CN112378950A - 一种用于模拟高温气体传热特性的实验设备 - Google Patents

一种用于模拟高温气体传热特性的实验设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于模拟高温气体传热特性的实验设备，涉及实验设备技术领域，为解决现有技术无法有效模拟高温气体在反应堆中的传热特性的问题而设计。该用于模拟高温气体传热特性的实验设备包括通过主管路依次连通的气体压缩机、调压罐、加热器和实验段，主管路上设置有至少一个主调压阀，主调压阀用于调节主管路的压力；实验段的入口处设置有入口热电偶和入口压力传感器，实验段的出口处设置有出口热电偶和出口压力传感器；实验段上设置有多个测温元件，多个测温元件用于感应实验段内气体的温度分布。本发明提供的用于模拟高温气体传热特性的实验设备能够有效地对高温气体在反应堆中的传热特性进行模拟。

Description

一种用于模拟高温气体传热特性的实验设备
技术领域
本发明涉及实验设备技术领域，尤其是涉及一种用于模拟高温气体传热特性的实验设备。
背景技术
动力对执行作战任务的飞行器(飞机、导弹、火箭和空间发射器等)尤为重要。以飞机中的轰炸机为例，由于传统的化石燃料能量密度相对较低，且可装载量受到燃烧室大小的限制，因此导致了轰炸机在执行任务时续航能力的不足。针对上述问题，业内专家开始了利用核能作为轰炸机发动机能源的研究，即：采用以高温气体为冷却剂的核涡轮发动机作为轰炸机的发动机。
然而，目前对以高温气体为冷却剂的反应堆实验研究较少，无法有效模拟高温气体在反应堆中的传热特性，从而缺乏高温气体对反应堆的安全性影响的认识，不利于核涡轮发动机等航空事业的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于模拟高温气体传热特性的实验设备，以解决现有技术无法有效模拟高温气体在反应堆中的传热特性的技术问题。
本发明提供的用于模拟高温气体传热特性的实验设备，包括通过主管路依次连通的气体压缩机、调压罐、加热器和实验段，其中，所述气体压缩机用于将气体输送至所述调压罐；所述加热器用于对由所述调压罐输出的气体进行加热；所述主管路上设置有至少一个主调压阀，至少一个所述主调压阀用于调节所述主管路的压力；所述实验段的入口处设置有入口热电偶和入口压力传感器，所述实验段的出口处设置有出口热电偶和出口压力传感器。
所述实验段上设置有多个测温元件，多个所述测温元件用于感应所述实验段内气体的温度分布。
进一步地，所述主管路的位于所述调压罐与所述加热器之间的管路段开设有旁通管路，所述旁通管路设置有泄压阀。
进一步地，还包括流量分配器，所述旁通管路与所述主管路的交汇处形成泄压节点，所述流量分配器位于所述加热器与所述泄压节点之间。
所述流量分配器包括多个并联设置的分支管路，至少一个所述分支管路设置有辅助调压阀。
进一步地，还包括控制模块，所述主调压阀、所述入口热电偶、所述入口压力传感器、所述出口热电偶、所述出口压力传感器、所述泄压阀、所述辅助调压阀和所述加热器均与所述控制模块电连接。
进一步地，还包括入口交混箱和出口交混箱，其中，沿气体在所述主管路中的流动方向，所述加热器、所述入口交混箱、所述实验段和所述出口交混箱依次设置。
进一步地，所述入口交混箱包括开设有第一口和第二口的箱壳，以及第一流道板和第二流道板，其中，所述第一口与所述加热器连接，所述第二口与所述实验段连接；所述第一流道板呈一端封闭的中空筒状，且所述第一流道板的靠近所述第一口的一端封闭；所述第二流道板呈两端开口的中空筒状，所述第二流道板位于所述第一流道板内且二者的轴线平行，自所述第一口进入的气体能够依次经过箱壳与所述第一流道板之间的间隙、所述第一流道板与所述第二流道板之间的间隙、所述第二流道板的内腔流向所述第二口。
所述出口交混箱与所述入口交混箱的结构相同，且二者镜像设置。
进一步地，所述出口交混箱的出口处设置有出口调压阀。
进一步地，所述主管路在所述调压罐与所述流量分配器之间的管路段上设置有第一热电偶，所述主管路在所述流量分配器与所述加热器之间的管路段上设置有第二热电偶。
进一步地，所述气体压缩机与所述调压罐之间连通设置有净化器，所述净化器用于去除所述主管路中气体的水分。
进一步地，所述主调压阀的数量有三个，分别为第一主调压阀、第二主调压阀和第三主调压阀，其中，所述第一主调压阀设置在所述气体压缩机与所述净化器之间的管路段上；所述第二主调压阀设置在所述调压罐与流量分配器之间的管路段上；所述第三主调压阀设置在所述流量分配器与所述加热器之间的管路段上。
本发明用于模拟高温气体传热特性的实验设备带来的有益效果是：
本发明提供的用于模拟高温气体传热特性的实验设备，用于对高温气体传热特性模拟的过程为：在气体压缩机的作用下，气体被加压输送至调压罐中，经过调压罐的稳压后，进一步流动至加热器中；加热器对进入的气体进行加热，使之成为高温高压气体；之后，高温高压气体流动至实验段中，设置于实验段的多个测温元件对实验段内气体的温度分布进行感应测量。与此同时，入口热电偶和入口压力传感器分别对实验段入口处的温度和压力进行测量，出口热电偶和出口压力传感器分别对实验段出口处的温度和压力进行测量。
上述过程中，可通过主调压阀对主管路的压力进行调节，直至入口压力传感器测得的压力值和出口压力传感器测得的压力值二者与设定压力值相差在10％以内。同时，当实验段出口的温度发生变化时，调节加热器的加热功率，以改变实验段入口处的温度，直至实验段出口处的温度与设定温度值相差在10％以内。
高温空气实验是一项非常复杂的多参数耦合实验。外界的不确定因素引起的入口参数的扰动由于能量的守恒会引起出口参数的变化，而出口参数的变化又会引起堆芯功率的变化，从而又导致进口参数的变化。该用于模拟高温气体传热特性的实验设备利用入口热电偶、入口压力传感器、出口热电偶和出口压力传感器分别对实验段入口的温度和压力参数以及实验段出口处的温度和压力参数进行测量，并将测量得到的信号反馈至加热器和主调压阀处，以使设备整体的温度和压力均在设定范围内，避免因实验段入口处和实验段出口处温度和压力波动过大而导致的实验结果准确性较低的情形，这种将瞬态行为转变为稳态行为的实验方式，简化了参数测量的过程，从而更加利于高温气体传热特性的研究。
综上，该用于模拟高温气体传热特性的实验设备，能够有效地对高温气体在反应堆中的传热特性进行模拟，且模拟效果较好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的用于模拟高温气体传热特性的实验设备的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的用于模拟高温气体传热特性的实验设备的入口交混箱的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的用于模拟高温气体传热特性的实验设备的控制原理图。
附图标记：
100-气体压缩机；200-净化器；300-调压罐；400-流量分配器；500-加热器；600-入口交混箱；700-出口交混箱；800-实验段；900-主管路；
410-分支管路；420-辅助调压阀；
610-箱壳；620-第一流道板；630-第二流道板；640-第一口；650-第二口；
011-第一主调压阀；012-第二主调压阀；013-泄压阀；014-出口调压阀；015-第三主调压阀；
021-第一热电偶；022-第二热电偶；023-入口热电偶；024-出口热电偶；
031-入口压力传感器；032-出口压力传感器；
910-旁通管路。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述方便，并不暗示部件的相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本实施例提供的用于模拟高温气体传热特性的实验设备的结构示意图。如图1所示，本实施例提供了一种用于模拟高温气体传热特性的实验设备，包括通过主管路900依次连通的气体压缩机100、调压罐300、加热器500和实验段800，其中，气体压缩机100用于将气体输送至调压罐300；加热器500用于对由调压罐300输出的气体进行加热；主管路900上设置有至少一个主调压阀，至少一个主调压阀用于调节主管路900的压力；实验段800的入口处设置有入口热电偶023和入口压力传感器031，实验段800的出口处设置有出口热电偶024和出口压力传感器032。实验段800上设置有多个测温元件(图中未示出)，多个测温元件用于感应实验段800内气体的温度分布。
本发明提供的用于模拟高温气体传热特性的实验设备，用于对高温气体传热特性模拟的过程为：在气体压缩机100的作用下，气体被加压输送至调压罐300中，经过调压罐300的稳压后，进一步流动至加热器500中；加热器500对进入的气体进行加热，使之成为高温高压气体；之后，高温高压气体流动至实验段800中，设置于实验段800的多个测温元件对实验段800内气体的温度分布进行感应测量。与此同时，入口热电偶023和入口压力传感器031分别对实验段800入口处的温度和压力进行测量，出口热电偶024和出口压力传感器032分别对实验段800出口处的温度和压力进行测量。
上述过程中，可通过主调压阀对主管路900的压力进行调节，直至入口压力传感器031测得的压力值和出口压力传感器032测得的压力值二者与设定压力值相差在10％以内。同时，当实验段800出口的温度发生变化时，调节加热器500的加热功率，以改变实验段800入口处的温度，直至实验段800出口处的温度与设定温度值相差在10％以内。
高温空气实验是一项非常复杂的多参数耦合实验。外界的不确定因素引起的入口参数的扰动由于能量的守恒会引起出口参数的变化，而出口参数的变化又会引起堆芯功率的变化，从而又导致进口参数的变化。该用于模拟高温气体传热特性的实验设备利用入口热电偶023、入口压力传感器031、出口热电偶024和出口压力传感器032分别对实验段800入口的温度和压力参数以及实验段800出口处的温度和压力参数进行测量，并将测量得到的信号反馈至加热器500和主调压阀处，以使设备整体的温度和压力均在设定范围内，避免因实验段800入口处和实验段800出口处温度和压力波动过大而导致的实验结果准确性较低的情形，这种将瞬态行为转变为稳态行为的实验方式，简化了参数测量的过程，从而更加利于高温气体传热特性的研究。
综上，该用于模拟高温气体传热特性的实验设备，能够有效地对高温气体在反应堆中的传热特性进行模拟，且模拟效果较好。
具体地，本实施例中，用于进行气体传热特性模拟的气体为空气。空气来源广泛，且无污染，从而降低了实验成本。
本实施例中，多个测温元件可以沿气体在实验段800内的流动方向间隔排布。如此设置，能够对在设定路径流动过程中的气体的多个位置进行温度感应，从而提高实验精确性。优选地，测温元件采用热电偶。
请继续参照图1，本实施例中，主管路900的位于调压罐300与加热器500之间的管路段开设有旁通管路910，其中，旁通管路910设置有泄压阀013。
由于旁通管路910与主管路900并联设置，当打开泄压阀013后，主管路900内的空气可以直接经旁通管路910排到外界环境中，使得主管路900的压力迅速下降。如此设置，实现了大量程范围内对主管路900压力的调节，能够提高主管路900上压力调节的速率，从而提高实验效率。
请继续参照图1，该用于模拟高温气体传热特性的实验设备还可以包括流量分配器400，其中，旁通管路910与主管路900的交汇处形成泄压节点，流量分配器400位于加热器500与泄压节点之间。具体地，流量分配器400包括三个并联设置的分支管路410，每个分支管路410均设置有辅助调压阀420。
该用于模拟高温气体传热特性的实验设备中，自调压罐300输出的气体会先经过三个并联设置的分支管路410，并进一步向加热器500流动。在此过程中，可以调节辅助调压阀420，以对各分支管路410的压力进行调节，从而实现对主管路900压力的调节。如此设置，实现了主管路900小量程范围内的压力调节，调节精度更高，减小了调节误差，从而能够保证实验结果的精确性。
需要说明的是，本实施例中，分支管路410的数量为三个，可以理解的是，分支管路410的数量还可以为两个、四个或更多个，当分支管路410增加时，可测量范围增大，使得对主管路900进行压力调节的量程增大，测量精度更高。并且，本实施例中，三个分支管路410上均设置有辅助调压阀420，当然，也可以仅在其中两个分支管路410上设置辅助调压阀420。
请继续参照图1，该用于模拟高温气体传热特性的实验设备中，还可以包括入口交混箱600和出口交混箱700，其中，沿气体在主管路900中的流动方向，加热器500、入口交混箱600、实验段800和出口交混箱700依次设置。
该用于模拟高温气体传热特性的实验设备中，经过加热器500加热得到的高温气体将先经过入口交混箱600进行热交混，然后，进入实验段800进行实验；之后，经实验段800排出的高温气体将先经过出口交混箱700进行热交混，然后排出至外界环境中。通过设置入口交混箱600，使得实验段800入口的热力学参数分布更为均匀，从而进一步保证了实验结果的精确性；通过设置出口交混箱700，使得实验段800出口的热力学参数分布更为均匀，避免了实验设备的出口因压力突变或剧烈波动而导致的出口参数变化，保证了出口气体热力学参数(如：温度、压力和流量)的稳定性。
图2为本实施例提供的用于模拟高温气体传热特性的实验设备的入口交混箱600的结构示意图。请继续参照图1，并结合图2，本实施例中，入口交混箱600包括开设有第一口640和第二口650的箱壳610，以及第一流道板620和第二流道板630，其中，第一口640与加热器500连接，第二口650与实验段800连接；第一流道板620呈一端封闭的中空筒状，且第一流道板620的靠近第一口640的一端封闭；第二流道板630呈两端开口的中空筒状，第二流道板630位于第一流道板620内且二者的轴线平行，自第一口640进入的气体能够依次经过箱壳610与第一流道板620之间的间隙、第一流道板620与第二流道板630之间的间隙、第二流道板630的内腔流向第二口650。出口交混箱700与入口交混箱600的结构相同，且二者镜像设置。
请继续参照图1和图2，该用于模拟高温气体传热特性的实验设备在工作过程中，气体经过加热器500加热后，将自第一口640进入入口交混箱600中，并先贴合着箱壳610向前流动；当气体被箱壳610的端部阻挡时，将进入第一流道板620与第二流道板630形成的环形流道中，并在环形流道中继续向前流动；当气体被第一流道板620端部阻挡时，将进入第二流道板630形成的内腔中，并进一步向前流动至第二口650处，进而进入实验段800。
类似地，由于出口交混箱700与入口交混箱600的结构相同，且二者镜像设置，当气体自实验段800排出后，将沿与气体在入口交混箱600中相反的流动路径在出口交混箱700中流动，并进而排向外界。
这种入口交混箱600和出口交混箱700的结构形式，延长了气体的流动路径，从而保证了热交混的充分性。
请继续参照图1，本实施例中，出口交混箱700的出口处设置有出口调压阀014。出口调压阀014的设置，能够对设备出口压力进行控制，实现了对主管路900压力的辅助调节，以保证了主管路900压力的稳定。
请继续参照图1，本实施例中，主管路900在调压罐300与流量分配器400之间的管路段上设置有第一热电偶021，主管路900在流量分配器400与加热器500之间的管路段上设置有第二热电偶022。
在进行高温气体传热特性实验的过程中，可以利用第一热电偶021和第二热电偶022分别对气体进入流量分配器400之前和气体自流量分配器400输出后的温度进行比较，当二者测得的温度值相差较大时，则表明主管路900温度波动较大，不确定性较高且误差较大。此时，可以通过对主调压阀、泄压阀013、辅助调压阀420和出口调压阀014中的至少一者进行调节，以使第一热电偶021和第二热电偶022二者测得的温度值相差在设定范围内。如此设置，能够进一步保证实验的精确性。
请继续参照图1，本实施例中，气体压缩机100与调压罐300之间连通设置有净化器200，其中，净化器200用于去除主管路900中气体的水分。在气体自气体压缩机100输出流向调压罐300的过程中，净化器200对气体进行除水处理，如此设置，能够减少进入实验段800的气体的水分，减少因气体中混杂水分而对传热实验造成的不利影响，进一步保证了实验结果的准确性。
请继续参照图1，本实施例中，主调压阀的数量有三个，分别为第一主调压阀011、第二主调压阀012和第三主调压阀015，具体地，第一主调压阀011设置在气体压缩机100与净化器200之间的管路段上，第二主调压阀012设置在调压罐300与流量分配器400之间的管路段上，第三主调压阀015设置在流量分配器400与加热器500之间的管路段上。
该用于模拟高温气体传热特性的实验设备在工作时，可以通过对第一主调压阀011、第二主调压阀012和第三主调压阀015进行调节，从而达到调节主管路900压力的目的。并且，通过将第一主调压阀011、第二主调压阀012和第三主调压阀015间隔排布在主管路900的不同位置处，可以保证主管路900整体压力的稳定性，避免主管路900局部压力过大或过小而影响实验效果。
本实施例中，该用于模拟高温气体传热特性的实验设备还包括控制模块，主调压阀、入口热电偶023、入口压力传感器031、出口热电偶024、出口压力传感器032、泄压阀013和辅助调压阀420均与控制模块电连接。
图3为本实施例提供的用于模拟高温气体传热特性的实验设备的控制原理图。如图3所示，该用于模拟高温气体传热特性的实验设备在工作时，入口热电偶023和入口压力传感器031分别对实验段800入口处的温度和压力进行测量，与此同时，出口热电偶024和出口压力传感器032分别对实验段800出口处的温度和压力进行测量；之后，入口热电偶023、入口压力传感器031、出口热电偶024和出口压力传感器032分别将测得的信号输入至测量端，具体地，经接线端输入至模数传感器，将模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号输入至作为控制端的控制模块中；当控制模块判断出口参数(温度、压力)数值产生波动或者不满足设定要求时，输出相应的控制信号至数模转换器，将数字信号转换为模拟信号，并经接线端输出至加热器500和相应的调压阀，对加热器500的加热温度进行调节，同时，利用调压阀对主管路900的压力进行调节。其中，当主管路900中的气体流量和压力变化较大时，控制模块主要控制泄压阀013、第一主调压阀011、第二主调压阀012和第三主调压阀015动作；当主管路900中的气体流量和压力接近设定数值时，控制模块主要控制辅助泄压阀013动作。
当输入控制模块的出口参数与设定参数相差在10％内时，控制模块停止调节，反之则不断进行调节，直至出口参数与设定参数相差维持在10％以内。
需要说明的是，当需要对实验段800进行冷却时，可以切断加热器500的电源，之后，利用水套包裹实验段800，实现水冷降温。
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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于模拟高温气体传热特性的实验设备，其特征在于，包括通过主管路(900)依次连通的气体压缩机(100)、调压罐(300)、加热器(500)和实验段(800)，其中，所述气体压缩机(100)用于将气体输送至所述调压罐(300)；所述加热器(500)用于对由所述调压罐(300)输出的气体进行加热；所述主管路(900)上设置有至少一个主调压阀，至少一个所述主调压阀用于调节所述主管路(900)的压力；所述实验段(800)的入口处设置有入口热电偶(023)和入口压力传感器(031)，所述实验段(800)的出口处设置有出口热电偶(024)和出口压力传感器(032)；
所述实验段(800)上设置有多个测温元件，多个所述测温元件用于感应所述实验段(800)内气体的温度分布。
2.根据权利要求1所述的用于模拟高温气体传热特性的实验设备，其特征在于，所述主管路(900)的位于所述调压罐(300)与所述加热器(500)之间的管路段开设有旁通管路(910)，所述旁通管路(910)设置有泄压阀(013)。
3.根据权利要求2所述的用于模拟高温气体传热特性的实验设备，其特征在于，还包括流量分配器(400)，所述旁通管路(910)与所述主管路(900)的交汇处形成泄压节点，所述流量分配器(400)位于所述加热器(500)与所述泄压节点之间；
所述流量分配器(400)包括多个并联设置的分支管路(410)，至少一个所述分支管路(410)设置有辅助调压阀(420)。
4.根据权利要求3所述的用于模拟高温气体传热特性的实验设备，其特征在于，还包括控制模块，所述主调压阀、所述入口热电偶(023)、所述入口压力传感器(031)、所述出口热电偶(024)、所述出口压力传感器(032)、所述泄压阀(013)、所述辅助调压阀(420)和所述加热器(500)均与所述控制模块电连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于模拟高温气体传热特性的实验设备，其特征在于，还包括入口交混箱(600)和出口交混箱(700)，其中，沿气体在所述主管路(900)中的流动方向，所述加热器(500)、所述入口交混箱(600)、所述实验段(800)和所述出口交混箱(700)依次设置。
6.根据权利要求5所述的用于模拟高温气体传热特性的实验设备，其特征在于，所述入口交混箱(600)包括开设有第一口(640)和第二口(650)的箱壳(610)，以及第一流道板(620)和第二流道板(630)，其中，所述第一口(640)与所述加热器(500)连接，所述第二口(650)与所述实验段(800)连接；所述第一流道板(620)呈一端封闭的中空筒状，且所述第一流道板(620)的靠近所述第一口(640)的一端封闭；所述第二流道板(630)呈两端开口的中空筒状，所述第二流道板(630)位于所述第一流道板(620)内且二者的轴线平行，自所述第一口(640)进入的气体能够依次经过箱壳(610)与所述第一流道板(620)之间的间隙、所述第一流道板(620)与所述第二流道板(630)之间的间隙、所述第二流道板(630)的内腔流向所述第二口(650)；
所述出口交混箱(700)与所述入口交混箱(600)的结构相同，且二者镜像设置。
7.根据权利要求6所述的用于模拟高温气体传热特性的实验设备，其特征在于，所述出口交混箱(700)的出口处设置有出口调压阀(014)。
8.根据权利要求3或4所述的用于模拟高温气体传热特性的实验设备，其特征在于，所述主管路(900)在所述调压罐(300)与所述流量分配器(400)之间的管路段上设置有第一热电偶(021)，所述主管路(900)在所述流量分配器(400)与所述加热器(500)之间的管路段上设置有第二热电偶(022)。
9.根据权利要求3或4所述的用于模拟高温气体传热特性的实验设备，其特征在于，所述气体压缩机(100)与所述调压罐(300)之间连通设置有净化器(200)，所述净化器(200)用于去除所述主管路(900)中气体的水分。
10.根据权利要求9所述的用于模拟高温气体传热特性的实验设备，其特征在于，所述主调压阀的数量有三个，分别为第一主调压阀(011)、第二主调压阀(012)和第三主调压阀(015)，其中，所述第一主调压阀(011)设置在所述气体压缩机(100)与所述净化器(200)之间的管路段上；所述第二主调压阀(012)设置在所述调压罐(300)与流量分配器(400)之间的管路段上；所述第三主调压阀(015)设置在所述流量分配器(400)与所述加热器(500)之间的管路段上。
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