[發明專利]一種球床綜合實驗測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201710094820.5
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106969792B
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發明（設計）人: 陳磊;劉松林;陳有華;祝慶軍;黃凱;李敏;馬學斌
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 朱榮

本發明公開了一種球床綜合實驗測量裝置及方法，由球床實驗段本體供氣系統和實驗數據測量與采集系統組成，球床實驗段本體的進、出氣腔分別通過管道與供氣系統的出氣口和進氣口連通，球床實驗段本體由金屬網封閉,外側設有加熱帶，球床實驗段本體內的中部安裝有熱線，球床實驗段本體上安裝有用于采集實驗段溫度、壓力/壓差以及流量信號并傳遞給數據采集端的溫度傳感器、壓力傳感器以及實驗段入口處的流量傳感器，溫度傳感器用于檢測熱線及球床溫度變化。本發明可用于球床熱工流體參數測量中，不僅球床測量工況范圍廣，而且可在一次實驗中同時實施各個參數的測量，有效降低了實驗成本和實驗時間。

技術領域：

本發明屬于熱工水力學測量技術領域，主要涉及一種球床綜合實驗測量裝置及方法。

背景技術：

球床廣泛應用于高效換熱器、化學反應器和球床式反應堆等領域。在核聚變領域，氚增殖包層是聚變堆的核心部件之一，主要任務是實現氚自持、輸出能量及提供屏蔽。而氚增殖球床既是聚變堆固態氚增殖包層內產氚載體，也是包層內實現核能轉換成熱能的功能區域。其在包層工作條件下的綜合性能直接關系包層的能量轉換和傳遞效率、氚提取效率和使用壽命。依托于國家磁約束核聚變發展研究專項課題，等離子體所開展了面向CFETR候選概念之一水冷陶瓷增殖劑包層概念（WCCB）設計研究。WCCB采用新型的Li₂TiO₃/Be₁₂Ti混合球床作為產氚載體。這種新型的混合球床雖具有卓越的產氚性能，但仍然缺少相關綜合性能參數，尤其是熱工水力學參數（例如有效熱導率、有效熱擴散系數、吹掃氣壓降等）。因此本專利旨在設計一種球床綜合實驗測量裝置，對增殖劑球床有效熱導率、有效熱擴散系數、吹掃氣壓降等參數進行實驗測量，為水冷陶瓷增殖劑包層研發提供基礎數據支持。

聚變堆固態包層一般通過氦氣（攜帶有少量氫氣）流經增殖劑球床顆粒之間的孔隙，利用氫同位素置換的方法提取在增殖區產生的氚，然后輸送到包層外部的氚回收系統，實現氚提取。一般情況下，吹掃氣流速約為0.01~0.5m/s，溫度最高可達800℃，微球尺寸約為0.5~2 mm。球床的綜合性能，特別是熱工水力學參數，與上述流速、溫度、微球直徑等密切相關，實驗測量時不僅需要完全覆蓋上述參數范圍，并且要兼顧實驗測量周期和成本。這就要求測量裝置不但能夠適應較大的工況范圍，而且兼具要求的測量功能。

目前，德國KIT、日本JAERI和美國UCLA等單位，相繼開展了Li₄SiO₄、Li₂TiO₃和Be等聚變堆包層球床的熱導率測量研究工作；德國KIT還進行了球床吹掃氣壓降測量工作，日本JAERI也進行了球床熱擴散系數測量。中國專利CN104122071、CN104730104和CN105784257也分別涉及聚變包層球床的實驗模擬、熱導率測量和吹掃壓降測量。這些實驗測量裝置均能完成聚變包層球床單一參數的測量實驗，但也存在不足之處：（1）一次實驗只能完成球床在單一工況變化條件下，單一參數的測量，需要針對不同球床參數設計不同功能的實驗段分別測量；（2）實驗測量未考慮傳熱和流動的耦合效應，與存在氣體流動的球床實際工況存在一定差異；（3）實驗測量范圍較窄，不能適應多個參數同時變化的測量需求。此外，國家標準GB/T 5990-2006規定了耐火材料的導熱系數試驗方法——瞬態熱線法，但該國家標準的具體實施方案針對塊狀固體材料提出，不能直接應用于由大量顆粒堆積而成的球床有效熱導率的測量。

發明內容：

本發明目的就是克服現有球床實驗測量裝置只能針對單一參數實施測量、不能考慮傳熱流動耦合效應，測量工況范圍較窄的缺點，本發明提出一種球床綜合實驗測量裝置，可用于球床熱工流體參數（如球床有效熱導率、有效熱擴散系數以及吹掃氣壓降）測量中；該方案不僅球床測量工況范圍廣，而且可在一次實驗中同時實施各個參數的測量；有效降低了實驗成本和實驗時間，為新型球床，特別是聚變包層球床研發提供相關參數快速測試手段。

本發明是通過以下技術方案實現的：