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原文传递一种高温高流速气体流动换热实验装置及实验方法

专利名称：	一种高温高流速气体流动换热实验装置及实验方法
摘要：	本发明公开了一种高温高流速气体流动换热实验装置及实验方法，该实验装置包括基于电磁感应加热、蓄压驱动的气体开式回路和水冷却闭式循环回路两部分；本发明实验装置气体开式回路主要通过高压储气罐提供气源，高压储气罐与加热段之间设置减压阀、调节阀、流量计、止回阀构成回路压力、流量测量模块；加热段置于压力容器内并采用电磁感应加热器提供加热功率组成实验段系统，其中加热段布置热电偶、压力传感器构成实验段温度、压力测量模块；水冷却闭式循环式回路保证高温尾气工质冷却后在低温状态下在大气中的释放；本发明可实现不同工况下高温、高流速气体流动换热特性研究，为高温气冷堆、核热推进反应堆等相关气体冷却反应堆提供可靠的实验数据。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安交通大学
发明人：	王成龙;房玉良;苏光辉;田文喜;秋穗正
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-07T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201910377151.1
公开号：	CN110057863A
代理机构：	西安智大知识产权代理事务所
代理人：	何会侠
分类号：	G01N25/20(2006.01);G;G01;G01N;G01N25
申请人地址：	710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路28号
主权项：	1.一种高温高流速气体流动换热实验装置，其特征在于：包括基于电磁感应加热、蓄压驱动的气体开式回路和水冷却闭式循环回路两部分；气体开式回路包括供气系统、供气调节测量系统、实验段系统、和尾气处理系统；供气系统由高压储气罐(1)、设置在高压储气罐(1)上的第一安全阀(2)、第一压力表(3)和储气罐开关阀(4)组成；供气调节测量系统由依次设置在储气罐(1)与实验加热段(12)连接的管路上的减压阀(5)、调节阀(6)、气体流量计(7)、止回阀(8)、加热段入口热电偶(9)和加热段入口压力传感器(10)组成；高压储气罐(1)中充有高压气体工质，减压阀(5)将气体压力调整到实验所需参数，利用调节阀(6)改变气体流量，气体流量由气体流量计(7)测得，加热段入口气体温度和压力分别由加热段入口热电偶(9)和加热段入口压力传感器(10)测量得到；实验段系统由与储气罐(1)通过管道连接的实验加热段(12)、依次布置在实验加热段(12)上的多个高温热电偶、多个耐高温压力传感器、感应加热器(30)和压力容器(31)组成；其中压力容器(31)上布置压力罐温度计(27)、第二压力表(28)和第二安全阀(29)，实验加热段(12)布置于压力容器(31)中，感应加热器(30)通过改变电流和频率来控制实验加热段(12)的加热功率；感应加热器(30)由电气控制系统(51)进行调节、保护；感应加热器(30)的感应元件为螺旋形将实验加热段(12)套在内部，并与实验加热段(12)之间填充有隔热材料；实验加热段(12)的温度和压力热工参数分别由高温热电偶和耐高温压力传感器测量；尾气处理系统由水冷式热交换器(35)气侧、背压阀(39)和冷凝过滤水箱(38)依次相连组成；其中加热段(12)与水冷式热交换器(35)之间布置有加热段出口高温热电偶(32)、加热段出口耐高温压力传感器(33)和开关隔离阀(34)，加热段出口高温热电偶(32)和加热段出口耐高温压力传感器(33)用来测量加热段出口温度和压力，开关隔离阀(34)用于实验加热段隔离保护；被加热后的高温气体经过水冷式热交换器(35)将热量传递给水冷却闭式循环式回路，通过背压阀(39)进入冷凝过滤水箱(38)经过冷凝湿式过滤后被排放到大气环境中；水冷却闭式循环式回路由水冷式热交换器(35)水侧、空气冷却塔(42)、储水箱(43)和水泵(44)依次连接组成，水冷式热交换器(35)水侧出口与空气冷却塔(42)之间布置有换热器水侧出口热电偶(40)、换热器水侧出口压力传感器(41)用来测量水侧出口热工参数，水泵(44)与储水箱(43)之间连接有旁通调节阀(47)调节的旁通支路；水泵(44)与水冷式热交换器(35)水侧入口之间布置有流量计(45)和换热器水侧入口热电偶(46)用来测量水侧入口热工参数；水冷却闭式循环式回路中的冷却水在水冷式热交换器(35)中将高温尾气热量吸收，在空气冷却塔(42)中通过自然对流将热量释放到空气中；水泵(44)与旁通回路调节阀(47)调节提供水冷却闭式循环式回路的所需流量；所有温度、压力、流量热工参数均由数据采集系统(50)采集记录，感应加热器(30)、水泵(44)强电设备由电气控制系统(51)控制；通过设置第一安全阀(2)、止回阀(8)、安全释放阀(11)、第二安全阀(29)、开关隔离阀(34)、冷凝过滤水箱(38)和背压阀(39)保证在回路因故障出现堵塞超压、意外起火危险情况下气源能够有效隔离，从而保证实验装置回路安全。 2.根据权利要求1所述的一种高温高流速气体流动换热实验装置，其特征在于：所述实验加热段(12)的加热方式为电磁感应加热，高压气体的驱动方式为蓄压驱动。 3.根据权利要求1所述的一种高温高流速气体流动换热实验装置，其特征在于：所述实验加热段(12)几何结构为圆管单通道或六棱柱圆孔多通道结构，材料采用不锈钢管、铜管或钨合金管。 4.根据权利要求1所述的一种高温高流速气体流动换热实验装置，其特征在于：所述高压气体工质采用对环境没有危害的氢气、氦气、氩气、氮气或二氧化碳。 5.根据权利要求1所述的一种高温高流速气体流动换热实验装置，其特征在于：所述压力容器(31)采用接地保护，并开有可视化窗口进行观察，压力容器(31)采用钢架结构支撑。 6.根据权利要求1所述的一种高温高流速气体流动换热实验装置，其特征在于：所述实验加热段(12)入口气体压力、流量由减压阀(5)和调节阀(6)共同调节控制。 7.权利要求1至6任一项所述的高温高流速气体流动换热实验装置的实验方法，其特征在于：实验装置启动前，首先用氮气或惰性气体将气体开式回路中的存留的空气进行吹除；高压储气罐(1)中充有高压气体冷却工质，通过减压阀(5)调整到实验所需压力参数，利用调节阀(6)改变气体流量，气体流量由气体流量计(7)测得，减压阀(5)到实验加热段入口这部分管段将气体看作不可压缩流体计算，因此通过气体流量计(7)与已知管径计算得到气体流速；实验加热段入口气体温度、压力分别由加热段入口热电偶(9)和加热段入口压力传感器(10)测量得到；启动水冷却闭式循环式回路的水泵(44)，使水冷却闭式循环式回路运行；然后启动感应加热器(30)，高压气体随后进入实验加热段(12)中，感应加热器(30)通过改变电流和频率来控制实验加热段(12)的加热功率将气体加热；感应加热器(30)主要由电气控制系统(51)进行调节、保护；实验加热段(12)中的气体与加热壁面的温度、气体压力热工参数分别由高温热电偶和耐高温压力传感器测量，实验加热段出口气体温度、压力分别由加热段出口高温热电偶(32)和加热段出口耐高温压力传感器(33)测量；被加热后的高温气体经过水冷式热交换热器(35)将热量传递给水冷却闭式循环式回路，通过背压阀(39)进入冷凝过滤水箱(38)经过冷凝湿式过滤后被排放到大气环境中；水冷却闭式循环式回路中主要是冷却水在水冷式热交换热器(35)水侧将气侧高温尾气热量吸收，在空气冷却塔(42)自然对流被冷却的水冷却闭式循环式回路；水泵(44)与旁通回路调节阀(47)调节提供水冷却闭式循环式回路的所需流量；水冷却闭式循环式回路温度、压力由换热器水侧出口热电偶(40)、换热器水侧入口热电偶(46)和换热器水侧出口压力传感器(41)进行测量；待气体开式回路、水冷却闭式循环式回路各参数稳定后，由数据采集系统(50)进行数据采集记录；实验结束后，先切断感应加热器电源，待气体开式回路实验加热段温度回归到正常温度后依次关闭水泵(44)、气源开关，然后用氮气或惰性气体将气体开式回路中残存气体工质吹除；最后将背压阀(39)和开关隔离阀(34)关闭，对实验加热段(12)进行隔绝氧气保护。
所属类别：	发明专利