diào)整通道的功率分布。

（3）本實施例在每個可編程直流電源的正極通過單向二極管4接入電路，確保每個可編程直流電源的電流輸出方向保持穩(wěn)定，起到保護電源的作用。

（4）本實施例所述裝置實現(xiàn)了超臨界并聯(lián)通道的分段加熱，每段加熱功率可實現(xiàn)獨立瞬態(tài)調(diào)節(jié)，滿足反應(yīng)堆熱工水力實驗研究中對非均勻加熱實驗條件的模擬。目前已利用本發(fā)明對超臨界水冷堆方案的流動不穩(wěn)定性開展了機理性實驗研究，探明了超臨界條件下流動不穩(wěn)定性的規(guī)律和特點。

實施例2：

采用實施例1所述超臨界水并聯(lián)通道分段可調(diào)節(jié)電加熱裝置，對水冷堆堆芯功率軸向非均勻分布模擬，模擬過程中對功率瞬態(tài)控制與調(diào)節(jié)方法為手動調(diào)節(jié)控制和自動調(diào)節(jié)控制。

手動調(diào)節(jié)控制方法為：每一個可編程直流電源有一個信號輸入端口，操作人員可根據(jù)試驗需要通過在可編程直流電源的控制終端輸入4—20mA的信號來調(diào)節(jié)每一個可編程直流電源的加熱功率，由于每一個可編程直流電源與加熱通道的部分區(qū)域一一對應(yīng)，即一個可編程直流電源與相鄰兩個導(dǎo)電銅排、單向二極管及相鄰兩個導(dǎo)電銅排間的加熱通道部分區(qū)域構(gòu)成回路，從而在試驗中實現(xiàn)對加熱通道的分段功率調(diào)節(jié)。由于每一個可編程直流電源為獨立控制，加熱通道的功率分布可根據(jù)試驗需求而變化。

自動調(diào)節(jié)控制方法為：在每一個可編程直流電源中嵌入一個自動功率控制程序，該程序可根據(jù)試驗需求來制定，如隨實踐逐漸增大、減小或周期性震蕩，也可根據(jù)具體的物理現(xiàn)象來制定，例如試驗研究中流量、溫度以及壓力的函數(shù)，會隨這些參數(shù)的變化而實時改變。當(dāng)可編程直流電源中嵌入這些自動功率控制程序后，實驗人員在試驗控制平臺激活自動功率控制程序，可編程直流電源的功率將按照控制程序的規(guī)定發(fā)生變化，每一個可編程直流電源的控制程序可以相同，也可不同，實現(xiàn)對其獨立控制，從而達到分段加熱功率的調(diào)節(jié)和控制。

其中，自動調(diào)節(jié)控制方法中，內(nèi)部嵌有自動功率控制程序的可編程直流電源為現(xiàn)有技術(shù)，其型號為Power Ten P66其結(jié)構(gòu)及其原理為本領(lǐng)域的公知常識，不再詳述。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。