CN110057863A - 一种高温高流速气体流动换热实验装置及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温高流速气体流动换热实验装置及实验方法，该实验装置包括基于电磁感应加热、蓄压驱动的气体开式回路和水冷却闭式循环回路两部分；本发明实验装置气体开式回路主要通过高压储气罐提供气源，高压储气罐与加热段之间设置减压阀、调节阀、流量计、止回阀构成回路压力、流量测量模块；加热段置于压力容器内并采用电磁感应加热器提供加热功率组成实验段系统，其中加热段布置热电偶、压力传感器构成实验段温度、压力测量模块；水冷却闭式循环式回路保证高温尾气工质冷却后在低温状态下在大气中的释放；本发明可实现不同工况下高温、高流速气体流动换热特性研究，为高温气冷堆、核热推进反应堆等相关气体冷却反应堆提供可靠的实验数据。

Description

一种高温高流速气体流动换热实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及能源与动力技术领域，具体涉及一种高温高流速气体流动换热实验装置及实验方法。
背景技术
由于能源动力领域工业生产和科学研究的需要，气体作为一种冷却介质被应用在了众多动力系统设备上，如氢气/氦气冷却蒸汽轮机、二氧化碳冷却燃气轮机、空气冷却航空发动机、氦气冷却核裂变反应堆堆芯、氦气冷却核聚变反应堆包层等。但气体的换热性能较液体差，其导热系数低，在高温高压条件下具有可压缩性，一旦气体无法将系统设备中的热量导出，便会导致设备局部过热甚至熔化，造成损坏危及安全。因此气体流动换热性能对上述研究对象十分重要。
目前，在核能领域中，氦气、氢气等气体换热性能较好，材料相容性也可满足要求，因此可作为高温气冷堆、核热推进火箭的冷却工质。但是，核反应堆内结构复杂、能量密度极高，气体流动受到热工参数、几何结构的影响，在反应堆内高温情况下极容易发生传热恶化。液体的流动换热国内外研究已经具有相当规模，但是高温气体流动换热相对复杂，有关研究主要集中在数值模拟计算流动传热，少有相关的实验装置进行研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温高流速气体流动换热实验装置及实验方法，可通过本发明实验装置获得复杂实验加热段几何结构下宽范围温度、压力、流量等热工参数变化的气体流动换热特性，为气冷堆堆芯、聚变堆包层、航空发动机等多种特殊系统与设备冷却提供理论与技术支持。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高温高流速气体流动换热实验装置，包括基于电磁感应加热、蓄压驱动的气体开式回路和水冷却闭式循环回路两部分；
气体开式回路包括供气系统、供气调节测量系统、实验段系统和尾气处理系统；
供气系统由高压储气罐1、设置在高压储气罐1上的第一安全阀2、第一压力表3和储气罐开关阀4组成；
供气调节测量系统由依次设置在储气罐1与实验加热段12连接的管路上的减压阀5、调节阀6、气体流量计7、止回阀8、加热段入口热电偶9和加热段入口压力传感器10连接组成；高压储气罐1中充有高压气体工质，减压阀5将气体压力调整到实验所需参数，利用调节阀6改变气体流量，气体流量由气体流量计7测得，加热段入口气体温度和压力分别由加热段入口热电偶9和加热段入口压力传感器10测量得到；
实验段系统由与储气罐1通过管道连接的实验加热段12、依次布置在实验加热段12上的多个高温热电偶、多个耐高温压力传感器、感应加热器30和压力容器31组成；其中压力容器31上布置压力罐温度计27、第二压力表28和第二安全阀29，实验加热段12布置于压力容器31中，感应加热器30通过改变电流和频率来控制实验加热段12的加热功率；感应加热器30由电气控制系统51进行调节、保护；感应加热器30的感应元件为螺旋形将实验加热段12套在内部，并与实验加热段12之间填充有隔热材料；实验加热段12的温度和压力热工参数分别由高温热电偶和耐高温压力传感器测量；
尾气处理系统由水冷式热交换器35气侧、背压阀39和冷凝过滤水箱38依次相连组成，其中加热段12与水冷式热交换器35之间布置有加热段出口高温热电偶32、加热段出口耐高温压力传感器33和开关隔离阀34，加热段出口高温热电偶32和加热段出口耐高温压力传感器33用来测量加热段出口温度和压力，开关隔离阀34用于实验加热段隔离保护；被加热后的高温气体经过水冷式热交换器35将热量传递给水冷却闭式循环式回路，通过背压阀39进入冷凝过滤水箱38经过冷凝湿式过滤后被排放到大气环境中；
水冷却闭式循环式回路由水冷式热交换器35水侧、空气冷却塔42、储水箱43和水泵44依次连接组成，水冷式热交换器35水侧出口与空气冷却塔42之间布置有换热器水侧出口热电偶40、换热器水侧出口压力传感器41用来测量水侧出口热工参数，水泵44与储水箱43之间连接有旁通调节阀47调节的旁通支路；水泵44与水冷式热交换器35水侧入口之间布置有流量计45和换热器水侧入口热电偶46用来测量水侧入口热工参数；水冷却闭式循环式回路中的冷却水在水冷式热交换器35中将高温尾气热量吸收，在空气冷却塔42中通过自然对流将热量释放到空气中；水泵44与旁通回路调节阀47调节提供水冷却闭式循环式回路的所需流量；
所有温度、压力、流量热工参数均由数据采集系统50采集记录，感应加热器30、水泵44强电设备由电气控制系统51控制；
通过设置第一安全阀2、止回阀8、安全释放阀11、第二安全阀29、开关隔离阀34、冷凝过滤水箱38和背压阀39保证在回路因故障出现堵塞超压、意外起火危险情况下气源能够有效隔离，从而保证实验装置回路安全。
所述实验加热段12的加热方式为电磁感应加热，高压气体的驱动方式为蓄压驱动。
所述实验加热段12几何结构为圆管单通道或六棱柱圆孔多通道结构，材料采用不锈钢管、铜管或钨合金管。
所述高压气体工质采用对环境没有危害的氢气、氦气、氩气、氮气或二氧化碳。
所述压力容器31采用接地保护，并开有可视化窗口进行观察，压力容器31采用钢架结构支撑。
所述实验加热段12入口气体压力、流量由减压阀5和调节阀6共同调节控制。
所述的高温高流速气体流动换热实验装置的实验方法，实验装置启动前，首先用氮气或惰性气体将气体开式回路中的存留的空气进行吹除；高压储气罐1中充有高压气体冷却工质，通过减压阀5调整到实验所需压力参数，利用调节阀6改变气体流量，气体流量由气体流量计7测得，减压阀5到实验加热段入口这部分管段将气体看作不可压缩流体计算，因此通过气体流量计7与已知管径计算得到气体流速；实验加热段入口气体温度、压力分别由加热段入口热电偶9和加热段入口压力传感器10测量得到；
启动水冷却闭式循环式回路的水泵44，使水冷却闭式循环式回路运行；然后启动感应加热器30，高压气体随后进入实验加热段12中，感应加热器30通过改变电流和频率来控制实验加热段12的加热功率将气体加热；感应加热器30主要由电气控制系统51进行调节、保护；实验加热段12中的气体与加热壁面的温度、气体压力热工参数分别由高温热电偶、耐高温压力传感器测量，实验加热段出口气体温度、压力分别由加热段出口高温热电偶32和加热段出口耐高温压力传感器33测量；
被加热后的高温气体经过水冷式热交换热器35将热量传递给水冷却闭式循环式回路，通过背压阀39、冷凝过滤水箱38后被排放到大气环境中；
水冷却闭式循环式回路中主要是冷却水在水冷式热交换热器35将高温尾气热量吸收，在空气冷却塔42自然对流被冷却的闭式循环水冷却闭式循环式回路；水泵44与旁通回路调节阀47调节提供水冷却闭式循环式回路的所需流量；水冷却闭式循环式回路温度、压力由换热器水侧出口热电偶40、换热器水侧入口热电偶46和换热器水侧出口压力传感器41进行测量；
待气体开式回路、水冷却闭式循环式回路各参数稳定后，由数据采集系统50进行数据采集记录；实验结束后，先切断感应加热器电源，待气体开式回路实验加热段温度回归到正常温度后依次关闭水泵44、气源开关，然后用氮气或惰性气体将气体开式回路中残存气体工质吹除；最后将背压阀39和开关隔离阀34关闭，对实验加热段12进行隔绝氧气保护。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明可实现高温、高压、高流速气体流动换热特性研究，通过改变减压阀、调节阀和感应加热器实现不同热工参数下的气体流动换热特性；
2)本发明可采用不同几何形状尺寸、单通道或多通道、不同金属或合金材料的管材实验加热段，如不锈钢单通道圆管、钨合金六棱柱多孔通道等；
3)本发明采用电磁感应加热这种非介入式加热方式可保证实验加热段安全，并避免了加热器件对流道的干扰；
4)本发明采用蓄压驱动有效减少了实验设备(如风机)，更具有经济效益；
5)本发明实验装置可以在高温、高压、高流速下安全运行。
6)压力容器主体为钢质材料，四周用钢架结构加固，在满足试验强度要求的同时具有可视化观察窗，便于进行实验观察；
附图说明
图1为本发明一种高温高流速气体流动换热实验装置布置图。
图中：1-高压储气罐；2-第一安全阀；3-第一压力表；4-储气罐开关阀；5-减压阀；6-调节阀；7-气体流量计；8-止回阀；9-加热段入口热电偶；10-加热段入口压力传感器；11-安全释放阀；12-实验加热段；13～19-高温热电偶；20～26-耐高温压力传感器；27-压力罐温度计；28-第二压力表；29-第二安全阀；30-感应加热器；31-压力容器；32-加热段出口高温热电偶；33-加热段出口耐高温压力传感器；34-开关隔离阀；35-水冷式热交换器；36-换热器气侧出口热电偶；37-换热器气侧出口压力传感器；38-冷凝过滤水箱；39-背压阀；40-换热器水侧出口热电偶；41-换热器水侧出口压力传感器；42-空气冷却塔；43-储水箱；44-水泵；45-流量计；46-换热器水侧入口热电偶；47-旁通回路调节阀；50-数据采集系统；51-电气控制系统。
图2为本发明典型加热段几何结构示意图，其中图2a为典型圆管通道，图2b为典型六棱柱多孔通道。
具体实施方式
为更好说明本发明，现结合附图对本发明工作原理作以详细描述。
本发明实验装置可以进行高温、高压、高流速气体流动换热特性研究，冷却剂可以采用氢气、氦气、氩气、氮气、二氧化碳等多种气体工质，加热段也可以选择不锈钢圆管、钨合金圆管单通道或多通道结构。通过改变实验装置气体开式回路工质，加热段几何结构，压力、流量等热工参数进行气体流动换热特性研究，为采用气体冷却的高温气冷堆、核热推进反应堆等其他相关气体冷却设备和系统提供可靠的实验数据。
本发明的实验装置主要有气体开式回路、水冷却闭式循环式回路以及相关的电气控制与数据采集系统等组成。
如图1所示，高压储气罐1中充有高压气体冷却工质，通过减压阀5调整到实验所需压力参数，利用调节阀6改变气体流量，气体流量由气体流量计7测得，减压阀5到实验加热段入口这部分管段将气体看作不可压缩流体计算，因此通过气体流量计7与已知管径计算得到气体流速；实验加热段入口气体温度、压力分别由加热段入口热电偶9和加热段入口压力传感器10测量得到。
高压气体随后进入实验加热段12中，感应加热器30通过改变电流和频率来控制实验加热段12的加热功率将气体加热；感应加热器30主要由电气控制系统51进行调节、保护；实验加热段12中的气体与加热壁面的温度、气体压力热工参数分别由高温热电偶13～19、耐高温压力传感器20～26测量，实验加热段出口气体温度、压力分别由加热段出口高温热电偶32和加热段出口耐高温压力传感器33测量。
被加热后的高温气体经过水冷式热交换热器35将热量传递给水冷却闭式循环式回路，通过背压阀39、冷凝过滤水箱38后被排放到大气环境中；通过设置第一安全阀2、止回阀8、安全释放阀11、第二安全阀29、开关隔离阀34和背压阀39等阀门管线，保证在回路因故障出现堵塞超压、意外起火等危险情况下气源能够有效隔离，从而保证实验装置回路安全。
水冷却闭式循环式回路中主要是冷却水在水冷式热交换热器35将高温尾气热量吸收，在空气冷却塔42自然对流被冷却的闭式循环水冷却闭式循环式回路；水泵44与旁通回路调节阀47调节提供水冷却闭式循环式回路的所需流量；水冷却闭式循环式回路温度、压力由换热器水侧出口热电偶40、换热器水侧入口热电偶46和换热器水侧出口压力传感器41进行测量。
本发明实验装置中气体开式回路、水冷却闭式循环式回路所有的热工参数均由数据采集系统50采集。
为保证实验装置管路为绝热条件，因此给实验管路上包裹保温材料，避免实验管线不必要的热量损失。
作为本发明的优选实施方式，所述气体工质优先采用氢气、氦气、氩气、氮气或二氧化碳气体。
作为本发明的优选实施方式，如图2中图2(a)和图2(b)所示，实验加热段12优先采用不锈钢圆管单通道、钨合金圆管单通道、钨合金六棱柱圆孔多通道结构。
本发明实验装置热工参数范围主要如下：
压力0.1～10MPa，流量0.01～3kg/s，加热功率：1～1000kW。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
本发明所述实验装置的工作原理与实验流程表述如下：
实验装置启动前，首先用氮气或惰性气体将气体开式回路中的存留的空气进行吹除。其次打开储气罐开关阀，通过减压阀、调节阀来调节实验所需的压力、流量等参数；启动水冷却闭式循环式回路水泵，使水冷却闭式循环式回路运行。然后启动感应加热器，调节实验所需加热功率。实验运行过程中，通过调节气体开式回路入口压力、流量、加热功率等热工参数进行工况调整，待气体开式回路、水冷却闭式循环式回路各参数稳定后进行数据采集记录。实验结束后，先切断感应加热器电源，待气体开式回路实验加热段温度回归到正常温度后依次关闭水泵、气源开关。然后用氮气或惰性气体将气体开式回路中残存气体工质吹除。最后将背压阀39、开关隔离阀34关闭，对实验加热段进行隔绝氧气保护。
本发明未详尽描述的内容均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种高温高流速气体流动换热实验装置，其特征在于：包括基于电磁感应加热、蓄压驱动的气体开式回路和水冷却闭式循环回路两部分；
气体开式回路包括供气系统、供气调节测量系统、实验段系统、和尾气处理系统；
供气系统由高压储气罐(1)、设置在高压储气罐(1)上的第一安全阀(2)、第一压力表(3)和储气罐开关阀(4)组成；
供气调节测量系统由依次设置在储气罐(1)与实验加热段(12)连接的管路上的减压阀(5)、调节阀(6)、气体流量计(7)、止回阀(8)、加热段入口热电偶(9)和加热段入口压力传感器(10)组成；高压储气罐(1)中充有高压气体工质，减压阀(5)将气体压力调整到实验所需参数，利用调节阀(6)改变气体流量，气体流量由气体流量计(7)测得，加热段入口气体温度和压力分别由加热段入口热电偶(9)和加热段入口压力传感器(10)测量得到；
实验段系统由与储气罐(1)通过管道连接的实验加热段(12)、依次布置在实验加热段(12)上的多个高温热电偶、多个耐高温压力传感器、感应加热器(30)和压力容器(31)组成；其中压力容器(31)上布置压力罐温度计(27)、第二压力表(28)和第二安全阀(29)，实验加热段(12)布置于压力容器(31)中，感应加热器(30)通过改变电流和频率来控制实验加热段(12)的加热功率；感应加热器(30)由电气控制系统(51)进行调节、保护；感应加热器(30)的感应元件为螺旋形将实验加热段(12)套在内部，并与实验加热段(12)之间填充有隔热材料；实验加热段(12)的温度和压力热工参数分别由高温热电偶和耐高温压力传感器测量；
尾气处理系统由水冷式热交换器(35)气侧、背压阀(39)和冷凝过滤水箱(38)依次相连组成；其中加热段(12)与水冷式热交换器(35)之间布置有加热段出口高温热电偶(32)、加热段出口耐高温压力传感器(33)和开关隔离阀(34)，加热段出口高温热电偶(32)和加热段出口耐高温压力传感器(33)用来测量加热段出口温度和压力，开关隔离阀(34)用于实验加热段隔离保护；被加热后的高温气体经过水冷式热交换器(35)将热量传递给水冷却闭式循环式回路，通过背压阀(39)进入冷凝过滤水箱(38)经过冷凝湿式过滤后被排放到大气环境中；
水冷却闭式循环式回路由水冷式热交换器(35)水侧、空气冷却塔(42)、储水箱(43)和水泵(44)依次连接组成，水冷式热交换器(35)水侧出口与空气冷却塔(42)之间布置有换热器水侧出口热电偶(40)、换热器水侧出口压力传感器(41)用来测量水侧出口热工参数，水泵(44)与储水箱(43)之间连接有旁通调节阀(47)调节的旁通支路；水泵(44)与水冷式热交换器(35)水侧入口之间布置有流量计(45)和换热器水侧入口热电偶(46)用来测量水侧入口热工参数；水冷却闭式循环式回路中的冷却水在水冷式热交换器(35)中将高温尾气热量吸收，在空气冷却塔(42)中通过自然对流将热量释放到空气中；水泵(44)与旁通回路调节阀(47)调节提供水冷却闭式循环式回路的所需流量；
所有温度、压力、流量热工参数均由数据采集系统(50)采集记录，感应加热器(30)、水泵(44)强电设备由电气控制系统(51)控制；
通过设置第一安全阀(2)、止回阀(8)、安全释放阀(11)、第二安全阀(29)、开关隔离阀(34)、冷凝过滤水箱(38)和背压阀(39)保证在回路因故障出现堵塞超压、意外起火危险情况下气源能够有效隔离，从而保证实验装置回路安全。
2.根据权利要求1所述的一种高温高流速气体流动换热实验装置，其特征在于：所述实验加热段(12)的加热方式为电磁感应加热，高压气体的驱动方式为蓄压驱动。
3.根据权利要求1所述的一种高温高流速气体流动换热实验装置，其特征在于：所述实验加热段(12)几何结构为圆管单通道或六棱柱圆孔多通道结构，材料采用不锈钢管、铜管或钨合金管。
4.根据权利要求1所述的一种高温高流速气体流动换热实验装置，其特征在于：所述高压气体工质采用对环境没有危害的氢气、氦气、氩气、氮气或二氧化碳。
5.根据权利要求1所述的一种高温高流速气体流动换热实验装置，其特征在于：所述压力容器(31)采用接地保护，并开有可视化窗口进行观察，压力容器(31)采用钢架结构支撑。
6.根据权利要求1所述的一种高温高流速气体流动换热实验装置，其特征在于：所述实验加热段(12)入口气体压力、流量由减压阀(5)和调节阀(6)共同调节控制。
7.权利要求1至6任一项所述的高温高流速气体流动换热实验装置的实验方法，其特征在于：实验装置启动前，首先用氮气或惰性气体将气体开式回路中的存留的空气进行吹除；高压储气罐(1)中充有高压气体冷却工质，通过减压阀(5)调整到实验所需压力参数，利用调节阀(6)改变气体流量，气体流量由气体流量计(7)测得，减压阀(5)到实验加热段入口这部分管段将气体看作不可压缩流体计算，因此通过气体流量计(7)与已知管径计算得到气体流速；实验加热段入口气体温度、压力分别由加热段入口热电偶(9)和加热段入口压力传感器(10)测量得到；
启动水冷却闭式循环式回路的水泵(44)，使水冷却闭式循环式回路运行；然后启动感应加热器(30)，高压气体随后进入实验加热段(12)中，感应加热器(30)通过改变电流和频率来控制实验加热段(12)的加热功率将气体加热；感应加热器(30)主要由电气控制系统(51)进行调节、保护；实验加热段(12)中的气体与加热壁面的温度、气体压力热工参数分别由高温热电偶和耐高温压力传感器测量，实验加热段出口气体温度、压力分别由加热段出口高温热电偶(32)和加热段出口耐高温压力传感器(33)测量；
被加热后的高温气体经过水冷式热交换热器(35)将热量传递给水冷却闭式循环式回路，通过背压阀(39)进入冷凝过滤水箱(38)经过冷凝湿式过滤后被排放到大气环境中；
水冷却闭式循环式回路中主要是冷却水在水冷式热交换热器(35)水侧将气侧高温尾气热量吸收，在空气冷却塔(42)自然对流被冷却的水冷却闭式循环式回路；水泵(44)与旁通回路调节阀(47)调节提供水冷却闭式循环式回路的所需流量；水冷却闭式循环式回路温度、压力由换热器水侧出口热电偶(40)、换热器水侧入口热电偶(46)和换热器水侧出口压力传感器(41)进行测量；
待气体开式回路、水冷却闭式循环式回路各参数稳定后，由数据采集系统(50)进行数据采集记录；实验结束后，先切断感应加热器电源，待气体开式回路实验加热段温度回归到正常温度后依次关闭水泵(44)、气源开关，然后用氮气或惰性气体将气体开式回路中残存气体工质吹除；最后将背压阀(39)和开关隔离阀(34)关闭，对实验加热段(12)进行隔绝氧气保护。
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