一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段

摘要

本发明公开了一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段，该实验段包括矩形气体通道、肋板、支柱、外环腔、外环腔入口以及外环腔出口。矩形气体通道由气体通道盖板、气体通道U形槽以及盖板侧边密封片组合形成。肋板为回形肋板，均匀焊接在矩形气体通道外壁面。支柱一端带凹槽圆柱，夹持回形肋板并焊接，另一端焊接外环腔内壁。外环腔为圆形管道，外环腔入口设计在外环腔上部，靠近矩形气体通道高温气体入口端，由入口管及入口管法兰构成。外环腔出口设计在外环腔底部，靠近矩形气体通道高温气体出口端，由出口管及出口法兰构成。该实验段可以开展针对于矩形通道内的高温气体在等温壁面下的冷却流动换热实验研究。

权利要求

1.一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段，其特征在于：包括气体通道盖板(1‑

2)、肋板(1‑3)、支柱(1‑4)、气体通道U形槽(1‑5)、盖板侧边密封片(1‑6)、出口管(2‑2)、出口管法兰(2‑3)、外环腔(2‑4)、入口管(2‑6)以及入口管法兰(2‑5)；所述气体通道盖板(1‑

2)、气体通道U形槽(1‑5)以及盖板侧边密封片(1‑6)组合形成矩形气体通道(1‑1)，矩形气体通道(1‑1)外套接肋板(1‑3)；外环腔(2‑4)内部插入构成矩形气体通道(1‑1)的气体通道盖板(1‑2)与气体通道U形槽(1‑5)，并安装有肋板(1‑3)与支柱(1‑4)；外环腔(2‑4)与气体通道盖板(1‑2)、气体通道U形槽(1‑5)之间形成冷却剂通道(2‑1)；矩形气体通道(1‑1)气体进出口端由两端封闭的外环腔(2‑4)对气体通道盖板(1‑2)与气体通道U形槽(1‑5)进行支撑，中间部分通过肋板(1‑3)与支柱(1‑4)与外环腔(2‑4)内壁焊接形成支撑；在外环腔(2‑

4)靠近矩形气体通道(1‑1)高温气体入口端的上部安装有出口管(2‑2)和出口管法兰(2‑

3)，在外环腔(2‑4)靠近矩形气体通道(1‑1)高温气体出口端的下部安装有相同规格的入口管(2‑6)和入口管法兰(2‑5)；从而能够使冷却剂与高温气体流动方向相反，实现充分冷却；

所述气体通道U形槽(1‑5)为两侧带双台阶的U形高温合金钢槽，U形槽第一级台阶(1‑

5‑1)高度为矩形气体通道(1‑1)高度，U形槽第二级台阶(1‑5‑2)高度为气体通道盖板(1‑2)的厚度，气体通道盖板(1‑2)卡接入U形槽第二级台阶(1‑5‑2)中，使U形槽第一级台阶(1‑5‑

1)能够支撑气体通道盖板(1‑2)，在气体通道盖板(1‑2)与U形槽第二级台阶(1‑5‑2)侧面之间放置盖板侧边密封片(1‑6)，密封形成矩形气体通道(1‑1)，同时加强气体通道盖板(1‑2)与气体通道U形槽之间的配合；

所述气体通道盖板(1‑2)为高温合金钢板，盖板侧边密封片(1‑6)为金属铜片，外环腔(2‑4)为普通钢材质的两端封闭的圆管；

所述肋板(1‑3)为普通钢材质，所述支柱(1‑4)为实芯普通钢材质。

2.根据权利要求1所述的一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段，其特征在于：所述肋板(1‑3)为普通钢材质的回形薄片板，均匀分布在气体通道盖板(1‑2)与气体通道U形槽(1‑5)的外侧，将肋板(1‑3)嵌套在气体通道盖板(1‑2)与气体通道U形槽(1‑5)外侧，并进行焊接固定，用于强化气体通道盖板(1‑2)与气体通道U形槽(1‑5)之间的配合；同时强化矩形气体通道(1‑1)内高温气体与冷却剂通道(2‑1)内冷却剂之间的换热。

3.根据权利要求1所述的一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段，其特征在于：所述支柱(1‑4)为实芯普通钢圆柱，在实验段内沿轴向均匀分布，支柱(1‑4)的一端开槽，槽宽与肋板(1‑3)厚度相同，槽深不小于肋板(1‑3)肋高的1/3，该端夹持肋板(1‑3)并进行焊接固定；支柱(1‑4)的另一端为圆头端，焊接在外环腔(2‑4)的内壁面，从而利用支柱(1‑4)与肋板(1‑3)支撑气体通道盖板(1‑2)与气体通道U形槽(1‑5)。

4.根据权利要求1所述的一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段，其特征在于：支柱(1‑4)沿实验段轴向的数量为3对6根，所述肋板(1‑3)沿实验段轴向的数量为15条。

说明书

一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段

技术领域

[0001] 本发明涉及高温气体等温壁面矩形通道内流动冷却换热特性实验研究，具体涉及一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段。

背景技术

[0002] 超高温气冷堆、气冷微堆以及搭载核反应堆的空间站近年来成为国际研究热点与未来核反应堆应用与发展的重点方向。这些新型反应堆的应用无一例外的都采用了气体作
为冷却剂，且为了提高能源转换效率，气体在反应堆堆芯内都被加热到了高温高压状态。针
对于高温气体的加热流动换热实验在国际及国内开展了一定的实验，设计了相关的实验台
架。但是，针对于高温气体的冷却流动换热实验却少有研究人员开展。然而，无论对于超高
温气冷堆、气冷微堆还是搭载核反应堆的空间站，经堆芯加热后的高温气体流出堆芯在下
一次再次流入堆芯前都要经过冷却过程，高温气体的冷却流动换热过程依然是十分重要的
研究内容。

发明内容

[0003] 为了开展高温气体等温壁面矩形通道内流动冷却换热特性实验研究，本发明的目的在于提供一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段，满足高温气体在矩形通道内的流
动换热需求、应力应变需求，保证实验段的安全性，实现对高温气体在高压状态下在等温壁
面矩形通道内流动冷却换热特性实验研究。

[0004] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0005] 一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段，包括气体通道盖板1‑2、肋板1‑3、支柱1‑4、气体通道U形槽1‑5、盖板侧边密封片1‑6、出口管2‑2、出口管法兰2‑3、外环腔2‑4、入
口管2‑6以及入口管法兰2‑5；所述气体通道盖板1‑2、气体通道U形槽1‑5以及盖板侧边密封
片1‑6组合形成矩形气体通道1‑1，矩形气体通道1‑1外套接肋板1‑3；外环腔2‑4内部插入构
成矩形气体通道1‑1的气体通道盖板1‑2与气体通道U形槽1‑5，并安装有肋板1‑3与支柱1‑
4；外环腔2‑4与气体通道盖板1‑2、气体通道U形槽1‑5之间形成冷却剂通道2‑1；矩形气体通
道1‑1气体进出口端由两端封闭的外环腔2‑4对气体通道盖板1‑2与气体通道U形槽1‑5进行
支撑，中间部分通过肋板1‑3与支柱1‑4与外环腔2‑4内壁焊接形成支撑；在外环腔2‑4靠近
矩形气体通道1‑1高温气体入口端的上部安装有出口管2‑2和出口管法兰2‑3，在外环腔2‑4
靠近矩形气体通道1‑1高温气体出口端的下部安装有相同规格的入口管2‑6和入口管法兰
2‑5；从而能够使冷却剂与高温气体流动方向相反，实现充分冷却。

[0006] 所述气体通道U形槽1‑5为两侧带双台阶的U形高温合金钢槽，U形槽第一级台阶1‑5‑1高度为矩形气体通道1‑1高度，U形槽第二级台阶1‑5‑2高度为气体通道盖板1‑2的厚度，
气体通道盖板1‑2卡接入U形槽第二级台阶1‑5‑2中，使U形槽第一级台阶1‑5‑1能够支撑气
体通道盖板1‑2，在气体通道盖板1‑2与U形槽第二级台阶1‑5‑2侧面之间放置盖板侧边密封
片1‑6，密封形成矩形气体通道1‑1，同时加强气体通道盖板1‑2与气体通道U形槽之间的配
合。

[0007] 所述肋板1‑3为普通钢材质的回形薄片板，均匀分布在气体通道盖板1‑2与气体通道U形槽1‑5的外侧，将肋板1‑3嵌套在气体通道盖板1‑2与气体通道U形槽1‑5外侧，并进行
焊接固定，用于强化气体通道盖板1‑2与气体通道U形槽1‑5之间的配合；同时强化矩形气体
通道1‑1内高温气体与冷却剂通道2‑1内冷却剂之间的换热。

[0008] 所述支柱1‑4为实芯普通钢圆柱，在实验段内沿轴向均匀分布，支柱1‑4的一端开槽，槽宽与肋板1‑3厚度相同，槽深不小于肋板1‑3肋高的1/3，该端夹持肋板1‑3并进行焊接
固定；支柱1‑4的另一端为圆头端，焊接在外环腔2‑4的内壁面，从而利用支柱1‑4与肋板1‑3
支撑气体通道盖板1‑2与气体通道U形槽1‑5。

[0009] 所述气体通道盖板1‑2为高温合金钢板，盖板侧边密封片1‑6为金属铜片，外环腔2‑4为普通钢材质的两端封闭的圆管。

[0010] 支柱1‑4沿实验段轴向的数量为3对6根，所述肋板1‑3沿实验段轴向的数量为15条。

[0011] 本发明具有以下优点和有益效果：

[0012] 1、本发明的一种高温气体等温壁面冷却矩形试验段设计，外环腔既提供冷却剂流道，又为气体通道盖板与气体通道U形槽提供力的支撑，防止矩形气体通道的热变形。同时，
冷却剂从外环腔靠近高温气体出口的一端下侧进入，从外环腔靠近高温气体入口的一端上
侧流出，能够充分冷却矩形气体通道内的高温气体；

[0013] 2、本发明的一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段，组合形成矩形气体通道的气体通道盖板和气体通道U形槽外壁面通过肋板紧固并焊接，不仅能够防止矩形气体通
道的热变形，使矩形气体通道能够承受高压，同时，能够强化矩形气体通道与冷却剂之间的
换热；

[0014] 3.本发明的一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段，通过支柱一端夹持实验段肋板一端焊接固定在外环腔内壁面，对组成矩形气体通道的气体通道盖板与气体通道U
形槽进行支撑，能够有效防止矩形气体通道由于受热发生热变形。

[0015] 4、本发明的一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段，仅有构成矩形气体通道的气体通道盖板和气体通道U形槽采用了高温合金钢，其他结构均采用了普通钢材，造价低
且能耐受高温高压要求，符合工程应用需要。

附图说明

[0016] 图1为本发明一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段的轴向剖面结构示意图；

[0017] 如图1所示，1‑1为矩形气体通道，1‑2为气体通道盖板，1‑3为肋板，1‑4为支柱，1‑5为气体通道U形槽，2‑1为冷却剂通道，2‑2为出口管，2‑3为出口管法兰，2‑4为外环腔，2‑6为
入口管，2‑5为入口管法兰。

[0018] 图2为本发明一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段的截面结构示意图；

[0019] 如图2所示，1‑1为矩形气体通道，1‑2为气体通道盖板，1‑3为肋板，1‑4为支柱，1‑5为气体通道U形槽，1‑6为盖板侧边密封片，2‑1为冷却剂通道，2‑4为外环腔，2‑5为入口管，
2‑6为入口管法兰。

[0020] 图3为本发明一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段设计的矩形气体通道拆分示意图；

[0021] 如图3所示，1‑2为气体通道盖板，1‑3为肋板，1‑5为气体通道U形槽，1‑5‑1为U形槽第一级台阶，1‑5‑2为U形槽第二级台阶，1‑6为盖板侧边密封片。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和具体设计方案对本发明及实施方案做进一步详细说明：

[0023] 如图1所示，本发明一种高温气体等温壁面冷却实验矩形实验段，包括气体通道盖板1‑2、肋板1‑3、支柱1‑4、气体通道U形槽1‑5、盖板侧边密封片1‑6、出口管2‑2、出口管法兰
2‑3、外环腔2‑4、入口管2‑6以及入口管法兰2‑5；所述气体通道盖板1‑2、气体通道U形槽1‑5
以及盖板侧边密封片1‑6组合形成矩形气体通道1‑1，矩形气体通道1‑1外套接肋板1‑3；外
环腔2‑4内部插入构成矩形气体通道1‑1的气体通道盖板1‑2与气体通道U形槽1‑5，并安装
有肋板1‑3与支柱1‑4；外环腔2‑4与气体通道盖板1‑2、气体通道U形槽1‑5之间形成冷却剂
通道2‑1；矩形气体通道1‑1气体进出口端由两端封闭的外环腔2‑4对气体通道盖板1‑2与气
体通道U形槽1‑5进行支撑，中间部分通过肋板1‑3与支柱1‑4与外环腔2‑4内壁焊接形成支
撑；在外环腔2‑4靠近矩形气体通道1‑1高温气体入口端的上部安装有出口管2‑2和出口管
法兰2‑3，在外环腔2‑4靠近矩形气体通道1‑1高温气体出口端的下部安装有相同规格的入
口管2‑6和入口管法兰2‑5；从而能够使冷却剂与高温气体流动方向相反，实现充分冷却。

[0024] 作为本发明的优选及创新实施方式，所述气体通道U形槽1‑5为两侧带双台阶的U形高温合金钢槽，U形槽第一级台阶1‑5‑1高度为矩形气体通道1‑1高度，U形槽第二级台阶
1‑5‑2高度为气体通道盖板1‑2的厚度，气体通道盖板1‑2卡接入U形槽第二级台阶1‑5‑2中，
使U形槽第一级台阶1‑5‑1能够支撑气体通道盖板1‑2，在气体通道盖板1‑2与U形槽第二级
台阶1‑5‑2侧面之间放置盖板侧边密封片1‑6，密封形成矩形气体通道1‑1，同时加强气体通
道盖板1‑2与气体通道U形槽之间的配合。

[0025] 作为本发明的优选及创新实施方式，所述肋板1‑3为普通钢材质的回形薄片板，均匀分布在气体通道盖板1‑2与气体通道U形槽1‑5的外侧，将肋板1‑3嵌套在气体通道盖板1‑
2与气体通道U形槽1‑5外侧，并进行焊接固定，用于强化气体通道盖板1‑2与气体通道U形槽
1‑5之间的配合；同时强化矩形气体通道1‑1内高温气体与冷却剂通道2‑1内冷却剂之间的
换热。

[0026] 作为本发明的优选及创新实施方式，所述支柱1‑4为实芯普通钢圆柱，在实验段内沿轴向均匀分布，支柱1‑4的一端开槽，槽宽与肋板1‑3厚度相同，槽深不小于肋板1‑3肋高
的1/3，该端夹持肋板1‑3并进行焊接固定；支柱1‑4的另一端为圆头端，焊接在外环腔2‑4的
内壁面，从而利用支柱1‑4与肋板1‑3支撑气体通道盖板1‑2与气体通道U形槽1‑5。

[0027] 作为本发明的优选及创新实施方式，所述气体通道盖板1‑2为高温合金钢板，盖板侧边密封片1‑6为金属铜片，外环腔2‑4为普通钢材质的两端封闭的圆管。

[0028] 作为本发明的优选及创新实施方式，支柱1‑4沿实验段轴向的数量为3对6根，所述肋板1‑3沿实验段轴向的数量为15条。