專利名稱：電加熱棒裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反應(yīng)堆熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)以及反應(yīng)堆堆內(nèi)電輔助加熱技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電加熱棒裝置。
背景技術(shù)：
核反應(yīng)堆的堆芯燃料棒在放熱過(guò)程中，燃料棒表面具有很高的熱流密度。同時(shí)，熱流密度沿燃料棒長(zhǎng)度方向上的分布也常為正弦分布規(guī)律，屬于非線性分布。在工程設(shè)計(jì)中，通常需要通過(guò)模擬核反應(yīng)堆的熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬堆芯內(nèi)部冷卻介質(zhì)的流動(dòng)和傳熱的真實(shí)情況，驗(yàn)證與設(shè)計(jì)工況的差異，以避免實(shí)際反應(yīng)堆中發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定、流量脈動(dòng)或膜態(tài)沸騰等現(xiàn)象，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和防止核反應(yīng)堆的運(yùn)行事故。如何對(duì)反應(yīng)堆堆芯進(jìn)行更加真實(shí)的模擬一直是關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和難點(diǎn)之一，主要關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)有:燃料棒表面熱流密度高；熱流密度的分布為非線性；燃料棒長(zhǎng)度大，即長(zhǎng)徑比大；柵距小。由于核反應(yīng)堆工程應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，確保安全是首要問(wèn)題。在反應(yīng)堆熱工流體研究領(lǐng)域注重1:1的全尺寸、全參數(shù)模擬，而針對(duì)反應(yīng)堆堆芯燃料元件的完全模擬就是其中最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一，因此，用具有和核燃料元件具有相同幾何結(jié)構(gòu)、尺寸、熱工參數(shù)的電加熱棒束來(lái)代替核燃料元件進(jìn)行研究對(duì)反應(yīng)堆安全以及反應(yīng)堆技術(shù)發(fā)展具有重要意義。目前，成熟且商業(yè)化的電加熱棒技術(shù)通常以耐熱不銹鋼管作為外保護(hù)套管，以內(nèi)置電阻絲作為發(fā)熱元件，二者之間填充絕緣材料，電阻絲產(chǎn)生的熱量需要通過(guò)絕緣材料和外保護(hù)套管才能傳給工作介質(zhì)，因此限制了加熱棒的工作溫度和熱流密度。相比于保護(hù)套管的外徑來(lái)說(shuō)加熱絲的直徑很小，為了達(dá)到所需的加熱棒表面熱流密度，加熱絲表面的熱流密度要達(dá)到此直徑比的平方倍；與此同時(shí)，作為絕緣材料的氧化鎂、氧化鋁等絕緣物質(zhì)往往是熱的不良導(dǎo)體，其內(nèi)部必須存在很大的溫度梯度才能夠傳遞足夠高的熱流；此外，由于需要模擬實(shí)際反應(yīng)堆的情況，在長(zhǎng)度較長(zhǎng)、加熱棒直徑和間距較小的情況下，相鄰元件可能局部接觸引起傳熱惡化，從而容易導(dǎo)致燒毀。在這些因素的作用下，能滿足模擬實(shí)際反應(yīng)堆的加熱元件，對(duì)其內(nèi)置加熱絲以及加熱棒的加工工藝、材料選擇具有很高的要求，往往難以滿足實(shí)際需要，并且壽命較短、價(jià)格昂貴。另外，在高溫高壓的應(yīng)用環(huán)境中，一旦保護(hù)套管產(chǎn)生微小裂紋，工質(zhì)便會(huì)滲入加熱棒內(nèi)部，導(dǎo)致加熱棒損毀。鑒于上述電加熱棒技術(shù)存在的問(wèn)題，進(jìn)行過(guò)將大電流通過(guò)直接浸在工質(zhì)中的不銹鋼管以加熱工質(zhì)的實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用。但這種方法存在的隱患是:當(dāng)加熱棒長(zhǎng)徑比較大時(shí)，加熱棒的受力可以看做是雙端懸臂梁模型，使得加熱棒本身柔性很大，容易撓曲，此時(shí)，一方面熱膨脹作用將導(dǎo)致加熱棒工作時(shí)長(zhǎng)度明顯變大，如不能很好的補(bǔ)償加熱棒的熱膨脹，容易造成加熱棒彎曲，因?yàn)榧訜岚舻臇啪嗪苄。噜徏訜岚糁虚g部位便很容易與其他加熱棒接觸并短路；另一方面，高的電流強(qiáng)度產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)也會(huì)使電加熱棒之間產(chǎn)生排斥或吸引力，同樣會(huì)造成加熱棒彎曲和接觸短路，加熱棒便不能正常工作直至燒毀或發(fā)生其他危險(xiǎn)
發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種適應(yīng)各種加熱棒外徑、長(zhǎng)度、柵距等要求、熱流密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、且成本較低的電加熱棒。( 二)技術(shù)方案為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種電加熱棒裝置，該裝置包括一個(gè)或并排設(shè)置的多個(gè)電加熱棒，每個(gè)所述電加熱棒包括:多段發(fā)熱管，用于將其中通過(guò)的電流轉(zhuǎn)換為熱能；多個(gè)中間過(guò)渡接頭，連接于相鄰的兩段發(fā)熱管之間，用于實(shí)現(xiàn)相鄰的兩段發(fā)熱管之間的電氣連接；兩個(gè)端部電接頭，分別設(shè)置于位于兩端的兩段發(fā)熱管的一端，用于將電流引入發(fā)熱管。優(yōu)選地，每個(gè)所述電加熱棒還包括:多個(gè)中間絕緣組件，分別設(shè)置于所述中間過(guò)渡接頭外周，用于實(shí)現(xiàn)相鄰的電加熱棒之間的絕緣與支撐。優(yōu)選地，所述中間絕緣組件進(jìn)一步包括:陶瓷絕緣環(huán)，沿軸向分為兩半，對(duì)扣于所述中間過(guò)渡接頭外壁；不銹鋼格架，套于所述陶瓷絕緣環(huán)外，與所述陶瓷絕緣環(huán)過(guò)盈配合。優(yōu)選地，所述不銹鋼格架上設(shè)置有槽，相鄰的兩個(gè)電加熱棒的兩個(gè)所述不銹鋼格架之間通過(guò)所述槽扣緊連接。優(yōu)選地，該裝置還包括:端部絕緣陶瓷套管，套于所述端部電接頭外壁。優(yōu)選地，該裝置還包括:至少兩個(gè)端部支撐板，用于將所述端部電接頭固緊。優(yōu)選地，所述端部支撐板通過(guò)螺母將所述端部電接頭固緊，所述螺母與所述端部支撐板之間設(shè)置有陶瓷絕緣墊圈。優(yōu)選地，所述電加熱棒裝置其中一端的螺母與所述陶瓷絕緣墊圈之間設(shè)置有彈簧。優(yōu)選地，所述端部電接頭、多段發(fā)熱管、以及中間過(guò)渡接頭之間通過(guò)螺紋連接或通過(guò)焊接連接。優(yōu)選地，所述發(fā)熱管由304不銹鋼管或306不銹鋼管制成。(三)有益效果本發(fā)明的電加熱棒可以很好的模擬核反應(yīng)堆燃料元件，以大熱流密度加熱高溫高壓的低電導(dǎo)率流體，并且能夠靈活適應(yīng)各種加熱棒外徑、長(zhǎng)度、柵距等要求，流動(dòng)阻力小且具有高度的堅(jiān)固性和耐用性。該裝置具有熱流密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的電加熱棒裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的電加熱棒裝置的不銹鋼格架的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的電加熱棒裝置，結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下。本發(fā)明的電加熱棒裝置包括一個(gè)或并排設(shè)置的多個(gè)電加熱棒，本實(shí)施方式以兩個(gè)電加熱棒為例。如圖1所示，依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的電加熱棒裝置中，電加熱棒均包括:多段發(fā)熱管3 (本實(shí)施方式為2段，但不限于此)，該發(fā)熱管為直接浸沒(méi)在被加熱流體中的通電金屬管，可由304不銹鋼管或306不銹鋼管制成，用于將其中通過(guò)的電流轉(zhuǎn)換為熱能，根據(jù)發(fā)熱段總長(zhǎng)度和熱流密度合理安排每段發(fā)熱管的壁厚和長(zhǎng)度，盡量接近要求的熱流密度分布情況并且嚴(yán)格控制每段加熱管的長(zhǎng)徑比小于40以保證其具有足夠的剛度。中間過(guò)渡接頭6 (本實(shí)施方式中為一個(gè)，但不限于此)，連接于相鄰的兩段發(fā)熱管3之間，可為銅與不銹鋼的硬釬焊焊接結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)相鄰的兩段發(fā)熱管3之間的電氣連接。兩個(gè)端部電接頭，分別設(shè)置于位于兩端的兩段發(fā)熱管的一端，即上端部電接頭12以及下端部電接頭1，用于將電流引入發(fā)熱管3。多個(gè)中間絕緣組件(本實(shí)施方式中為I個(gè)，但不限于此)，設(shè)置于中間過(guò)渡接頭6外周，用于實(shí)現(xiàn)相鄰的電加熱棒之間的絕緣與支撐。在本實(shí)施方式的電加熱棒裝置中，中間絕緣組件進(jìn)一步包括:陶瓷絕緣環(huán)5,其沿軸向分為兩半，對(duì)扣于中間過(guò)渡接頭6外壁，設(shè)置陶瓷絕緣環(huán)5處的過(guò)渡接頭6的外徑小于其它部分的外徑，以限制中間過(guò)渡接頭6的軸向移動(dòng)；不銹鋼格架4，套于陶瓷絕緣環(huán)5外，不銹鋼格架4的內(nèi)孔直徑略小于中間陶瓷絕緣環(huán)5的外徑，從而靠二者之間的過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)固定。如圖2所示，不銹鋼格架4上設(shè)置有槽，相鄰的兩個(gè)電加熱棒的兩個(gè)不銹鋼格架4之間通過(guò)該槽扣緊連接。該裝置還包括:端部絕緣陶瓷套管，套于端部電接頭的外壁。至少兩個(gè)端部支撐板，用于將端部電接頭固緊。如圖1中所示，上端部支撐板8以及下端部支撐板2分別通過(guò)螺母11將上端部電接頭12以及下端部電接頭I固緊，螺母11與端部支撐板之間設(shè)置有陶瓷絕緣墊圈9，以保持二者之間的電絕緣。特別地，在上端部的螺母11與對(duì)應(yīng)的陶瓷絕緣墊圈9之間設(shè)置有彈簧10，以補(bǔ)償電加熱棒裝置工作時(shí)因熱膨脹造成的長(zhǎng)度變化，避免電加熱棒彎曲。上述端部電接頭、多段發(fā)熱管、以及中間過(guò)渡接頭之間可通過(guò)螺紋連接也可通過(guò)氬弧焊焊接連接，且連接部位保持良好的電接觸性。此均為本領(lǐng)域的成熟技術(shù)，在此不做為對(duì)本發(fā)明的限制。本發(fā)明的電加熱棒裝置裝配過(guò)程如下:首先要根據(jù)具體要求選定合適的發(fā)熱管外徑和加熱棒長(zhǎng)度，綜合考慮加熱棒表面熱流密度及分布要求、加熱電源電壓、所選發(fā)熱管材料電阻率、發(fā)熱段總長(zhǎng)度等因素確定各段發(fā)熱管的壁厚。材料準(zhǔn)備好后，安裝電加熱棒的下端，先將端部陶瓷絕緣套管7套在下端部電接頭I上，再將下端部電接頭I與下支撐板2用螺母11固定緊，其中，螺母11和下支撐板2之間設(shè)置陶瓷絕緣墊圈9。然后，將陶瓷絕緣環(huán)5扣于中間過(guò)渡接頭6外壁，不銹鋼格架4套于陶瓷絕緣環(huán)5夕卜，將相鄰兩根電加熱棒的對(duì)應(yīng)的不銹鋼格架4之間通過(guò)其上的槽相互扣緊連接。再安裝電加熱棒的上端，與下端安裝類似，不同之處在于，在螺母11和陶瓷絕緣墊圈9之間設(shè)置一段彈簧10，用以補(bǔ)償加熱棒工作時(shí)因熱膨脹造成的長(zhǎng)度變化，避免加熱
棒彎曲。電加熱棒裝置的機(jī)械安裝完畢后，就可以將引電電極與上、下端部電接頭進(jìn)行電氣連接。
以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種電加熱棒裝置，其特征在于，該裝置包括一個(gè)或并排設(shè)置的多個(gè)電加熱棒，每個(gè)所述電加熱棒包括: 多段發(fā)熱管，用于將其中通過(guò)的電流轉(zhuǎn)換為熱能； 多個(gè)中間過(guò)渡接頭，連接于相鄰的兩段發(fā)熱管之間，用于實(shí)現(xiàn)相鄰的兩段發(fā)熱管之間的電氣連接； 兩個(gè)端部電接頭，分別設(shè)置于位于兩端的兩段發(fā)熱管的一端，用于將電流引入發(fā)熱管。
2.按權(quán)利要求1所述的電加熱棒裝置，其特征在于，每個(gè)所述電加熱棒還包括: 多個(gè)中間絕緣組件，分別設(shè)置于所述中間過(guò)渡接頭外周，用于實(shí)現(xiàn)相鄰的電加熱棒之間的絕緣與支撐。
3.按權(quán)利要求1所述的電加熱棒裝置，其特征在于，所述中間絕緣組件進(jìn)一步包括: 陶瓷絕緣環(huán)，沿軸向分為兩半，對(duì)扣于所述中間過(guò)渡接頭外壁； 不銹鋼格架，套于所述陶瓷絕緣環(huán)外，與所述陶瓷絕緣環(huán)過(guò)盈配合。
4.按權(quán)利要求3所述的電加熱棒裝置，其特征在于，所述不銹鋼格架上設(shè)置有槽，相鄰的兩個(gè)電加熱棒的兩個(gè)所述不銹鋼格架之間通過(guò)所述槽扣緊連接。
5.按權(quán)利要求1所述的電加熱棒裝置，其特征在于，該裝置還包括: 端部絕緣陶瓷套管，套于所述端部電接頭外壁。
6.按權(quán)利要求1所述的電加熱棒裝置，其特征在于，該裝置還包括: 至少兩個(gè)端部支撐板，用于將所述端部電接頭固緊。
7.按權(quán)利要求6所述的電加熱棒裝置，其特征在于，所述端部支撐板通過(guò)螺母將所述端部電接頭固緊，所述螺母與所述端部支撐板之間設(shè)置有陶瓷絕緣墊圈。
8.按權(quán)利要求7所述的電加熱棒裝置，其特征在于，所述電加熱棒裝置其中一端的螺母與所述陶瓷絕緣墊圈之間設(shè)置有彈簧。
9.按權(quán)利要求1所述的電加熱棒裝置，其特征在于，所述端部電接頭、多段發(fā)熱管、以及中間過(guò)渡接頭之間通過(guò)螺紋連接或通過(guò)焊接連接。
10.按權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的電加熱棒裝置，其特征在于，所述發(fā)熱管由304不銹鋼管或306不銹鋼管制成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電加熱棒裝置，涉及反應(yīng)堆熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)以及反應(yīng)堆堆內(nèi)電輔助加熱技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括一個(gè)或并排設(shè)置的多個(gè)電加熱棒，每個(gè)所述電加熱棒包括多段發(fā)熱管，用于將其中通過(guò)的電流轉(zhuǎn)換為熱能；多個(gè)中間過(guò)渡接頭，連接于相鄰的兩段發(fā)熱管之間，用于實(shí)現(xiàn)相鄰的兩段發(fā)熱管之間的電氣連接；兩個(gè)端部電接頭，分別設(shè)置于位于兩端的兩段發(fā)熱管的一端，用于將電流引入發(fā)熱管。本發(fā)明的裝置適應(yīng)各種加熱棒外徑、長(zhǎng)度、柵距等要求、熱流密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、且成本較低。
文檔編號(hào)H05B3/40GK103096527SQ201110332639
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者孫艷飛, 楊星團(tuán), 劉洋, 任成 , 劉志勇, 賈海軍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)