CN108414135B - 一种防泄漏的高温流场压力测量装置 - Google Patents

一种防泄漏的高温流场压力测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种防泄漏的高温流场压力测量装置，包括热沉单元、引压管路和压力传感器；热沉单元内部设有热熔断结构，热熔断结构包括第一吸热层、第二吸热层和相变部，第一吸热层设有进气孔，第二吸热层设有出气孔，相变部设置在第一吸热层和第二吸热层之间，相变部内设有贯通的预留孔；进气孔、预留孔和出气孔形成通路；引压管路的一端与通路连通，引压管路的另一端与压力传感器连接，使压力传感器的测量部与从通路引入的气体接触；热沉单元嵌设在安装件内，进气孔与沿安装件表面流动的高温流场连通。本发明所提供的高温流场压力测量装置能够直接测量高温流场气体压力，并且避免在测量时发生高温气体泄露。

Description

一种防泄漏的高温流场压力测量装置
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种防泄漏的高温流场压力测量装置。
背景技术
气体压力测量通常利用压力传感器，其核心元件为压力敏感元件，当压力敏感元件表面压力发生变化时，其电学性能随之发生变化，从而将表面的压力信号转化为电信号输出。但是压力敏感元件受气体温度影响较大，当气体温度超过150℃时，压力传感器将无法工作，不能用来直接测量高温流场的气体压力。并且，在测量高温流场过程中，一旦高温气体泄露进入隔热壁内侧，将会对内部的设备产生较大影响，甚至危及壁面另一侧的人员安全。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种带有热熔断结构的高温流场压力测量装置，能够直接测量高温流场气体压力，避免测量时发生高温气体泄露。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明提供了一种防泄漏的高温流场压力测量装置，包括热沉单元、引压管路和压力传感器；所述热沉单元内部设有热熔断结构，所述热熔断结构包括第一吸热层、第二吸热层和相变部，所述第一吸热层设有进气孔，所述第二吸热层设有出气孔，所述相变部设置在所述第一吸热层和所述第二吸热层之间，所述相变部内设有贯通的预留孔；所述进气孔、所述预留孔和所述出气孔形成通路；
所述引压管路的一端与所述通路连通，所述引压管路的另一端与所述压力传感器连接，使所述压力传感器的测量部与从所述通路引入的气体接触；
所述热沉单元嵌设在安装件内，所述进气孔与沿所述安装件表面流动的高温流场连通。
优选地，所述第一吸热层和第二吸热层均采用热导率范围为100W/mK以上的金属或合金制成。
优选地，所述第一吸热层的厚度范围为2～10mm，所述第二吸热层的厚度范围为2～4mm。
优选地，所述第一吸热层为中心设有通孔的金属件，或所述第一吸热层采用多孔的泡沫金属制成。
优选地，所述第二吸热层为中心设有通孔的金属件，或所述第二吸热层采用多孔的泡沫金属制成。
优选地，所述相变部的熔点范围为80～300℃。
优选地，所述相变部可选石蜡或焊锡。
优选地，所述热沉单元包括隔热部和金属部，所述隔热部位于所述金属部的前端，用于防止所述金属部直接与高温流场接触，在所述隔热部和金属部上设有贯穿所述隔热部和金属部的气孔，所述热熔断结构设置在所述气孔内；所述热沉单元嵌设在安装件内时，所述气孔的进气口与沿所述安装件表面流动的高温流场接触。
优选地，所述引压管路通过管接头与所述压力传感器的测量部连接。
优选地，若所述引压管路上包括转弯部，所述转弯部的曲率半径大于所述引压管路的外径的4倍。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种防泄漏的高温流场压力测量装置，在引入高温气体的通路中设置了热熔断结构，使得高温流场压力测量装置在无泄漏的情况下能够正常工作，而在发生泄漏时，热熔断结构堵塞输送气体的通路，防止高温气体进入隔热壁的另一侧，保证人员和设备的安全。
附图说明
图1是本发明实施例中的高温流场压力测量装置结构示意图；
图2是本发明实施例中的管接头结构示意图；
图3是本发明实施例中的热熔断结构示意图；
图4是本发明实施例中的热熔断结构验证模型示意图；
图5是图4中的验证模型的工况1温度曲线图；
图6是图4中的验证模型的工况2温度曲线图；
图7是图4中的验证模型的工况3温度曲线图；
图8是图4中的验证模型的工况4温度曲线图；
图中：1：热沉单元；2：引压管路；3：压力传感器；4：管接头；41：管接头密封件；51：第一吸热层；52：第二吸热层；6：相变部；7：热熔断结构试验件；8：隔热套；9：密封垫。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明提供了一种防泄漏的高温流场压力测量装置，包括热沉单元1、引压管路2和压力传感器3。热沉单元1内部设有热熔断结构。热熔断结构包括第一吸热层51、第二吸热层52和相变部6，第一吸热层51设有进气孔，第二吸热层52设有出气孔，相变部6设置在第一吸热层51和第二吸热层52之间。相变部6内设有贯通的预留孔。进气孔、预留孔和出气孔形成通路，能够将进入热沉单元1的气体输出。
如图1所示，引压管路2的一端与热熔断结构的通路连通，优选地，本实施例中，引压管路2与热沉单元1的出气口焊接。引压管路2的另一端与压力传感器3连接，使压力传感器3的测量部与从通路引进的气体接触。
热沉单元1嵌设在与高温流场接触的安装件内，优选地，热沉单元1包括隔热部和金属部，隔热部位于金属部的前端，用于防止金属部直接与高温流场接触，在隔热部和金属部上设有贯穿隔热部和金属部的气孔，热熔断结构设置在气孔内。
安装后，热沉单元1前端的隔热部与高温流场直接接触，由于隔热部分隔了金属部表面与高温流场，避免了热沉单元1中的金属部与高温流场中的气体持续发生热传递。隔热部的厚度不需过大，优选地，隔热部的厚度范围为5～25mm。
本实施例中隔热部所用的材料与安装件相同。在其他实施例中，隔热部也可以采用与安装件不同的材质。
由于热沉单元1中设有金属部，高温气体由前端进入热沉单元1，经金属部降温后，从热沉单元1后端输出，由于热沉单元1与高温气体发生热交换，进入热沉单元1的高温气体随进入深度的增加而不断降温，金属部中的气体存在较为明显的温度梯度，前端的气体温度接近高温流场中的气体温度，后端气体温度接近隔热壁壁面内侧的空气温度。由于压力传感器3的测量部接触到的气体已经过降温，压力传感器3能够正常工作，在此不限制压力传感器3种类或形式。
为实现有效降低热沉单元1内气体的温度，优选地，热沉单元1的金属部采用热导率大、热熔大、耐温高的金属或者合金材料制备而成，热导率范围为10W/(m·K)以上，比热容范围为100J/(kg·℃)以上，例如不锈钢、碳钢、紫铜、黄铜等。进一步优选地，热沉单元1的金属部的长度范围为5～100mm。
具体到本实施例中，如图1所示，金属部为不锈钢材料制成的中空圆柱体，前端为环形面，内径为5mm，外径为10mm，金属部的长度为13mm，底部设有法兰盘，方便将热沉单元1安装在与高温气体接触的隔热壁壁面上，显然在其他实施例中，热沉单元1也可采用其他安装方式。
在另一个实施例中，热沉单元1也可以不设置隔热部，即热沉单元1全部采用金属制成。在这种情况下安装时，热沉单元1嵌设在安装件内的安装孔内且前端距离安装件表面有一定距离，热沉单元1不直接与沿安装件表面流动的高温流场接触，优选地，热沉单元1的前端距离安装件表面距离范围为5～25mm。热沉单元1与由安装孔进入的气体接触。
由热沉单元1中的通路进入的气体经由引压管路2传输到压力传感器3。优选地，引压管路2可选用热导率大、耐温较高、比热较大的材料，例如热导率范围为10W/(m·K)以上，比热容范围为100J/(kg·℃)以上的金属或者合金，本实施例所用的是不锈钢。
如图1所示，若引压管路2中存在管路转向的情况，引压管路2包括转弯部，则转弯部的曲率半径不小于引压管路2外径的4倍。进一步优选地，引压管路2的内径范围为0.5～3mm，长度范围为0.1～3m。
由于在本实施例所提供的测量装置中，热沉单元1对高温气体的降温效果明显，气体中的温度梯度只在入口附近处存在，引压管路2内气体的温度梯度可以忽略，因此，只有热沉单元1入口附近存在局部绕流，引压管路2中不存在气体流动，压力传感器3处测试到的气体压力与热沉单元1的入口处的压力基本相同，能够实现对高温流场的压力测量。
引压管路2引起的压降误差可以通过如下公式进行估算：
其中，l表示引压管路2的长度，d表示引压管路2的圆管直径，ρ表示流体密度，表示平均流速，雷诺数有效半径A表示引压管路2的有效截面积，c表示流体与固体边界接触的周长，平均流速与漏率Q之间的关系为：其中P为压强。
具体到本实施例中，引压管路2的内径为1.5mm，长度为1m，转弯处的半径大于4倍引压管路2外径的情况下，能够忽略引压管路2弯曲对压力的影响。取测试压强P为10kPa，引压管路2漏率为1×10-6Pa·m3/s，空气粘度μ＝1.5×10-5Pa·s，空气密度ρ取0.15kg/m3，带入压降误差公式计算可得：
即在上述情况下，引压管路2内部的压力损失对测量精度影响极小，不影响压力传感器3的测量精度，因此可忽略引压管路2对高温流场压力测量的影响。
优选地，如图2所示，本实施例中采用管接头4实现引压管路2与压力传感器3之间的连接和密封，即引压管路2通过管接头4与所述压力传感器3的测量部连接。管接头4设有两个接口，且管接头4内部设有管接头密封件41，管接头密封件41的两端分别与引压管路2和压力传感器3的测量部密封连接，其中，管接头密封件41设有连通压力传感器3的测量部与引压管路2的通孔。引压管路2的末端设置在一个接口内并插入通孔的一端，压力传感器3的测量部通过管接头4固定设置在通孔的另一端，与通孔引出的气体密封接触。管接头密封件41可选橡胶等材质。进一步优选地，管接头密封件41与压力传感器3连接的一端设有外锥面，能够与压力传感器3测量部的内锥面相互配合，保证密封。
在其他实施例中，也可根据压力传感器3的形式选择其他的连接和密封方式。
在本实施例所提供的测量装置中，若高温气体测量装置的密封失效，出现较大的泄露，导致高温气体不断经由通路进入隔热壁的壁面另一侧，可能危及壁面另一侧设备及人员的安全。因此，在热沉单元1内部设计了防泄漏的热熔断结构。
如图3所示，热熔断结构包括从前至后依次设置的第一吸热层51、相变部6和第二吸热层52，此处的前指的是靠近高温流场的一侧，即先接触到由高温流场进入的气体的一侧。第一吸热层51和第二吸热层52的材质可以选用热导率较大的金属或者合金，优选地，热导率范围为100W/mK以上，例如铜、银以及不锈钢等。第一吸热层51的厚度范围为2～10mm，第二吸热层52的厚度范围为2～4mm。第一吸热层51和第二吸热层52的材料和厚度可根据高温流场的气体温度设计，气体温度较高时，热导率较大且厚度较厚。
第一吸热层51和/或第二吸热层52可以采用设有通孔的金属件，也可以采用通孔率较高的泡沫金属。具体到本实施例中，第一吸热层51和第二吸热层52均采用的是泡沫铜。
相变部6选用熔点较低的材料，具体可以根据高温流场中的气体温度选用，相变部6的熔点应至少低于高温流场气体的温度。优选地，相变部6的熔点比高温流场气体的平均温度低300～1000℃。当高温流场温度超过1000℃时，相变部6的熔点范围为150～300℃，相变部6可选用的材料有石蜡、焊锡或低熔点合金等。进一步优选地，相变部6为中心处设置预留孔的圆柱体结构，且外径与内径的比值的范围为2/1～10/1。本实施例中，相变部6的内径的范围为1～4mm，外径的范围为5～20mm。
在测量装置的通路密封良好时，第一吸热层51与热沉单元1一起对进入的高温气体进行降温，使得气体温度呈梯度分布。高温气体进入热沉单元1，经过第一吸热层51，由于第一吸热层51热导率较大，将高温气体的热量迅速扩散，从而将高温气体迅速冷却。当高温气体将测量装置内的空腔部分填满后，由于测量装置处于密封状态，进入的高温气体很少，热沉单元1内的气体温度呈梯度分布，相变部6所在位置接受的热量不足以使相变部6发生相变，热熔断结构中的通路保持连通，压力传感器3能够实时测量气体压力。
当发生泄漏时，高温气体不断进入热沉单元1，通路中的气体温度升高，气体热量不断增加，使相变部6发生相变，由固态转为液态，液态的相变部6受到气流影响，流入第二吸热层52，第二吸热层52将液态的相变部6中热量迅速扩散，使得相变部6重新固化，从而将第二吸热层52中的出气孔堵塞，切断热熔断结构的通路，阻止高温气体继续流入，以保证隔热壁另一侧的人员和设备安全。
为验证热熔断结构设计在发生气体泄露时，对高温气体的降温和堵塞作用，设计热熔断结构的验证模型如图4所示，其中最外层为隔热套8，隔热套8上设有气孔和用于固定热熔断结构试验件7的凹槽，凹槽的底部位于气孔的末端，隔热套8的材质为高硅氧纤维增强酚醛树脂基复合材料。热熔断结构试验件7包括第一吸热层51、相变部6和第二吸热层52，热熔断结构试验件7设置热沉单元模拟结构壳体内，热沉单元模拟结构壳体贴近第二吸热层52的一端设有封堵，封堵上设有开口，热沉单元模拟结构壳体通过焊接与压力管连接，且封堵上的开口与压力管连通，压力管可敞开或堵住，当压力管敞开时，从气孔至压力管形成气体可以流动的通路，当压力管堵住时，通路被阻断。热熔断结构试验件7和热沉单元模拟结构壳体以第一吸热层51朝向气孔的方向插入凹槽内，与隔热套8通过密封垫9密封，保证整体气密性。在热熔断结构试验件7的底部布置一个温度测点(图4中黑点位置)，用于检测试验过程中温度变换过程。此处的底部指的是热熔断结构试验件7远离气孔的端部。
采用热风机从气孔对热熔断结构试验件7进行加热，模拟高温流场压力测量装置的工作环境，设置热风机出口温度分别为250℃和300℃，验证的热熔断结构试验件7共两件，分别为模型一和模型二。验证的试验工况如下：
(1)模型一，将压力管完全敞开，用250℃的热风加热600s；
(2)模型二，将压力管堵住，用250℃热风加热600s；
(3)模型一，压力管完全敞开，用250℃热风加热至温度曲线有明显变化，并保持该温度一段时间；
(4)模型二，将压力管敞开，用300℃热风加热至温度曲线有明显变化，并保持该温度一段时间。
通过以上四种工况试验，得到如下试验结果：
对比图5和图6可以发现，压力管堵住初期，温度上升很慢；加热时间200s以后温度上升加快，试验结束时最高温度为70℃；对于敞开压力管的情况，温度上升速度均匀，试验结束时最高温度为90℃。二者后期温度上升速率基本相同，这是工况2中采取的密封方式在实验后期失效导致的。这说明在压力管理堵塞时，测点温度上升缓慢，而在压力管路敞开时，测点温度快速上升。
从图7可以看出，当敞开压力管长时间加热时，1000s以前温度基本线性增加，达到100℃；然后升温速率减小，当温度达到160℃时，出现略微下降，直至5000s，温度变化很小。
从图8可以看出，工况4加热大约300s时温度呈线性变化，然后升温速率降低，直至温度达到160℃(530s)，温度出现下降，并维持在稳定值。加热时间约1200s后，温度开始缓慢上升。试验结束模型冷却后，其中的气体通道已经被完全堵塞。
从以上试验过程温度变化以及试验后相变部6的变化可以推断：
(1)第一吸热层51对气体降温效果明显，完全敞开情况下，250℃热风600s加热时间，热熔断结构底部温升为90℃；
(2)对照工况1和工况2前300s，可以看出，密封性能良好的情况下，热熔断结构的温度上升很小，工况2后期(300s以后)出现了压力管堵塞失效，因此升温速率大大增加；
(3)当温度达到一定温度(160℃)时，相变部6发生相变，相变过程中吸收了大量的热，这从工况3与4中底部温度在达到160℃时出现温度下降，并在其后一段时间保持温度不变可以看出，而且通过试验后气体通道被完全堵塞的现象说明热熔断器发挥了应有的作用。
通过上述验证表明，本发明所设计的防泄漏的高温流场压力测量装置能够有效降低气体温度，热熔断结构中的相变部6受热发生相变后，可以堵塞压力通道，阻止高温气体通过热沉单元1进入内部，保证后部设备的温度在可控范围内。所以，该测量装置能够测量高温流场气体压力，对于研究高温流场具有重要意义，并且能够防止高温气体发生泄漏，对于保证压力传感器3的正常工作，维护内部设备和人员安全具有重要意义，并且该高温流场压力测量装置结构简单、紧凑，安装方便，占用空间小。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种防泄漏的高温流场压力测量装置，其特征在于：包括热沉单元、引压管路和压力传感器；所述热沉单元内部设有热熔断结构，所述热熔断结构包括第一吸热层、第二吸热层和相变部，所述第一吸热层设有进气孔，所述第二吸热层设有出气孔，所述相变部设置在所述第一吸热层和所述第二吸热层之间，所述相变部内设有贯通的预留孔；所述进气孔、所述预留孔和所述出气孔形成通路；
所述引压管路的一端与所述通路连通，所述引压管路的另一端与所述压力传感器连接，使所述压力传感器的测量部与从所述通路引入的气体接触；
所述热沉单元嵌设在安装件内，所述进气孔与沿所述安装件表面流动的高温流场连通。
2.根据权利要求1所述的防泄漏的高温流场压力测量装置，其特征在于：所述第一吸热层和第二吸热层均采用热导率范围为100W/mK以上的金属或合金制成。
3.根据权利要求1所述的防泄漏的高温流场压力测量装置，其特征在于：所述第一吸热层的厚度范围为2～10mm，所述第二吸热层的厚度范围为2～4mm。
4.根据权利要求3所述的防泄漏的高温流场压力测量装置，其特征在于：所述第一吸热层为中心设有通孔的金属件，或所述第一吸热层采用多孔的泡沫金属制成。
5.根据权利要求4所述的防泄漏的高温流场压力测量装置，其特征在于：所述第二吸热层为中心设有通孔的金属件，或所述第二吸热层采用多孔的泡沫金属制成。
6.根据权利要求1所述的防泄漏的高温流场压力测量装置，其特征在于：所述相变部的熔点范围为80～300℃。
7.根据权利要求1所述的防泄漏的高温流场压力测量装置，所述相变部可选石蜡或焊锡。
8.根据权利要求1所述的防泄漏的高温流场压力测量装置，所述热沉单元包括隔热部和金属部，所述隔热部位于所述金属部的前端，用于防止所述金属部直接与高温流场接触，在所述隔热部和金属部上设有贯穿所述隔热部和金属部的气孔，所述热熔断结构设置在所述气孔内；所述热沉单元嵌设在安装件内时，所述气孔的进气口与沿所述安装件表面流动的高温流场接触。
9.根据权利要求1所述的防泄漏的高温流场压力测量装置，其特征在于：所述引压管路通过管接头与所述压力传感器的测量部连接。
10.根据权利要求1所述的防泄漏的高温流场压力测量装置，其特征在于：若所述引压管路上包括转弯部，所述转弯部的曲率半径大于所述引压管路的外径的4倍。
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