CN112533311A - 一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置 - Google Patents

Abstract

一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，包括金属加热管、电磁感应线圈、电磁感应加热电源、法兰、垫圈、安全壳圆筒、隔热层、耐火填充材料、进出口管道、盖板、石墨填料；稀有气体由进口管道进入金属加热管，在感应电加热作用下，金属加热管被加热至高温状态，从而加热其内的稀有气体，随后高温稀有气体由出口管道流出；安全壳筒体内为惰性气体氛围，防止高温下金属加热管氧化；安全壳筒体内均采用耐高温材料制成，保证加热装置各个部件的温度低于对应的温度限值；整个加热装置采用法兰连接，规避了金属加热管采用的耐高温特种材料不易焊接的缺点；该加热装置满足将气体加热至较高温度，能够稳定长期地安全运行，同时满足目前的加工工艺要求。

Description

一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置

技术领域

本发明涉及超高温气体反应堆热工水力技术领域，具体涉及一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置。

背景技术

高温气冷堆是以高温气体作为冷却工质，石墨作为慢化剂的第四代核反应堆主流堆型之一，其具有热效率高、安全性能好、燃耗深和转化比大等特点。我国针对高温气冷堆展开了大量的研究，以清华大学核研院为主要研究单位，开展了球床型高温气冷堆的系列研究工作，并成功建成了HTR-10高温气冷实验堆，正在建设石岛湾高温气冷堆核电站。我国的高温气冷堆研发能力和技术处于国际领先行列。

随着氦气透平技术的发展，高温气冷堆由原先的间接联合循环方式转变为直接联合循环方式，即采用高温氦气直接驱动氦气透平，透平出口的乏气再经过蒸汽发生器加热另一侧的水，产生的蒸汽推动蒸汽透平发电机，这不仅使得避免了高效回热器的技术难点，还使其发电效率提高。为了进一步提高高温气冷堆的发电效率，提高进口氦气温度成为了研究发现之一。因此，必须针对高温气体开展流动换热实验以获得其流动换热特性，为高温气冷堆的研发奠定基础。然而目前针对高温气体的加热装置存在很大的不足和实现难度，主要受到材料的耐高温性能影响。耐高温特种金属的加工及焊接性能相较于常规金属材料更差些，这导致了其应用过程中对加工及装配具有很严格的限制。常规的气体加热方式和方案设计很难直接推广到高温气体加热的应用中。因此，本发明专利综合考虑了耐高温特种金属的工程可实施性，应用电磁感应加热方式，尽量减少耐高温特种金属使用过程中需要的焊接及特殊结构的加工，并根据气体温度的不同材料不同的设计材料，能够获得高温稀有气体。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，为超高温稀有气体流动换热特性实验提供基础，为用气设备提供高温稀有气体。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，该加热装置包括：金属加热管A、电磁感应线圈B、电磁感应加热电源正极C1、电磁感应加热电源负极C2、安全壳圆筒R、陶瓷纤维隔热层T、筒体内出口第一法兰F1和筒体内出口第二法兰F2、筒体内进口第一法兰F3和筒体内进口第二法兰F4、筒体外出口第一法兰F5和筒体外出口第二法兰F6、筒体外进口第一法兰F7和筒体外进口第二法兰F8、筒体内第一垫圈D1和筒体内第二垫圈D2、筒体外垫圈D3、耐火填充材料N、出口压盖G1、出口压盖G1和进口压盖G2、出口管道I1、进口管道I2以及惰性气体腔室O；金属加热管A中部位置套着电磁感应线圈B，电磁感应线圈B在电磁感应加热电源的作用下产生交变磁场，使得金属加热管A内产生交变电流，从而被加热至高温状态，高温的金属加热管A会加热金属加热管内的稀有气体，从而获得高温稀有气体；金属加热管A出口端通过筒体内出口第一法兰F1和筒体内出口第二法兰F2与出口管道I1相连，筒体内出口第一法兰F1和筒体内出口第二法兰F2间采用筒体内第一垫圈D1密封；金属加热管A进口端通过筒体内进口第一法兰F3和筒体内进口第二法兰F4与进口管道I2相连，筒体内进口第一法兰F3和筒体内进口第二法兰F4间采用筒体内第二垫圈D2密封；进出口处均填充耐火填充材料N，防止高温气体直接对进出口管道截面变化处造成热冲击或腐蚀；金属加热管A、电磁感应线圈B、电磁感应加热电源正极C1、电磁感应加热电源负极C2、筒体内进出口法兰形成的整个加热段被安全壳圆筒R包容，安全壳圆筒R内嵌有陶瓷纤维隔热层T，安全壳圆筒R的空腔内充惰性气体，形成惰性气体腔室O，防止金属加热管A在高温下被氧化；安全壳圆筒R出口连接筒体外出口第一法兰F5和筒体外出口第二法兰F6，安全壳圆筒R进口连接筒体外进口第一法兰F7和筒体外进口第二法兰F8，安全壳圆筒R进出口均采用筒体外垫圈D3密封；出口管道I1通过出口压盖G1与筒体外出口第一法兰F5紧密连接，其间采用石墨填料S压实；进口管道I2通过进口压盖G2与筒体外进口第一法兰F7紧密连接，其间采用石墨填料S压实。

稀有气体由进口管道I2流入，经过金属加热管A被加热至高温状态，高温稀有气体在金属加热管A出口端冲击耐火填充材料N，随后由出口管道I1流出；耐火填充材料N防止出口管道I1和筒体内出口第二法兰F2的高温失效。

金属加热管A为多根并联排布的金属圆管构成的棒束结构；金属加热管A的材料由所需加热的气体温度决定，长度由材料的加工性能决定；金属圆管的排布密集度和数量由所需加热的气体温度决定，当要求获得的稀有气体温度较高，则金属圆管的数量更多，排布更加密集。

金属加热管A外侧包裹一层隔热材料，将其与电磁感应线圈B隔开，阻碍金属加热管A向电磁感应线圈B的传热，防止电磁感应线圈B温度过高而失效。

当要求获得的稀有气体温度较高时，筒体内出口第一法兰F1与金属加热管A直接紧密接触，需要采用和金属加热管A相同的耐高温材料，筒体内出口第二法兰F2和出口管道I1以焊接形式连接，需要采用材料加工性能好的金属材料，出口管道I1内填充的耐火填充材料N防止筒体内出口第二法兰F2和出口管道I1温度过高而发生失效。

由于入口气体温度相对出口气体温度较低，对法兰的耐高温性能要求较低，筒体内进口第一法兰F3和筒体内进口第二法兰F4均采用加工性能好的金属材料。

当要求获得的稀有气体温度较高时，筒体内第一垫圈D1采用与筒体内出口第一法兰F1相同的耐高温材料，而筒体内第二垫圈D2处的气体温度相对较低，采用的材料与筒体内进口第一法兰F3和筒体内进口第二法兰F4相同。

进口管道I2、筒体外进口第一法兰F7、筒体外进口第二法兰F8和进口压盖G2采用加工性能好的金属材料，使用温度上限高于入口气体温度。

筒体外出口第二法兰F6和安全壳圆筒R采用加工性能好的金属材料，使用温度上限高于入口气体温度；出口管道I1、筒体外出口第一法兰F5和出口压盖G1的材料由出口气体温度决定，使用温度上限低于出口气体温度，但必须高于气体以最高温度和最大流速流动下壁面达到的最高温度，该温度值通过热工水力流体动力学数值分析软件计算得到，设计值留出超过5％的裕量。

当要求获得的气体温度上限较高，金属加热管A采用耐高温材料时，金属加热管A内部和外部在必须处于非氧化氛围下，防止高温下金属加热管A氧化而导致其强度急剧下降。

和国内外现有实验装置相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、采用电磁感应加热设计，规避了耐高温电极的选型及耐高温特种金属材料的焊接需要，大大降低了实验装置的加工难度；

2、本发明加热装置的设计，采用电磁感应加热使得加热时间相比电阻圈加热方式缩短，热效率高达95％以上，节电效果达30％-70％，提高加热装置的经济性；

3、本发明加热装置根据不同部位的气体温度，采用不同的材料选型，减少了耐高温特殊金属材料的使用，大大降低了实验装置的加工难度和成本；

总之，本发明一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，可以获得不同温度的高温稀有气体，整个加热装置考虑耐高温特种金属材料的加工及焊接工艺，采用法兰连接各个部件，大大降低装置的装配难度，具备工程可实施性，安全经济，能够为需要高温工质气体的科研和生产活动提供基础。

附图说明

图1为本发明加热装置的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

如图1所示，本发明一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，包括：金属加热管A、电磁感应线圈B、电磁感应加热电源正极C1、电磁感应加热电源负极C2、安全壳圆筒R、陶瓷纤维隔热层T、筒体内出口第一法兰F1和筒体内出口第二法兰F2、筒体内进口第一法兰F3和筒体内进口第二法兰F4、筒体外出口第一法兰F5和筒体外出口第二法兰F6、筒体外进口第一法兰F7和筒体外进口第二法兰F8、筒体内第一垫圈D1和筒体内第二垫圈D2、筒体外垫圈D3、耐火填充材料N、出口压盖G1、出口压盖G1和进口压盖G2、出口管道I1、进口管道I2以及惰性气体腔室O；金属加热管A中部位置套着电磁感应线圈B，电磁感应线圈B在电磁感应加热电源的作用下产生交变磁场，使得金属加热管A内产生交变电流，从而被加热至高温状态，高温的金属加热管A会加热金属加热管内的稀有气体，从而获得高温稀有气体；金属加热管A出口端通过筒体内出口第一法兰F1和筒体内出口第二法兰F2与出口管道I1相连，筒体内出口第一法兰F1和筒体内出口第二法兰F2间采用筒体内第一垫圈D1密封；金属加热管A进口端通过筒体内进口第一法兰F3和筒体内进口第二法兰F4与进口管道I2相连，筒体内进口第一法兰F3和筒体内进口第二法兰F4间采用筒体内第二垫圈D2密封；进出口处均填充耐火填充材料N，防止高温气体直接对进出口管道截面变化处造成热冲击或腐蚀；金属加热管A、电磁感应线圈B、电磁感应加热电源正极C1、电磁感应加热电源负极C2、筒体内进出口法兰形成的整个加热段被安全壳圆筒R包容，安全壳圆筒R内嵌有陶瓷纤维隔热层T，安全壳圆筒R的空腔内充惰性气体，形成惰性气体腔室O，防止金属加热管A在高温下被氧化；安全壳圆筒R出口连接筒体外出口第一法兰F5和筒体外出口第二法兰F6，安全壳圆筒R进口连接筒体外进口第一法兰F7和筒体外进口第二法兰F8，安全壳圆筒R进出口均采用筒体外垫圈D3密封；出口管道I1通过出口压盖G1与筒体外出口第一法兰F5紧密连接，其间采用石墨填料S压实；进口管道I2通过进口压盖G2与筒体外进口第一法兰F7紧密连接，其间采用石墨填料S压实。

以下针对氩气入口温度1200K，出口温度2000K，气体最大流速25m/s，进行设备的具体尺寸设计和材料选型示例：

金属加热管A设计为19根金属圆管并联构成的棒束结构，每根圆管内径10mm，外径13mm，长500mm，圆管表面间距2mm，紧凑排布，采用钽金属材料制成，熔点3268K，能够长期在2873K高温下工作。

电磁感应线圈B采用紫铜材料，熔点1356K，线圈长度300mm，布置在金属加热管A的中部，金属加热管A外侧包裹一层隔热材料，将其与电磁感应线圈B，阻碍金属加热管A向电磁感应线圈B的传热，防止电磁感应线圈B温度过高而失效。

筒体内出口第一法兰F1采用钽金属材料，筒体内出口第二法兰F2采用MGH956合金钢材料，其在高温下具有高的持久强度及优异的抗氧化和腐蚀能力，温度使用上限为1653K，第一垫圈D1采用钽金属材料。

筒体内进口第一法兰F3和筒体内进口第二法兰F4均采用MGH956合金钢材料，第二垫圈D2采用紫铜材料。

除了金属加热管A的具体尺寸有严格的要求，需要满足一定换热面积，实现进口1200K出口2000K的温度要求，且该情况下金属加热管A的最高温度小于钽金属的最高温度；此外，其他结构的尺寸可根据金属加热管A的尺寸和实际应用要求调节，设计裕量较大。

进口管道I2、筒体外进口第一法兰F7、筒体外进口第二法兰F8和进口压盖G2采用MGH956合金钢材料；筒体外出口第二法兰F6和安全壳圆筒R采用310s不锈钢；出口管道I1、筒体外出口第一法兰F5和出口压盖G1采用MGH956合金钢材料，经过商用软件FLUENT计算可知，当出口气体温度为2000K，流速为25m/s时，壁面最高温度小于1000K，MGH956合金钢材料满足要求；筒体外垫圈D3采用紫铜材料。

惰性气体腔室O内通氦气惰性气体氛围，防止钽金属加热管在高温下被氧化。

金属加热管A进出口位置填充氧化锆材料，防止出口管道I1和筒体内出口第二法兰F2在高温氩气的冲击下失效。

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。

Claims (10)

1.一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，其特征在于：该加热装置包括：金属加热管(A)、电磁感应线圈(B)、电磁感应加热电源正极(C1)、电磁感应加热电源负极(C2)、安全壳圆筒(R)、陶瓷纤维隔热层(T)、筒体内出口第一法兰(F1)和筒体内出口第二法兰(F2)、筒体内进口第一法兰(F3)和筒体内进口第二法兰(F4)、筒体外出口第一法兰(F5)和筒体外出口第二法兰(F6)、筒体外进口第一法兰(F7)和筒体外进口第二法兰(F8)、筒体内第一垫圈(D1)和筒体内第二垫圈(D2)、筒体外垫圈(D3)、耐火填充材料(N)、出口压盖(G1)、出口压盖(G1)和进口压盖(G2)、出口管道(I1)、进口管道(I2)以及惰性气体腔室(O)；金属加热管(A)中部位置套着电磁感应线圈(B)，电磁感应线圈(B)在电磁感应加热电源的作用下产生交变磁场，使得金属加热管(A)内产生交变电流，从而被加热至高温状态，高温的金属加热管(A)会加热金属加热管内的稀有气体，从而获得高温稀有气体；金属加热管(A)出口端通过筒体内出口第一法兰(F1)和筒体内出口第二法兰(F2)与出口管道(I1)相连，筒体内出口第一法兰(F1)和筒体内出口第二法兰(F2)间采用筒体内第一垫圈(D1)密封；金属加热管(A)进口端通过筒体内进口第一法兰(F3)和筒体内进口第二法兰(F4)与进口管道(I2)相连，筒体内进口第一法兰(F3)和筒体内进口第二法兰(F4)间采用筒体内第二垫圈(D2)密封；进出口处均填充耐火填充材料(N)，防止高温气体直接对进出口管道截面变化处造成热冲击或腐蚀；金属加热管(A)、电磁感应线圈(B)、电磁感应加热电源正极(C1)、电磁感应加热电源负极(C2)、筒体内进出口法兰形成的整个加热段被安全壳圆筒(R)包容，安全壳圆筒(R)内嵌有陶瓷纤维隔热层(T)，安全壳圆筒(R)的空腔内充惰性气体，形成惰性气体腔室(O)，防止金属加热管(A)在高温下被氧化；安全壳圆筒(R)出口连接筒体外出口第一法兰(F5)和筒体外出口第二法兰(F6)，安全壳圆筒(R)进口连接筒体外进口第一法兰(F7)和筒体外进口第二法兰(F8)，安全壳圆筒(R)进出口均采用筒体外垫圈(D3)密封；出口管道(I1)通过出口压盖(G1)与筒体外出口第一法兰(F5)紧密连接，其间采用石墨填料(S)压实；进口管道(I2)通过进口压盖(G2)与筒体外进口第一法兰(F7)紧密连接，其间采用石墨填料(S)压实。

2.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，其特征在于：稀有气体由进口管道(I2)流入，经过金属加热管(A)被加热至高温状态，高温稀有气体在金属加热管(A)出口端冲击耐火填充材料(N)，随后由出口管道(I1)流出；耐火填充材料(N)防止出口管道(I1)和筒体内出口第二法兰(F2)的高温失效。

3.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，其特征在于：金属加热管(A)为多根并联排布的金属圆管构成的棒束结构；金属加热管(A)的材料由所需加热的气体温度决定，长度由材料的加工性能决定；金属圆管的排布密集度和数量由所需加热的气体温度决定，当要求获得的稀有气体温度较高，则金属圆管的数量更多，排布更加密集。

4.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，其特征在于：金属加热管(A)外侧包裹一层隔热材料，将其与电磁感应线圈(B)隔开，阻碍金属加热管(A)向电磁感应线圈(B)的传热，防止电磁感应线圈(B)温度过高而失效。

5.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，其特征在于：当要求获得的稀有气体温度较高时，筒体内出口第一法兰(F1)与金属加热管(A)直接紧密接触，需要采用和金属加热管(A)相同的耐高温材料，筒体内出口第二法兰(F2)和出口管道(I1)以焊接形式连接，需要采用材料加工性能好的金属材料，出口管道(I1)内填充的耐火填充材料(N)防止筒体内出口第二法兰(F2)和出口管道(I1)温度过高而发生失效。

6.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，其特征在于：由于入口气体温度相对出口气体温度较低，对法兰的耐高温性能要求较低，筒体内进口第一法兰(F3)和筒体内进口第二法兰(F4)均采用加工性能好的金属材料。

7.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，其特征在于：当要求获得的稀有气体温度较高时，筒体内第一垫圈(D1)采用与筒体内出口第一法兰(F1)相同的耐高温材料，而筒体内第二垫圈(D2)处的气体温度相对较低，采用的材料与筒体内进口第一法兰(F3)和筒体内进口第二法兰(F4)相同。

8.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，其特征在于：进口管道(I2)、筒体外进口第一法兰(F7)、筒体外进口第二法兰(F8)和进口压盖(G2)采用加工性能好的金属材料，使用温度上限高于入口气体温度。

9.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，其特征在于：筒体外出口第二法兰(F6)和安全壳圆筒(R)采用加工性能好的金属材料，使用温度上限高于入口气体温度；出口管道(I1)、筒体外出口第一法兰(F5)和出口压盖(G1)的材料由出口气体温度决定，使用温度上限低于出口气体温度，但必须高于气体以最高温度和最大流速流动下壁面达到的最高温度，该温度值通过热工水力流体动力学数值分析软件计算得到，设计值留出超过5％的裕量。

10.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的电磁感应加热装置，其特征在于：当要求获得的气体温度上限较高，金属加热管(A)采用耐高温材料时，金属加热管(A)内部和外部在必须处于非氧化氛围下，防止高温下金属加热管(A)氧化而导致其强度急剧下降。

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