CN114414620B - 一种高温高压气体流动换热实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种高温高压气体流动换热实验装置及方法，用于实验研究气体在高温高压条件下的流动换热及压降特性，实验装置包括供气系统、压缩空气系统、抽真空系统、加热系统、冷却系统和测量仪表及信号采集系统；供气系统用于提供气源，并控制气体压力，保证实验在预定流量下运行并消除流量波动；压缩空气系统提供高压空气以驱动气体增压泵；抽真空系统用于向实验回路充装高纯气体之前，抽走回路中的空气，以及维持实验段真空腔内的真空环境；加热系统为气体预热并加热用于开展高温高压气体流动换热及压降实验的实验段；冷却系统用于冷却实验段流出的高温气体，使其可以循环使用；测量仪表及信号采集系统用于测量实验回路中的压力、流量、温度等参数并进行采集和记录。

Description

一种高温高压气体流动换热实验装置及方法

技术领域

本发明涉及气体流动换热领域，具体涉及一种高温高压气体气体流动换热实验装置及方法。

背景技术

高温高压气体流动换热实验是高温气冷堆研发的重要课题之一。针对管内对流传热，国外有很多不同形式的传热关系式，各自有其对应的使用范围。但在现有的气体流动传热实验研究中，将圆管直径固定的研究居多，缺乏对不同直径圆管，以及不同宽度矩形窄缝中流动传热特性的研究。现有的气体流动传热实验中，气体出口温度大多不超过700℃，缺少对高出口温度时气体流动传热特性的研究。并且缺乏对小规模，模块式实验台架的设计。

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高温高压气体流动换热实验装置及方法，为研究高温高压工况下气体在圆管以及矩形窄缝中的流动换热特性提供实验装置和方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高温高压气体流动换热实验装置，由供气系统、压缩空气系统、抽真空系统、加热系统、冷却系统和测量仪表及信号采集系统组成；所述供气系统主体为高压气体瓶20通过第一阀门17向实验回路提供高纯气体并补充泄露气体，第一缓冲罐9和第二缓冲罐11作为稳压装置，能够有效消除流道内的流量及压力波动；气体增压泵组10将充分冷却的循环气体压缩至高压，高压气体经过第一减压阀12调整回路压力和质量流量，通过第一质量流量控制器14和第二质量流量控制器15对回路流量进行测量，供气管路上布置第一绝缘法兰13以消除实验段加热电极在实验回路上产生的电流；加热系统包括蛇形预热段16与实验段2，实验段2位于真空腔3中，实验段2两端连接差压变送器；蛇形预热段16由电加热丝缠绕，通过调压器调控加载在加热丝上的电压，从而改变蛇形预热段16加热功率，使气体温度达到期望的进口温度；通过在实验段2两端夹持的电加热电极1连接低压大电流的直流电源5进行加热，以满足预计的实验工况，在差压变送器入口取压管上布置第二绝缘法兰6以消除实验段加热电极在差压测量装置上产生的电流；压缩空气系统包括依次连接的螺杆式空压机22、空气缓冲罐23、压缩空气过滤器24、冷冻式压缩空气干燥机25和第二减压阀26，第二减压阀26出口连接气体增压泵组10；通过螺杆式空压机22将常压空气进行压缩，空气缓冲罐23用来消除高压空气的压力波动，通过压缩空气过滤器24以及冷冻式压缩空气干燥机25对压缩空气除尘除油和除水，并通过第二减压阀26调整压缩空气系统出口空气压力；抽真空系统包括真空泵21以及与真空泵21连接的第二阀门18和第三阀门19，第二阀门18入口连接在实验回路上，第三阀门19入口连接真空腔3，抽真空系统在实验开始前抽取实验回路中的空气，并在实验过程中维持真空腔3中的负压；实验段2采用热电偶测量实验段2壁面温度和实验段2进出口的气体温度，采用压力表测量实验段2入口处的气体压力，采用差压变送器测量实验段2进出口处气体压差，并将测量信息以电信号的形式传输至信号采集系统4；冷却系统由空气冷却段7和水冷套管8组成，用于冷却气体，使气体降温后进入第一缓冲罐9，并通过水泵27将储水箱28中储存的冷却水输送至水冷套管8水侧冷却气侧高温气体，通过调节旁通管道上的第四阀门30控制流经水冷套管8的冷却水流量，为提高水冷套管8冷却能力，高温侧气体和低温侧冷却水逆向流动，储水箱28中冷却水从下部流入、自上部流出；所述实验段2、空气冷却段7、水冷套管8气侧、第一缓冲罐9、气体增压泵组10、第二缓冲罐11、第一减压阀12、并联的第一质量流量控制器14和第二质量流量控制器15和蛇形预热段16依次串联组成实验回路。

所述实验段2使用圆管或矩形窄缝，且实验段2可更换。

所述实验段2材料选用钨合金，为避免钨合金在高温下的氧化，实验段2置于真空腔3中，真空腔3与实验段2之间采用石墨盘根密封；电加热电极1由两部分组成夹持实验段2，电加热电极1采用钼电极以承受高温，然后通过铜导线与直流电源5相连；测温热电偶与实验段外壁面直接接触，并采用氧化镁套环固定。

实验段出口高温气体先通入空气冷却器7以防止水冷套管8管道进出口温差过大；供气系统中布置并联的气体增压泵组10以提供实验需求的质量流量；第一减压阀12出口设置第一绝缘法兰13以防止直流电源供电泄露至实验回路中；布置不同量程的第一质量流量控制器14和第二质量流量控制器15对不同范围内的质量流量进行测量。

所述的一种高温高压气体流动换热实验装置的实验方法，其特征在于：开启第二阀门18并启动真空泵21抽取一定量实验回路中的空气及混合气体，关闭第二阀门18，开启第一阀门17，使用高压气体瓶20向实验回路中充入一定量高纯气体，关闭第一阀门17停止充气过程，多次重复真空泵21抽取实验回路混合气体以及通过高压气体瓶20向实验回路补充高纯气体的过程，保证最终实验回路中储存足量的高纯实验气体，通过第二缓冲罐11上的压力表29观察实验回路的保压密封情况，对实验回路中出现的气体泄露点，进行焊接密封处理；启动螺杆式空压机22、压缩空气过滤器24以及冷冻式压缩空气干燥机25提供压缩空气以驱动气体增压泵组10，调节第二减压阀26使气体增压泵组10出口气体达到预定压力，调节第一减压阀12使实验回路达到预定流量；启动水泵27向水冷套管8通入冷却水，使实验回路具备冷却能力；启动真空泵21，并开启第三阀门19，对真空腔3进行抽真空处理，以防止实验段2在高温状态下发生氧化；对蛇形预热段16所缠绕的电加热丝通电，通过电加热的方式将蛇形预热段16出口气体温度升高至期望值；开启直流电源5对实验段2进行供电，通过实验段2进出口所夹持的电加热电极1对实验段2施加低电压、大电流，以电流产生的焦耳热对实验段2进行加热；实验段外壁面通过氧化镁套环固定测温热电偶测量壁面温度，实验段进出口布置压力表和差压变送器以及管内测温热电偶测量实验段进口压力、进出口压力差和实验段进出口流体温度，将测量得到的温度及压力信号传输至信号采集系统4；通过调节第二减压阀26及第一减压阀12，改变气体增压泵组10所驱动的实验回路气体流量，并通过控制蛇形预热段和实验段的电加热功率，完成实验段在不同质量流量及不同进出口温度工况下的流动换热及压降特性数据采集工作。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1)实验段可进行更换，用于研究不同直径圆管，以及不同宽度矩形窄缝中气体的流动传热特性；

2)压力范围0.1-2.0MPa，出口温度达到1000℃，可用于研究高温高压气体流动传热特性；

3)实验装置具有小规模，模块式的特点；

4)高温气体回路布置两组缓冲罐，可以降低气体增压泵瞬态压力波动对回路压力和流量的影响；

5)回路并联布置有两组量程不同的质量流量控制器，可以满足实验段层流到充分发展湍流的精确流量测量要求；

6)实验段压力及压差测量取压管路布置有绝缘法兰，可以消除电加热效应对气体压力测量的影响，同时使压力变送器屏蔽掉直流电源产生的电信号噪声。

附图说明

图1为本发明高温高压气体流动换热实验装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如附图1所示，本发明一种高温高压气体流动换热实验装置，用于实验研究气体在高温高压条件下的流动换热及压降特性，由供气系统、压缩空气系统、抽真空系统、加热系统、冷却系统和测量仪表及信号采集系统组成；供气系统用于提供气源，并通过控制储气罐出口气体压力，保证实验在预定流量下运行，同时消除流量波动；压缩空气系统可提供洁净干燥的高压空气以驱动气体增压泵；抽真空系统用于向实验回路充装高纯气体之前，抽走回路中的空气，以及维持实验段真空腔内的真空环境；加热系统用于根据实验工况要求，为气体预热并加热用于开展高温高压气体流动换热及压降实验的实验段；冷却系统用于冷却实验段流出的高温气体，使其可以循环使用；测量仪表及信号采集系统用于测量实验回路中的压力、流量、温度等参数并进行采集和记录。以下详细描述实验装置各部分的组成：

所述供气系统主体为高压气体瓶20通过第一阀门17向实验回路提供高纯气体并补充泄露气体，第一缓冲罐9和第二缓冲罐11作为稳压装置，能够有效消除流道内的流量及压力波动；气体增压泵组10将充分冷却的循环气体压缩至高压，高压气体经过第一减压阀12调整回路压力和质量流量，通过第一质量流量控制器14和第二质量流量控制器15对回路流量进行测量，供气管路上布置第一绝缘法兰13以消除实验段加热电极在实验回路上产生的电流；加热系统包括蛇形预热段16与实验段2，实验段2位于真空腔3中，实验段2两端连接差压变送器；蛇形预热段16由电加热丝缠绕，通过调压器调控加载在加热丝上的电压，从而改变蛇形预热段16加热功率，使气体温度达到期望的进口温度；通过在实验段2两端夹持的电加热电极1连接低压大电流的直流电源5进行加热，以满足预计的实验工况，在差压变送器入口取压管上布置第二绝缘法兰6以消除实验段加热电极在差压测量装置上产生的电流；压缩空气系统包括依次连接的螺杆式空压机22、空气缓冲罐23、压缩空气过滤器24、冷冻式压缩空气干燥机25和第二减压阀26，第二减压阀26出口连接气体增压泵组10；通过螺杆式空压机22将常压空气进行压缩，空气缓冲罐23用来消除高压空气的压力波动，通过压缩空气过滤器24以及冷冻式压缩空气干燥机25对压缩空气除尘除油和除水，并通过第二减压阀26调整压缩空气系统出口空气压力；抽真空系统包括真空泵21以及与真空泵21连接的第二阀门18和第三阀门19，第二阀门18入口连接在实验回路上，第三阀门19入口连接真空腔3，抽真空系统在实验开始前抽取实验回路中的空气，并在实验过程中维持真空腔3中的负压；实验段2采用热电偶测量实验段2壁面温度和实验段2进出口的气体温度，采用压力表测量实验段2入口处的气体压力，采用差压变送器测量实验段2进出口处气体压差，并将测量信息以电信号的形式传输至信号采集系统4；冷却系统由空气冷却段7和水冷套管8组成，用于冷却气体，使气体降温后进入第一缓冲罐9，并通过水泵27将储水箱28中储存的冷却水输送至水冷套管8水侧冷却气侧高温气体，通过调节旁通管道上的第四阀门30控制流经水冷套管8的冷却水流量，为提高水冷套管8冷却能力，高温侧气体和低温侧冷却水逆向流动，储水箱28中冷却水从下部流入、自上部流出；所述实验段2、空气冷却段7、水冷套管8气侧、第一缓冲罐9、气体增压泵组10、第二缓冲罐11、第一减压阀12、并联的第一质量流量控制器14和第二质量流量控制器15和蛇形预热段16依次串联组成实验回路。

作为本发明的优选实施方式，所述实验段2使用圆管或矩形窄缝，且实验段2可更换。

作为本发明的优选实施方式，所述实验段2材料选用钨合金，为避免钨合金在高温下的氧化，实验段2置于真空腔3中，真空腔3与实验段2之间采用石墨盘根密封；电加热电极1由两部分组成夹持实验段2，电加热电极1采用钼电极以承受高温，然后通过铜导线与直流电源5相连；测温热电偶与实验段外壁面直接接触，并采用氧化镁套环固定。

实验段出口高温气体先通入空气冷却器7以防止水冷套管8管道进出口温差过大；供气系统中布置并联的气体增压泵组10以提供实验需求的质量流量；第一减压阀12出口设置第一绝缘法兰13以防止直流电源供电泄露至实验回路中；布置不同量程的第一质量流量控制器14和第二质量流量控制器15对不同范围内的质量流量进行测量。

如图1所述，本发明所述的一种高温高压气体流动换热实验装置的实验方法，开启第二阀门18并启动真空泵21抽取一定量实验回路中的空气及混合气体，关闭第二阀门18，开启第一阀门17，使用高压气体瓶20向实验回路中充入一定量高纯气体，关闭第一阀门17停止充气过程，多次重复真空泵21抽取实验回路混合气体以及通过高压气体瓶20向实验回路补充高纯气体的过程，保证最终实验回路中储存足量的高纯实验气体，通过第二缓冲罐11上的压力表29观察实验回路的保压密封情况，对实验回路中出现的气体泄露点，进行焊接密封处理；启动螺杆式空压机22、压缩空气过滤器24以及冷冻式压缩空气干燥机25提供压缩空气以驱动气体增压泵组10，调节第二减压阀26使气体增压泵组10出口气体达到预定压力，调节第一减压阀12使实验回路达到预定流量；启动水泵27向水冷套管8通入冷却水，使实验回路具备足够的冷却能力；启动真空泵21，并开启第三阀门19，对真空腔3进行抽真空处理，以防止实验段2在高温状态下发生氧化；对蛇形预热段16所缠绕的电加热丝通电，通过电加热的方式将蛇形预热段16出口气体温度升高至期望值；开启直流电源5对实验段2进行供电，通过实验段2进出口所夹持的电加热电极1对实验段2施加低电压、大电流，以电流产生的焦耳热对实验段2进行加热；实验段外壁面通过氧化镁套环固定测温热电偶测量壁面温度，实验段进出口布置压力表和差压变送器以及管内测温热电偶测量实验段进口压力、进出口压力差和实验段进出口流体温度，将测量得到的温度及压力信号传输至信号采集系统4；通过调节第二减压阀26及第一减压阀12，改变气体增压泵组10所驱动的实验回路气体流量，并通过控制蛇形预热段和实验段的电加热功率，完成实验段在不同质量流量及不同进出口温度工况下的流动换热及压降特性数据采集工作。

Claims (5)

1.一种高温高压气体流动换热实验装置，其特征在于：由供气系统、压缩空气系统、抽真空系统、加热系统、冷却系统和测量仪表及信号采集系统组成；所述供气系统主体为高压气体瓶(20)通过第一阀门(17)向实验回路提供高纯气体并补充泄露气体，第一缓冲罐(9)和第二缓冲罐(11)作为稳压装置，能够有效消除流道内的流量及压力波动；气体增压泵组(10)将充分冷却的循环气体压缩至高压，高压气体经过第一减压阀(12)调整回路压力和质量流量，通过第一质量流量控制器(14)和第二质量流量控制器(15)对回路流量进行测量，供气管路上布置第一绝缘法兰(13)以消除实验段加热电极在实验回路上产生的电流；加热系统包括蛇形预热段(16)与实验段(2)，实验段(2)位于真空腔(3)中，实验段(2)两端连接差压变送器；蛇形预热段(16)由电加热丝缠绕，通过调压器调控加载在加热丝上的电压，从而改变蛇形预热段(16)加热功率，使气体温度达到期望的进口温度；通过在实验段(2)两端夹持的电加热电极(1)连接低压大电流的直流电源(5)进行加热，以满足预计的实验工况，在差压变送器入口取压管上布置第二绝缘法兰(6)以消除实验段加热电极在差压测量装置上产生的电流；压缩空气系统包括依次连接的螺杆式空压机(22)、空气缓冲罐(23)、压缩空气过滤器(24)、冷冻式压缩空气干燥机(25)和第二减压阀(26)，第二减压阀(26)出口连接气体增压泵组(10)；通过螺杆式空压机(22)将常压空气进行压缩，空气缓冲罐(23)用来消除高压空气的压力波动，通过压缩空气过滤器(24)以及冷冻式压缩空气干燥机(25)对压缩空气除尘除油和除水，并通过第二减压阀(26)调整压缩空气系统出口空气压力；抽真空系统包括真空泵(21)以及与真空泵(21)连接的第二阀门(18)和第三阀门(19)，第二阀门(18)入口连接在实验回路上，第三阀门(19)入口连接真空腔(3)，抽真空系统在实验开始前抽取实验回路中的空气，并在实验过程中维持真空腔(3)中的负压；实验段(2)采用热电偶测量实验段(2)壁面温度和实验段(2)进出口的气体温度，采用压力表测量实验段(2)入口处的气体压力，采用差压变送器测量实验段(2)进出口处气体压差，并将测量信息以电信号的形式传输至信号采集系统(4)；冷却系统由空气冷却段(7)和水冷套管(8)组成，用于冷却气体，使气体降温后进入第一缓冲罐(9)，并通过水泵(27)将储水箱(28)中储存的冷却水输送至水冷套管(8)水侧冷却气侧高温气体，通过调节旁通管道上的第四阀门(30)控制流经水冷套管(8)的冷却水流量，为提高水冷套管(8)冷却能力，高温侧气体和低温侧冷却水逆向流动，储水箱(28)中冷却水从下部流入、自上部流出；所述实验段(2)、空气冷却段(7)、水冷套管(8)气侧、第一缓冲罐(9)、气体增压泵组(10)、第二缓冲罐(11)、第一减压阀(12)、并联的第一质量流量控制器(14)和第二质量流量控制器(15)和蛇形预热段(16)依次串联组成实验回路。

2.根据权利要求1所述的一种高温高压气体流动换热实验装置，其特征在于：所述实验段(2)使用圆管或矩形窄缝，且实验段(2)可更换。

3.根据权利要求1所述的一种高温高压气体流动换热实验装置，其特征在于：所述实验段(2)材料选用钨合金，为避免钨合金在高温下的氧化，实验段(2)置于真空腔(3)中，真空腔(3)与实验段(2)之间采用石墨盘根密封；电加热电极(1)由两部分组成夹持实验段(2)，电加热电极(1)采用钼电极以承受高温，然后通过铜导线与直流电源(5)相连；测温热电偶与实验段外壁面直接接触，并采用氧化镁套环固定。

4.根据权利要求1所述的一种高温高压气体流动换热实验装置，其特征在于：实验段出口高温气体先通入空气冷却器(7)以防止水冷套管(8)管道进出口温差过大；供气系统中布置并联的气体增压泵组(10)以提供实验需求的质量流量；第一减压阀(12)出口设置第一绝缘法兰(13)以防止直流电源供电泄露至实验回路中；布置不同量程的第一质量流量控制器(14)和第二质量流量控制器(15)对不同范围内的质量流量进行测量。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种高温高压气体流动换热实验装置的实验方法，其特征在于：开启第二阀门(18)并启动真空泵(21)抽取一定量实验回路中的空气及混合气体，关闭第二阀门(18)，开启第一阀门(17)，使用高压气体瓶(20)向实验回路中充入一定量高纯气体，关闭第一阀门(17)停止充气过程，多次重复真空泵(21)抽取实验回路混合气体以及通过高压气体瓶(20)向实验回路补充高纯气体的过程，保证最终实验回路中储存足量的高纯实验气体，通过第二缓冲罐(11)上的压力表(29)观察实验回路的保压密封情况，对实验回路中出现的气体泄露点，进行焊接密封处理；

启动螺杆式空压机(22)、压缩空气过滤器(24)以及冷冻式压缩空气干燥机(25)提供压缩空气以驱动气体增压泵组(10)，调节第二减压阀(26)使气体增压泵组(10)出口气体达到预定压力，调节第一减压阀(12)使实验回路达到预定流量；启动水泵(27)向水冷套管(8)通入冷却水，使实验回路具备冷却能力；

启动真空泵(21)，并开启第三阀门(19)，对真空腔(3)进行抽真空处理，以防止实验段(2)在高温状态下发生氧化；对蛇形预热段(16)所缠绕的电加热丝通电，通过电加热的方式将蛇形预热段(16)出口气体温度升高至期望值；开启直流电源(5)对实验段(2)进行供电，通过实验段(2)进出口所夹持的电加热电极(1)对实验段(2)施加低电压、大电流，以电流产生的焦耳热对实验段(2)进行加热；实验段外壁面通过氧化镁套环固定测温热电偶测量壁面温度，实验段进出口布置压力表和差压变送器以及管内测温热电偶测量实验段进口压力、进出口压力差和实验段进出口流体温度，将测量得到的温度及压力信号传输至信号采集系统(4)；

通过调节第二减压阀(26)及第一减压阀(12)，改变气体增压泵组(10)所驱动的实验回路气体流量，并通过控制蛇形预热段和实验段的电加热功率，完成实验段在不同质量流量及不同进出口温度工况下的流动换热及压降特性数据采集工作。