CN114383933B - 一种高温气体流动换热安全压力容器 - Google Patents

一种高温气体流动换热安全压力容器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温气体流动换热安全压力容器，包括压力容器筒体，左、右端盖，试验管道，导轨，三叶支撑架，空心电磁感应线圈，安全阀，波纹管，截止阀，真空泵，交流电源及感应线圈冷却装置，并给出了各部分的材料选择和连接方法；工作时，氮气经左侧端盖充入压力容器内部，升高容器压力；试验气体沿管道经左端盖进入压力容器。线圈连接外部电源产生磁场，加热试验管道，从而加热试验气体；试验结束后，氢气沿管道经气体冷却长管冷却后排出；氮气流经真空泵从压力容器排至外界。本发明创造高压环境，有效防止试验气体泄漏；电磁感应分区，气体带走外散的试验件热量，从而维持容器内环境相对稳定；便于灵活调整试验段位置，更改试验件长度，适用于多种实验场景。

Description

一种高温气体流动换热安全压力容器
技术领域
本发明属于高温高压气体试验领域，具体涉及一种高温气体流动换热安全压力容器设计。
背景技术
近些年来，常规的低温和常压试验已经不能满足实际需求，开始设计高温高压环境下的试验设备和回路。由于高温高压的实验环境很难采用现有的试验平台来完成，并且伴随着很高的危险性，因此需要一个先进的实验测试装置来评估候选流体工质换热特征。为了保证高温气体的实验安全，实验装置设计应充分考虑安全性、冗余性准则。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高温气体流动换热安全压力容器，通过进行单通道流动换热试验，以高功率的电磁感应加热元件加热气体，在多种不同工况下开展流动换热的稳态和瞬态试验。通过这些试验，可以总结出气体工质在各类流道内的流动换热特性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高温气体流动换热安全压力容器，包括压力容器筒体1，设置在压力容器筒体1内壁的齿条轨道11和平滑轨道12；设置在压力容器筒体1两端的左端盖21和右端盖22,设置在左端盖21上的氮气充压管道23；设置在压力容器筒体1内中心位置的试验管道31，试验管道31分为多段，由法兰32连接，以及试验管道31末端的气体冷却管道33；设置在试验管道31上的三叶支撑架4；设置在试验管道31上的空心感应加热线圈5，与空心感应加热线圈5连接的交流电源51和感应线圈冷却水箱52；设置在压力容器筒体1外侧壁上的调压管路6，与调压管路6连接的安全阀61和调压管路阻火器62；设置在压力容器筒体1外侧壁上的氮气出口接管7，与氮气出口接管7连接的第一波纹管截止阀71、真空泵72、第二波纹管截止阀73和氮气出口接管阻火器74；所述氮气充压管道23将氮气经左端盖21通入压力容器筒体1内，使氮气充满整个压力容器空间，以维持一个稳定的高压环境，有效防止试验气体从试验管道逸出；所述三叶支撑架4含有三个叶片41，其中一个叶片的端部连接电机42，电机42与直齿轮43连接，直齿轮43与齿条轨道11啮合，另外两个叶片端部连接滑块44，滑块44直接在平滑轨道12上滑动；通过三叶支撑架4与压力容器导轨的啮合，将试验管道31固定在压力容器筒体中心位置，便于布局实验段的长度和位置，并进行多种实验；所述空心感应加热线圈5由压力容器外的交流电源51供电，空心感应加热线圈5主要提供磁场，通过产生的磁感线加热试验管道31；所述空心感应加热线圈5内部流有冷却水，冷却水来源于压力容器外的感应线圈冷却水箱52，用于带走空心感应加热线圈在产生磁场时附带的热量，避免空心感应加热线圈被烧毁；所述试验管道31从左端通入试验气体，经过空心感应加热线圈部分缠绕的管道被加热至预设温度，而后经过气体冷却管道33被冷却；所述调压管路6连接的安全阀61用于在压力容器内压力过高时自动减压；所述氮气出口接管7连接真空泵72用于在实验初始时抽掉压力容器内的空气，同时在实验结束时，对整个压力容器进行安全减压。
所述压力容器筒体1与左端盖21和右端盖22通过螺栓螺母进行密封连接；压力容器筒体1内壁设有三条凹型导轨包括一条齿条轨道11和两条平滑轨道12，对实验管道起支撑作用。
所述氮气充压管道23工作温度不高于室温25℃，材料选用ODS钢，从左端盖21底部贯穿入压力容器筒体1内，持续通入低温高压氮气。
所述试验管道31材料为钨管或ODS钢，有良好的导热性能；试验管道31外需涂敷最高耐温2000K的纳米级保温材料，一方面对试验管道保温，避免热量过度外泄对实验器材产生更高要求，另一方面保护空心感应加热线圈避免高温熔损，维持正常工作。
所述氮气出口接管7连接的真空泵72，抽气率为40-48m3/h，排出的氮气流经第二波纹管截止阀73防止气体逆向回流，再经过氮气出口接管阻火器74排至大气。
所述试验气体采用氢气、氦气或空气等。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明的压力容器采用了端盖与压力容器筒体连接，通过充氮气加压容器，便于创造高压环境，有效防止试验气体泄漏。
2、本发明的实验管道分为多段，由法兰连接，便于灵活调整试验段位置，更改试验件长度。
3、本发明的三叶支架结构设置电机，便于在压力容器外远程控制试验段的位置，并适时调整。齿轮齿条的啮合设计便于在调整位置后固定在适当位置。另外两叶片端部连接圆柱形滑块，设计简单，成本降低，便于操作。由此最大程度上减轻实验安全隐患。
4、本发明的电磁感应分区排布，氮气带走外散的试验件热量，从而维持压力容器内环境相对稳定。
5、通过真空泵抽取容器内压力，防止空气掺杂在容器内与氢气反应发生爆炸。并在试验结束后通过真空泵和安全阀两个回路有效降低容器内压力。
6、本发明的压力容器，具有较简单的结构和连接方式，降低了燃料元件设计的工艺要求，实用性较强。适用于多种形式的试验回路，其气体条件，加热方式满足多种热工水力实验需求。
附图说明
图1为压力容器外围回路布局整体结构示意图。
图2为一种高温气体流动换热安全压力容器结构示意图。
图3为三叶支架叶片末端齿轮与齿条轨道啮合局部示意图。
图4为三叶支架叶片末端滑块与平滑轨道局部示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：
如图1所示，本发明高温气体流动换热安全压力容器，包括压力容器筒体1、气体冷却管道33、交流电源51、感应线圈冷却水箱52、安全阀61、调压管路阻火器62、第一波纹管截止阀71、真空泵72、第二波纹管截止阀73、氮气出口接管阻火器74。所述压力容器筒体1内为高压环境；压力容器外的交流电源51，用于对线圈通电产生磁场；所述压力容器外的感应线圈冷却水箱52，用于带走线圈在产生磁场时附带的热量，避免线圈被烧毁；所述气体冷却管道33用于冷却被加热的试验气体；调压管路6连接的安全阀61用于在压力容器内压力过高时自动减压。氮气出口接管7连接真空泵72用于在实验初始时抽掉压力容器内的空气，同时在实验结束时，对整个压力容器进行安全减压，排出的氮气流经第二波纹管截止阀73防止气体逆向回流，再经过氮气出口接管阻火器74排至大气。
如图2所示，本发明高温气体流动换热安全压力容器包括压力容器筒体1内壁的齿条轨道11和平滑轨道12、左端盖21和右端盖22、氮气充压管道23、试验管道31、法兰32、三叶支撑架叶片41、电机42、直齿轮43、滑块44、空心感应加热线圈5、调压管路6和氮气出口接管7。所述氮气充压管道23将氮气经左端盖21通入压力容器筒体1内，使氮气充满整个压力容器空间，以维持一个稳定的高压环境；所述空心感应加热线圈5由压力容器外的交流电源51供电产生磁场加热试验管壁；所述试验管道31从左端通入试验气体，经过线圈部分缠绕的管道被加热至一定温度。
如图3所示，所述三叶支撑架4的其中一个叶片的端部连接电机42，电机42与直齿轮43连接，通过三叶支撑架4与齿条轨道11啮合，将试验管道31固定在某一位置，便于合理布局实验段的长度和位置，并进行多种实验。
如图4所示，所述三叶支撑架4的另外两个叶片端部连接滑块44，直接在平滑轨道12上滑动。
本发明一种高温气体流动换热安全压力容器的工作方法为：在试验前，先通过真空泵72将压力容器筒体1内空气抽干，接着开启压力容器外的交流电源51，使空心感应加热线圈5通电产生磁场加热试验管道31；然后通过氮气充压管道23对压力容器筒体1内部充氮气加压，特别地，当压力容器筒体1内压力过高时，通过安全阀61调节压力，维持容器内压力稳定。试验开始时，对试验管路31通入试验气体，试验气体流经加热管段时被热管段内壁加热；压力容器外的感应线圈冷却水箱52，用于带走线圈在产生磁场时附带的热量，避免线圈被烧毁。气体冷却管道33用于冷却被加热的试验气体，而后排出。实验结束后，需要对压力容器进行泄压，排出的氮气流经第二波纹管截止阀73防止气体逆向回流，再经过氮气出口接管阻火器74排至大气。接着调节三叶支撑架的位置并固定，准备下一次试验。
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中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种高温气体流动换热安全压力容器，其特征在于：包括压力容器筒体(1)，设置在压力容器筒体(1)内壁的齿条轨道(11)和平滑轨道(12)；设置在压力容器筒体(1)两端的左端盖(21)和右端盖(22),设置在左端盖(21)上的氮气充压管道(23)；设置在压力容器筒体(1)内中心位置的试验管道(31)，试验管道(31)分为多段，由法兰(32)连接，以及试验管道(31)末端的气体冷却管道(33)；设置在试验管道(31)上的三叶支撑架(4)；设置在试验管道(31)上的空心感应加热线圈(5)，与空心感应加热线圈(5)连接的交流电源(51)和感应线圈冷却水箱(52)；设置在压力容器筒体(1)外侧壁上的调压管路(6)，与调压管路(6)连接的安全阀(61)和调压管路阻火器(62)；设置在压力容器筒体(1)外侧壁上的氮气出口接管(7)，与氮气出口接管(7)连接的第一波纹管截止阀(71)、真空泵(72)、第二波纹管截止阀(73)和氮气出口接管阻火器(74)；所述氮气充压管道(23)将氮气经左端盖(21)通入压力容器筒体(1)内，使氮气充满整个压力容器空间，以维持一个稳定的高压环境，有效防止试验气体从试验管道逸出；所述三叶支撑架(4)含有三个叶片(41)，其中一个叶片的端部连接电机(42)，电机(42)与直齿轮(43)连接，直齿轮(43)与齿条轨道(11)啮合，另外两个叶片端部连接滑块(44)，滑块(44)直接在平滑轨道(12)上滑动；通过三叶支撑架(4)与压力容器导轨的啮合，将试验管道(31)固定在压力容器筒体中心位置，便于布局实验段的长度和位置，并进行多种实验；所述空心感应加热线圈(5)由压力容器外的交流电源(51)供电，空心感应加热线圈(5)主要提供磁场，通过产生的磁感线加热试验管道(31)；所述空心感应加热线圈(5)内部流有冷却水，冷却水来源于压力容器外的感应线圈冷却水箱(52)，用于带走空心感应加热线圈在产生磁场时附带的热量，避免空心感应加热线圈被烧毁；所述试验管道(31)从左端通入试验气体，经过空心感应加热线圈部分缠绕的管道被加热至预设温度，而后经过气体冷却管道(33)被冷却；所述调压管路(6)连接的安全阀(61)用于在压力容器内压力过高时自动减压；所述氮气出口接管(7)连接真空泵(72)用于在实验初始时抽掉压力容器内的空气，同时在实验结束时，对整个压力容器进行安全减压。
2.根据权利要求1所述的一种高温气体流动换热安全压力容器，其特征在于：所述压力容器筒体(1)与左端盖(21)和右端盖(22)通过螺栓螺母进行密封连接；压力容器筒体(1)内壁设有三条凹型导轨包括一条齿条轨道(11)和两条平滑轨道(12)，对实验管道起支撑作用。
3.根据权利要求1所述的一种高温气体流动换热安全压力容器，其特征在于：所述氮气充压管道(23)工作温度不高于室温25℃，材料选用ODS钢，从左端盖(21)底部贯穿入压力容器筒体(1)内，持续通入低温高压氮气。
4.根据权利要求1所述的一种高温气体流动换热安全压力容器，其特征在于：所述试验管道(31)材料为钨管或ODS钢，有良好的导热性能；试验管道(31)外需涂敷最高耐温2000K的纳米级保温材料，一方面对试验管道保温，避免热量过度外泄对实验器材产生更高要求，另一方面保护空心感应加热线圈避免高温熔损，维持正常工作。
5.根据权利要求1所述的一种高温气体流动换热安全压力容器，其特征在于：所述氮气出口接管(7)连接的真空泵(72)，抽气率为40-48m3/h，排出的氮气流经第二波纹管截止阀(73)防止气体逆向回流，再经过氮气出口接管阻火器(74)排至大气。
6.根据权利要求1所述的一种高温气体流动换热安全压力容器，其特征在于：所述试验气体采用氢气、氦气或空气。
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