[发明专利]一种小直径球床高温氦气压降测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于压降测量技术领域，具体涉及一种小直径球床高温氦气压降测量装置及方法。

技术背景

各种形式的球床广泛应用于球床水冷堆、熔盐堆、核聚变包层、高效换热器、化学反应器等领域。在聚变固态包层中，球床用于增殖区产氚，同时使用低压氦气吹扫球床，载带增殖剂小球所产生的氚，进入氚提取系统提氚，用作聚变堆自身燃料。因此，氦气通过球床的流动阻力特性是提纯系统设计的重要参数。聚变包层设计中，氦气泵的选型及提纯气的流量确定都需要氦气流动阻力确定，本研究对于聚变堆包层设计及运行具有重要意义。

聚变固态包层中的增殖区产氚球床直径较小，在0.5mm左右。流速较低，小于0.5m/s。氦气温度较高，最高可达800℃。氦气在球床中的流动压降和球床孔隙率、直径及氦气压力、流量、温度有关，因此测量装置必须能够灵活的改变上述参数，以获得流动不同距离下的流动压降。目前传统的实验方法无法精确测量该小直径球、小流量、高温环境下的氦气流动压降。中国专利CN201410391127涉及一种聚变堆增殖包层球床吹氚氦气热工水力特性实验装置及方法，但该方法中球床通过电磁感应加热，氦气流动过程中温度会逐步升高，难以控制恒温，并且该方法的压降测点少，无法测量沿程压降。国外文献“Performance characterization of the FLEX low pressure helium facilityfor fusion technology experiments”涉及一种氦气回路装置，但该装置无法测量高温氦气，回路含有风机，气密性较差。

本发明通过耐高温高密封矩形实验段装载小直径球，利用汇流方式测量多点压降，结合热式气体流量计测量气体流量、热电偶测量温度、减压阀调节压力，解决了对球床高温氦气沿程流动压降的精确测量问题。

基于以上背景技术，针对国际热核聚变实验堆(ITER)计划专项课题(2014GB114001)研究的任务需求，特提出本发明专利。

发明说明

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种小直径球床高温氦气压降测量装置及方法，能够精确的获得高温氦气沿程压降，解决了高温氦气的加热及球床密封问题；解决了实验段入口氦气压力、流量、温度不均衡及难以调整的现有技术缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种小直径球床高温氦气压降测量装置，包括氦气瓶1，连接在氦气瓶1出口管路上的加热段和实验段14，连接在实验段14管路出口的止回阀17，在连接氦气瓶1出口与加热段的管路上设置有可调减压阀2和气体质量流量计3；所述加热段的管壁上缠绕有加热丝4，且加热段连接有高压侧引压管8和热电偶6，高压侧引压管8上依次设置有冷却器13、针型阀12、压力表5和差压表9；所述实验段14进口及出口法兰处通过法兰金属滤芯7对实验段14内的小直径球15进行密封，且实验段14沿管内气体流动方向沿程布置多个压力测点，每个压力测点连接低压侧引压管11，实验段14与低压侧引压管11通过引压管金属滤芯16进行密封，低压侧引压管11汇集至汇流排10中，在各低压侧引压管11上设置有进行流量通断的针型阀12，各针型阀12上游设置有用于冷却高温气体的冷却器13；所述加热段上设置的高压侧引压管8出口连接至汇流排10。

所述加热段的加热丝4外部覆盖有加热段保温棉18，所述实验段14管壁外覆盖有实验段保温棉19。

所述实验段14为圆管内切割的矩形槽。

所述小直径球15采用耐高温不锈钢制造，直径为0.1mm‐1mm。

所述实验段14的长度为500mm，沿程设有5个压力测点。

上述所述小直径球床高温氦气压降测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1:调节可调减压阀2的开度以及加热丝4的加热功率，获得所需的流量、压力及气体温度；

步骤2:在关闭所有引压管针型阀情况下，打开高压侧引压管8处针型阀12；

步骤3:打开一个低压侧引压管11处针型阀12；

步骤4:读取差压表9的数据，获得的数据为该低压侧引压管11处针型阀12所在引压管所连的压力测点与高压侧引压管压力测点间的压降，即为气体流过这段距离的压降；

步骤5:关闭步骤3打开的针型阀12，打开下一个针型阀12，重复步骤3和步骤4，直至所有压降测量完成；所有测量的压降即为气体沿程压降；

步骤6:再结合气体质量流量计3所测量的流量、压力表5所测量的压力以及热电偶6所测量的温度，即得到该流量、压力、温度下的气体沿程压降。