CN112556176B - 一种获得高温稀有气体的多级加热装置及方法 - Google Patents

一种获得高温稀有气体的多级加热装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种获得高温稀有气体的多级加热装置及方法，该加热装置包括：储气瓶组、第一级气体加热罐、第二级气体加热罐、第三级气体直流电加热段、第四级气体直流电加热段、气体增压机、气体管道、管道上的阀门和用气设备；储气瓶组为回路提供稀有气体，低温稀有气体在第一级气体加热罐加热至气体增压机能够承受的最高温度，启动气体增压机，使得气体以要求的流速在回路中运动，气体分别经过第二级气体加热罐、第三级和第四级气体直流加热器逐级加热气体，使其温度不断上升，获得所需温度的高温稀有气体；本发明装置能够为用气设备提供稳定流量的高温稀有气体，设置四级加热器，分别采用不同的结构材料以满足不同加热温度要求，加热过程操作简单。

Description

一种获得高温稀有气体的多级加热装置及方法
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多级加热装置及方法。
背景技术
高温气冷堆作为第四代核反应堆的主要堆型之一，具有热效率高，燃耗深，转换比大等优点。我国针对高温气冷堆的研发给予了重大支持，在国家“863”计划的支持下，自上世纪八十年代中期，就展开了大量高温气冷实验堆的相关研究。目前，我国的高温气冷堆技术处于国际先进行列。
高温气冷堆中采用氦气作为冷却剂，石墨作为慢化剂。氦气经过堆芯被加热成高温氦气，高温氦气不仅可用于发电领域，在高温工艺热处理方面也具有广泛的应用。随着气体透平技术的发展和磁悬浮轴承在透平中的应用，氦气透平直接循环方式成为高温气冷堆高效发电的主要发展方向。氦气透平直接循环方式使其具有高的发电效率和经济性。为了进一步提高高温气冷堆的发电效率，逐步提高出口氦气温度成为了研究方向之一。目前我国HTR-10高温气冷堆的氦气出口温度达973K以上，HTR-PM设计的氦气出口温度达1023K，南非ESKOM公司设计的高温气冷堆氦气出口温度达1173K，德国AVR高温气冷堆设计的氦气出口温度达1223K。随着工质气体温度的不断提高，其高温下的流动传热特性成为了高温气冷堆发展过程中必须研究的重要环节之一。为了展开高温气体的流动传热实验，必须获得高温气体。然而，由于气体的换热系数相对较低，采用常规的加热装置和方法很难将稀有气体加热至高温高压状态，加热棒材料的耐高温性能成为其中的关键制约因素。
针对上述问题，现有的国内外关于高温气体的加热方案存在以下不足：1)缺少能够持续提供稳定流量的高温气体加热装置设计；2)实验装置无法在超高温工况下长时间稳定运行；3)实验设备整体采用耐高温的特殊金属材料，加工和焊接性能差，价格昂贵。以上不足限制了对超高温气体流动传热特性的深入研究，阻碍了高温气冷堆的发展。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，需要设计一种获得高温稀有气体的加热方案，为超高温稀有气体流动换热特性实验提供基础，本发明的目的在于提供一种获得高温稀有气体的多级加热装置及方法，为用气设备提供稳定流量的高温稀有气体。
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多级加热装置，该多级加热装置包括：储气瓶组1、第一级气体加热罐2、气体增压机3、第二级气体加热罐4、第三级气体直流电加热段5、第四级气体直流电加热段6、气体管道、管道上的减压阀V1、一号控制阀V2、二号控制阀V3)、背压阀V4、三号控制阀V5和用气设备7；所述储气瓶组1内充有稀有气体，储气瓶组1依次通过减压阀V1和一号控制阀V2与第一级气体加热罐2的进口端相连接；第一级气体加热罐2出口端与气体增压机3进口端相连接；气体增压机3出口端通过二号控制阀V3与第二级气体加热罐4进口端相连接；第二级气体加热罐4出口端与第三级气体直流电加热段5进口端相连接；第三级气体直流电加热段5出口端与第四级气体直流电加热段6进口端相连接；第四级气体直流电加热段6出口端经背压阀V4与用气设备7相连接；用气设备7出口端分两路，一路与第一级气体加热罐2进口端相连接形成回路，另一路通过三号控制阀V5与大气相连。
回路内稀有气体由储气瓶组1提供，通过减压阀V1和一号控制阀V2控制回路内稀有气体的质量，保证回路内充满稀有气体；由气体增压机3、二号控制阀V3和背压阀V4控制回路内稀有气体的压力和流速；稀有气体依次流经第一级气体加热罐2、第二级气体加热罐4、第三级气体直流电加热段5、第四级气体直流电加热段6逐渐被加热至所需温度；第一级气体加热罐2将气体温度加热至气体增压机3所能承受的最高温度；第二级气体加热罐4将稀有气体温度加热至800K；第三级气体直流电加热段5将稀有气体温度加热至1200K；第四级气体直流电加热段6将稀有气体温度加热至2000K以上。
用气设备7出口端至第二级气体加热罐4进口端之间的管道内通的气体温度低于800K，管道采用304不锈钢材料；第二级气体加热罐4出口端至第四级气体直流电加热段6进口端之间的管道内气体温度介于800K至1200K，管道采用310S不锈钢；第四级气体直流电加热段6出口端至用气设备7进口端之间的管道内气体温度高于1200K，根据实验用气设备所需气体的最高温度选择管道材料，当所需加热气体的最高温度小于1653K，选用铁基MGH956高温合金，否则应选用钽金属或钨金属这类耐高温金属。
第一级气体加热罐2和第二级气体加热罐4容积为单位时间内实验所需气体体积的50倍以上，为第二级气体加热罐4提供充足的具有恒定温度的气体，为实验回路提供缓冲作用；第一级气体加热罐2采用加热棒干烧形式加热稀有气体，加热棒材料采用310S不锈钢，加热棒的尺寸和数量，根据所需达到的稀有气体加热温度和罐体尺寸决定，加热棒最高使用温度达1473K；加热罐罐体采用304不锈钢材料，能够在1073K的温度下长期运行。
第三级气体直流电加热段5采用铁基MGH956高温合金圆管和钼金属电极焊接而成，铁基MGH956高温合金圆管尺寸根据稀有气体种类、流速和温度决定，铁基MGH956高温合金圆管的温度使用上限1653K；电源为低电压大电流，电压为0-36V，电流为0-3000A。
第四级气体直流电加热段6采用钨金属圆管与钨金属电极焊接而成，钨金属圆管尺寸根据稀有气体种类、流速和温度决定，钨金属熔点3673K；电源为低电压大电流，电压为0-36V，电流为0-5000A。
第四级气体直流电加热段6被钢制安全壳包裹，安全壳内充满惰性气体，防止高温下钨金属圆管被氧化。
用气设备7中包含冷却设备，产生的乏气被冷却设备冷却至低于气体增压机3所能承受的最高温度后，才能通入第一级气体加热罐2，防止乏气温度过高导致回路管道及气体增压机3高温失效。
第四级气体直流电加热段6出口端至用气设备7进口端之间的管道长度设计尽可能短，小于0.5m，以减少气体在该处的热损失；整个回路管道外包裹有绝热保温材料。
所述的一种获得高温稀有气体的多级加热装置的工作方法，打开管道上的所有阀门，打开储气瓶组1，调节减压阀V1和一号控制阀V2控制稀有气体流量，使得回路内充满稀有气体；关闭三号控制阀V5；开启第一级气体加热罐2并逐步提高功率，使得回路气体温度升高至气体增压机3的温度上限；打开气体增压机3，使得回路气体以要求的流速运行，注意气体增压机3处温度不能超过限值；开启用气设备7中的冷却设备，保证用气设备7出口端温度不高于气体增压机3的温度上限；开启第二级气体加热罐4并逐步提高功率，使得回路气体温度升高至800K；开启第三级气体直流电加热段5并逐步提高功率，使得回路气体温度升高至1200K；开启第四级气体直流电加热段6并逐步提高功率，使得回路气体温度升高至目标温度；以上加热过程中同步提高用气设备7中的冷却设备功率，保证用气设备7出口端温度不高于气体增压机3的温度上限；当用气设备7入口气体温度满足要求时，开启用气设备7，实现高温稀有气体的使用，同时降低用气设备7中的冷却设备功率，维持用气设备7出口气体温度低于气体增压机3的温度上限；以上过程中同步调节第一级气体加热罐2功率，保障第一级气体加热罐2出口端气体温度低于气体增压机3的温度上限。
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、采用四级加热设计，各级加热段根据不同的气体温度，采用不同的材料选型，减少了耐高温特殊金属材料的使用，大大降低了实验回路的加工难度，提高了装置的经济性；
2、大容积的气体加热罐设计，使得高温气体流量、压力和温度均较为稳定，提高了用气设备入口气体参数的准确性；
3、回路管道根据不同的气体温度，采用不同的材料选型，减少了耐高温特殊金属材料的使用，大大降低了实验回路的加工难度，提高了装置的经济性；
4、能够为用气设备提供持续的稳定流量的高温稀有气体；
总之，本发明一种获得高温稀有气体的多级加热装置及方法，可以获得不同温度下稳定流量的高温稀有气体，整个实验装置功能完善，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为本发明多级加热装置的结构图。
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多级加热装置，包括：储气瓶组1、第一级气体加热罐2、气体增压机3、第二级气体加热罐4、第三级气体直流电加热段5、第四级气体直流电加热段6、气体管道、管道上的减压阀V1、一号控制阀V2、二号控制阀V3)、背压阀V4、三号控制阀V5和用气设备7；所述储气瓶组1内充有稀有气体，储气瓶组1依次通过减压阀V1和一号控制阀V2与第一级气体加热罐2的进口端相连接；第一级气体加热罐2出口端与气体增压机3进口端相连接；气体增压机3出口端通过二号控制阀V3与第二级气体加热罐4进口端相连接；第二级气体加热罐4出口端与第三级气体直流电加热段5进口端相连接；第三级气体直流电加热段5出口端与第四级气体直流电加热段6进口端相连接；第四级气体直流电加热段6出口端经背压阀V4与用气设备7相连接；用气设备7出口端分两路，一路与第一级气体加热罐2进口端相连接形成回路，另一路通过三号控制阀V5与大气相连。
回路内稀有气体由储气瓶组1提供，通过减压阀V1和一号控制阀V2控制回路内稀有气体的质量，保证回路内充满稀有气体；由气体增压机3、二号控制阀V3和背压阀V4控制回路内稀有气体的压力和流速；
稀有气体依次流经第一级气体加热罐2、第二级气体加热罐4、第三级气体直流电加热段5、第四级气体直流电加热段6逐渐被加热至所需温度；第一级气体加热罐2将气体温度加热至气体增压机3所能承受的最高温度；第二级气体加热罐4将稀有气体温度加热至800K；第三级气体直流电加热段5将稀有气体温度加热至1200K；第四级气体直流电加热段6将稀有气体温度加热至2000K以上。
第一级气体加热罐2和第二级气体加热罐4容积为单位时间内实验所需气体体积的50倍以上，为第二级气体加热罐4提供充足的具有恒定温度的气体，为实验回路提供缓冲作用；第一级气体加热罐2采用加热棒干烧形式加热稀有气体，加热棒材料采用310S不锈钢，加热棒的尺寸和数量，根据所需达到的稀有气体加热温度和罐体尺寸决定，加热棒最高使用温度达1473K；加热罐罐体采用304不锈钢材料，能够在1073K的温度下长期运行。
第三级气体直流电加热段5采用铁基MGH956高温合金圆管和钼金属电极焊接而成，铁基MGH956高温合金圆管尺寸根据稀有气体种类、流速和温度决定，铁基MGH956高温合金圆管的温度使用上限1653K；电源为低电压大电流，电压为0-36V，电流为0-3000A；目前针对氩气和流速约10m/s，铁基MGH956高温合金圆管尺寸设计为内径0.02m，外径0.025m，加热长度1.5m，能够满足将氩气由800K加热至1200K。
第四级气体直流电加热段6采用钨金属圆管与钨金属电极焊接而成，钨金属圆管尺寸根据稀有气体种类、流速和温度决定，钨金属熔点3673K；电源为低电压大电流，电压为0-36V，电流为0-5000A；目前针对氩气和流速约10m/s，钨金属圆管尺寸设计为内径0.02m，外径0.025m，加热长度2.5m，能够满足将氩气由1200K加热至2000K。
第四级气体直流电加热段6被钢制安全壳包裹，安全壳内充满惰性气体，防止高温下钨金属圆管被氧化。
用气设备7中包含冷却设备，产生的乏气被冷却设备冷却至低于气体增压机3所能承受的最高温度后，才能通入第一级气体加热罐2，防止乏气温度过高导致回路管道及气体增压机3高温失效。
用气设备7出口端至第二级气体加热罐4进口端之间的管道内通的气体温度低于800K，管道采用304不锈钢材料；第二级气体加热罐4出口端至第四级气体直流电加热段6进口端之间的管道内气体温度介于800K至1200K，管道采用310S不锈钢或其他耐高温材料；第四级气体直流电加热段6出口端至用气设备7进口端之间的管道内气体温度高于1200K，根据实验用气设备所需气体的最高温度选择管道材料，当所需加热气体的最高温度小于1653K，可选用铁基MGH956高温合金，否则应选用钽金属或钨金属这类耐高温金属。
第四级气体直流电加热段6出口端至用气设备7进口端之间的管道长度设计尽可能短，小于0.5m，以减少气体在该处的热损失。
整个回路管道外包裹有绝热保温材料。
本发明所述的一种获得高温稀有气体的多级加热装置的工作方法，打开管道上的所有阀门，打开储气瓶组1，调节减压阀V1和一号控制阀V2控制稀有气体流量，使得回路内充满稀有气体；关闭三号控制阀V5；开启第一级气体加热罐2并逐步提高功率，使得回路气体温度升高至气体增压机3的温度上限；打开气体增压机3，使得回路气体以要求的流速运行，注意气体增压机3处温度不能超过限值；开启用气设备7中的冷却设备，保证用气设备7出口端温度不高于气体增压机3的温度上限；开启第二级气体加热罐4并逐步提高功率，使得回路气体温度升高至800K；开启第三级气体直流电加热段5并逐步提高功率，使得回路气体温度升高至1200K；开启第四级气体直流电加热段6并逐步提高功率，使得回路气体温度升高至目标温度；以上加热过程中同步提高用气设备7中的冷却设备功率，保证用气设备7出口端温度不高于气体增压机3的温度上限；当用气设备7入口气体温度满足要求时，开启用气设备7，实现高温稀有气体的使用，同时降低用气设备7中的冷却设备功率，维持用气设备7出口气体温度低于气体增压机3的温度上限；以上过程中同步调节第一级气体加热罐2功率，保障第一级气体加热罐2出口端气体温度略低于气体增压机3的温度上限。
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)

1.一种获得高温氦气的多级加热装置，其特征在于：该多级加热装置包括：储气瓶组(1)、第一级气体加热罐(2)、气体增压机(3)、第二级气体加热罐(4)、第三级气体直流电加热段(5)、第四级气体直流电加热段(6)、气体管道、管道上的减压阀(V1)、一号控制阀(V2)、二号控制阀(V3)、背压阀(V4)、三号控制阀(V5)和用气设备(7)；所述储气瓶组(1)内充有稀有气体，储气瓶组(1)依次通过减压阀(V1)和一号控制阀(V2)与第一级气体加热罐(2)的进口端相连接；第一级气体加热罐(2)出口端与气体增压机(3)进口端相连接；气体增压机(3)出口端通过二号控制阀(V3)与第二级气体加热罐(4)进口端相连接；第二级气体加热罐(4)出口端与第三级气体直流电加热段(5)进口端相连接；第三级气体直流电加热段(5)出口端与第四级气体直流电加热段(6)进口端相连接；第四级气体直流电加热段(6)出口端经背压阀(V4)与用气设备(7)相连接；用气设备(7)出口端分两路，一路与第一级气体加热罐(2)进口端相连接形成回路，另一路通过三号控制阀(V5)与大气相连。
2.根据权利要求1所述的一种获得高温氦气的多级加热装置，其特征在于：回路内稀有气体由储气瓶组(1)提供，通过减压阀(V1)和一号控制阀(V2)控制回路内稀有气体的质量，保证回路内充满稀有气体；由气体增压机(3)、二号控制阀(V3)和背压阀(V4)控制回路内稀有气体的压力和流速；稀有气体依次流经第一级气体加热罐(2)、第二级气体加热罐(4)、第三级气体直流电加热段(5)、第四级气体直流电加热段(6)逐渐被加热至所需温度；第一级气体加热罐(2)将气体温度加热至气体增压机(3)所能承受的最高温度；第二级气体加热罐(4)将稀有气体温度加热至800K；第三级气体直流电加热段(5)将稀有气体温度加热至1200K；第四级气体直流电加热段(6)将稀有气体温度加热至2000K以上。
3.根据权利要求1所述的一种获得高温氦气的多级加热装置，其特征在于：用气设备(7)出口端至第二级气体加热罐(4)进口端之间的管道内通的气体温度低于800K，管道采用304不锈钢材料；第二级气体加热罐(4)出口端至第四级气体直流电加热段(6)进口端之间的管道内气体温度介于800K至1200K，管道采用310S不锈钢；第四级气体直流电加热段(6)出口端至用气设备(7)进口端之间的管道内气体温度高于1200K，根据实验用气设备所需气体的最高温度选择管道材料，当所需加热气体的最高温度小于1653K，选用铁基MGH956高温合金，否则应选用钽金属或钨金属这类耐高温金属。
4.根据权利要求1所述的一种获得高温氦气的多级加热装置，其特征在于：第一级气体加热罐(2)和第二级气体加热罐(4)容积为单位时间内实验所需气体体积的50倍以上，为第二级气体加热罐(4)提供充足的具有恒定温度的气体，为实验回路提供缓冲作用；第一级气体加热罐(2)采用加热棒干烧形式加热稀有气体，加热棒材料采用310S不锈钢，加热棒的尺寸和数量，根据所需达到的稀有气体加热温度和罐体尺寸决定，加热棒最高使用温度达1473K；加热罐罐体采用304不锈钢材料，能够在1073K的温度下长期运行。
5.根据权利要求1所述的一种获得高温氦气的多级加热装置，其特征在于：第三级气体直流电加热段(5)采用铁基MGH956高温合金圆管和钼金属电极焊接而成，铁基MGH956高温合金圆管尺寸根据稀有气体流速和温度决定，铁基MGH956高温合金圆管的温度使用上限1653K；电源为低电压大电流，电压为0-36V，电流为0-3000A。
6.根据权利要求1所述的一种获得高温氦气的多级加热装置，其特征在于：第四级气体直流电加热段(6)采用钨金属圆管与钨金属电极焊接而成，钨金属圆管尺寸根据稀有气体流速和温度决定，钨金属熔点3673K；电源为低电压大电流，电压为0-36V，电流为0-5000A。
7.根据权利要求6所述的一种获得高温氦气的多级加热装置，其特征在于：第四级气体直流电加热段(6)被钢制安全壳包裹，安全壳内充满惰性气体，防止高温下钨金属圆管被氧化。
8.根据权利要求1所述的一种获得高温氦气的多级加热装置，其特征在于：用气设备(7)中包含冷却设备，产生的乏气被冷却设备冷却至低于气体增压机(3)所能承受的最高温度后，才能通入第一级气体加热罐(2)，防止乏气温度过高导致回路管道及气体增压机(3)高温失效。
9.根据权利要求1所述的一种获得高温氦气的多级加热装置，其特征在于：第四级气体直流电加热段(6)出口端至用气设备(7)进口端之间的管道长度设计尽可能短，小于0.5m，以减少气体在该处的热损失；整个回路管道外包裹有绝热保温材料。
10.权利要求1至9任一项所述的一种获得高温氦气的多级加热装置的工作方法，其特征在于：打开管道上的所有阀门，打开储气瓶组(1)，调节减压阀(V1)和一号控制阀(V2)控制稀有气体流量，使得回路内充满稀有气体；关闭三号控制阀(V5)；开启第一级气体加热罐(2)并逐步提高功率，使得回路气体温度升高至气体增压机(3)的温度上限；打开气体增压机(3)，使得回路气体以要求的流速运行，注意气体增压机(3)处温度不能超过限值；开启用气设备(7)中的冷却设备，保证用气设备(7)出口端温度不高于气体增压机(3)的温度上限；开启第二级气体加热罐(4)并逐步提高功率，使得回路气体温度升高至800K；开启第三级气体直流电加热段(5)并逐步提高功率，使得回路气体温度升高至1200K；开启第四级气体直流电加热段(6)并逐步提高功率，使得回路气体温度升高至目标温度；以上加热过程中同步提高用气设备(7)中的冷却设备功率，保证用气设备(7)出口端温度不高于气体增压机(3)的温度上限；当用气设备(7)入口气体温度满足要求时，开启用气设备(7)，实现高温稀有气体的使用，同时降低用气设备(7)中的冷却设备功率，维持用气设备(7)出口气体温度低于气体增压机(3)的温度上限；以上过程中同步调节第一级气体加热罐(2)功率，保障第一级气体加热罐(2)出口端气体温度低于气体增压机(3)的温度上限。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2010042266A1 (en) * 2008-10-07 2010-04-15 Exxonmobil Upstream Research Company Helium recovery from natural gas integrated with ngl recovery
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CN106297925A (zh) * 2016-07-28 2017-01-04 董哲 一种多模块式高温气冷堆核电站的给水方案、动态模型与调控方法

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