CN114163144B - 一种金属管-石英玻璃管连接结构及方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属管‑石英玻璃管连接结构及方法，该连接结构中，颗粒分配器与金属管相连，石英玻璃管与金属管同心布置，且金属管的下端出口伸入到石英玻璃管的上端入口。采用这种连接方法的金属管与石英玻璃管之间无直接接触，避免了复杂的玻璃‑金属封接工艺，大幅简化了生产步骤，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明属于固体颗粒重力驱动输送领域，特别涉及一种金属管-石英玻璃管连接结构及方法。
背景技术
固体颗粒如沙漠沙，河沙，灰陶粒沙等在高温下(～1000℃)的物理化学性质稳定。而且颗粒来源广泛，成本较低。因此，一些高温应用如太阳能吸热器，电加热，储热等已经发展到利用固体颗粒作为传热介质。固体颗粒的流道可以采用金属材料或者石英玻璃。金属材料较软，不耐磨，高温下在氧化性氛围下容易氧化。即使是镍基不锈钢这种耐氧化的钢材也仅适用于保护性氛围下的连续高温应用，如果管道暴露于氧化性氛围如空气中使用，高温会使得管道外壁面上形成一层氧化皮，该层氧化皮与金属管道的热膨胀系数不一致，运行过程中氧化皮可能脱落，不仅污染颗粒而且频繁更换金属管增加了维修费用。石英玻璃耐温高，硬度大，耐磨，化学性质稳定，应用广泛，但是石英玻璃的热膨胀率较低，与金属结构进行封接时，随温度的升高，石英玻璃管容易炸裂。
传统的金属与玻璃封接方法采用的是陶瓷金属化法，首先根据所封接的玻璃的膨胀系数和金属的膨胀系数选择膨胀系数在二者之间的金属粉末，在玻璃表面涂上一层该金属粉末然后在还原气氛中高温烧结，从而在玻璃表面形成一层和玻璃紧密粘接的金属层。再将金属与该金属层进行焊接。目前太阳能集热管的制造采用的就是这种技术，所用的高硼硅玻璃(3.3×10-6(1/℃))和可伐合金(4.7×10-6(1/℃))之间采用过渡金属进行过渡。这种封接工艺复杂，成本较高，而且所用的高硼硅玻璃的许用温度为820℃。此外，封接界面的可靠性，稳定性等都难以满足更高温度(～1000℃)的要求。
固体颗粒群的静力学行为与液体不同，液体只有在变形的时候才出现摩擦力，但是堆积固体颗粒即使在静止状态下也存在静摩擦力。所以当竖直管内颗粒的堆积高度超过一定值之后，壁面处颗粒与壁面的静摩擦力可以平衡颗粒自身的重力，此时管出口处的压力几乎保持不变。固体颗粒依靠重力在管内堆积下落被称为移动床，当固体颗粒群以移动床的方式下落时，壁面处颗粒与壁面之间的摩擦力为滑动摩擦力和滚动摩擦力，此时管出口的压力小于静止堆积床时管出口的压力。文献《Y.N.Chilamkurti and R.D.Gould，“Experimental and Computational Studies of Gravity-Driven Dense GranularFlows，”Proceedings of the ASME.Nov.2015》提出了移动床出口压力P(z)与高度z的关系：
其中，Rt为管道半径，μeff为有效摩擦系数，和移动床的流速有关，其通过下式定义：
τw＝μeffσw
其中，τw为壁面剪切应力，σw为壁面法向应力。
中国专利CN1o1531473A公开了一种金属-玻璃封接工艺，利用该工艺制备的封接产品的密封性好，漏率可小于10-10m3Pa/s。中国专利CN101798184A公开了一种新型金属-玻璃封接方法，选用中性硼硅玻璃先与过渡段玻璃封接，再将过渡段玻璃与可伐合金封接，所用的过渡段少，封接点少，气密性高。中国专利CN104276837A公开了一种金属玻璃化的封接方法，先将待封接金属部位表面玻璃化，金属与玻璃之间通过组分的融合、扩散形成一个组分梯度变化的界面层。相比于传统陶瓷金属化封接方法，该界面层稳定性高，气密性好。美国专利US2012164510A1公开了一种金属-陶瓷封接方法，以活性金属如铬、钇、钛和镧系元素等为封接原料制作金属涂层，在陶瓷与金属表面之间利用金属涂层进行封接，活性金属能够迁移到金属涂层和陶瓷接触的界面，能够增强界面上的结合。上述专利所公开的封接方法侧重于封接的强度，气密性等，缺点是工艺复杂，成本较高。欧洲专利EP2733777A1公开了一种离子交换膜专用的陶瓷管与金属管的密封方法，陶瓷管与金属管之间添加垫圈和柔性夹层，通过在垂直于柔性夹层的方向施加压力进行密封。这种密封方式简单可靠，但适用温区较窄。
发明内容
本发明提供一种金属管与石英玻璃管连接的新思路，以克服现有技术在固体颗粒重力驱动输送领域的不足。金属管与石英玻璃管连接的难点在于二者热膨胀率相差太大，温度升高后封接点容易破碎。本发明提供了一种金属管-石英玻璃管连接结构及方法，能够在密封颗粒的同时避免金属管与石英玻璃管的直接接触。
本发明提供的技术方案如下：
一种金属管-石英玻璃管连接结构，所述连接结构包括颗粒分配器，金属管，石英玻璃管，固体颗粒；颗粒分配器与金属管相连，石英玻璃管与金属管同心布置，且金属管的下端出口伸入到石英玻璃管的上端入口；所述金属管与石英玻璃管之间无直接接触。
进一步的，所述金属管和石英玻璃管与水平面的夹角均大于所述固体颗粒的休止角。
进一步的，固体颗粒在重力的作用下流入金属管，当石英玻璃管下端开口直径大于金属管时，固体颗粒直接流过石英玻璃管；当石英玻璃管下端开口直径小于金属管时，固体颗粒会在石英玻璃管内堆积，石英玻璃管内充满固体颗粒，此时，在金属管插入到石英玻璃管内一定深度的情况下，金属管出口处的压力低于该深度的固体颗粒在金属管出口处产生的压力与该部分固体颗粒的重力之和，所以固体颗粒在石英玻璃管内的料位不会超过石英玻璃管的上端开口。
进一步的，所述金属管插入到石英玻璃管内部一定深度，设金属管下端出口到石英玻璃管上端出口的最短竖直距离为H，则H满足：
上式中，μeff1是石英玻璃管与固体颗粒的有效摩擦系数，μeff2是金属管与固体颗粒的有效摩擦系数，Rci为石英玻璃管内径，Rso为金属管外径，Rsi为金属管内径，ρb为固体颗粒的堆积密度，g为重力加速度。
进一步的，所述金属管的外径小于石英玻璃管的内径，金属管与石英玻璃管之间的距离为Δr，该距离Δr满足：
其中α为金属管的线膨胀系数，Rso为金属管外径。
进一步的，所述金属管为单根金属管或金属管束。
进一步的，所述金属管与石英玻璃管均竖直布置，或所述金属管与石英玻璃管均倾斜布置。
本发明中还提出以下技术方案：
一种金属管-石英玻璃管连接方法，所述方法包括：连接颗粒分配器下端与金属管上端，且将金属管下端插入到石英玻璃管上端内部一定深度H，同心布置石英玻璃管与金属管，且使得金属管与石英玻璃管非接触式连接，所述金属管与石英玻璃管间隙大于金属管膨胀量。
进一步的，所述深度H满足：
上式中，μeff1是石英玻璃管与固体颗粒的有效摩擦系数，μeff2是金属管与固体颗粒的有效摩擦系数，Rci为石英玻璃管内径，Rso为金属管外径，Rsi为金属管内径，ρb为固体颗粒的堆积密度，g为重力加速度。
进一步的，设金属管与石英玻璃管之间的距离为Δr，则该距离Δr满足：
其中α为金属管的线膨胀系数，Rso为金属管外径。
石英玻璃管也可采用陶瓷管替换。
本发明中的金属管的外径小于所述石英玻璃管的内径，且所述金属管与所述石英玻璃管之间预留足够间隙用于补偿金属管的热膨胀。
本发明具有以下优点：
提供了一种金属管-石英玻璃管连接结构及方法，使得石英玻璃管与金属管之间无直接接触，避免了复杂的金属-玻璃封接工艺，降低了生产成本。
附图说明
图1竖直金属管与竖直石英玻璃管连接示意图；
图2竖直金属管束与竖直石英玻璃管连接示意图；
图3倾斜金属管与倾斜石英玻璃管连接示意图；
图4倾斜金属管束与倾斜石英玻璃管连接示意图。
图中：1颗粒分配器、2金属管、3石英玻璃管、4固体颗粒、5金属管束。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行进一步说明。
本发明实施例1如图1所示，一种金属管-石英玻璃管连接结构，包括颗粒分配器1、金属管2、石英玻璃管3、固体颗粒4。颗粒分配器1与金属管2相连，石英玻璃管3与金属管2同心布置，且金属管2的下端出口伸入到石英玻璃管3的上端入口。本发明的工作过程如下，金属管2，石英玻璃管3竖直安装，在重力的作用下，固体颗粒4流入金属管2，如果石英玻璃管3下端出口直径大于金属管2，那么固体颗粒4直接流过石英玻璃管3；如果石英玻璃管3下端出口直径小于金属管2，那么固体颗粒4会在石英玻璃管3内堆积，石英玻璃管3内充满固体颗粒4。金属管2插入到了石英玻璃管3内H深处，金属管2出口处的压力低于高度为H的固体颗粒4在金属管2出口处产生的压力与该部分固体颗粒4的重力之和，所以固体颗粒4在石英玻璃管3内的料位不会超过石英玻璃管3的上端开口。
本发明实施例2如图2所示，一种金属管-石英玻璃管连接结构，包括颗粒分配器1、石英玻璃管3、固体颗粒4、金属管束5。颗粒分配器1与金属管束5相连，石英玻璃管3与金属管束5同心布置，且金属管束5的下端出口伸入到石英玻璃管3的上端入口。本发明的工作过程如下，金属管束5，石英玻璃管3竖直安装，在重力的作用下，固体颗粒4流入金属管束5，如果石英玻璃管3下端出口面积大于金属管束5总出口面积，那么固体颗粒4直接流过石英玻璃管3；如果石英玻璃管3下端出口面积直径小于金属管束5总出口面积，那么固体颗粒4会在石英玻璃管3内堆积，石英玻璃管3内充满固体颗粒4。金属管束5插入到了石英玻璃管3内H深处，金属管束5出口处的压力低于高度为H的固体颗粒4在金属管束5出口处产生的压力与该部分固体颗粒4的重力之和，所以固体颗粒4在石英玻璃管3内的料位不会超过石英玻璃管3的上端开口。
本发明实施例3如图3所示，一种金属管-石英玻璃管连接结构，包括颗粒分配器1、金属管2、石英玻璃管3、固体颗粒4。颗粒分配器1与金属管2相连，石英玻璃管3与金属管2同心布置，且金属管2的下端出口伸入到石英玻璃管3的上端入口。本发明的工作过程如下，金属管2，石英玻璃管3倾斜安装，金属管2和石英玻璃管3与水平面的夹角大于固体颗粒4的休止角。在重力的作用下，固体颗粒4流入金属管2，如果石英玻璃管3下端出口面积大于金属管2，那么固体颗粒4直接流过石英玻璃管3；如果石英玻璃管3下端出口面积小于金属管2，那么固体颗粒4会在石英玻璃管3内堆积，石英玻璃管3内充满固体颗粒4。金属管2插入到了石英玻璃管3内，金属管2的下端出口高度比石英玻璃管3的上端出口的高度低H，金属管2出口处的压力低于高度为H的固体颗粒4在金属管2出口处产生的压力与该部分固体颗粒4的重力之和，所以固体颗粒4在石英玻璃管3内的料位不会超过石英玻璃管3的上端开口。
本发明实施例4如图4所示，一种金属管-石英玻璃管连接结构，包括颗粒分配器1、石英玻璃管3、固体颗粒4、金属管束5。颗粒分配器1与金属管束5相连，石英玻璃管3与金属管束5同心布置，且金属管束5的下端出口伸入到石英玻璃管3的上端入口。本发明的工作过程如下，金属管束5，石英玻璃管3倾斜安装，金属管束5和石英玻璃管3与水平面的夹角大于固体颗粒4的休止角。在重力的作用下，固体颗粒4流入金属管束5，如果石英玻璃管3下端出口面积大于金属管束5，那么固体颗粒4直接流过石英玻璃管3；如果石英玻璃管3下端出口面积小于金属管束5，那么固体颗粒4会在石英玻璃管3内堆积，石英玻璃管3内充满固体颗粒4。金属管束5插入到了石英玻璃管3内，金属管束5的下端出口高度比石英玻璃管3的上端出口的高度低H，金属管束5出口处的压力低于高度为H的固体颗粒4在金属管束5出口处产生的压力与该部分固体颗粒4的重力之和，所以固体颗粒4在石英玻璃管3内的料位不会超过石英玻璃管3的上端开口。
上述针对示例性实施例的具体描述为参照附图说明的关于本发明的一些相关原理，而本发明的保护范围并不局限于这一种示例性实施例。凡是根据上述描述作出各种可能的替换以及改变的实施例，都被认为属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (5)
1.一种金属管-石英玻璃管连接结构，其特征在于，所述连接结构包括颗粒分配器(1)，金属管(2)，石英玻璃管(3)，固体颗粒(4)；颗粒分配器(1)与金属管(2)相连，石英玻璃管(3)与金属管(2)同心布置，且金属管(2)的下端出口伸入到石英玻璃管(3)的上端入口；所述金属管(2)与石英玻璃管(3)之间无直接接触；
固体颗粒(4)在重力的作用下流入金属管(2)，当石英玻璃管(3)下端开口直径大于金属管(2)时，固体颗粒(4)直接流过石英玻璃管(3)；当石英玻璃管(3)下端开口直径小于金属管(2)时，固体颗粒(4)会在石英玻璃管(3)内堆积，石英玻璃管(3)内充满固体颗粒(4)，此时，在金属管(2)插入到石英玻璃管(3)内一定深度的情况下，金属管(2)出口处的压力低于该深度的固体颗粒在金属管(2)出口处产生的压力与部分固体颗粒(4)的重力之和，所以固体颗粒(4)在石英玻璃管(3)内的料位不会超过石英玻璃管(3)的上端开口；
所述金属管(2)插入到石英玻璃管(3)内部一定深度，设金属管(2)下端出口到石英玻璃管(3)上端出口的最短竖直距离为H，则H满足：
上式中，μeff1是石英玻璃管与固体颗粒的有效摩擦系数，μeff2是金属管与固体颗粒的有效摩擦系数，Rci为石英玻璃管内径，Rso为金属管外径，Rsi为金属管内径,ρb为固体颗粒的堆积密度，g为重力加速度；
所述金属管(2)的外径小于石英玻璃管(3)的内径，金属管(2)与石英玻璃管(3)之间的距离为Δr，该距离Δr满足：
其中α为金属管(2)的线膨胀系数，Rso为金属管外径。
2.如权利要求1所述的一种金属管-石英玻璃管连接结构，其特征在于，所述金属管(2)和石英玻璃管(3)与水平面的夹角均大于所述固体颗粒(4)的休止角。
3.如权利要求1所述的一种金属管-石英玻璃管连接结构，其特征在于，所述金属管为单根金属管或金属管束。
4.如权利要求1所述的一种金属管-石英玻璃管连接结构，其特征在于，所述金属管与石英玻璃管均竖直布置，或所述金属管与石英玻璃管均倾斜布置。
5.一种金属管-石英玻璃管连接方法，其特征在于，所述方法包括：
连接颗粒分配器下端与金属管上端，且将金属管下端插入到石英玻璃管上端内部一定深度H，同心布置石英玻璃管(3)与金属管(2)，且使得金属管与石英玻璃管非接触式连接，所述金属管与石英玻璃管间隙大于金属管膨胀量；
所述深度H满足：
上式中，μeff1是石英玻璃管与固体颗粒的有效摩擦系数，μeff2是金属管与固体颗粒的有效摩擦系数，Rci为石英玻璃管内径，Rso为金属管外径，Rsi为金属管内径,ρb为固体颗粒的堆积密度，g为重力加速度；
设金属管与石英玻璃管之间的距离为Δr，则该距离Δr满足：
其中α为金属管的线膨胀系数，Rso为金属管外径。
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