CN113063815A - 一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置，涉及能源与动力技术领域。包括下腔室、真空室、上腔室三个腔室，以及贯穿三个腔室的实验段；实验段的入口和出口分别置于下腔室、上腔室，且实验段的入口和出口均设置有温度传感器和引压管；真空室内，实验段两端分别设置有夹持电极，且夹持电极之间的实验段上设置有温度传感器组。本发明采用低电压高直流电对实验段进行供电加热，可以开展高加热功率、多种气体在不同流道内的流动传热特性研究，在满足实验要求条件下，本实验装置具有良好的密封性、安全性和可靠性。

Description

一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置
技术领域
本发明涉及应堆设计技术领域，特别是涉及一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置。
背景技术
大部分换热系统和设备都需要冷却剂作为热量传递的介质，在特殊需求的能源动力行业中，如燃气轮机及设备冷却、空气冷却航空发动机、火箭发动机、氦气冷却核聚变反应堆包层、高温气冷反应堆(氦气、氮气、氩气、二氧化碳、氦氙混合气体等)、氢气冷却核热推进反应堆以及各种气体换热器，均采用密度低、压缩性好的气体作为冷却剂。气体介质在换热设备中的传热性能关乎设备的设计、使用和安全，特别是在温度很高的换热部件中，工质在流道内的传热会存在导热-对流-辐射以及热化学反应，壁面温度与工质温度之比、进出口工质温度梯度等十分明显，导致工质的热物理性质发生剧烈变化，这关乎到热量传递过程和换热部件的性能，因此，获取在宽热工参数范围内变物性气体工质复杂流动传热机理等物理问题十分重要，需要相关的实验研究该问题。
目前，气体加热装置采用直流电弧电离式、直流电阻式、电磁感应式、电阻电热体导热式、蓄热式、红外式、气动式、换热器式等方式加热气体。考虑到直流电阻式加热可以提供稳定的、均匀的、更高的壁面热流密度，更适合应用于实验装置中开展气体传热特性机理研究。此外气体密度小，实验装置在长期运行中会因密封不好、结构失效等原因发生泄漏，特别是氢气这类易燃易爆气体，会导致危险事故发生。因此，具有优良密封性、安全性、稳定壁面热流密度的气体换热实验装置对开展变物性气体流动传热特性机理研究是十分必要的。目前，涉及直流电阻加热气体换热的实验装置少有研究和报道。
发明内容
本发明主要目的在提供一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置，通过本发明实验装置可开展复杂条件下不同实验加热段结构与尺寸、不同热工参数(温度、压力、流量、高热流密度等)、不同气体的流动传热特性，为如燃气轮机及设备冷却、空气冷却航空发动机、火箭发动机、氦气冷却核聚变反应堆包层、高温气冷反应堆(氦气、氮气、氩气、二氧化碳、氦氙混合气体等)、氢气冷却核热推进反应堆以及各种气体换热器等多种特殊系统与设备换热性能设计、研究提供支持。
为达上述目的，本发明提供一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置，包括下腔室、真空室、上腔室三个腔室，以及贯穿三个腔室的实验段；所述真空室上端与上腔室采用紧固螺栓螺母及密封件密封连接，所述真空室下端与下端板采用紧固螺栓螺母及密封件密封连接；所述上腔室与上部盲板采用紧固螺栓螺母及密封件密封连接；所述下腔室与下端板采用紧固密封件密封连接；所述实验段具有通道，所述通道的入口和出口分别置于下腔室、上腔室，且实验段的入口和出口均设置有温度传感器和引压管；实验段通过实验段上部密封卡套、实验段下部密封卡套与三个腔室固定连接，实验段上部密封卡套、实验段下部密封卡套内部均设置有耐高温密封填料；真空室内，实验段两端分别设置有夹持电极，且夹持电极之间的实验段上设置有温度传感器组。
进一步的，所述真空室上设置有电极孔、引线孔、气孔，分别用于引出电极、引出传感器接线、充放气。
进一步的，所述实验段的截面为圆形、三角形、四边形、六边形中的一种；所述实验段为单通道或多通道结构；所述实验段材料采用铜、钼、钨中的一种，或其中一种或几种的合金；或者不锈钢。
进一步的，所述实验段长度为20～120厘米，直径为0.3～5厘米。
进一步的，所述温度传感器和温度传感器组均采用热电偶或热电阻。
本发明与现有技术相比具备如下优点：本实验装置采用低电压高直流电对实验段进行供电加热，可以开展高加热功率、多种气体在不同流道内的流动传热特性研究，在满足实验要求条件下，本实验装置具有良好的密封性、安全性和可靠性，可为涉及高温气体传热的装置设备研究提供实验支持。
附图说明
图1为本发明一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置结构示意图。
图2为本发明一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置实验段上部密封卡套结构示意图。
图3为本发明一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置实验段下部密封卡套结构示意图。
其中，1-下腔室；2-引压管；3-温度传感器；4-温度传感器密封卡套；5-紧固密封件；6-下端板；7-温度传感器组；8-电极孔；9-真空室；10-上腔室；11-上部盲板；13-引线孔；14-气孔；15-夹持电极；16-实验段；17-实验段上部密封卡套；18-耐高温密封填料；19-实验段下部密封卡套。
具体实施方式
为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及构造，结合附图就本发明较佳实施例详加说明其特征与功能。
如附图所示，本发明提供一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置，由下腔室1、真空室9、上腔室10三个主要腔室，以及贯穿三个腔室的实验段16等主要部件组成。真空室9与上腔室10、下端板6均采用紧固螺栓螺母及密封件密封连接。上腔室10与上部盲板11采用紧固螺栓螺母及密封件密封连接。下腔室1与下端板6采用紧固密封件5密封连接。为保证密封的可靠性，连接处采用密封垫片，密封垫片两侧均涂有耐高温的密封胶。
真空室9上焊接有电极孔8、引线孔13、气孔14，分别用于引出电极、引出传感器接线、充气与抽气。真空室9内壁面电镀或喷涂一层低发射率、高反射比的材料，且可以设置遮热板用于减少辐射散热损失。此外，在实验过程中，真空室9内通过气孔14抽气至真空环境，减少因对流产生的热量散失和避免实验段及温度传感器的氧化。真空室9上的开孔均有相应的密封方式进行密封。
实验段16进出口分别置于下腔室1、上腔室10，实验段16与上腔室10、下腔室1分别采用实验段上部密封卡套17、实验段下部密封卡套19填充，采用耐高温密封填料18压实密封。实验段16的入口和出口分别设置有温度传感器3、引压管2，用以测量实验段16进出口的温度、压力数据。实验段16加热部分处于真空室9内，其两端分别用夹持电极15固定夹持，夹持电极15为实验段16提供电流加热。实验段16上布置有温度传感器组7用以测量实验段16壁面温度。实验段16进出口的温度传感器3均有温度传感器密封卡套4固定定位。
实验段上部密封卡套17与上腔室10底部盲板开孔处焊接，实验段16下部密封卡套19与下端板6开孔处同样采用焊接，两者的焊接位置根据实验具体情况确定。密封卡套分为端盖和底座两个部分，两者采用螺栓连接。实验段16出口气体从实验段上部密封卡套17的导流管侧面开孔处流入上腔室内。夹持电极15设有孔槽用于夹持实验段16，夹持电极15与实验段16之间用螺栓紧固件进行固定，在实验段两端夹持的位置根据实验具体情况确定。夹持电极15采用低电压、高直流供电。
本发明实验装置采用材料优选为耐高温材料，紧固件优选高强度材料，密封件优选耐高温、电绝缘材料。实验装置设置有接地保护。
作为本发明地优选实施方式，实验段16为圆形、三角形、四边形、六边形单通道或多通道结构，特别的包括六棱柱圆孔多通道结构，材料采用不锈钢、铜金属及其合金、钼金属及其合金、钨金属及其合金以及其他耐高温合金材料等。
作为本发明地优选实施方式，实验段16长度优选20～120厘米，优选直径0.3～5厘米。
作为本发明地优选实施方式，气体工质优选为空气、氢气、氦气、氩气、氮气、二氧化碳及氦氙混合气体。
作为本发明地优选实施方式，温度传感器3及温度传感器组7类型优选为热电偶、热电阻。类型、数目根据具体情况确定。
作为本发明地优选实施方式，夹持电极15材料优选为铝金属及其合金、铜金属及其合金、钼金属及其合金、钨金属及其合金以及各种镀铜、镀银材料。
作为本发明地优选实施方式，实验段上部密封卡套17和实验段下部密封卡套19材料优选为不锈钢、耐高温金属或合金，实验段上部密封卡套17和实验段下部密封卡套19上设置有导流管。耐高温密封填料18优选为石墨盘根。
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装置中的存留的气体进行吹除。实验开始后，气体工质通过下腔室1入口进入实验装置，随后进入实验段16内。在实验段16内，气体与通过直流电加热的实验段16内壁面进行热量传递，吸热后的气体排出实验段16进入上腔室10，通过上腔室10的出口流出实验装置。实验段16的进出口分别设置有温度传感器3和引压管2用于测量气体的进出口温度、压力等热工参数，实验段16加热部分布置有温度传感器组7，用于测量壁面温度。加热功率由直流电源提供。通过改变气体种类、实验段的结构尺寸、加热功率、气体工质的入口参数(流量、温度、压力)，可开展不同条件下的变物性气体换热特性实验研究。流动传热实验关联式可通过测量到的实验参数计算获取。
本发明基于直流电阻加热的气体换热实验装置可以进行超高温气体流动换热特性研究，气体可以采用空气、氢气、氦气、氩气、氮气、二氧化碳、氦氙混合气体等多种气体工质，实验段可以选择不锈钢、铜金属及其合金、钼金属及其合金、钨金属及其合金以及其他耐高温合金等材料的单通道或多通道结构，实验段横截面可为圆形、三角形、四边形、六边形等多种形状。实验段长度适用20～120厘米，实验段直径适用0.3～5厘米。通过改变气体种类、实验段结构、实验段尺寸、运行压力、入口流量、入口温度、加热功率等参数进行气体流动换热特性研究，为采用气体做冷却剂的气体换热器、气体流化床、燃气轮机及设备、航空发动机、火箭发动机、氦气冷却核聚变反应堆包层、高温气冷反应堆、核热推进反应堆等相关气体冷却设备和系统提供可靠的实验数据。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，非全部实施例，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或者相近似的技术方案，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置，其特征在于，包括下腔室、真空室、上腔室三个腔室，以及贯穿三个腔室的实验段；所述真空室上端与上腔室采用紧固螺栓螺母及密封件密封连接，所述真空室下端与下端板采用紧固螺栓螺母及密封件密封连接；所述上腔室与上部盲板采用紧固螺栓螺母及密封件密封连接；所述下腔室与下端板采用紧固密封件密封连接；所述实验段具有通道，所述通道的入口和出口分别置于下腔室、上腔室，且实验段的入口和出口均设置有温度传感器和引压管；实验段通过实验段上部密封卡套、实验段下部密封卡套与三个腔室固定连接，实验段上部密封卡套、实验段下部密封卡套内部均设置有耐高温密封填料；真空室内，实验段两端分别设置有夹持电极，且夹持电极之间的实验段上设置有温度传感器组。
2.如权利要求1所述的一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置，其特征在于，所述真空室上设置有电极孔、引线孔、气孔，分别用于引出电极、引出传感器接线、充放气。
3.如权利要求1所述的一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置，其特征在于，所述实验段的截面为圆形、三角形、四边形、六边形中的一种；所述实验段为单通道或多通道结构；所述实验段材料采用铜、钼、钨中的一种，或其中一种或几种的合金；或者不锈钢。
4.如权利要求1所述的一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置，其特征在于，所述实验段长度为20～120厘米，直径为0.3～5厘米。
5.如权利要求1所述的一种基于直流电阻加热的气体换热实验装置，其特征在于，所述温度传感器和温度传感器组均采用热电偶或热电阻。
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