CN115060498A - 一种高温高速气体流动换热特性研究实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种高温高速气体流动换热特性研究实验装置，包括依次相连的压缩机、储气罐、过滤器、稳定过滤器后压力的减压阀、流量调节用的截止阀、气体流量计、管内气体温度传感器、压力传感器、预热器、焊有螺纹底座的进口段腔室和出口段腔室、流动换热实验段、出口压力调节阀、连接各设备的PVC软管和不锈钢管。本发明采用了模块化设计，相对于传统实验装置灵活性高，测量精度提高，研究现象更为丰富，瞬态运行条件下可实现实时、高频数据采集，可模拟反应堆正常运行及事故工作过程，为开式核动力反应堆瞬态运行特性研究提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种实验装置，具体地说是气体介质传热、摩擦阻力特性研究以及瞬态条件下换热器温度响应特性研究的实验装置。
背景技术
临近空间处于地球表面以上20-100公里的区域，其高度无法满足航空器或航天器的飞行要求，是人类空间应用的盲区。而临近空间在天气预报、电磁通信、高分辨率宽幅成像等方面的重要意义，近年来引起许多国家关注。为了满足临近空间探索的任务需求，临近空间飞行器的研制刻不容缓，核动力飞机具有功率密度大、续航时间长、推力大、覆盖范围广等优点，可作为一种临近空间飞行器。核动力发动机中采用开式循环反应堆，高温高速空气作为冷却剂带走堆芯产生的热量，并作为推进剂为飞行器产生推力。作为一种新型的空气冷却反应堆，与常规反应堆相比有两点不同，其一是空气与常规冷却剂水、氦和液态金属等相比有差异。表现在空气具有可压缩性，且物性参数随温度和压力变化，高温高速空气参数如温度、压力、速度对空气流动阻力及与堆芯的换热性能有较大影响，若发生阻塞和传热恶化，会威胁反应堆的安全运行。其二是反应堆机动性强，运行参数随飞行工况变化，相对于常规反应堆，必须考虑瞬态工况条件下空气的换热特性和反应堆的温度响应特点，以保证热量能被安全带出。国内外针对空气流动换热的实验研究多停留在上世纪60年代前后，近年来有关空气流动换热的研究多为外略式，管内流动换热的研究不足；许多研究主要关注在稳态条件下，恒壁热流密度或温度条件下，整个管道的平均传热能力。瞬态条件及热流密度(如沿反应堆轴向的余弦分布)，变物性空气的流动和热工参数(包括温度、压力、速度和加热功率)变化对流动换热特性的影响特点和机理关注较少。近年来随着学者对新型空气冷却式反应堆的关注度越来越高，研究冷却剂通道中空气的稳态及瞬态流动换热特性，掌握其流动换热机理，从而为设计高效安全的核动力发动机提供指导具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供能够实现快速安装，且能够进行多种气体工质稳态和瞬态条件下的流动换热特性研究的一种高温高速气体流动换热特性研究实验装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种高温高速气体流动换热特性研究实验装置，其特征是：包括压缩机、储气罐、过滤器、减压阀、截止阀、气体流量计、气体温度传感器、压力传感器、预热器、进口段腔室、流动换热实验段、出口段腔室、出口压力调节阀，所述包括压缩机、储气罐、过滤器、减压阀、截止阀、气体流量计、气体温度传感器、压力传感器、预热器、进口段腔室、流动换热实验段、出口段腔室、出口压力调节阀通过实验管道依次相连，所述实验管道包括PVC软管和不锈钢管，压缩机和储气罐之间通过PVC软管相连，过滤器通过螺纹快接头串联到储气罐出口的PVC软管中，减压阀两端带有法兰，一侧的法兰与上游PVC软管连接，另一侧与下游的不锈钢钢管连接，其后方的实验管道均为不锈钢管。
本发明还可以包括：
1、截止阀带有法兰盘，串联在距离减压阀10倍管径位置处。
2、气体流量计通过法兰连接入实验管道，且在上游留有超过10倍管径的直管段，下游留有超过5倍管径的直管段。
3、气体温度传感器和压力传感器带有外螺纹接头；先将内螺纹管座焊接到实验管路中，再将所述螺纹接头缠绕生胶带后，旋入管座。
4、预热器进出口形式为低进高出并通过法兰连接进实验管道，预热器后的进口段腔室与其出口等高，并通过法兰连接。
5、进口段腔室和出口段腔室均设置4片等距交错排列的挡板，焊接在箱体侧面上，腔体上方焊接有4个螺纹底座。
6、进口段腔室和出口段腔室的螺纹底座共有4个，并焊接在靠近流动换热实验段的一侧，2个螺纹底座连接热电偶，1个螺纹底座连接压力传感器，1个螺纹底座连接差压式传感器。
7、流动换热实验段上每隔5cm，在对称位置上布置有一对热电偶，整个流动换热实验段包裹上石棉保温。
本发明的优势在于：
(1)灵活性高，可开展多种工质的流动换热实验，同时变径管和法兰盘的使用，使得不同管径实验段的替换更为方便；
(2)测量精度提高，在进出口实验段增加了腔室，对气体减速，提高由于气体高速流动引起气体滞止压力和温度测量不准的问题；
(3)研究现象更为丰富，可进行稳态条件下不同温度、速度、压力和加热功率时气体流动换热特性的研究，以模拟核动力反应堆正常运行工况，实现流动换热特性的实验演示验证；
(4)可开展非稳态条件下的流动换热实验研究，实现数据实时、高频采集；通过调节阀门开度实现流量增大或减小工况，可模拟反应堆变工况运行过程或反应堆发生失流事故过程，采用编程方法调节电源功率，可模拟反应堆功率增加或减小过程以及引入正或负反应性过程，获得冷却剂与反应堆燃料的温度响应特性和规律，以掌握开式核动力反应堆瞬态运行特性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为流动换热实验段结构图；
图3为导电铜片示意图；
图4为进、出口段腔室主视图；
图5为进、出口段腔室左视图；
图6为进、出口段腔室俯视图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-6，本发明的高温高速气体流动换热特性研究实验装置管路图，用于研究稳态和瞬态条件下等截面管的换热特性和摩擦阻力特性。该实验装置为开式管路，气体可直接排放进入大气。实验装置包括压缩机1、储气罐2、过滤器3、稳定过滤器后压力的减压阀4、流量调节用的截止阀5、气体流量计6、管内气体温度传感器7、压力传感器8、预热器9、焊有螺纹底座的进口段腔室10和出口段腔室16、流动换热实验段13、测量进出口腔室温度和压力的温度仪表11和15、压力仪表12和14和出口压力调节阀17。所述实验部件均焊接有法兰盘，法兰通过螺钉压紧，中间垫有耐高温金属垫片，防止漏气。
连接各设备的PVC软管耐压2.5MPa，不锈钢管为工业用304不锈钢，可承受2.5MPa以下的气体压力。所述压缩机1和储气罐2之间通过带有法兰的PVC软管连接。所述过滤器3含有多级，通过螺纹快接头串联到储气罐2出口的PVC管道中。所述减压阀4两端带有法兰，一端与上游PVC软管连接，另一端与下游的不锈钢管连接，此后的管道均为不锈钢管。所述流量调节用的截止阀5带有法兰盘，串联在距离减压阀10倍管径位置处。所述气体流量计6通过法兰连接入管道，且在上游留有超过10倍管径的直管段，下游留有超过5倍管径的直管段。所述管内气体温度传感器7和压力传感器8带有外螺纹接头；先将内螺纹管座焊接到实验管路中，再将所述螺纹接头缠绕生胶带后，旋入管座。所述预热器9进出口形式为低进高出并通过法兰连接进实验回路。预热器9后的进口腔室10与其出口等高，并通过法兰连接。所述进口腔室10后为光面304不锈钢实验段13，实验段13后为出口腔室16，三者通过变径管连接，且位于同一高度。所述出口腔室16的出口通过法兰与出口压力调节阀17连接，阀门后接管道用于气体排放。
所述实验装备的进出口端均焊接有PN16标准法兰盘，法兰之间均装有防漏气耐高温金属垫片。所述过滤器由1级固体颗粒过滤器、1级油气过滤器、2级水汽过滤器组成。减压阀上带有压力表，其后端通过两端带有法兰的直管与截止阀连接。所述进、出口腔室内部有4片等距交错排列的挡板，焊接在箱体侧面上，腔体上方焊接有4个螺纹底座。进、出口腔室上的螺纹底座共有4个，并焊接在靠近实验段的一侧，2个连接热电偶，1个连接压力传感器，1个连接差压式传感器。实验段材质为304不锈钢，两端焊接有304材质的法兰盘，先与导电铜片相连，再通过标准变径管多级变径后通过法兰与进出口段腔室连接。实验管段上每隔5cm，在对称位置上布置有一对热电偶，整个实验段包裹上石棉保温。所述导电铜片为扁长型，一端按照DN15的法兰盘打孔，一端均布4个螺纹孔，夹在实验段和变径管的法兰之间。所述变径管长30毫米为锥形，一端直径较大，另一端直径较小，两端均焊接有法兰盘。出口压力调节阀可为闸阀、截止阀或电动调节阀。
结合图2为本发明的流动换热实验段结构图，实验装置包括电绝缘垫片18、实验段法兰19、渐扩管20和21、导电铜片22、渐缩管23和24。实验段13包括304不锈钢实验段和法兰盘，通过焊接的方式将法兰盘19焊接在304不锈钢实验段的两端，要求三者为同心圆。渐缩管和渐扩管亦是通过焊接和法兰盘连接，所述法兰和管道均为同心圆形式。根据实验管路不同位置处所受温度限值不同，采用了相应的垫片。其中，进口段箱体10和渐缩管24、23之间装有耐高温金属垫片25密封；渐缩管23和铜片之间装有电绝缘垫片18，隔断电流；实验段13出口空气温度较高，在导电铜片22和渐扩管21的法兰之间装有电绝缘云母垫片和金属垫片；渐扩管20、21和出口箱体16的法兰之间装有金属垫片。该安装方式避免了实验段漏电现象，同时可保证法兰连接在高温下仍可靠。
结合图3是本发明的导电铜片示意图，导电铜片27包括法兰端26和铜线端28。其中法兰端按照DN15法兰盘钻有4个螺钉孔和一个流通通道，铜线端钻有4个螺钉孔，方便固定加热导线。
结合图4-6为本发明的进、出口段腔室示意图，两腔室结构和加工方法完全相同，包括主视图、俯视图和左视图。该腔室包括测量通道用螺纹底座29和扰流板30。其中螺纹底座29通过焊接的方式连接在腔体的一侧，该种底座共有4个；其中的两个作为热电偶测量通道，装有铠装热电偶测量箱体中气体温度；1个为压力传感器通道，测量气体的绝对压力；最后1个连接差压式传感器，测量进、出口箱体之间的压力差。扰流板30为304不锈钢板，为使空气扰动均匀，扰流板交错排布，2块分别焊接在箱体进出口两端的侧壁面上，2块焊接在箱体中间位置的上下壁面上。连入实验管路时，均将带有螺纹底座的一端靠近实验段13，使得测量的压力和温度参数尽可能的接近实验段气体参数。
Claims (8)
1.一种高温高速气体流动换热特性研究实验装置，其特征是：包括压缩机、储气罐、过滤器、减压阀、截止阀、气体流量计、气体温度传感器、压力传感器、预热器、进口段腔室、流动换热实验段、出口段腔室、出口压力调节阀，所述包括压缩机、储气罐、过滤器、减压阀、截止阀、气体流量计、气体温度传感器、压力传感器、预热器、进口段腔室、流动换热实验段、出口段腔室、出口压力调节阀通过实验管道依次相连，所述实验管道包括PVC软管和不锈钢管，压缩机和储气罐之间通过PVC软管相连，过滤器通过螺纹快接头串联到储气罐出口的PVC软管中，减压阀两端带有法兰，一侧的法兰与上游PVC软管连接，另一侧与下游的不锈钢钢管连接，其后方的实验管道均为不锈钢管。
2.根据权利要求1所述的一种高温高速气体流动换热特性研究实验装置，其特征是：截止阀带有法兰盘，串联在距离减压阀10倍管径位置处。
3.根据权利要求1所述的一种高温高速气体流动换热特性研究实验装置，其特征是：气体流量计通过法兰连接入实验管道，且在上游留有超过10倍管径的直管段，下游留有超过5倍管径的直管段。
4.根据权利要求1所述的一种高温高速气体流动换热特性研究实验装置，其特征是：气体温度传感器和压力传感器带有外螺纹接头；先将内螺纹管座焊接到实验管路中，再将所述螺纹接头缠绕生胶带后，旋入管座。
5.根据权利要求1所述的一种高温高速气体流动换热特性研究实验装置，其特征是：预热器进出口形式为低进高出并通过法兰连接进实验管道，预热器后的进口段腔室与其出口等高，并通过法兰连接。
6.根据权利要求1所述的一种高温高速气体流动换热特性研究实验装置，其特征是：进口段腔室和出口段腔室均设置4片等距交错排列的挡板，焊接在箱体侧面上，腔体上方焊接有4个螺纹底座。
7.根据权利要求6所述的一种高温高速气体流动换热特性研究实验装置，其特征是：进口段腔室和出口段腔室的螺纹底座共有4个，并焊接在靠近流动换热实验段的一侧，2个螺纹底座连接热电偶，1个螺纹底座连接压力传感器，1个螺纹底座连接差压式传感器。
8.根据权利要求1所述的一种高温高速气体流动换热特性研究实验装置，其特征是：流动换热实验段上每隔5cm，在对称位置上布置有一对热电偶，整个流动换热实验段包裹上石棉保温。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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