CN117663473A - 一种获得高温稀有气体的非金属加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获得高温稀有气体的非金属加热装置，包括石墨加热内管、碳化硅陶瓷外管、电磁感应线圈组、电磁感应加热电源、法兰与垫片、隔热层、进出口管道、保护箱；石墨加热内管在感应电加热作用下被加热至超1500℃的高温状态，低温稀有气体由进口管道进入石墨内管与碳化硅外管构成的密闭套管内完成加热的同时为石墨管提供保护氛围，随后达到超1000℃状态的高温稀有气体由出口管道流出；保护箱将电磁感应线圈与被加热的套管包裹在内，减少热量外泄的同时防止非金属材料破裂时的碎片飞溅，提升整体安全特性；整个加热装置采用法兰连接；该加热装置满足将气体加热至较高温度，能够稳定长期地安全运行，同时满足目前的加工工艺要求。
Description
技术领域
本发明涉及超高温气体反应堆热工水力技术领域，具体涉及一种获得高温稀有气体的非金属加热装置。
背景技术
在工业加工和实验研究领域，对高温稀有气体的需求日益增长，这种需求主要集中在以下几个方面：
首先，高温稀有气体在材料处理、合成化学反应和实验室研究等领域具有广泛的应用。例如，在高温下进行物质热处理，提高合成反应速率，或者模拟特殊气氛条件下的实验等。这就需要可靠而高效的加热设备，确保对稀有气体进行精准控制和调节。
其次，工业领域对高温稀有气体的需求在新材料开发和生产过程中表现得尤为明显。高温环境能够改变物质的性质，促使新材料的研发和改良。因此，需要能够提供高精度和高温度稳定性的加热设备，以确保生产过程中对高温稀有气体的精确控制。
此外，实验室研究对高温稀有气体的需求也在不断增加。在核能、等离子体研究和材料科学等领域，科学家们需要在特定温度条件下对稀有气体进行实验。因此，高度可控的、可靠的加热设备对实验室研究的成功至关重要。
综合而言，对于高温稀有气体的需求将极大的促进加热设备领域的不断创新。当前，受限于常规金属材料的最高使用温度与耐高温金属在含氧环境中无法长期使用的问题，工业生产与实验研究中缺少可以长期温度且较高精度产生稀有气体的加热装置；同时，少量可以将稀有气体加热至高温状态的加热装置也因加工难度较高、设备材料较为昂贵且装置本体较小而无法实现商业应用。
发明内容
为了在当前工业生产技术允许的范围内实现稀有气体加热至超高温状态，本发明提供了一种获得超高温稀有气体的非金属加热装置，为超高温稀有气体与不同结构及不同温度恒温壁面的流动换热特性实验提供基础，为超高温气体堆的设计与改进提供实验依据。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种获得高温稀有气体的非金属加热装置，该加热装置用于将稀有气体加热至高温状态以满足工业生产或实验需求，该加热装置包括：稀有气体入口合金钢管道IN、稀有气体入口第一法兰A1、稀有气体入口第二法兰A2、入口法兰紧固套环G1、碳化硅陶瓷外管H1、石墨加热内管H2、电磁感应线圈组R、电磁感应加热电源正极E1、电磁感应加热电源负极E2、入口石墨内管定位销F1、出口石墨内管定位销F2、稀有气体出口第一法兰A3、稀有气体出口第二法兰A4、出口法兰紧固套环G2、稀有气体出口合金钢管道OUT、耐高温保温填充材料C和加热装置整体保护箱S1；石墨加热内管H2通过放置于稀有气体入口第二法兰A2中的入口石墨内管定位销F1与放置于稀有气体出口第一法兰A3中的出口石墨内管定位销F2固定于碳化硅陶瓷外管H1的轴心处形成同轴心加热套管结构，电磁感应线圈组R外套于同轴心加热套管结构的轴向中部位置且轴心与套管结构处于同一直线，同轴心加热套管结构通过由稀有气体入口第一法兰A1和稀有气体入口第二法兰A2组成的入口法兰组与稀有气体入口合金钢管道IN相连；在电磁感应加热电源的作用下，石墨加热内管H2内产生高频磁场使得石墨内部的电子发生高速振动并产生大量的热量，石墨加热内管内壁面与外壁面达到高温状态，经由稀有气体入口合金钢管道IN流入的低温稀有气体经由入口法兰组进入同轴心加热套管结构的石墨加热内管H2内腔及碳化硅陶瓷外管H1和石墨加热内管H2之间的环腔中，由高温状态的石墨加热内管内外壁面同时加热至1000℃以上的高温状态；碳化硅陶瓷外管H1与石墨加热内管H2组成的同轴心加热套管结构通过由稀有气体出口第一法兰A3和稀有气体出口第二法兰A4组成的出口法兰组与稀有气体出口合金钢管道OUT相连，高温稀有气体经过出口法兰组后由稀有气体出口合金钢管道OUT流出；为实现进一步密封，分别使用入口法兰紧固套环G1与出口法兰紧固套环G2对入口法兰组与出口法兰组的法兰间隙进行围绕包裹；使用耐高温非金属材料制作的加热装置整体保护箱S1对电磁感应线圈组R、同轴心加热套管结构及气体入口法兰组与出口法兰组进行包容，并在其中填充耐高温保温填充材料C以减小热量向外辐射，同时保证该加热装置的主要部件无法被触碰且杜绝外部金属部件意外进入线圈加热范围的风险，保证设备安全可靠。
所述碳化硅陶瓷外管H1通过螺纹方式与入口法兰组及出口法兰组连接，完成非金属部件间的连接，同时基于法兰组与碳化硅陶瓷外管形成气密空间，使得石墨加热内管与空气或氧气的相互隔绝，避免氧化燃烧产生损坏。
碳化硅陶瓷外管H1与石墨加热内管H2组成的套管结构中，待加热的稀有气体在经过稀有气体入口第二法兰A2后会进行分流，一部分直接流过石墨加热内管H2内部进行换热，一部分则通过入口石墨内管定位销F1后在碳化硅陶瓷外管H1与石墨加热内管H2形成的环形腔室内与石墨加热内管H2的外壁面进行换热，并在流入稀有气体出口第一法兰A3后充分混合，提高换热效率的同时降低碳化硅陶瓷外管H1的壁面温度，保证设备的长期可靠性。
在碳化硅陶瓷外管H1外部填充耐高温保温填充材料C，减少高温气体经由碳化硅陶瓷外管H1向空气传导热量，降低电磁感应线圈组R经由空气获得的温度，避免其因高温而损坏。
气体入口合金管道IN、碳化硅陶瓷外管H1的两端及稀有气体出口合金钢管道OUT均通过螺纹方式与入口法兰组和出口法兰组连接；此外，稀有气体入口第一法兰A1和稀有气体入口第二法兰A2以及稀有气体出口第一法兰A3和稀有气体出口第二法兰A4采用紧固螺栓固定连接，法兰接触面上使用三个密封垫圈进行端面密封，从而实现金属与不同材料的非金属间的连接与密封。
当使用装置获得较高温度的稀有气体时，稀有气体出口第一法兰A3和稀有气体出口第二法兰A4分别与碳化硅陶瓷外管H1及稀有气体出口合金钢管道OUT相连，这两部分的温度在此时与高温气体相近，同时为保证加热装置的加热效率，稀有气体出口第一法兰A3和稀有气体出口第二法兰A4距离电磁感应加热线圈组R近，因此稀有气体出口第一法兰A3和稀有气体出口第二法兰A4采用耐高温耐氧化的氧化锆陶瓷材料以避免被感应加热的同时防止高温失效。
整个装置由石墨加热内管H2、碳化硅保护外管H1、电磁感应线圈组R到加热装置整体保护箱S1温度逐级递减，同时由于有耐高温保温填充材料C填充整个箱体，因此保护箱材质选用具有较好韧性的耐高温非金属材料对整套电磁感应加热装置进行包裹，避免人员接触烫伤、金属部件掉落、非金属部件破碎飞溅等风险。
石墨加热内管H2位于碳化硅保护外管H1内被高温稀有气体氛围保护以防止其被氧化发生燃烧或腐蚀，其余部件均能与氧气或空气环境直接接触，使得装置整体加工难度大大下降。
耐高温保温填充材料C采用柔性耐高温保温材料，材料在首次受热后可部分扩散形成气凝胶增强保温效果减少热扩散，同时柔性填充材料也可以在陶瓷管破裂后形成缓冲层，减少碎片飞溅对人员的威胁。
和国内外现有实验装置相比，本发明具有以下优点：
1、石墨加热内管与碳化硅加热外管的两端通过氧化锆陶瓷法兰与金属进出管道进行端面密封连接，规避了耐高温非金属加热管不易焊接的缺点，采用电磁感应加热石墨管的设计，规避了耐高温电极的选型及耐高温特种金属材料的焊接需要，有效降低了加热装置的加工难度，设备整体采用氧化锆、碳化硅及石墨等非金属材料构成，采用螺纹及螺栓等方式连接，通过现有工艺水平均可直接实现；
2、本发明加热装置的设计，采用电磁感应加热使得加热时间相比电阻圈加热方式缩短，热效率高达95％以上，提高加热装置的经济性；同时根据加热需求，可对加热管长度及加热线圈进行调整实现更高温度或更大流量的稀有气体加热；
3、本发明加热装置依托非金属材料在耐高温及结构强度方面的特殊优势，采用氧化锆陶瓷法兰及碳化硅管与石墨管组成的加热套管，可实现在具有氧气的大气环境中对稀有气体进行加热，设备的运行条件及操作难度大大降低；
综上所述，本发明一种获得超高温稀有气体的非金属加热装置，可以获得不同温度的高温稀有气体；加热装置整体依托非金属材料构成，采用法兰与气体入口管道及气体出口管道连接，设备整体所需运行条件较低且需配套设备较少，具备极高的工程可实施性，方案整体安全可靠且可拓展性较强，能够为科研或生产提供超高温稀有气体。
附图说明
图1为本发明加热装置的结构图。
图2为图1沿A-A向剖视图。
图3为图1沿B-B向剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
本发明考虑了非金属材料在耐高温方面的特殊优势，采用电磁感应加热石墨非金属管的方式替代仅可用于金属材料加热的直流电源加热方式或交流电源加热方式，采用法兰方式实现非金属材料与金属管道的连接，并采用双层套管方式实现设备整体在大气环境或含氧环境中的使用，无需稀有气体氛围即可获得高温稀有气体。
如图1、图2和图3所示，本发明一种获得高温稀有气体的非金属加热装置，该加热装置包括：稀有气体入口合金钢管道IN、稀有气体入口第一法兰A1、稀有气体入口第二法兰A2、稀有气体入口法兰紧固螺栓B1、B2、B3、B4、入口法兰紧固套环G1、入口法兰间垫片D1、D2、D3、碳化硅陶瓷外管H1、石墨加热内管H2、电磁感应线圈组R、电磁感应加热电源正极E1、电磁感应加热电源负极E2、入口石墨内管定位销F1、出口石墨内管定位销F2、稀有气体出口第一法兰A3、稀有气体出口第二法兰A4、出口法兰紧固套环G2、稀有气体出口合金钢管道OUT、稀有气体出口法兰紧固螺栓B5、B6、B7、B8、出口法兰间垫片D4、D5、D6、耐高温保温填充材料C和加热装置整体保护箱S1；石墨加热内管H2通过放置于稀有气体入口第二法兰A2中的入口石墨内管定位销F1与放置于稀有气体出口第一法兰A3中的出口石墨内管定位销F2固定于碳化硅陶瓷外管H1的轴心处形成同轴心加热套管结构，电磁感应线圈组R外套于上述套管结构的中部位置，电磁感应线圈组R轴心与同轴心加热套管结构轴心处于同一直线，同轴心加热套管结构通过由稀有气体入口第一法兰A1和稀有气体入口第二法兰A2组成的入口法兰组与稀有气体入口合金钢管道IN相连；在电磁感应加热电源C1与C2的作用下，石墨加热内管H2内产生高频磁场使得石墨内部的电子发生高速振动并产生大量的热量使得石墨加热内管内壁面与外壁面达到高温状态，经由稀有气体入口合金钢管道IN流入的稀有气体经由入口法兰组进入同轴心加热套管结构的石墨加热内管H2内腔及碳化硅陶瓷外管H1和石墨加热内管H2之间的环腔中内，由高温状态的石墨加热内管内外壁面同时加热至1000℃以上高温状态；碳化硅陶瓷外管H1与石墨加热内管H2组成的同轴心加热套管结构通过由稀有气体出口第一法兰A3和稀有气体出口第二法兰A4组成的出口法兰组与稀有气体出口合金钢管道OUT相连，高温稀有气体经过出口法兰组后由稀有气体出口合金钢管道OUT流出；入口法兰采用稀有气体入口法兰紧固螺栓B1、B2、B3、B4进行固定，并采用三枚入口法兰间垫片D1、D2、D3进行法兰间端面密封，同时使用入口法兰紧固套环G1对法兰间隙进行围绕实现进一步密封，出口法兰间的连接与入口法兰相同，也通过稀有气体出口法兰紧固螺栓B5、B6、B7、B8固定并以出口法兰间垫片D4、D5、D6实现端面密封，并加以出口法兰紧固套环G2进行进一步密封；此外，使用非金属材料制作的加热装置整体保护箱S1对电磁感应线圈组R、同轴心加热套管结构加热套管H1、H2及气体入口法兰组与出口法兰组A2、A3等加热设置构件进行包容，并在其中填充耐高温保温填充材料C以尽可能减小热量向外辐射，同时保证该加热装置的主要部件无法被触碰且杜绝外部金属部件意外进入线圈加热范围的风险，保证设备安全可靠。
以下针对稀有气体为氩气时，当入口温度1000K，出口温度2000K，气体最大流速30m/s时所采取设备的具体尺寸设计和材料选型示例：
保护外管采用碳化硅陶瓷外管H1，其熔点约3000K，且可在2150K高温下长期使用，具备较好的承压性能与耐高温性能，碳化硅陶瓷外管H1内径30mm，外径35mm，长1000mm；因石墨是一种具有高导电性和高热传导性的材料，其熔点在4000K以上，同时在2273K时石墨强度可提高一倍，因此加热内管采用单根石墨加热内管H2构成，保证设备可在高温高压条件下对稀有气体进行持续加热，石墨加热内管H2内径20mm，外径25mm，长1200mm。
电磁感应线圈组R采用紫铜材料，其熔点为1356K，线圈单圈直径为200mm，线圈组的总长度为800mm；线圈组轴向中心与碳化硅陶瓷外管H1与石墨加热内管H2构成的套管轴向中心重合，确保加热均匀；在磁感应线圈组R与碳化硅陶瓷外管H1间填充耐高温保温填充材料C减少由超高温稀有气体经过碳化硅材料向外扩散的温度，防止电磁感应线圈组R温度过高而失效。
稀有气体入口第一法兰A1、稀有气体入口第二法兰A2、稀有气体出口第一法兰A3、稀有气体出口第二法兰A4及法兰内的入口石墨内管定位销F1与出口石墨内管定位销F2均采用耐高温非金属材料氧化锆，其熔点为2988K，其使用温度上限为2473K，因此稀有气体温度达到2000K以上时，高温气体流过出口法兰与定位销时这两者均可保证设备完整与可靠。
因氧化锆材料导热率仅为2-3W/m·K，为不锈钢材料的1/10，因此入口法兰组与出口法兰组间使用的垫圈材料耐温性能可远低于高温气体温度，故采用由耐高温的金云母板制作的垫圈作为法兰间密封垫圈材料，其可在850℃下持续使用；此外，使用MGH956合金钢片作为法兰紧固套环G1与G2的加工材料，其使用温度可达1623K，可有效包覆法兰，实现连接部位的二级密封的同时包裹陶瓷法兰，防止法兰破损后碎片飞溅对人员产生威胁。
稀有气体入口合金钢管道IN及稀有气体出口合金管道OUT采用MGH956合金钢材料，当出口气体温度为2000K，流速为25m/s时，壁面最高温度小于1500K，MGH956合金钢材料可长期耐温1623K，满足设备性能要求。
使用耐高温保温填充材料C填充整个箱体，因此保护箱材质选用耐高温韧性非金属材料，可在最大限度上容纳高温稀有气体的电磁感应装置，同时避免人员接触烫伤、金属物品掉落被加热等风险。
使用耐高温保温填充材料C填充加热装置整体保护箱S1，在最大限度减少由石墨加热内管H2及高温稀有气体向外界大气环境导出的热量，提升整个加热装置的加热效率；同时，因设备整体采用非金属材料，填充柔性耐高温保温材料可在最大限度上保证其在高温高压条件下发生破碎后碎片飞溅范围可控，无法对人员产生伤害。
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (9)
1.一种获得高温稀有气体的非金属加热装置，其特征在于：该加热装置用于将稀有气体加热至高温状态以满足工业生产或实验需求，该加热装置包括：稀有气体入口合金钢管道(IN)、稀有气体入口第一法兰(A1)、稀有气体入口第二法兰(A2)、入口法兰紧固套环(G1)、碳化硅陶瓷外管(H1)、石墨加热内管(H2)、电磁感应线圈组(R)、电磁感应加热电源正极(E1)、电磁感应加热电源负极(E2)、入口石墨内管定位销(F1)、出口石墨内管定位销(F2)、稀有气体出口第一法兰(A3)、稀有气体出口第二法兰(A4)、出口法兰紧固套环(G2)、稀有气体出口合金钢管道(OUT)、耐高温保温填充材料(C)和加热装置整体保护箱(S1)；石墨加热内管(H2)通过放置于稀有气体入口第二法兰(A2)中的入口石墨内管定位销(F1)与放置于稀有气体出口第一法兰(A3)中的出口石墨内管定位销(F2)固定于碳化硅陶瓷外管(H1)的轴心处形成同轴心加热套管结构，电磁感应线圈组(R)外套于同轴心加热套管结构的轴向中部位置且轴心与套管结构处于同一直线，，同轴心加热套管结构通过由稀有气体入口第一法兰(A1)和稀有气体入口第二法兰(A2)组成的入口法兰组与稀有气体入口合金钢管道(IN)相连；在电磁感应加热电源的作用下，石墨加热内管(H2)内产生高频磁场使得石墨内部的电子发生高速振动并产生大量的热量，石墨加热内管内壁面与外壁面达到高温状态，经由稀有气体入口合金钢管道(IN)流入的低温稀有气体经由入口法兰组进入同轴心加热套管结构的石墨加热内管(H2)内腔及碳化硅陶瓷外管(H1)和石墨加热内管(H2)之间的环腔中，由高温状态的石墨加热内管内外壁面同时加热至1000℃以上高温状态；碳化硅陶瓷外管(H1)与石墨加热内管(H2)组成的同轴心加热套管结构通过由稀有气体出口第一法兰(A3)和稀有气体出口第二法兰(A4)组成的出口法兰组与稀有气体出口合金钢管道(OUT)相连，高温稀有气体经过出口法兰组后由稀有气体出口合金钢管道(OUT)流出；为实现进一步密封，分别使用入口法兰紧固套环(G1)与出口法兰紧固套环(G2)对入口法兰组与出口法兰组的法兰间隙进行围绕包裹；使用耐高温非金属材料制作的加热装置整体保护箱(S1)对电磁感应线圈组(R)、同轴心加热套管结构及气体入口法兰组与出口法兰组进行包容，并在其中填充耐高温保温填充材料(C)以减小热量向外辐射，同时保证该加热装置的主要部件无法被触碰且杜绝外部金属部件意外进入线圈加热范围的风险，保证设备安全可靠。
2.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的非金属加热装置，其特征在于：所述碳化硅陶瓷外管(H1)通过螺纹方式与入口法兰组及出口法兰组连接，完成非金属部件间的连接，同时基于法兰组与碳化硅陶瓷外管形成气密空间，使得石墨加热内管与空气或氧气的相互隔绝，避免氧化燃烧产生损坏。
3.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的非金属加热装置，其特征在于：碳化硅陶瓷外管(H1)与石墨加热内管(H2)组成的套管结构中，待加热的稀有气体在经过稀有气体入口第二法兰(A2)后会进行分流，一部分直接流过石墨加热内管(H2)内部进行换热，一部分则通过入口石墨内管定位销(F1)后在碳化硅陶瓷外管(H1)与石墨加热内管(H2)形成的环形腔室内与石墨加热内管(H2)的外壁面进行换热，并在流入稀有气体出口第一法兰(A3)后充分混合，提高换热效率的同时降低碳化硅陶瓷外管(H1)的壁面温度，保证设备的长期可靠性。
4.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的非金属加热装置，其特征在于：在碳化硅陶瓷外管(H1)外部填充耐高温保温填充材料(C)，减少高温气体经由碳化硅陶瓷外管(H1)向空气传导热量，降低电磁感应线圈组(R)经由空气获得的温度，避免其因高温而损坏。
5.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的非金属加热装置，其特征在于：气体入口合金管道(IN)、碳化硅陶瓷外管(H1)的两端及稀有气体出口合金钢管道(OUT)均通过螺纹方式与入口法兰组和出口法兰组连接；此外，稀有气体入口第一法兰(A1)和稀有气体入口第二法兰(A2)以及稀有气体出口第一法兰(A3)和稀有气体出口第二法兰(A4)采用紧固螺栓固定连接，法兰接触面上使用三个密封垫圈进行端面密封，从而实现金属与不同材料的非金属间的连接与密封。
6.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的非金属加热装置，其特征在于：稀有气体出口第一法兰(A3)和稀有气体出口第二法兰(A4)分别与碳化硅陶瓷外管(H1)及稀有气体出口合金钢管道(OUT)相连，这两部分的温度在此时与高温气体相近，同时为保证加热装置的加热效率，稀有气体出口第一法兰(A3)和稀有气体出口第二法兰(A4)距离电磁感应加热线圈组(R)近，因此稀有气体出口第一法兰(A3)和稀有气体出口第二法兰(A4)采用耐高温耐氧化的氧化锆陶瓷材料以避免被感应加热的同时防止高温失效。
7.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的非金属加热装置，其特征在于：整个装置由石墨加热内管(H2)、碳化硅保护外管(H1)、电磁感应线圈组(R)到加热装置整体保护箱(S1)温度逐级递减，同时由于有耐高温保温填充材料(C)填充整个箱体，因此保护箱材质选用具有较好韧性的耐高温非金属材料对整套电磁感应加热装置进行包裹，避免人员接触烫伤、金属部件掉落、非金属部件破碎飞溅等风险。
8.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的电磁感应装置，其特征在于：石墨加热内管(H2)位于碳化硅保护外管(H1)内被高温稀有气体氛围保护以防止其被氧化发生燃烧或腐蚀，其余部件均能与氧气或空气环境直接接触，使得装置整体加工难度大大下降。
9.根据权利要求1所述的一种获得高温稀有气体的电磁感应装置，其特征在于：耐高温保温填充材料(C)采用柔性耐高温保温材料，材料在首次受热后部分扩散形成气凝胶增强保温效果减少热扩散，同时柔性填充材料也能够在陶瓷管破裂后形成缓冲层，减少碎片飞溅对人员的威胁。
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| CN202311682573.2A CN117663473A (zh) | 2023-12-08 | 2023-12-08 | 一种获得高温稀有气体的非金属加热装置 |
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2023
- 2023-12-08 CN CN202311682573.2A patent/CN117663473A/zh active Pending
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