一种多功能并联多通道流体加热实验装置及工作方法

1.本发明属于高温高压气体流体对流换热热工水力实验技术领域，具体涉及一种多功能并联多通道流体加热实验装置及工作方法。


背景技术：

2.试验是检验理论正确性的必需要求，通过试验为技术的发展提供了可行性依据，随着技术的不断发展，对试验设备的要求也越来越苛刻。在流体流动对流换热机理研究技术领域，传统的低温常压流体对流换热试验已经不能满足实际需求。气体工质流速更快，流动压降更高，实际技术需求涉及的温升范围也更高，因此高温高压环境下的气体对流换热试验设备成为新的设计目标，由此对试验回路的气密安全性和加热安全性提出更高要求。同时，现有的试验设备通常只针对单一用途进行设计，结构相对简单，更换试验目标时需要大幅重新拆装，不具备试验普适性，需要一个更先进的多功能安全性高的试验测试装置以满足现有的高温高压气体对流换热严苛试验条件。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种多功能并联多通道流体加热实验装置及工作方法，克服包括但不限于气体接触加热式实验风险、气体实验回路气密性问题、气体实验回路功能单一、拆卸复杂等已知问题，从而优化传统气体对流换热热工水力实验的设计思路与方法，极大地简化实验装置的组成，为高温高压高流速的多工质多用途气体加热实验装置的设计提供参考。
4.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种多功能并联多通道流体加热实验装置，所述加热实验装置是基于改变试验段导热能力、对流换热能力、流量及特征尺寸的方式以改善并联多通道间的热量-流量的分配比例，进而在同一试验件基本原理的基础上实现多功能的非等温流体加热实验；所述加热实验装置包括位于整个实验装置最前端的前密封进气室1，对从进气回路引入的试验工质气体进行缓冲和整流，使其在良好的气密性条件下平稳地进入试验件中；前密封进气室后的主流动管路2一端紧密夹持或焊接入前密封进气室1内，对主流试验工质起引导作用；经主流动管路引导的气体进入通过法兰连接在主流动管路另一端的并联分流件3中；并联分流件3与并联支路4通过法兰连接，管径分别对应，引导气体流入次流动管路中，并联支路次流动管路的管径相同或不同；各并联支路试验段外壁分别与试验段加热件内壁紧贴，试验段加热件包括支路件块和分隔支路件块的中间件块，试验段加热件由线圈型电磁感应加热装置8进行加热，线圈型电磁感应加热装置8的加热量通过电磁线圈中的电流、线圈匝数、线圈密度进行控制，通过改变试验段加热件各件块的导热性、绝缘性实现对各并联支路热量的不同分配；各并联支路中的流体流经加热段后经过带有流量控制阀门的支路流量计，实现对不同并联支路流量、压降的分别控制；并联支路中的气体工质经并联合流件11汇集，并联合流件11与并联支路末端通过法兰连接，管径分别对应；汇集后的流体经带有流量控制
阀门的主回路流量计12，用以对各路流量进行控制、校准和试验准确性确认；气体工质最后流入后密封出气室13，后密封出气室13对试验回路中流出的气体进行缓冲和整流，使其平稳的流出实验装置。
6.当试验段加热件各支路件块管径相同，中间件块6为不导热绝缘陶瓷材料，各支路件块为大小相同的同种金属材料，且支路流量计及主回路流量计12全开，线圈型电磁感应加热装置8的线圈缠绕均匀时，该流体加热实验装置功能表现为具有近余弦功率密度分布的流体加热实验装置。
7.当试验段加热件各支路件块管径相同，中间件块6为不导热绝缘陶瓷材料，各支路件块为大小相同的同种金属材料，且支路流量计及主回路流量计12全开，改变线圈型电磁感应加热装置8的线圈分段数、线圈缠绕的匝数均匀程度、线圈密度及各段线圈的通电电流大小，该流体加热实验装置功能表现为具有可控功率密度分布的流体加热实验装置。
8.当试验段加热件各支路件块管径相同或不同，中间件块6为不导热绝缘陶瓷材料，各支路件块采用大小相同、导热率近似但电阻率不同的金属材料，支路流量计及主回路流量计12全开，线圈型电磁感应加热装置8在两端呈对称缠绕时，该流体加热实装置能够模拟并联多通道间因加热量分配不均产生的流量分配现象。
9.当试验段加热件各支路件块管径相同或不同，部分支路件块与部分中间件块为导热绝缘陶瓷材料，部分支路件块与部分中间件块为导热导电金属材料，支路流量计及主回路流量计12全开，热量由导电端支路件块和导电端中间件块向绝缘端支路件块和绝缘端中间件块传递，该流体加热实验装置能够模拟并联多通道间释热支路向非释热支路的热量传递及流量分配过程。
10.当试验段加热件各支路件块管径相同或不同，各支路件块为导热绝缘陶瓷材料，其导热率相同或不同，中间件块6为导热导电金属材料，支路流量计及主回路流量计12全开，热量由中间件块向两端支路件块传递，该流体加热实验装置能够模拟非均匀释热介质多冷却通道间因孔径、导热率产生的流量、热量分配不均过程。
11.控制支路流量计的阀开关程度，并通过主回路流量计12对调整流量准确性进行校正，进而对所属支路提供额外压降，调整并联多通道间的总压对应关系从而影响支路流量的分配过程，用于进行具体需求调整。
12.所述支路流量计通过法兰或焊接的方式嵌入各并联支路，主回路流量计通过法兰或焊接方式嵌入主回路末端。
13.所述多功能并联多通道流体加热实验装置的工作方法，参照单管流体流动对流换热加热实验需求，通过改变气体入口总压瞬时变化速率、入口总温瞬时变化速率、入口流量瞬时变化速率、线圈型电磁感应加热装置线圈电流瞬时变化速率、分段电磁感应加热装置分段功率分布瞬时变化速率、流量计阀的瞬时变化速率控制瞬时实验条件，从而实现不同工况对应的瞬态实验过程。
14.由于加热实验装置非接触加热与良好的气密性，冷却剂可采用空气、氮气、氦气、氢气等多种工质。
15.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
16.1、本发明的试验装置采用电磁感应加热的非接触加热方式，相较于直流电加热方式，电磁感应加热方式功率更高，适用于温升更高、气体热容更大的多种工况条件，且非接
触方式安全性更高，适用于包括可燃性气体在内的多种实验工质；同时，电磁感应装置可采取分区方式，将一组线圈分为多组分离的线圈形式，通过改变各区线圈的匝数、通电电流、线圈均匀性可以改变不同分区的功率大小、功率分布方式，实现更贴近实际工况需求的模拟加热条件。
17.2、本发明的试验装置通过电磁感应加热的方式提供加热功率，引入材料电阻率的新变量，从而通过改变各加热件的电阻率进而影响磁场中加热件内产生的感生电流大小，进而调整加热件实际产生的感生热量；结合加热件材料自身的热导率特性，进而影响各支路的热量分配，进行热量-流量匹配等相关试验研究。
18.3、本发明的试验装置，在进行不同目的、不同试验工况的多类试验时，仅需对支路加热件、中间加热件的材料种类，对气体支路的管径、合流件、分流件的大小进行替换，可采用法兰连接方式，更替简单，保留了气体试验的主体回路，进一步简化了多功能试验的特殊需求，避免了大规模的试验回路更换与拆装，极大程度节约了试验成本。
19.4、本发明的试验装置，具有较简单的结构和连接方式，降低了具体设计与修改时的工艺要求，实用性较强。
附图说明
20.图1为本发明一种多功能并联多通道流体加热实验装置整体结构示意图；
21.如图1所示，1为前密封进气室，2为主流动管路，3为并联分流件，4为并联支路，5为第一支路件块，6为中间件块，7为第二支路件块，8为线圈型电磁感应加热装置，9为第一支路流量计，10为第二支路流量计，11为并联合流件，12为主回路流量计，13为后密封出气室。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：
23.如图1所示，本发明一种多功能并联多通道流体加热实验装置，所述加热实验装置是基于改变试验段导热能力、对流换热能力、流量及特征尺寸的方式以改善并联多通道间的热量-流量的分配比例，进而在同一试验件基本原理的基础上实现多功能的非等温流体加热实验，本实施例加热实验装置为双并联支路，包括前密封进气室1，主流动回路2，并联分流件3，并联支路4，第一支路件块5，中间加热件块6，第二支路件块7，线圈型电磁感应加热装置8，第一支路流量计9，第二支路流量计10，并联合流件11，主回路流量计12，后密封出气室13。
24.所述试验装置是基于改变试验段导热能力、对流换热能力、流量及特征尺寸的方式以改善并联多通道间的热量-流量的分配比例，进而在同一实验装置基本原理的基础上实现多功能的非等温流体加热实验，包括位于整个实验装置最前端的前密封进气室1，对从进气回路引入的试验工质气体进行缓冲和整流，使其在良好的气密性条件下平稳地进入试验件中；前密封进气室后的主流动管路2一端紧密夹持或焊接入前密封进气室1内，对主流试验工质起引导作用；经主流动管路引导的气体进入通过法兰连接在主流动管路另一端的并联分流件3中；并联分流件3与并联支路4通过法兰连接，管径分别对应，引导气体流入次流动管路中，两并联支路次管路的管径可相同或不同；各并联支管路试验段外壁分别与试验段加热件内壁紧贴，以双并联次通道为例，试验段加热件分为第一支路件块5、中间件块
6、第二支路件块7，加热件由线圈型电磁感应加热装置8进行加热，线圈型电磁感应加热装置8的加热量通过电磁线圈中的电流、线圈匝数、线圈密度进行控制，通过改变三件块的导热性、绝缘性可实现对两并联支路热量的不同分配；两并联支路中的流体流经加热段后经过带有流量控制阀门的第一支路流量计9和第二支路流量计10，实现对不同支路流量、压降的分别控制，流量计可通过法兰或焊接的方式嵌入试验回路；支路中的气体工质经并联合流件11汇集，并联合流件11与并联支路末端通过法兰连接，管径分别对应；汇集后的流体经带有流量控制阀门的主回路流量计12，用以对各路流量进行控制、校准和试验准确性确认，主回路流量计可通过法兰或焊接方式嵌入主回路末端；气体工质最后流入后密封出气室13，后密封出气室13对试验回路中流出的气体进行缓冲和整流，使其平稳的流出实验装置。
25.所述试验装置可通过调整电磁感应加热线圈分区方式、加热件的导电导热特性、流量阀门的启停等实现多用途流体加热实验之间的简单转变，例如可用作具有近余弦功率密度分布的一般流体加热实验装置，其实施方法为：第一支路件块管径r1与第二支路件块管径r2相同，中间件块6为不导热绝缘体陶瓷材料，第一支路件块5与第二支路件块7为大小相同的同种金属材料，且第一支路流量计9、第二支路流量计10及主回路流量计12全开，线圈型电磁感应加热装置8的线圈缠绕均匀。可用作具有可控功率密度分布的流体加热实验装置，其实施方法为：第一支路件块管径r1与第二支路件块管径r2相同，中间件块6为不导热绝缘陶瓷材料，第一支路件块5与第二支路件块7为大小相同的同种金属材料，且第一支路流量计9、第二支路流量计10及主回路流量计12全开，改变线圈型电磁感应加热装置8发线圈分段数、线圈缠绕的匝数均匀程度、线圈密度及各段线圈的通电电流大小。可用作模拟并联多通道间因加热量分配不均产生的流量分配现象，其实施方法为：当第一支路件块管径r1与第二支路件块管径r2可相同也可不同，中间件块6为不导热绝缘陶瓷材料，第一支路件块5与第二支路件块7采用大小相同、导热率近似但电阻率不同的金属材料，第一支路流量计9、第二支路流量计10及主回路流量计12全开，线圈型电磁感应加热装置8在两端呈对称缠绕。可用作拟并联多通道间释热支路向非释热支路的热量传递及流量分配过程，其实施方法为：第一支路件块管径r1与第二支路件块管径r2可相同也可不同，第一支路件块5与中间件块6为导热绝缘陶瓷材料，第二支路件块7为导热导电金属材料，第一支路流量计9、第二支路流量计10及主回路流量计12全开，热量由导电端第二支路件块7向绝缘端第一支路件块5与中间件块6传递。可用作模拟非均匀释热介质多冷却通道间因孔径、导热率产生的流量、热量分配不均过程，其实施方法为：第一支路件块管径r1与第二支路件块管径r2可相同也可不同，第一支路件块5与第二支路件块7为导热绝缘陶瓷材料，其导热率可相同也可不同，中间件块6为导热导电金属材料，第一支路流量计9、第二支路流量计10及主回路流量计12全开，热量由中间件块向两端支路件块传递。可通过控制第一支路流量计9、第二支路流量计10的阀开关程度，并通过主回路流量计12对调整流量准确性进行校正，进而对所属支路提供额外压降，调整并联多通道间的总压对应关系从而影响支路流量的分配过程，用于对上述工况状态进行具体需求调整。可参照一般单管流体流动对流换热加热实验需求，通过改变气体入口总压瞬时变化速率、入口总温瞬时变化速率、入口流量瞬时变化速率、线圈型电磁感应加热装置线圈电流瞬时变化速率、分段电磁感应加热装置分段功率分布瞬时变化速率、流量计阀的瞬时变化速率等控制瞬时实验条件，从而实现上述工况对应的瞬态实验过程。冷却剂可采用空气、氮气、氦气、氢气等多种工质。
26.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中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。