技術領域：

本發(fā)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：
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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(xiàn)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(tài)氚增殖包層內產氚載體，也是包層內實現(xiàn)核能轉換成熱能的功能區(qū)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(fā)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(fā)提供基礎數據支持。

聚變堆固態(tài)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(qū)產生的氚，然后輸送到包層外部的氚回收系統(tǒng)，實現(xiàn)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0.5~2mm。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/t5990-2006規(guī)定了耐火材料的導熱系數試驗方法——瞬態(tài)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。

技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明目的就是克服現(xiàn)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(fā)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(fā)提供相關參數快速測試手段。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種球床綜合實驗測量裝置，其特征在于：由球床實驗段本體（2）、供氣系統(tǒng)（8）和實驗數據測量與采集系統(tǒng)組成，所述球床實驗段本體（2）的進、出氣腔分別通過管道與供氣系統(tǒng)的出氣口和進氣口連通，所述球床實驗段本體（2）由金屬網（17）封閉，外側設有加熱帶（3），所述球床實驗段本體（2）內的中部安裝有熱線（11），所述球床實驗段本體（2）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（14）的溫度傳感器（6）、壓力傳感器（12）以及實驗段入口處的流量傳感器（9），所述溫度傳感器（6）用于檢測熱線及球床溫度變化。

所述的球床實驗段本體（2）中的熱線（11）通過使用輔助螺桿（20）安裝，

保證熱線安裝的同心度，所述熱線（11）由直流電源（4）供電。

所述的熱線（11）兩端為電極接頭（19-1和19-2），所述電極接頭（19-1和19-2）上分別插入熱線電極（15-1和15-2），所述熱線（11）由熱線電極（15-1和15-2）支撐。

所述的電極接頭（19-1和19-2）與其兩端的金屬網（17）之間設有陶瓷墊

(16)。

所述的壓力傳感器（10）由閥門（13）實現(xiàn)量程切換，以適應不同范圍的球床吹掃氣壓差測量需求，并保證壓差測量精度。

所述的球床綜合實驗測量裝置的實驗方法，其特征在于具體步驟如下：

步驟1：實驗前首先安裝熱線，填充待測球床，安裝球床實驗段本體（2），并連接供氣系統(tǒng)（8），做好密封，準備實驗；

步驟2：實驗開始時，打開供氣系統(tǒng)（8），對球床實驗段本體（2）進行抽真空和流洗，將實驗本體內的空氣置換為指定要求的高純氣體；

步驟3：將供氣系統(tǒng)（8）的供氣壓力和流量調節(jié)至實驗指定值，打開球床實驗段本體（2）上的加熱帶（3），加熱球床實驗段本體（2），至實驗指定溫度；

步驟4：根據壓力傳感器（12）的讀數顯示，通過各并聯(lián)支路閥門（13）的開閉，選擇合適的量程和精度，測量球床實驗段本體（2）的進出口壓差；

步驟5：打開直流電源（4）為熱線（11）通電，通過測溫傳感器測量熱線和球床溫度變化；

步驟6：通過數據采集端（14）自動采集并記錄實驗數據，處理實驗數據，獲得球床的有效熱導率、有效熱擴散系數以及吹掃氣壓降，球床有效熱導率和熱擴散系數的計算方法依照國家標準gb/t5990-2006執(zhí)行；

步驟7：調節(jié)裝置參數至新的吹掃氣目標壓力、流量和溫度，直至完成所有實驗；實驗完成后，關閉加熱帶（3）和直流電源（4），直至氣體溫度降至室溫后關閉供氣系統(tǒng)（8），最后再關閉其他設備，斷開電源，結束實驗。

所述的步驟1中熱線（11）安裝時，先將從實驗段本體（2）側壁開孔穿入的測溫探頭的引線通過高溫膠固定在熱線（11）上，再依靠輔助螺桿（20）固定纏繞熱線（11）的電極接頭（19-1和19-2），并插入實驗段本體（2）中，使一端的電極接頭正好落入陶瓷墊（16-1或16-2）的對應中心孔內，然后插入熱線電極（15-1和15-2）固定電極接頭（19-1和19-2），最后取出輔助螺桿（20）。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1.本發(fā)明的球床實驗裝置兼具球床有效熱導率、有效熱擴散系數以及球床壓降測量的功能，單次實驗可以同時測量多個球床參數，大大降低了實驗成本，節(jié)約了實驗時間；

2.本發(fā)明的球床實驗裝置可以考慮流動和傳熱的耦合效應，研究氣體流動狀態(tài)下球床的傳熱特性，更接近氣體流動的球床的實際工況，彌補了現(xiàn)有實驗測量裝置的不足；

3.本發(fā)明的球床實驗裝置球床壓力、溫度和流量均可調節(jié)，可測量的球床實際工況范圍廣，針對壓差變化大的特點還設置了不同量程，在保證實驗覆蓋范圍的同時也保證了實驗數據的準確度。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的實驗原理圖；

圖2為本發(fā)明的球床試驗段本體三維軸測圖；

圖3為本發(fā)明的熱線安裝及固定圖；

圖4為本發(fā)明的實驗步驟圖。

圖中：1.進氣腔；2.球床試驗段本體；3.加熱帶；4.直流電源；5.保溫層；6.溫度傳感器（6-1至6-7均為溫度傳感器）；7.出氣腔；8.供氣系統(tǒng)；9.流量傳感器；10.法蘭（10-1至10-2均為法蘭）；11.熱線；12.壓力傳感器；13.閥門；14.數據采集端；15-1/15-2.熱線電極；16.陶瓷墊（實驗段兩端各一只）；17.金屬網（實驗段兩端各一只）；18.引壓管（接壓力傳感器10）；19-1/19-2.電極接頭；20.輔助螺桿。

圖1實線箭頭表示氣體流動方向。

具體實施方式：

參見附圖。

下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，一種球床綜合實驗測量裝置，它主要由球床實驗段本體2、供氣系統(tǒng)8和實驗數據測量與采集系統(tǒng)組成。一定溫度、壓力、流速的氣體由供氣系統(tǒng)8經進氣腔1流入球床實驗段本體2，再經出氣腔流回供氣系統(tǒng)8。實驗球床由金屬網密封于實驗段本體2內，由功率可控的加熱帶3直接加熱管壁實現(xiàn)實驗段溫度控制，為減少高溫下的熱量損失，加熱帶外側敷設保溫層5。在實驗段本體2內布置有用直流電源4供電的熱線11、溫度傳感器6和壓力傳感器10，實驗段入口處布置有流量傳感器9，用于采集實驗段溫度、壓力/壓差以及溫度信號并傳遞給數據采集端14。由于實驗測量的吹掃氣流速范圍大，流經球床實驗段的進出口壓差變化較大。為了保證壓差測量精度，選用不同量程的壓力傳感器，分別測量不同范圍的壓差。各壓力傳感器量程的選擇由閥門13控制。

圖2顯示了本發(fā)明球床實驗段本體2的三維軸測圖。布置于實驗段本體2腔體內的熱線11固定在電極接頭19-1及19-2上，而電極接頭19-1及19-2通過螺紋與熱線電極15-1及15-2連接。溫度傳感器6-1和6-5探頭伸入球床內，用于探測球床的溫度。三支溫度傳感器6-2、6-3、6-4通過高溫膠粘結在熱線11上，用于測量熱線11加熱時熱線上的溫度。溫度傳感器6-6及6-7探頭離開熱線11一定距離布置于球床內，用于測量熱線11加熱時球床的溫度變化。此外，試驗段腔體進出口端各布置有一組陶瓷墊16和金屬網17。陶瓷墊16不僅保證熱線11安裝的同心度，也可以使金屬網與電極接頭絕緣，并減少實驗段端部熱損失。金屬網17則用于將球床顆粒限定在實驗段本體2內。進出口氣腔1和7通過法蘭10-1和10-2與實驗段本體2連接，并采用金屬密封方式實現(xiàn)高溫密封。進出口氣腔1和7用于緩沖和穩(wěn)定氣流。

圖3顯示了本發(fā)明中熱線11的安裝過程。實驗依據瞬態(tài)熱線法測量球床有效熱擴散系數，要求熱線11具有較高的安裝精度，以保證其與溫度探頭6-6和6-7的相對位置。實驗前，先將測溫探頭6-2、6-3和6-4的引線從實驗段管壁開孔穿入腔內并抽出腔體外，通過高溫膠固定在熱線11上，然后將熱線11纏繞在電極接頭19-1和19-2上。依靠輔助螺桿20固定電極接頭19-1和19-2，并插入實驗段本體2，使一端的電極接頭正好落入陶瓷墊16-1或16-2的對應中心孔內，然后將熱線電極15-1和15-2與相應電極接頭19-1和19-2相連。通過這種安裝方式，可以由陶瓷墊16-1和16-2限定電極接頭19-1及19-2的軸心位置，從而保證熱線11安裝的同心度。根據實踐經驗，如果采用傳統(tǒng)目測方法安裝熱線11，其同心度誤差一般約為±1cm，而依據本發(fā)明改進熱線11安裝方法后，其同心度誤差約為±1mm，效果顯著。

本發(fā)明在實驗時熱線11需要通電，需要對熱線11及相關零件絕緣。實驗段本體2側壁開孔處焊接有耐高溫不銹鋼套管，套管內安裝有石英玻璃管，電極和溫度傳感器探頭從石英玻璃管中引出，可以達到與實驗管段絕緣的目的。此外，本發(fā)明在實驗時通有較高溫度的供氣，需要對裝置密封。裝置的法蘭連接處采用耐高溫的金屬墊圈密封。實驗段本體側壁開孔處使用不銹鋼套管引到低溫區(qū)，采用橡膠墊密封。

圖4顯示了本發(fā)明具體實驗方法和步驟，具體闡述如下：

步驟1：實驗前，依據本發(fā)明圖3方法安裝熱線，填充待測球床，安裝實驗段段本體2，并連接供氣系統(tǒng)8，做好密封，準備實驗；

步驟2：實驗開始時，打開供氣系統(tǒng)8，對實驗本體2進行抽真空和流洗，將實驗本體內的空氣置換為指定要求的高純氣體；

步驟3：將供氣系統(tǒng)8的供氣壓力和流量調節(jié)至實驗指定值，打開實驗本體2上的加熱帶3，加熱實驗本體2，至實驗指定溫度；

步驟4：根據壓力傳感器12的讀數顯示，通過各并聯(lián)支路閥門13的開閉，選擇合適的量程和精度，測量實驗段本體2的進出口壓差；

步驟5：打開直流電源4為熱線11通電，通過測溫傳感器（6-2,6-3,6-4,6-6和6-7）測量熱線和球床溫度變化；

步驟6：通過數據采集端14自動采集并記錄實驗數據，處理實驗數據，獲得球床的有效熱導率、有效熱擴散系數以及吹掃氣壓降。球床有效熱導率和熱擴散系數的計算方法依照國家標準gb/t5990-2006執(zhí)行。

步驟7：調節(jié)裝置參數至新的吹掃氣目標壓力、流量和溫度，直至完成所有實驗。實驗完成后，關閉加熱帶4和直流電源4，直至氣體溫度降至室溫后關閉供氣系統(tǒng)8。最后再關閉其他設備，斷開電源，結束實驗。

本發(fā)明未詳細陳述的部分，屬于本領域公知技術。

盡管以上內容對本發(fā)明說明性的具體實施方式進行了描述，以便于本領域的技術人員理解本發(fā)明。但應該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求和本發(fā)明確定的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，均在本發(fā)明保護之列。