CN105784257A - 一种小直径球床高温氦气压降测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小直径球床高温氦气压降测量装置及方法，用于精确测量小直径球床高温氦气的沿程压降；包括氦气瓶、可调减压阀、气体质量流量计、实验段、止回阀；实验段内装小直径球，各连接处通过金属滤芯封堵；实验段上游管道外壁缠有加热丝对氦气进行加热，实验段开有数个压力测点，通过引压管及针型阀与汇流排相连；汇流排与实验段上游取压孔连有一差压表用于测量压降；实验中通过相应针型阀的开闭取得相应位置的压降；本装置能够恒定并改变球床孔隙率、直径及氦气压力、流量、温度，解决了小直径球床的密封问题，解决了高温氦气的加热、恒温及密封问题，本方法解决了高精度测量气体沿程压降落问题。

Description

一种小直径球床高温氦气压降测量装置及方法
技术领域
本发明属于压降测量技术领域，具体涉及一种小直径球床高温氦气压降测量装置及方法。
技术背景
各种形式的球床广泛应用于球床水冷堆、熔盐堆、核聚变包层、高效换热器、化学反应器等领域。在聚变固态包层中，球床用于增殖区产氚，同时使用低压氦气吹扫球床，载带增殖剂小球所产生的氚，进入氚提取系统提氚，用作聚变堆自身燃料。因此，氦气通过球床的流动阻力特性是提纯系统设计的重要参数。聚变包层设计中，氦气泵的选型及提纯气的流量确定都需要氦气流动阻力确定，本研究对于聚变堆包层设计及运行具有重要意义。
聚变固态包层中的增殖区产氚球床直径较小，在0.5mm左右。流速较低，小于0.5m/s。氦气温度较高，最高可达800℃。氦气在球床中的流动压降和球床孔隙率、直径及氦气压力、流量、温度有关，因此测量装置必须能够灵活的改变上述参数，以获得流动不同距离下的流动压降。目前传统的实验方法无法精确测量该小直径球、小流量、高温环境下的氦气流动压降。中国专利CN201410391127涉及一种聚变堆增殖包层球床吹氚氦气热工水力特性实验装置及方法，但该方法中球床通过电磁感应加热，氦气流动过程中温度会逐步升高，难以控制恒温，并且该方法的压降测点少，无法测量沿程压降。国外文献“PerformancecharacterizationoftheFLEXlowpressureheliumfacilityforfusiontechnologyexperiments”涉及一种氦气回路装置，但该装置无法测量高温氦气，回路含有风机，气密性较差。
本发明通过耐高温高密封矩形实验段装载小直径球，利用汇流方式测量多点压降，结合热式气体流量计测量气体流量、热电偶测量温度、减压阀调节压力，解决了对球床高温氦气沿程流动压降的精确测量问题。
基于以上背景技术，针对国际热核聚变实验堆(ITER)计划专项课题(2014GB114001)研究的任务需求，特提出本发明专利。
发明说明
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种小直径球床高温氦气压降测量装置及方法，能够精确的获得高温氦气沿程压降，解决了高温氦气的加热及球床密封问题；解决了实验段入口氦气压力、流量、温度不均衡及难以调整的现有技术缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种小直径球床高温氦气压降测量装置，包括氦气瓶1，连接在氦气瓶1出口管路上的加热段和实验段14，连接在实验段14管路出口的止回阀17，在连接氦气瓶1出口与加热段的管路上设置有可调减压阀2和气体质量流量计3；所述加热段的管壁上缠绕有加热丝4，且加热段连接有高压侧引压管8和热电偶6，高压侧引压管8上依次设置有冷却器13、针型阀12、压力表5和差压表9；所述实验段14进口及出口法兰处通过法兰金属滤芯7对实验段14内的小直径球15进行密封，且实验段14沿管内气体流动方向沿程布置多个压力测点，每个压力测点连接低压侧引压管11，实验段14与低压侧引压管11通过引压管金属滤芯16进行密封，低压侧引压管11汇集至汇流排10中，在各低压侧引压管11上设置有进行流量通断的针型阀12，各针型阀12上游设置有用于冷却高温气体的冷却器13；所述加热段上设置的高压侧引压管8出口连接至汇流排10。
所述加热段的加热丝4外部覆盖有加热段保温棉18，所述实验段14管壁外覆盖有实验段保温棉19。
所述实验段14为圆管内切割的矩形槽。
所述小直径球15采用耐高温不锈钢制造，直径为0.1mm-1mm。
所述实验段14的长度为500mm，沿程设有5个压力测点。
上述所述小直径球床高温氦气压降测量装置的测量方法，包括如下步骤：
步骤1:调节可调减压阀2的开度以及加热丝4的加热功率，获得所需的流量、压力及气体温度；
步骤2:在关闭所有引压管针型阀情况下，打开高压侧引压管8处针型阀12；
步骤3:打开一个低压侧引压管11处针型阀12；
步骤4:读取差压表9的数据，获得的数据为该低压侧引压管11处针型阀12所在引压管所连的压力测点与高压侧引压管压力测点间的压降，即为气体流过这段距离的压降；
步骤5:关闭步骤3打开的针型阀12，打开下一个针形阀12，重复步骤3和步骤4，直至所有压降测量完成；所有测量的压降即为气体沿程压降；
步骤6:再结合气体质量流量计3所测量的流量、压力表5所测量的压力以及热电偶6所测量的温度，即得到该流量、压力、温度下的气体沿程压降。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、使用同一个差压表测量所有取压点的压降，消除了不同仪表之前的误差，确保高精度测量。
2、能够将气体加热至高温，并实现高温气体的恒温保温及密封。
3、实验段进出口的金属滤芯及引压管的金属滤芯实现的密封结构简便可靠，且不影响气体流动。
4、能够按不同要求对气体压力、流量、温度进行调节。
附图说明
图1为本发明小直径球床高温氦气压降测量装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：
如图1所示，本发明一种小直径球床高温氦气压降测量装置，包括氦气瓶1，连接在氦气瓶1出口管路上的加热段和实验段14，连接在实验段14管路出口的止回阀17，在连接氦气瓶1出口与加热段的管路上设置有可调减压阀2和气体质量流量计3；所述加热段的管壁上缠绕有加热丝4，且加热段连接有高压侧引压管8和热电偶6，高压侧引压管8上依次设置有冷却器13、针型阀12、压力表5和差压表9；所述实验段14进口及出口法兰处通过法兰金属滤芯7对实验段14内的小直径球15进行密封，且实验段14沿管内气体流动方向沿程布置多个压力测点，每个压力测点连接低压侧引压管11，实验段14与低压侧引压管11通过引压管金属滤芯16进行密封，低压侧引压管11汇集至汇流排10中，在各低压侧引压管11上设置有进行流量通断的针型阀12，各针型阀12上游设置有用于冷却高温气体的冷却器13；所述加热段上设置的高压侧引压管8出口连接至汇流排10。
包括氦气瓶1作为气源，可调减压阀2用于调节和稳定氦气压力，气体质量流量计3用于测量气体流量，加热丝4缠绕在管壁外，用于加热管内气体。压力表5用于测量气体的压力，热电偶6用于测量气体的温度，实验段14用于承载球床，气体最终通过止回阀17排出。
实验段14进口及出口法兰处通过法兰金属滤芯7进行密封；实验段14与低压侧引压管11通过引压管金属滤芯16进行密封，保证了小直径球床的密封性能。
作为本发明的优选实施方式，所述加热段的加热丝4外部覆盖有加热段保温棉18，所述实验段14管壁外覆盖有实验段保温棉19。
作为本发明的优选实施方式，所述实验段14为圆管内切割的矩形槽，保证高温下矩形槽不产生大的形变。
作为本发明的优选实施方式，所述小直径球15采用耐高温不锈钢制造，直径为0.1mm-1mm。进一步地，小直径球直径为0.5mm。
作为本发明的优选实施方式，所述实验段14的长度为500mm，沿程设有5个压力测点。实验段及其余管道选用310S耐高温不锈钢。流量计选用氦气标定的热式气体流量计，范围为0.8NCMH—3NCMH。加热功率为0-3kW连续可调。
本发明小直径球床高温氦气压降测量装置的测量方法：通过沿气体流动方向开多个取压孔即压力测点测量沿程阻力，通过汇流排的方法使用同一个差压表9精确测量各差压。步骤如下：在关闭所有引压管针型阀情况下，打开高压侧引压管8处针型阀12，并逐个打开低压侧引压管11处针型阀12。在打开每个针型阀12时，差压表9获得的数据即为该针型阀所在引压管所连的取压口与高压侧引压管取压口的压降，即为气体流过这段距离的压降。该方法使用同一个压力表测量多点的压降，消除了不同仪表带来的误差。装置运行时，关闭所有针型阀12，打开氦气瓶1，通过可调减压阀2调节所需的入口压力和流量，通过调节加热功率改变实验段入口温度。获得稳定的氦气流量后，采用上述的一种小直径球床高温氦气压降测量方法，进行氦气没程压降的测量。
球床孔隙率、直径及氦气压力、流量、温度的控制方法：球床孔隙率通过称重法进行测量，实验中对球床进行反复灌装，对不含球床实验段及含球床实验段进行分别称重，再通过球密度计算出球床所占体积，将球床体积除以矩形槽体积即为孔隙率。球床直径可直接通过更换不同直径球床控制。氦气压力通过氦气瓶、可调减压阀2进行稳定压力及调节。氦气流量通过热式气体流量计进行监测，通过改变可调减压阀2进行调节。氦气温度通过改变电加热丝加热功率进行调节。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种小直径球床高温氦气压降测量装置，其特征在于：包括氦气瓶(1)，连接在氦气瓶(1)出口管路上的加热段和实验段(14)，连接在实验段(14)管路出口的止回阀(17)，在连接氦气瓶(1)出口与加热段的管路上设置有可调减压阀(2)和气体质量流量计(3)；所述加热段的管壁上缠绕有加热丝(4)，且加热段连接有高压侧引压管(8)和热电偶(6)，高压侧引压管(8)上依次设置有冷却器(13)、针型阀(12)、压力表(5)和差压表(9)；所述实验段(14)进口及出口法兰处通过法兰金属滤芯(7)对实验段(14)内的小直径球(15)进行密封，且实验段(14)沿管内气体流动方向沿程布置多个压力测点，每个压力测点连接低压侧引压管(11)，实验段(14)与低压侧引压管(11)通过引压管金属滤芯(16)进行密封，低压侧引压管(11)汇集至汇流排(10)中，在各低压侧引压管(11)上设置有进行流量通断的针型阀(12)，各针型阀(12)上游设置有用于冷却高温气体的冷却器(13)；所述加热段上设置的高压侧引压管(8)出口连接至汇流排(10)。
2.根据权利要求1所述的一种小直径球床高温氦气压降测量装置，其特征在于：所述加热段的加热丝(4)外部覆盖有加热段保温棉(18)，所述实验段(14)管壁外覆盖有实验段保温棉(19)。
3.根据权利要求1所述的一种小直径球床高温氦气压降测量装置，其特征在于：所述实验段(14)为圆管内切割的矩形槽。
4.根据权利要求1所述的一种小直径球床高温氦气压降测量装置，其特征在于：所述小直径球(15)采用耐高温不锈钢制造，直径为0.1mm-1mm。
5.根据权利要求1所述的一种小直径球床高温氦气压降测量装置，其特征在于：所述实验段(14)的长度为500mm，沿程设有5个压力测点。
6.权利要求1至5任一项所述小直径球床高温氦气压降测量装置的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1:调节可调减压阀(2)的开度以及加热丝(4)的加热功率，获得所需的流量、压力及气体温度；
步骤2:在关闭所有引压管针型阀情况下，打开高压侧引压管(8)处针型阀(12)；
步骤3:打开一个低压侧引压管(11)处针型阀(12)；
步骤4:读取差压表(9)的数据，获得的数据为该低压侧引压管(11)处针型阀(12)所在引压管所连的压力测点与高压侧引压管压力测点间的压降，即为气体流过这段距离的压降；
步骤5:关闭步骤3打开的针型阀(12)，打开下一个针形阀(12)，重复步骤3和步骤4，直至所有压降测量完成；所有测量的压降即为气体沿程压降；
步骤6:再结合气体质量流量计(3)所测量的流量、压力表(5)所测量的压力以及热电偶(6)所测量的温度，即得到该流量、压力、温度下的气体沿程压降。
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