一种应用于高温高压下的矩形窄缝通道流通装置的制作方法

1.本实用新型属于能源与动力工程热工流体实验研究技术领域，具体涉及一种应用于高温高压条件下的矩形窄缝通道流通装置。


背景技术：

2.矩形窄缝通道是一种结构紧凑、换热效率高的流通通道，与常规通道相比，矩形窄缝通道有很大的宽高比，在相同的水力直径下其传热面积远高于圆形通道，因此在反应堆的堆芯、电子冷却部件等关键设备里，常常用到矩形窄缝通道。由于尺度效应，窄缝通道内的传热特性和两相流流动结构较常规通道有所不同，因此深入研究其流动和传热特性具有重要的意义。
3.由于矩形窄缝通道的特殊性，其流通结构的设计是一大难点。矩形结构自身承压能力较弱，往往需要额外的承压部件。传统的矩形窄缝通道是用螺栓和厚重的钢板施加在通道两侧，再加上发热装置和绝缘体，整个试验结构复杂且笨重。即便如此，其承受的压力仍十分有限。此外，传统的矩形窄缝通道加热方式为单侧或者对侧的平板导热，这一方面使得通道的流体流通性能较差，另一方面加热的热效率较低。
4.在矩形通道的实际应用中，往往是多个通道的并联，并联通道间的流量分配以及流动不稳定性也是关键问题。针对矩形窄缝通道，传统的设计是单个通道的叠加，相应的承压设备也会成倍地增加。对于一体式的并联矩形通道，国内外的专利和文献中尚未有报道。
5.基于以上对矩形窄缝通道流通结构的分析，承压方式、加热方式、流通通道、并联多通道的整体结构是其技术难点。因此，提供一种可以承受高温高压的一体式并联矩形窄缝通道流通结构成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种应用于高温高压下的矩形窄缝通道流通装置，为一体式的矩形窄缝通道，内部通过陶瓷板承压，外部通过不锈钢套筒承压。
7.本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
8.一种应用于高温高压下的矩形窄缝通道流通装置，包括连接结构以及矩形窄缝通道流通结构的内部承压结构和矩形窄缝通道流通结构的外部承压结构；
9.所述的连接结构包括进口电极1，进口密封轴套2，进口下法兰3，进口密封垫片4，进口上法兰5，进口环腔7，流体进口8，进口小孔17，取压组件18，填充陶瓷20，出口小孔21，出口环腔10，流体出口11，出口下法兰12，出口密封垫片13，出口上法兰14，出口密封轴套15，出口电极16；
10.所述的矩形窄缝通道流通结构的外部承压结构包括不锈钢承压套筒6，由陶瓷组件一27，陶瓷组件二28和陶瓷组件三29三部分组成的填充陶瓷20，由固定卡套接头30和不锈钢棒31组成的陶瓷固定组件9；
11.所述的矩形窄缝通道流通结构的内部承压结构包括位于填充陶瓷20内的陶瓷板
32，对称布置在陶瓷板32两侧的由矩形窄缝通道一25和矩形窄缝通道二26构成的矩形窄缝双通道19，通过两个窄缝通道内高压流体的相互作用，在稳定条件下，依靠陶瓷板32的支撑能够承受至少20mpa压力的流体；
12.所述的进口电极1和出口电极16分别与矩形窄缝双通道19两端通过焊接连接，构成矩形窄缝双通道本体；在矩形窄缝双通道19的一端开有进口小孔17，另一端开有出口小孔21；
13.所述的矩形窄缝双通道本体置于不锈钢承压套筒6内，不锈钢承压套筒6的一端与进口上法兰5焊接相连，进口上法兰5与进口下法兰3相连，两者中间设置有进口密封垫片4，进口上法兰5与进口下法兰3通过螺栓夹紧，实现进口部分的端面密封；所述的进口下法兰3中间开有圆形孔，使进口电极1从中穿出，进口密封轴套2穿过进口电极1和进口下法兰3通过丝扣连接，实现进口部分的壁面密封；所述的不锈钢承压套筒6的另一端与出口下法兰12焊接相连，出口下法兰12与出口上法兰14相连，两者中间设置有出口密封垫片13，出口下法兰12与出口上法兰14通过螺栓夹紧，实现出口部分的端面密封；所述的出口上法兰14中间开有圆形孔，使出口电极16从中穿出，出口密封轴套15穿过出口电极16和出口上法兰14通过丝扣连接，实现出口部分的壁面密封；
14.所述的不锈钢承压套筒6的一端布置进口环腔7，进口环腔7距离进口上法兰5的距离为100
‑
200mm，进口环腔7上开一个圆形孔，构成流体进口8；所述的不锈钢承压套筒6的另一端布置出口环腔10，出口环腔10距离出口下法兰12的距离为100
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200mm，出口环腔10上开一个圆形孔，构成流体出口11；
15.所述的不锈钢承压套筒6的外表面布置有陶瓷固定组件9和取压组件18；
16.所述的陶瓷组件一27有两个面，其中一侧为圆弧面，和不锈钢承压套筒6的内壁贴合，另一侧为平面，与陶瓷组件二28贴合；所述的陶瓷组件二28有四个平面，其中一个面与陶瓷组件一27贴合，另一个面与矩形窄缝双通道19的外壁贴合，剩下两个面与陶瓷组件三29贴合；所述的陶瓷组件三29有两个面，其中一侧为圆弧面，和不锈钢承压套筒6的内壁贴合，另一侧为平面，与陶瓷组件二28和矩形窄缝双通道19的外壁贴合；形成截面呈圆形的矩形窄缝通道流通结构的外部承压结构，由于圆形结构具有良好的承压能力，该结构保证了外部承压的可靠性；沿不锈钢承压套筒6的轴向方向选取3至5个截面，每个截面上安装陶瓷固定组件9，其中焊接卡套接头30与不锈钢承压套筒6通过焊接相连，将不锈钢棒31插入到填充陶瓷20内部，使填充陶瓷20得到限位，有效地防止了矩形窄缝通道流通结构在垂直布置下填充陶瓷的滑落；
17.所述的矩形窄缝通道流通装置的流体进出口方式为双层环腔结构，在不锈钢承压套筒6的外部装有不锈钢环腔套筒22，使得不锈钢承压套筒6内外侧构成双层环腔结构，不锈钢承压套筒6上开有对称布置的圆形进口，流体自流体进口8进入进口环腔7，再进入不锈钢套筒6，充分混合的流体经进口小孔17分别进入矩形窄缝通道一25和矩形窄缝通道二26；在矩形窄缝双通道19内经过换热的流体自出口小孔21流进出口环腔10，再经流体出口11流出矩形窄缝通道流通结构。
18.所述的填充陶瓷20保证了矩形窄缝双通道19与不锈钢承压套筒6之间的电绝缘，同时阻隔了流体从窄缝通道的外部流过；所述的填充陶瓷20拆分为三部分结构的陶瓷组件，通过更换陶瓷组件二28，能够实现不同窄缝间距的矩形通道结构的测试。
19.所述的矩形窄缝通道流通装置的进出口主流体温度由铠装热电偶测量，分别在不锈钢环腔套筒22和不锈钢承压套筒6的外壁上开小孔，并在不锈钢环腔套筒22上焊接卡套接头23，铠装热电偶24插入卡套接头23内依次穿过不锈钢环腔套筒22和不锈钢承压套筒6，在流体充分混合的不锈钢套筒6内，分别测量矩形窄缝通道一25和矩形窄缝通道二26的进出口温度。
20.所述的矩形窄缝通道流通装置的流体压力由取压组件18测得，在进口和出口附近选择取压截面，在矩形窄缝双通道本体的外壁上开长槽形的方孔，在对应位置的陶瓷组件三29上开长槽形的方孔，并在对应位置的不锈钢承压套筒6上开圆形孔，将取压卡套接头33焊接在不锈钢承压套筒6上，取压流体依次经过矩形窄缝双通道19、陶瓷组件三29、不锈钢承压套筒6共三层边界。
21.所述的进口小孔17和出口小孔21是一排直径3
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5mm的圆形孔。
22.所述的填充陶瓷20和陶瓷板32的材料为高强度高精度的氧化铝陶瓷，其长度依据通道总长度分段选取，提高结构布置的灵活性。
23.所述的进口电极1和出口电极16的材料为不锈钢或者紫铜，通过氩弧焊或者银焊与矩形窄缝双通道19连接。
24.所述的进口密封垫片4和出口密封垫片13为齿形垫片，上下各附着一层绝缘材料，保证在高温高压下的密封以及电绝缘。
25.本实用新型和现有技术相比，具有如下优点：
26.1、通过一体式的焊接结构实现了并联矩形窄缝双通道，简化了传统的并联矩形窄缝通道结构；并通过两个窄缝内高压流体的相互作用，确保内部承压的可靠性。
27.2、外部承压方式选取了圆形不锈钢套筒，替代了传统的螺栓压紧式的结构，一方面简化了整体的布置，另一方面依靠圆形结构的良好承压能力，大大提高了矩形窄缝通道的测试压力。
28.3、通过改变矩形窄缝双通道本体结构尺寸和填充陶瓷组件二的结构尺寸，可以在对整个结构最小改动的情况下，实现不同窄缝间距的矩形双通道结构的测试。
29.本实用新型针对并联矩形窄缝通道试验装置，优化了传统的流通通道结构以及承压方式。采用该结构，可以实现简化的矩形通道的测试，并提高了矩形窄缝通道的承压性能。本实用新型对研究矩形窄缝通道内的流动换热特性以及并联通道的不稳定性具有重要的意义。
附图说明
30.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
31.图1为本实用新型实例提供的装置示意图；
32.图2为图1的a
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a剖面图，描述本装置的内部承压结构和外部承压结构；
33.图3为图1的b
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b剖面图，描述本装置的流体进出口方式和主流体温度测量方式；
34.图4为图1的c
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c剖面图，描述本装置的流体取压方式。
具体实施方式
35.下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
36.如图1和图2所示，一种应用于高温高压下的矩形窄缝通道流通装置，包括连接结构以及矩形窄缝通道流通结构的内部承压结构和矩形窄缝通道流通结构的外部承压结构；所述的连接结构包括进口电极1，进口密封轴套2，进口下法兰3，进口密封垫片4，进口上法兰5，进口环腔7，流体进口8，进口小孔17，取压组件18，填充陶瓷20，出口小孔21，出口环腔10，流体出口11，出口下法兰12，出口密封垫片13，出口上法兰14，出口密封轴套15，出口电极16；所述的矩形窄缝通道流通结构的外部承压结构包括不锈钢承压套筒6，由陶瓷组件一27，陶瓷组件二28和陶瓷组件三29三部分组成的填充陶瓷20，由固定卡套接头30和不锈钢棒31组成的陶瓷固定组件9；所述的矩形窄缝通道流通结构的内部承压结构包括位于填充陶瓷20内的陶瓷板32，对称布置在陶瓷板32两侧的由矩形窄缝通道一25和矩形窄缝通道二26构成的矩形窄缝双通道19，通过两个窄缝通道内高压流体的相互作用，在稳定条件下，依靠陶瓷板32的支撑能够承受至少20mpa压力的流体。
37.所述的进口电极1和出口电极16分别与矩形窄缝双通道19两端通过焊接连接，构成矩形窄缝双通道本体；在矩形窄缝双通道19的一端开有进口小孔17，另一端开有出口小孔21；所述的矩形窄缝双通道本体置于不锈钢承压套筒6内，不锈钢承压套筒6的一端与进口上法兰5焊接相连，进口上法兰5与进口下法兰3相连，两者中间设置有进口密封垫片4，进口上法兰5与进口下法兰3通过螺栓夹紧，实现进口部分的端面密封；所述的进口下法兰3中间开有圆形孔，使进口电极1从中穿出，进口密封轴套2穿过进口电极1和进口下法兰3通过丝扣连接，实现进口部分的壁面密封；所述的不锈钢承压套筒6的另一端与出口下法兰12焊接相连，出口下法兰12与出口上法兰14相连，两者中间设置有出口密封垫片13，出口下法兰12与出口上法兰14通过螺栓夹紧，实现出口部分的端面密封；所述的出口上法兰14中间开有圆形孔，使出口电极16从中穿出，出口密封轴套15穿过出口电极16和出口上法兰14通过丝扣连接，实现出口部分的壁面密封；所述的不锈钢承压套筒6的一端布置进口环腔7，进口环腔7距离进口上法兰5的距离为100
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200mm，进口环腔7上开一个圆形孔，构成流体进口8；所述的不锈钢承压套筒6的另一端布置出口环腔10，出口环腔10距离出口下法兰12的距离为100
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200mm，出口环腔10上开一个圆形孔，构成流体出口11；所述的不锈钢承压套筒6的外表面布置有陶瓷固定组件9和取压组件18。
38.所述的陶瓷组件一27有两个面，其中一侧为圆弧面，和不锈钢承压套筒6的内壁贴合，另一侧为平面，与陶瓷组件二28贴合；所述的陶瓷组件二28有四个平面，其中一个面与陶瓷组件一27贴合，另一个面与矩形窄缝双通道19的外壁贴合，剩下两个面与陶瓷组件三29贴合；所述的陶瓷组件三29有两个面，其中一侧为圆弧面，和不锈钢承压套筒6的内壁贴合，另一侧为平面，与陶瓷组件二28和矩形窄缝双通道19的外壁贴合；形成截面呈圆形的矩形窄缝通道流通结构的外部承压结构，由于圆形结构具有良好的承压能力，该结构保证了外部承压的可靠性；沿不锈钢承压套筒6的轴向方向选取3至5个截面，每个截面上安装陶瓷固定组件9，其中焊接卡套接头30与不锈钢承压套筒6通过焊接相连，将不锈钢棒31插入到
填充陶瓷20内部，使填充陶瓷20得到限位，有效地防止了矩形窄缝通道流通结构在垂直布置下填充陶瓷的滑落。
39.如图3所示，所述的矩形窄缝通道流通装置的流体进出口方式为双层环腔结构，在不锈钢承压套筒6的外部装有不锈钢环腔套筒22，使得不锈钢承压套筒6内外侧构成双层环腔结构，不锈钢承压套筒6上开有对称布置的圆形进口，流体自流体进口8进入进口环腔7，再进入不锈钢套筒6，充分混合的流体经进口小孔17分别进入矩形窄缝通道一25和矩形窄缝通道二26；在矩形窄缝双通道19内经过换热的流体自出口小孔21流进出口环腔10，再经流体出口11流出矩形窄缝通道流通结构。该结构保证了流体的混合充分，以及两个窄缝通道间相同的流体分配。
40.作为本实用新型的优选实施方式，所述的填充陶瓷20保证了矩形窄缝双通道19与不锈钢承压套筒6之间的电绝缘，同时阻隔了流体从窄缝通道的外部流过；所述的填充陶瓷20拆分为三部分结构的陶瓷组件，通过更换陶瓷组件二28，能够实现不同窄缝间距的矩形通道结构的测试。
41.作为本实用新型的优选实施方式，所述的矩形窄缝通道流通装置的进出口主流体温度由铠装热电偶测量，分别在不锈钢环腔套筒22和不锈钢承压套筒6的外壁上开小孔，并在不锈钢环腔套筒22上焊接卡套接头23，铠装热电偶24插入卡套接头23内依次穿过不锈钢环腔套筒22和不锈钢承压套筒6，在流体充分混合的不锈钢套筒6内，分别测量矩形窄缝通道一25和矩形窄缝通道二26的进出口温度。
42.如图4所示，作为本实用新型的优选实施方式，所述的矩形窄缝通道流通装置的流体压力由取压组件18测得，在进口和出口附近选择取压截面，在矩形窄缝双通道本体的外壁上开长槽形的方孔，在对应位置的陶瓷组件三29上开长槽形的方孔，并在对应位置的不锈钢承压套筒6上开圆形孔，将取压卡套接头33焊接在不锈钢承压套筒6上，取压流体依次经过矩形窄缝双通道19、陶瓷组件三29、不锈钢承压套筒6共三层边界。
43.作为本实用新型的优选实施方式，所述的进口小孔17和出口小孔21是一排直径3
‑
5mm的圆形孔。
44.作为本实用新型的优选实施方式，所述的填充陶瓷20和陶瓷板32的材料为高强度高精度的氧化铝陶瓷，其长度依据通道总长度分段选取，提高结构布置的灵活性。
45.作为本实用新型的优选实施方式，所述的进口电极1和出口电极16的材料为不锈钢或者紫铜，通过氩弧焊或者银焊与矩形窄缝双通道19连接。
46.作为本实用新型的优选实施方式，所述的进口密封垫片4和出口密封垫片13为齿形垫片，上下各附着一层绝缘材料，保证在高温高压下的密封以及电绝缘。
47.本实用新型的工作原理为：本矩形窄缝通道流通装置竖直向上布置，将一定压力与流量的过冷工质经由高压泵打入流体进口，工质在进口环腔内均匀分配，再从进口环腔进入到不锈钢承压套筒内；承压套筒内的流体向上流动，由于填充陶瓷的阻隔作用，流体将通过进口小孔进入到矩形通道内；进口电极和出口电极与交流变压器相连，将电流引入到矩形窄缝双通道本体，依靠其自身的电阻发热来加热流体；矩形通道内的流体吸热沸腾，自出口小孔流进出口环腔，再经流体出口流出该矩形窄缝通道流通结构；通过测量流体温度、流动压差、加热功率等参数，研究矩形窄缝通道的流动传热特性以及双通道间的流量分配和流动不稳定性。尤为重要的是，该矩形窄缝通道流通结构依靠内部陶瓷板和外部不锈钢
套筒的承压作用，可以将工作压力提高至20mpa以上。
48.本实用新型改进了传统的矩形流通通道结构以及承压方式，将螺栓压紧式的结构优化为圆形不锈钢套筒的一体式结构，在提高工作压力的同时也降低了结构的复杂性。本实用新型在西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室的高温高压气液两相流试验台上进行了试验验证，工作压力可以达到20mpa，能够较好地进行相关的试验研究。
49.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。