CN104741024A - 具有电绝缘功能的高温高压混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有电绝缘功能的高温高压混合器，包括绝缘法兰A和绝缘法兰B，绝缘法兰A和绝缘法兰B之间设置有绝缘密封垫圈，还包括三通管，三通管包括互相连通的主管和侧管，主管的一端与绝缘法兰B远离绝缘法兰A的一端连接，主管的另一端连接到异型管接头管的出口端端面，还包括内套管，内套管的一端延伸到绝缘法兰A的中空内部，内套管的另一端与异型管接头管的出口端端面连接，内套管的内部与异型管接头管的内部连通形成热流通道，内套管的外壁与主管内径面之间存在间隙A，内套管的外壁与绝缘法兰B之间存在间隙B，内套管的外壁与绝缘法兰A之间存在间隙C，间隙A、间隙B、间隙C互相连通并构成冷流通道。

Description

具有电绝缘功能的高温高压混合器

技术领域

本发明涉及热工水力试验研究领域，具体是指具有电绝缘功能的高温高压混合器。

背景技术

在高温高压热工水力试验中，电绝缘一直是困扰试验本体设计的技术问题，这是由于在试验中一般采用电加热模拟反应堆的核释热或锅炉高温火焰产生的热量，而本体的出口温度通常远大于常规绝缘垫圈所能承受的问题，不能通过常规的绝缘法兰实现试验本体的电绝缘。为此，需要采用特殊的结构设计把高温高压条件的绝缘问题转变为低温高压的绝缘问题。同时，高温高压热工试验本体的出口可能为过热蒸汽或干度较高的饱和蒸汽，以换热器的形式对其直接冷却，不仅增加了换热器的设计温度，提高了设计难度，而且由于蒸汽在换热器中从汽相变为液相，密度有很大变化，可能引起水锤、流动不稳定性等损坏换热器结构的物理现象。为此，需要采用混合器把本体出口蒸汽与低温过冷水充分混合，使换热器进口流体的温度降低到饱和温度或拟临界温度以下，从而使换热器中的流体密度变化很小，避免了水锤、流动不稳定性等现象。因此，在高温高压热工水力试验中，电绝缘的结构设计和汽水混合器设计是不能回避的技术问题，如果有一种混合器既可使本体出口蒸汽与过冷水充分混合又可实现电绝缘功能，那么可取消本体出口的高温高压绝缘装置及其相关的附件和管道，节约试验装置的建造成本，也可大幅缩短本体出口的高温蒸汽管道长度，提高了试验装置的安全性。本专利技术正是基于这一工程背景和技术需求，通过技术创新和试验验证获得专利技术。

通过以上对国内外文献和专利技术的查询表明，至今为止，未见关于适用于具有电绝缘功能的高温高压混合器的专利记录。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有电绝缘功能的高温高压混合器，该混合器要求既可使试验本体可实现电绝缘功能，要求加工容易，工艺简单，能有效防止汽液混合时可能出现的倒流。本发明解决了高温高压热工水力试验中不能回避的电绝缘结构设计和汽水混合器设计等技术问题，可取消本体出口的高温高压绝缘装置及其相关的附件和管道，节约试验装置的建造成本，也可大幅缩短本体出口的高温蒸汽管道长度，提高了试验装置的安全性。

本发明的实现方案如下：具有电绝缘功能的高温高压混合器，包括互相连通的绝缘法兰A和绝缘法兰B，绝缘法兰A和绝缘法兰B之间设置有绝缘密封垫圈，还包括三通管，三通管包括互相连通的主管和侧管，主管的一端与绝缘法兰B远离绝缘法兰A的一端连接，主管的另一端连接到异型管接头管的出口端端面，还包括内套管，内套管的一端延伸到绝缘法兰A的中空内部，内套管的另一端与异型管接头管的出口端端面连接，内套管的外径小于主管的内径，内套管的内部与异型管接头管的内部连通形成热流通道，内套管的外壁与主管内径面之间存在间隙A，内套管的外壁与绝缘法兰B之间存在间隙B，内套管的外壁与绝缘法兰A之间存在间隙C，间隙A、间隙B、间隙C互相连通并构成冷流通道。

上述结构的设计原理为：本发明利用内套管、异型管接头管、三通管的主管、绝缘法兰A和绝缘法兰B按照上述结构设计后形成2个流通通道，一个是间隙A、间隙B、间隙C构成的冷流通道，一个是内套管内部、异型管接头管内部构成的热流通道，利用试验旁路的低温过冷水从支管进入到主管，然后流通在冷流通道内，这样就隔离了绝缘密封垫圈与内套筒中的高温蒸汽，把高温高压条件的绝缘问题转变为低温高压的绝缘问题。为了能充分混合冷流通道和热流通道流体，可以在绝缘法兰A的端面加载一个渐缩大小头，渐缩大小头和绝缘法兰A圆形通道形成的混合腔室，这样的混合腔室对水平来流的高温蒸汽和低温过冷水进行混合，冷流通道内的低温过冷水处于高速过流状态，在渐缩大小头和冷流通道内高速低温过冷水的作用下，混合腔室形成较大强度的涡流，促使高温蒸汽和低温过冷水充分混合。

另外，为了起到绝对的绝缘效果，本发明需要加设一个高纯陶瓷圈，高纯陶瓷圈的设计方案有2种，具体情况如下：

高纯陶瓷圈的安装方案之一为：内套管远离异型管接头管的一端为混合界面端，混合界面端的外径面套设有一圈与内套管同轴的高纯陶瓷圈。

高纯陶瓷圈的安装方案之二为：内套管远离异型管接头管的一端连接有一段小套管，小套管外径小于内套管外径，小套管的外径面套设有与小套管同轴的高纯陶瓷圈，还包括螺钉，螺钉从小套管外径面插入到小套管内部，高纯陶瓷圈处于螺钉与内套管之间，高纯陶瓷圈的内径尺寸介于内套管的外径尺寸与内径尺寸之间，高纯陶瓷圈的外径尺寸大于内套管的外径尺寸。即沿混合界面端的端面向异型管接头管方向对内套筒外壁进行打薄处理，打薄处理后，内套筒存在高外径端，高纯陶瓷圈套设在台阶缺口处，同时采用螺钉插入台阶缺口。

本发明设置上述高纯陶瓷圈后，具体的可以是在内套筒出口一侧通过对外壁进行减薄处理以及布置内六角螺钉固定高纯陶瓷圈，高纯陶瓷圈的作用为：固定内套筒，避免内套筒与绝缘法兰接触影响电绝缘性能；减小环形通道出口的流通面积，既可防止汽液混合时可能出现的倒流，又可增大低温水进入到混合腔室的流速从而增强混合腔室的涡流强度。另外，本发明采用水平布置，混合器的支撑结构可在同一层钢平台上，方便了混合器在试验装置钢平台上的安装。

另外，异型管接头管的出口端端面开有与异型管接头管同轴的环形凹槽，以环形凹槽为分界线，环形凹槽至异型管接头管面外径面的区域为外壁体，环形凹槽至异型管接头管面内径面的区域为内壁体，外壁体与主管的端面连接，内壁体与内套管的端面连接。环形凹槽是在异型管接头管的出口端端面画设2个直径不同的圆，这2个圆与异型管接头管同心，沿着这2个圆进行铣切，将2个圆之间的区域挖空形成环形凹槽。

实际上与异型管接头管连接的主管、内套管可以是与异型管接头管一体结构，即将外壁体和内壁体都延长，外壁体延长后形成主管，在主管上设置支管，即上面所述的三通管，将内壁体延长形成内套管。这样的技术方案虽然可以减少很多焊接工序，但在实际处理中，却不能加工出来，这是由于冷流通道需要的长度无法被加工出来，因此才采用上述分段加工的方式进行处理。

还包括连接在绝缘法兰A远离绝缘法兰B一端的出口管。

优选的，所述出口管为一个渐缩大小头，在绝缘法兰B指向绝缘法兰A的方向上，渐缩大小头的内径尺寸是由大到小进行渐变的。采用上述结构特点的出口管，是为了能充分混合冷流通道和热流通道流体，即在绝缘法兰A的端面加载一个渐缩大小头，渐缩大小头和绝缘法兰A圆形通道形成的混合腔室，这样的混合腔室对水平来流的高温蒸汽和低温过冷水进行混合，冷流通道内的低温过冷水处于高速过流状态，在渐缩大小头和冷流通道内高速低温过冷水的作用下，混合腔室形成较大强度的涡流，促使高温蒸汽和低温过冷水充分混合。

优选的，绝缘法兰A的内径尺寸、绝缘法兰B的内径尺寸、主管的内径尺寸均相同。

优选的，所述绝缘法兰A为T型绝缘法兰，绝缘法兰B为G型绝缘法兰。

优选的，绝缘法兰A和绝缘法兰B都设置有外延部，采用双头螺柱贯穿外延部将绝缘法兰A和绝缘法兰B连接在一起，双头螺柱两端都加载有螺母，螺母与外延部之间设置有绝缘垫片。

本发明的效果在于：本发明利用试验旁路的低温过冷水流通绝缘法兰圆形通道与内套筒形成的环形流道的方式隔离绝缘法兰的绝缘密封垫圈与内套筒中的高温蒸汽，从而采用常规的绝缘垫圈就可实现电绝缘的功能；采用渐缩大小头和绝缘法兰圆形通道形成的混合腔室，辅以环形流道出口的高纯陶瓷圈，实现了高温蒸汽和低温过冷水的充分混合，并防止了汽液混合时可能出现的倒流。本发明加工容易，工艺简单，易于安装，可用于高温高压热工水力试验中，特别是超临界热工水力试验中，试验本体出口的电绝缘和流体冷却。本发明可取消本体出口的高温高压绝缘装置及其相关的附件和管道，节约试验装置的建造成本，也可大幅缩短本体出口的高温蒸汽管道长度，提高了试验装置的安全性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为图1中A区的放大示意图。

图3为异型管接头管端面开设环形凹槽后的示意图。

图中的标号分别表示为： 1、渐缩大小头；2、绝缘法兰A；3、双头螺柱；4、螺母；5、绝缘密封垫圈；6、绝缘法兰B；7、绝缘垫片；8、三通管；9、内套管；10、异型管接头管；11、高纯陶瓷圈；12、螺钉；13、环形凹槽；14、外壁体；15、内壁体；16、热流通道。

具体实施方式

实施例一

如图1至图3所示。

具有电绝缘功能的高温高压混合器，包括互相连通的绝缘法兰A2和绝缘法兰B6，绝缘法兰A2和绝缘法兰B6之间设置有绝缘密封垫圈5，还包括三通管8，三通管包括互相连通的主管和侧管，主管的一端与绝缘法兰B6远离绝缘法兰A2的一端连接，主管的另一端连接到异型管接头管10的出口端端面，还包括内套管9，内套管9的一端延伸到绝缘法兰A2的中空内部，内套管9的另一端与异型管接头管10的出口端端面连接，内套管9的外径小于主管的内径，内套管9的内部与异型管接头管10的内部连通形成热流通道16，内套管9的外壁与主管内径面之间存在间隙A，内套管9的外壁与绝缘法兰B6之间存在间隙B，内套管9的外壁与绝缘法兰A2之间存在间隙C，间隙A、间隙B、间隙C互相连通并构成冷流通道。

上述结构的设计原理为：本发明利用内套管9、异型管接头管10、三通管的主管、绝缘法兰A2和绝缘法兰B6按照上述结构设计后形成2个流通通道，一个是间隙A、间隙B、间隙C构成的冷流通道，一个是内套管9内部、异型管接头管10内部构成的热流通道，利用试验旁路的低温过冷水从支管进入到主管，然后流通在冷流通道内，这样就隔离了绝缘密封垫圈与内套筒中的高温蒸汽，把高温高压条件的绝缘问题转变为低温高压的绝缘问题。为了能充分混合冷流通道和热流通道流体，可以在绝缘法兰A2的端面加载一个渐缩大小头，渐缩大小头和绝缘法兰A2圆形通道形成的混合腔室，这样的混合腔室对水平来流的高温蒸汽和低温过冷水进行混合，冷流通道内的低温过冷水处于高速过流状态，在渐缩大小头和冷流通道内高速低温过冷水的作用下，混合腔室形成较大强度的涡流，促使高温蒸汽和低温过冷水充分混合。

另外，为了起到绝对的绝缘效果，本发明需要加设一个高纯陶瓷圈，高纯陶瓷圈的设计方案有2种，具体情况如下：

高纯陶瓷圈的安装方案之一为：内套管远离异型管接头管的一端为混合界面端，混合界面端的外径面套设有一圈与内套管同轴的高纯陶瓷圈11。

高纯陶瓷圈的安装方案之二为：内套管远离异型管接头管的一端连接有一段小套管，小套管外径小于内套管外径，小套管的外径面套设有与小套管同轴的高纯陶瓷圈11，还包括螺钉12，螺钉12从小套管外径面插入到小套管内部，高纯陶瓷圈11处于螺钉12与内套管之间，高纯陶瓷圈11的内径尺寸介于内套管的外径尺寸与内径尺寸之间，高纯陶瓷圈11的外径尺寸大于内套管的外径尺寸。即沿混合界面端的端面向异型管接头管10方向对内套筒外壁进行打薄处理，打薄处理后，内套筒存在高外径端，高纯陶瓷圈11套设在台阶缺口处，同时采用螺钉12插入台阶缺口。

本发明设置上述高纯陶瓷圈后，具体的可以是在内套筒出口一侧通过对外壁进行减薄处理以及布置内六角螺钉固定高纯陶瓷圈，高纯陶瓷圈的作用为：固定内套筒，避免内套筒与绝缘法兰接触影响电绝缘性能；减小环形通道出口的流通面积，既可防止汽液混合时可能出现的倒流，又可增大低温水进入到混合腔室的流速从而增强混合腔室的涡流强度。另外，本发明采用水平布置，混合器的支撑结构可在同一层钢平台上，方便了混合器在试验装置钢平台上的安装。

另外，异型管接头管的出口端端面开有与异型管接头管同轴的环形凹槽13，以环形凹槽13为分界线，环形凹槽13至异型管接头管面外径面的区域为外壁体14，环形凹槽13至异型管接头管面内径面的区域为内壁体15，外壁体14与主管的端面连接，内壁体15与内套管9的端面连接。环形凹槽13是在异型管接头管的出口端端面画设2个直径不同的圆，这2个圆与异型管接头管同心，沿着这2个圆进行铣切，将2个圆之间的区域挖空形成环形凹槽13。

实际上与异型管接头管连接的主管、内套管可以是与异型管接头管一体结构，即将外壁体14和内壁体15都延长，外壁体14延长后形成主管，在主管上设置支管，即上面所述的三通管，将内壁体15延长形成内套管。这样的技术方案虽然可以减少很多焊接工序，但在实际处理中，却不能加工出来，这是由于冷流通道需要的长度无法被加工出来，因此才采用上述分段加工的方式进行处理。

还包括连接在绝缘法兰A远离绝缘法兰B一端的出口管。

优选的，所述出口管为一个渐缩大小头1，在绝缘法兰B指向绝缘法兰A的方向上，渐缩大小头的内径尺寸是由大到小进行渐变的。采用上述结构特点的出口管，是为了能充分混合冷流通道和热流通道流体，即在绝缘法兰A2的端面加载一个渐缩大小头，渐缩大小头和绝缘法兰A2圆形通道形成的混合腔室，这样的混合腔室对水平来流的高温蒸汽和低温过冷水进行混合，冷流通道内的低温过冷水处于高速过流状态，在渐缩大小头和冷流通道内高速低温过冷水的作用下，混合腔室形成较大强度的涡流，促使高温蒸汽和低温过冷水充分混合。

优选的，绝缘法兰A2的内径尺寸、绝缘法兰B6的内径尺寸、主管的内径尺寸均相同。

优选的，所述绝缘法兰A为T型绝缘法兰，绝缘法兰B为G型绝缘法兰。

优选的，绝缘法兰A和绝缘法兰B都设置有外延部，采用双头螺柱3贯穿外延部将绝缘法兰A和绝缘法兰B连接在一起，双头螺柱3两端都加载有螺母4，螺母4与外延部之间设置有绝缘垫片7。

高温高压流体汽相从异型管接头10内部进入，高温高压流体流经异型管接头10内部、内套管内部、进入绝缘法兰A内腔、进入渐缩大小头内部，低温过冷水进入支管进入主管，然后流到间隙B、间隙C、进入绝缘法兰A内腔和渐缩大小头内部，在缘法兰A内腔和渐缩大小头内部，低温过冷水与高温高压流体汽相进行充分混合。

异型管接头10、内套管9以焊接的形式连接，异型管接头10、三通8、绝缘法兰B依次以焊接的形式连接，绝缘法兰A2与渐缩大小头1以焊接的形式连接。

在上述小套管上加载高纯陶瓷圈11，实际上可以是在内套筒9出口侧一定长度范围内对套筒外壁进行减薄处理，使套筒外径减小4mm，高纯陶瓷圈11内径稍大于内套筒9出口端外径，两者相差0.2mm左右，在距离内套筒8出口端一定距离内处沿周向均匀加工4个螺纹孔，布置4个螺钉12，螺纹孔到内套筒出口端的距离由高纯陶瓷圈11高度和内套筒9出口侧壁厚减薄的长度决定，高纯陶瓷圈11被固定在螺钉12与内套筒9外壁减薄起点之间。

高温蒸汽从进入异型管接头10、内套筒9，流通面积不变。低温过冷水进入到三通8、绝缘法兰B、绝缘法兰A与内套筒9形成的环形通道，流通面积增加到5倍以上，流速减小到1/5以下，低温过冷水传热能力变差，起到很好地隔离绝缘密封垫圈5和内套筒9中的高温蒸汽，在环形通道出口设置了高纯陶瓷圈11，不仅起到固定内套筒9，避免内套筒9与绝缘法兰A2接触影响电绝缘性能，而且使环形通道的出口面积减小到1/3以下，既可防止倒流，又增加低温过冷水进入到混合腔室的流速，增大涡流强度。

如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims (9)

1.具有电绝缘功能的高温高压混合器，包括互相连通的绝缘法兰A（2）和绝缘法兰B（6），绝缘法兰A（2）和绝缘法兰B（6）之间设置有绝缘密封垫圈（5），其特征在于：还包括三通管（8），三通管包括互相连通的主管和侧管，主管的一端与绝缘法兰B（6）远离绝缘法兰A（2）的一端连接，主管的另一端连接到异型管接头管（10）的出口端端面，还包括内套管（9），内套管（9）的一端延伸到绝缘法兰A（2）的中空内部，内套管（9）的另一端与异型管接头管（10）的出口端端面连接，内套管（9）的外径小于主管的内径，内套管（9）的内部与异型管接头管（10）的内部连通形成热流通道（16），内套管（9）的外壁与主管内径面之间存在间隙A，内套管（9）的外壁与绝缘法兰B（6）之间存在间隙B，内套管（9）的外壁与绝缘法兰A（2）之间存在间隙C，间隙A、间隙B、间隙C互相连通并构成冷流通道。

2.根据权利要求1所述的具有电绝缘功能的高温高压混合器，其特征在于：内套管远离异型管接头管的一端为混合界面端，混合界面端的外径面套设有一圈与内套管同轴的高纯陶瓷圈（11）。

3.根据权利要求1所述的具有电绝缘功能的高温高压混合器，其特征在于：内套管远离异型管接头管的一端连接有一段小套管，小套管外径小于内套管外径，小套管的外径面套设有与小套管同轴的高纯陶瓷圈（11），还包括螺钉（12），螺钉（12）从小套管外径面插入到小套管内部，高纯陶瓷圈（11）处于螺钉（12）与内套管之间，高纯陶瓷圈（11）的内径尺寸介于内套管的外径尺寸与内径尺寸之间，高纯陶瓷圈（11）的外径尺寸大于内套管的外径尺寸。

4.根据权利要求1所述的具有电绝缘功能的高温高压混合器，其特征在于：异型管接头管的出口端端面开有与异型管接头管同轴的环形凹槽（13），以环形凹槽（13）为分界线，环形凹槽（13）至异型管接头管面外径面的区域为外壁体（14），环形凹槽（13）至异型管接头管面内径面的区域为内壁体（15），外壁体（14）与主管的端面连接，内壁体（15）与内套管（9）的端面连接。

5.根据权利要求1所述的具有电绝缘功能的高温高压混合器，其特征在于：还包括连接在绝缘法兰A远离绝缘法兰B一端的出口管。

6.根据权利要求5所述的具有电绝缘功能的高温高压混合器，其特征在于：所述出口管为一个渐缩大小头（1），在绝缘法兰B指向绝缘法兰A的方向上，渐缩大小头的内径尺寸是由大到小进行渐变的。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的具有电绝缘功能的高温高压混合器，其特征在于：绝缘法兰A（2）的内径尺寸、绝缘法兰B（6）的内径尺寸、主管的内径尺寸均相同。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的具有电绝缘功能的高温高压混合器，其特征在于：所述绝缘法兰A为T型绝缘法兰，绝缘法兰B为G型绝缘法兰。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的具有电绝缘功能的高温高压混合器，其特征在于：绝缘法兰A和绝缘法兰B都设置有外延部，采用双头螺柱（3）贯穿外延部将绝缘法兰A和绝缘法兰B连接在一起，双头螺柱（3）两端都加载有螺母（4），螺母（4）与外延部之间设置有绝缘垫片（7）。