CN104458550A - 液态介质小型热对流试验回路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态介质小型热对流试验回路，包括回路主体、膨胀箱，以及用于对试验回路抽真空和充氩气的气体系统，其特征在于，所述回路主体由竖直方向的高温段(热端、实验段)、低温段(冷端)及水平方向的加热段与冷却段构成正方形循环回路；膨胀箱连接回路主体，处于循环回路的最高点；膨胀箱与回路主体的连接管上设有阀门。该试验回路简洁、紧凑，可实现性强，成本低，易于加工制造，能够根据实验目的，选用相应的结构材料建造，营造相应的实验环境与工况，开展液态介质对材料腐蚀的实验研究。

Description

液态介质小型热对流试验回路

技术领域

本发明属于材料腐蚀技术领域，具体涉及一种用于研究液态介质对材料腐蚀情况的小型热对流试验回路。

背景技术

在工业生产和科学技术研究与应用的各个领域中涉及到各种液态介质在管道中进行长距离传输(或者短距离循环输运)，如能源领域中的原油远距离输送、化工生产用的酸碱盐、冶金行业用液态金属介质输送与浇铸、核工业与核反应堆工程技术领域液态金属(载热或氚增殖)循环流动等。这些液态介质在传输过程中会引起一系列问题，如介质流动对传输管道的冲蚀、介质温度变化引起传输管道热应力作用下的腐蚀问题、不同介质在管道中的流动特性影响长距离传输效率、介质流动所处的各种工况环境因素影响流动效率等。特别是液态介质对管道腐蚀，从而使管道及结构部件的安全性和使用寿命受到威胁，因此，必须进行其结构材料与液态介质的相容性试验研究。液态介质小型热对流试验回路能有效模拟该类结构材料所处的工况，从而获得结构材料的液态介质腐蚀性能数据，以保证管道部件的完整性和安全运行。

发明内容

本发明的目的是提供一液态介质小型热对流试验回路，能够根据实验目的，选用相应的结构材料建造小型热对流试验回路，营造相应的实验环境与工况，开展液态介质对材料腐蚀的实验研究。

本发明的技术方案如下：

一种液态介质小型热对流试验回路，包括回路主体、膨胀箱，以及用于对试验回路抽真空和充氩气的气体系统，其特征在于，所述回路主体由竖直方向的高温段(热端、实验段)、低温段(冷端)及水平方向的加热段与冷却段构成正方形循环回路；膨胀箱连接回路主体，处于循环回路的最高点；膨胀箱与回路主体的连接管上设有阀门。

在本发明的一个具体实施例中，所述回路主体的每段管路长度都为0.5m，高温段与低温段管路中心距为0.5m，整个循环回路长度为2m。高温段和低温段管路位于竖直方向，低温段下端和高温段下端之间的连接管路为加热段，而高温段上端和低温段上端之间的连接管路为冷却段，热对流提供液态介质自然循环的驱动力。管路系统可由被研究的结构材料制成，也可用SS316LN等不锈钢管材构成，根据高温段和低温段的温度，进行热工水力计算，可估算管内液态介质流速。通过调节高、低温段的温度，可以调节液态介质的流速。

在高温段的管道内可设置试验样品架，通过高温段管道上端口可在试验样品架上安放试验样品，然后将高温段管道上端口用法兰金属密封。

膨胀箱是为提供整个回路系统温度上升期间的液态介质自由膨胀空间而设计。膨胀箱处在回路系统的最高点，试验开始前，实验介质(常温下，该实验介质可以是液态也可以是固态)通过膨胀箱灌入回路系统中，试验结束后，膨胀箱则可作为实验介质储存罐。

优选的，膨胀箱的箱体与回路主体相连处具有一定的斜度，二者的连接管与水平方向有3°～5°左右的倾斜角，膨胀箱的实验介质流出口(即膨胀箱与连接管的接口)位于较高处，以便让液态介质流入回路系统中。

进一步的，膨胀箱上端用法兰金属密封，打开法兰可以放入实验介质(常温下，该实验介质可以是液态，也可以是固态)。

进一步的，膨胀箱内设有液位计以显示液态介质的液位高低。

进一步的，膨胀箱可设计为圆柱状，在膨胀箱侧面中部设有一管道口，与气体系统相连，以便对整个回路抽真空、充氩气。

通常，膨胀箱的容积大约为回路主体容积的二倍以上，当液态介质在循环回路中运行完毕，将试验回路翻转倒立过来，回路中液态介质在重力作用下回流到膨胀箱。

进一步的，所述液态介质小型热对流试验回路还具有一个回路支架。所述回路支架由底座和两金属支杆构成，其中，底座由上下两块金属钢板组成，两钢板一端用绞链联结，另一端上面的钢板相对于下面的钢板可螺纹升降，两金属支杆垂直焊接在上面的钢板上，两金属支杆上端设有一水平转轴。回路主体的高温段和低温段的中部分别与该水平转轴绝热柔性连接固定。整个装置重心很低，稳稳地支撑整个回路；两金属支杆与回路绝热接触，不影响回路温度分布；回路工作时，能缓解整个回路在不同的温差下的热应力。整个回路可绕水平转轴在垂直方向上转动，试验时，底座两块金属钢板平行，整个回路主体直立，膨胀箱在最高点，为整个回路系统温度上升期间的液态介质自由膨胀提供空间；当试验结束后，回路停止运行，整个回路主体绕水平转轴翻转，整个回路主体正倒立，然后，旋转底座上的螺纹升降，两钢板变成楔形，整个回路主体侧倒立，膨胀箱在最低点，所有液态介质在重力作用下回流到膨胀箱，整个回路中无死角，此时，膨胀箱作为储罐储存实验介质。

进一步的，所述气体系统由氩气瓶、除水罐、缓冲罐、净化罐以及机械真空泵构成。气体系统的氩气瓶与除水罐、缓冲罐、净化罐依次连接并各自用阀门相隔，通过机械真空泵与膨胀箱侧面中间的抽气与进气的管道口连接。在回路实验运行前，氩气被用来冲洗回路；实验运行时，氩气被用来覆盖回路中液态介质的液面从而保护液态介质。

进一步的，所述液态介质小型热对流试验回路还包括一个温控系统，该温控系统对回路管道进行加热和温度监控。优选的，先采用管道外壁加热方式对回路主体进行预热，再启动加热段主加热器和高温段加热器对管道内的液态介质进行加热，达到试验热对流稳态，进行实验；与此同时，试验管道同一截面上设计多组多个热电偶进行测温，准确获取回路各部分的温度分布情况。

本发明的液态介质小型热对流试验回路设计有如下特点：

(1)回路形状为正方形，热对流驱动液态介质流动。

(2)回路中膨胀箱既是液态介质的储罐，也可作为将液态介质导入回路中的装置。

(3)膨胀箱内有液位计以显示液态介质的液位高低。

(4)回路支架柔性支撑整个回路，与回路绝热接触不影响回路温度分布，回路工作时，能缓解整个回路在不同的温差下热应力，整个回路翻转自如，完成膨胀箱具有储罐的功能。

(5)抽气与进气的管道口设计在膨胀箱(圆柱体)的侧面中间而不在膨胀箱的上面，膨胀箱的容积大约为回路管道的容积两倍多，当回路运行完毕翻转倒立过来，回路中所有液态介质流入膨胀箱后不会堵住抽气与进气的管道口。

(6)由于试验回路较小，其中液态介质量不多，更换方便、损耗不大，当回路进行多次试验后，回路中液态介质中的杂质含量较高，可将回路中液态介质更换；也可以通过分析研究实验前后液态介质中的杂质含量的变化来分析、研究并获得材料被腐蚀的情况。

(7)由于回路管材可由被研究的结构材料制成，回路管道内表面的腐蚀是用该回路进行该材料腐蚀的时间积累，当回路寿命己到，回路管道内表面的腐蚀也是难得的腐蚀数据！

(8)回路简洁、紧凑，可实现性强，成本低，易于加工制造。

整个试验回路各种参数测量与控制方式全部集成于一个测控系统，便于调试与运行。

整个回路系统采用管道外壁加热和分段加热方式对管道内的液态介质进行加热，与此同时，实验管道同一截面上上设计多组多个热电偶进行测温，准确获取回路各部分的温度分布情况。

附图说明

图1为本发明的液态介质小型热对流试验回路装置示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。

参见图1，本实施例的液态介质小型热对流试验回路，其组成主要包括回路主体1、膨胀箱2、阀门3、加热系统、保温系统、气体系统和测量控制系统组成。其中，回路主体1由高温段4(热端、实验段)、低温段5(冷端)及加热段6与冷却段7四段管道构成正方形循环回路，每段管路长度都为0.5m，高温段与低温段管路中心距为0.5m。热对流提供液态介质自然循环的驱动力。膨胀箱2内装有液位计。

整个回路的工作流程如下：

(1)根据实验要求，打开实验段管道上法兰8，在实验段管内试验样品架上安放试验样品，用法兰金属密封；打开膨胀箱上法兰9，装入实验介质，用法兰金属密封；

(2)用真空泵对整个管道抽真空，同时对整个管道预加热，并用氩气清洗管道，使管道洁净；

(3)打开阀门3，让膨胀箱2中的实验介质流入回路中(如果常温下实验介质是固态，则加热膨胀箱至其熔点以上使其全部熔化)，使得回路管道中充满实验介质；

(4)启动加热段主加热器和高温段加热器同时对液态介质进行加热使热端的温度达到所设的高温，并保持该高温温度；启动风冷系统对介质进行冷却使冷端的温度达到所设的低温，并保持该低温温度，利用温差，热对流驱动液态介质在回路中循环流动；开始试验运行；

(5)试验运行结束后，停止加热，待整个管道及介质的温度降到某一较低温度(如果常温下介质是固态，则整个管道及介质的温度降到比该介质熔点高20～30度左右)时，启动加热膨胀箱2至该低温度后，停止加热。并翻转整个装置让介质在重力作用下流回到膨胀箱2，再用氩气把管道中残的介质压入膨胀箱2，关闭阀门3。待整个装置温度至室温，打开实验段管道上方的法兰8，取出试验样品，进行试验样品处理、测试。

Claims (10)

1.一种液态介质小型热对流试验回路，包括回路主体、膨胀箱，以及用于对试验回路抽真空和充氩气的气体系统，其特征在于，所述回路主体由竖直方向的高温段与低温段及水平方向的加热段与冷却段构成正方形循环回路；膨胀箱连接回路主体，处于循环回路的最高点；膨胀箱与回路主体的连接管上设有阀门。

2.如权利要求1所述的试验回路，其特征在于，所述回路主体的管路由被研究的结构材料制成，或者由不锈钢管材制成。

3.如权利要求1所述的试验回路，其特征在于，在高温段的管道内设置有试验样品架，高温段具有用法兰金属密封的上端口。

4.如权利要求1所述的试验回路，其特征在于，所述膨胀箱与回路主体的连接管与水平方向有3°～5°的倾斜角，膨胀箱与连接管的接口位于较高处。

5.如权利要求1所述的试验回路，其特征在于，膨胀箱上端用法兰金属密封。

6.如权利要求1所述的试验回路，其特征在于，膨胀箱内设有液位计。

7.如权利要求1所述的试验回路，其特征在于，膨胀箱与气体系统连接的管道口设置在膨胀箱侧面的中部。

8.如权利要求1所述的试验回路，其特征在于，膨胀箱的容积为回路主体容积的二倍以上。

9.如权利要求1所述的试验回路，其特征在于，所述试验回路还具有一个回路支架，该回路支架由底座和两金属支杆构成，其中：底座由上下两块金属钢板组成，两钢板一端用绞链联结，另一端上面的钢板相对于下面的钢板可螺纹升降；两金属支杆垂直焊接在上面的钢板上，两金属支杆上端设有一水平转轴，回路主体的高温段和低温段的中部分别与该水平转轴绝热柔性连接固定。

10.如权利要求1所述的试验回路，其特征在于，所述试验回路还包括一个对回路管道进行加热和温度监控的温控系统，该温控系统采用管道外壁加热方式，包括加热段主加热器和高温段加热器；同时，在试验回路管道的同一截面上设计多组多个热电偶进行测温，获取回路各部分的温度分布情况。