CN105728078A - 氦气循环加热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氦气循环加热系统，包括氦气瓶、氦气压缩机、真空增压泵、缓冲罐、质量流量计、减压阀、加热器、过滤器、球床、回热器、冷却器、冷水机组、阀门；所述氦气压缩机前端的缓冲罐、所述氦气压缩机、后端的缓冲罐、所述质量流量计、所述减压阀、所述回热器、加热器、过滤器、球床、冷却器首尾依次相连，形成闭环；所述氦气压缩机与所述真空增压泵并联连接；所述回热器用于利用球床出口端的氦气热量，提高能量利用效率；所述加热器用于加热氦气，所述冷却器用于将循环氦气换热至常温，便于再次参与循环。本发明能够对循环氦气的流量、温度及压力进行宽范围组合调节，同时提高了氦气利用率，降低了成本。

Description

氦气循环加热系统

技术领域

本发明涉及一种加热系统，特别是涉及一种氦气循环加热系统。

背景技术

随着科技的进步，物质高温下的特性研究越来越受到科研工作者的重视。物质高温的获取有多种方式，高温烘箱烘烤、大功率电阻直接加热、以及高温气体吹扫是常见的三种方式。在这三种方式中，如果需综合研究压力、温度对物质高温特性的影响，那么高温气体吹扫的加热方式将是最佳选择。

在高温气体吹扫的加热方式中，气源的选择尤为重要，必须要排除气源对研究对象的干扰。氦气作为惰性气体，性质稳定，且具有较大的比热，以上优点使其成为加热系统中气源的首选。

在现有的技术中，氦气加热系统往往采取以下技术手段：钢瓶中的氦气通过减压阀的作用，调节至目标压力后进入加热器中加热至目标温度，然后进入目标装置对目标进行加热，从目标装置中出来的气体经冷却后排放入氦气收集气囊或者大气中。以上技术手段虽然实现了对目标进行加热的目的，但也同时存在着以下缺点：氦气无法循环使用，造成系统的日常使用成本偏高；现有技术手段实验工况单一，无法达到目标温度常温～500℃，目标压力绝压0.1MPa～2.0MPa，气体流量0.1m³/h～20m³/h的综合实时高精度调节目的。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种结构合理、成本低、操作简便的氦气循环加热系统以实现氦气加热系统节约氦气、达到目标温度常温～500℃、目标压力绝压0.1MPa～2.0MPa，气体流量0.1m³/h～20m³/h的综合、实时、高精度调节目的。

本发明一种氦气循环加热系统，包括氦气瓶、氦气压缩机、真空增压泵、缓冲罐、质量流量计、减压阀、加热器、过滤器、球床、回热器、冷却器、冷水机组、阀门。

所述缓冲罐包括设置在氦气压缩机前端的缓冲罐及后端的缓冲罐,用于稳定系统中的压力，减小系统压力波动值。

所述氦气压缩机前端的缓冲罐、所述氦气压缩机、后端的缓冲罐、所述质量流量计、所述减压阀、所述回热器、加热器、过滤器、球床、冷却器首尾依次相连，形成闭环；

所述氦气瓶的输出端通过自密封接口连接所述缓冲罐与所述冷却器相连的一端；

所述氦气压缩机与所述真空增压泵并联连接；

所述氦气压缩机用于将系统中的氦气增压到目标压力值附近；

所述真空增压泵用于对系统进行抽空或增压。

所述质量流量计用于测量进入球床的氦气流量；

所述氦气压缩机与所述冷却器使用冷水机组进行降温；所述回热器用于利用球床出口端的氦气热量；所述加热器用于加热氦气，所述冷却器用于将循环氦气换热至常温。

所述质量流量计包括第一质量流量计和第二质量流量计，所述第一质量流量计和第二质量流量计并联；

其中，所述阀门包括手动阀、减压阀和安全阀；

所述手动阀设置在所述氦气压缩机输入端与输出端、所述真空压缩泵的输入端与输出端、所述质量流量计的输入端、所述减压阀的输出端、所述冷却器的输出端。其主要作用是调节支路流量，关闭或开启支路以及方便气体取样等。

所述减压阀设置在质量流量计与加热器4之间。主要作用是调节进入球床的循环氦气压力；所述减压阀共有两个，二者并联。

所述安全阀门设置在所述氦气瓶与所述缓冲罐之间，用于在系统压力超过阈值时进行安全保护。

本发明一种氦气循环加热系统，还包括压力传感器、温度传感器、单向阀。

所述压力传感器分别设置在缓冲罐上以及球床的入口处与出口处，用于测量压力值。

所述温度传感器分别设置在加热器的前段、中段和后段，以及冷却器的输入端和输出端，用于测量温度。

所述单向阀分别设置在在第一质量流量计b1和第二质量流量计b2输出端。

所述手动阀设置在减压阀的输出端。

所述前端缓冲罐与所述氦气压缩机之间还串联有手动阀，所述手动阀与所述氦气压缩机的入口之间采用自密封接口。

手动阀与氦气压缩机的输入端、输出端之间采用自密封接口连接。

优选地，所述过滤器包括第一过滤器和第二过滤器，分别设置在所述球床的输入端和输出端。

优选地，所述加热器及球床放置在特制的真空杜瓦中。

优选地，所述缓冲罐与质量流量计之间设置有取样口，用于检测循环氦气中油含量。

本发明中，系统的压力调节范围为绝压0.1MPa～2.0MPa，流量调节范围为0.1m³/h～20m³/h，温度调节范围为常温到500℃，且压力与流量采用两个并联支路分段调节方式，用以提高调节精度，温度调节采用分段加热的形式，以满足不同温度区间的要求。

本发明的优势在于：

系统承压最大可以达到3MPa；

系统氦气流量：0.1m³/h～20m³/h，可调、可测，测量精度±1％FS；

球床内氦气压力(绝压)：0.1MPa～2MPa，可调、可测，测量精度±1％FS，调节精度±20KPa；

球床温度：常温～500℃，可调、可测、可控，测量精度±1℃，控制精度±10℃，且在目标温度值稳定时长不低于3小时；

系统残油量：≤10ppm；

系统压力、温度、流量数据能够实现自动采集；

系统设置有超温、超压保护。

下面结合附图对本发明的氦气循环加热系统做进一步说明。

附图说明

图1是氦气循环加热系统构成图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例一种氦气循环加热系统，包括氦气瓶1、氦气压缩机2、真空增压泵3、缓冲罐(a1,a2)、质量流量计(b1,b2)、减压阀(c1,c2)、加热器4、过滤器(e1,e2)、球床5、回热器6、冷却器7、冷水机组8、阀门。

缓冲罐包括设置在氦气压缩机前端的缓冲罐a1及后端的缓冲罐a2,用于稳定系统中的压力，减小系统压力波动值；

缓冲罐a1、氦气压缩机2、后端缓冲罐a2、质量流量计、减压阀、回热器6、加热器4、过滤器、球床5、冷却器7首尾依次相连，形成闭环。

氦气瓶1的输出端通过自密封接口连接缓冲罐a1与冷却器7相连的一端；氦气压缩机1与真空增压泵3并联连接；氦气压缩机1用于将系统中的氦气增压到目标压力值附近；真空增压泵3用于对系统进行抽空或系统压力低于绝压0.4MPa时增压。

质量流量计用于测量进入球床的氦气流量；氦气压缩机2与冷却器7使用冷水机组8进行降温；回热器6用于利用球床5出口端的氦气热量，提高能量利用效率；加热器4用于加热氦气，冷却器7用于将循环氦气换热至常温，便于再次参与循环。

质量流量计包括第一质量流量计b1和第二质量流量计b2，所述第一质量流量计b1和第二质量流量计b2并联。

其中，阀门包括手动阀、减压阀和安全阀；

手动阀(MV1——MV18)设置在氦气压缩机2输入端与输出端、真空压缩泵3输入端与输出端、质量流量计输入端、减压阀输出端、冷却器输出端，其主要作用是调节支路流量，关闭或开启支路以及方便气体取样等。

减压阀设置在质量流量计与加热器4之间，主要作用是调节进入球床的循环氦气压力；减压阀包括减压阀c1和减压阀c2，减压阀c1和减压阀c2并联。

安全阀门设置在氦气瓶1与缓冲罐a1之间，用于在系统压力超过阈值时进行安全保护。

本实施例一种氦气循环加热系统，还包括压力传感器、温度传感器、单向阀。

压力传感器(PS1、PS2、PS3、PS4、PS5)分别设置在缓冲罐上以及球床5的入口处与出口处，用于测量压力值。

温度传感器(T1、T2、T3、T4、T5)分别设置在加热器4的前段、中段和后段，以及冷却器7的输入端和输出端，用于测量温度。

单向阀(d1,d2)分别设置在在第一质量流量计b1和第二质量流量计b2输出端。

手动阀设置在减压阀c1和减压阀c2输出端。

本实施例中，过滤器包括第一过滤器e1和第二过滤器e2，分别设置在球床5输入端和输出端。

前端缓冲罐a1与氦气压缩机2之间还串联有手动阀MV1，缓冲罐a2与氦气压缩机2的输出端口之间串联有手动阀MV2，并采用自密封接口。

本实施例中，加热器4及球床5放置在特制的真空杜瓦中。

缓冲罐a2与质量流量计之间设置有取样口9，用于检测循环氦气中油含量。

本实施例在实际操作过程中，首先使用真空增压泵对整个系统进行抽空，系统压力抽空至低于1000Pa后，通过钢瓶氦气对系统充入绝压0.3MPa的高纯氦气并保压20分钟，然后继续对系统进行抽空，抽空至系统压力低于1000Pa后，重复以上步骤两到三次，完成对系统的抽空流洗作业。

然后，对系统内充入一定平衡压力纯度为99.9％的循环氦气。循环氦气经氦气压缩机或真空压缩机的作用增压后进入缓冲罐2，然后通过减压器及相关阀门的作用调节至所需流量、压力值，流量的测量通过质量流量计实现。压力、流量一定的气体经加热器加热至目标温度后进入球床对球床颗粒进行加热。从球床出来的氦气先后经回热器、冷却器作用后降温至常温，最后进入缓冲罐1继续参与循环。

本系统的压力调节范围为绝压0.1MPa～2.0MPa，流量调节范围为0.1m³/h～20m³/h，温度调节范围为常温到500℃，且压力与流量采用两个并联支路分段调节方式，用以提高调节精度，温度调节采用分段加热的形式，以满足不同温度区间的要求。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种氦气循环加热系统，包括氦气瓶、氦气压缩机、真空增压泵、缓冲罐、质量流量计、减压阀、加热器、过滤器、球床、回热器、冷却器、冷水机组、阀门；

其特征在于，

所述缓冲罐包括设置在氦气压缩机前端的缓冲罐及后端的缓冲罐,用于稳定系统中的压力；

所述氦气压缩机前端的缓冲罐、所述氦气压缩机、后端的缓冲罐、所述质量流量计、所述减压阀、所述回热器、加热器、过滤器、球床、冷却器首尾依次相连，形成闭环；

所述氦气瓶的输出端通过自密封接口连接所述缓冲罐与所述冷却器相连的一端；

所述氦气压缩机与所述真空增压泵并联连接；

所述氦气压缩机用于将系统中的氦气增压到目标压力值附近；

所述真空增压泵用于对系统进行抽空或增压；

所述质量流量计用于测量进入球床的氦气流量；

所述氦气压缩机与所述冷却器使用冷水机组进行降温；所述回热器用于利用球床出口端的氦气热量；所述加热器用于加热氦气，所述冷却器用于将循环氦气换热至常温。

2.根据权利要求1所述的氦气循环加热系统，其特征在于，

所述质量流量计包括第一质量流量计和第二质量流量计，所述第一质量流量计和第二质量流量计并联；

所述阀门包括手动阀、减压阀和安全阀；

所述手动阀设置在所述氦气压缩机输入端与输出端、所述真空压缩泵的输入端与输出端、所述质量流量计的输入端、所述减压阀的输出端、所述冷却器的输出端；

所述减压阀设置在质量流量计与加热器之间。

3.根据权利要求2所述的氦气循环加热系统，其特征在于，

所述减压阀共有两个，二者并联；

所述安全阀门设置在所述氦气瓶与所述缓冲罐之间，用于在系统压力超过阈值时进行安全保护。

4.根据权利要求2或3所述的一种氦气循环加热系统，其特征在于，还包括压力传感器、温度传感器、单向阀；

所述压力传感器分别设置在缓冲罐上以及球床的入口处与出口处，用于测量压力值；

所述温度传感器分别设置在所述加热器的前段、中段和后段，以及所述冷却器的输入端和输出端；

所述单向阀分别设置在在所述第一质量流量计的输出端和所述第二质量流量计的输出端。

5.根据权利要求4所述的一种氦气循环加热系统，其特征在于，

所述手动阀设置在减压阀的输出端；

所述前端缓冲罐与所述氦气压缩机之间还串联有手动阀，所述手动阀与所述氦气压缩机的入口之间采用自密封接口；

所述手动阀与所述氦气压缩机的输入端、输出端之间采用自密封接口连接。

6.根据权利要求5所述的一种氦气循环加热系统，其特征在于，

所述过滤器包括第一过滤器和第二过滤器，分别设置在所述球床的输入端和输出端；

所述加热器及球床放置在特制的真空杜瓦中；

所述缓冲罐与质量流量计之间设置有测量氦气油含量的取样口。

7.根据权利要求6所述的一种氦气循环加热系统，其特征在于，

系统的压力调节范围为绝压0.1MPa～2.0MPa，流量调节范围为0.1m3/h～20m3/h，温度调节范围为常温到500℃，所述加热器的温度调节采用分段加热的形式，以满足不同温度区间的要求。