包壳材料高温骤冷换热及高温蒸汽氧化实验装置

技术领域

本发明涉及的是一种高温骤冷实验领域的技术，具体是一种包壳材料高温骤冷换热实验及高温蒸汽氧化实验装置。

背景技术

为解决核反应堆失水事故再淹没工况下的锆合金包壳因锆水反应而发生氧化失效并产生大量氢气的问题，对锆合金包壳表面进行涂层处理是一种提高包壳耐事故特性较为可行的方案，因此涂层材料的选择是目前核反应堆设计中燃料棒包壳材料设计及安全研究领域的一个重要研究对象，为保证所选涂层材料具有良好的物化特性并能够在事故工况下起到保护作用，需要对涂层包壳材料开展高温骤冷换热及高温蒸汽氧化实验研究。

发明内容

本发明针对现有开放式高温加热炉限制了待测材料的类型的不足、现有装置多为手动操作方式且气动驱动装置运动稳定性较低，易因小扰动产生震荡，导致测试偶然性较大的缺陷，提出一种包壳材料高温骤冷换热实验及高温蒸汽氧化实验装置，通过精确控制达到控制高温加热炉的气体环境、实验全过程自动化的效果，增加驱动装置的稳定性并完善了实验装置的适用环境，显著提高实验装置的使用效率、准确性及安全特性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于控制系统的包壳材料高温骤冷换热实验及高温蒸汽氧化实验装置，包括：由上而下依次设置的驱动装置、密闭加热炉和骤冷水箱，其中：密闭加热炉和骤冷水箱通过四通阀的第一入口和第一出口相连，四通阀的第二入口接收保护气体，第二出口输出水箱蒸汽，驱动装置的末端设置用于连接试样的试样固定棒并驱动试样依次经过密闭加热炉、四通阀和骤冷水箱，驱动装置、密闭加热炉、四通阀、骤冷水箱底部加热装置、高速摄像机、试样壁面的热电偶和水箱内的热电偶分别与控制系统相连。

所述的控制系统，包括：数据采集单元、电力控制单元、图像处理单元以及可视化操作面板单元，其中：数据采集单元能够根据装设于试样内表面热电偶壁温采集信息、以及驱动装置顶部电机信息，进行模数转换处理，得到数字化壁温信息和数字化驱动装置位置信息；电力控制单元根据可视化操作面板单元在不同过程中给出的电信号，向相应装置发出控制信号，推进实验过程；图像处理单元根据数字化壁温信息，进行曲线拟合处理，获得全实验过程的壁温瞬态相应曲线，并能够存储高速摄像机拍摄的骤冷过程中的试样图像；可视化操作面板单元主要根据实验人员在实验前设定的气体环境、加热温度、保温时长等具体实验参数制定实验流程，并根据数据采集单元的提供的数据反馈进行调控，向电力控制单元发出电信号，并实时显示实验过程中的温度、实验时间、驱动装置的相对位置等实验参数，从而实现人机交互。

所述的四通阀，为旋转式四通阀或分列式四通阀。

技术效果

本发明通过采用集成数据采集单元、电力控制单元、图像处理单元及可视化操作面板的控制系统以及与之相连的实验设备作为硬件，以与该装置操作流程相匹配的基础软件开发，在可视化操作面板中呈现了便于人机交互的实验设置面板作为软件；通过根据标准高温骤冷换热及高温蒸汽氧化实验的标准实验流程预先编入的程序，实现软硬件的结合以达到实验全过程自动化的效果。与现有技术相比，本发明通过蝶板式四通阀的使用实现了对不同连接部分气体交换过程的控制，使得本装置即便处于开放式环境，依然具备在无氧环境下对待测涂层包壳材料进行加热的功能；实现了在预设实验流程下的实验全过程自动化，使得本装置避免了因人工操作引入的主观或客观的实验误差。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1侧视图；

图3为示意图；

图中：电动推杆1、试样固定棒2、高温加热炉3、四通阀4、观察视窗5、骤冷水箱6、单向阀7、固定螺栓8、加热装置9、阀门蝶板10。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种包壳材料高温骤冷换热实验及高温蒸汽氧化实验装置，包括：由上而下依次设置的驱动装置、密闭加热炉3和骤冷水箱6，其中：密闭加热炉3和骤冷水箱6通过四通阀4的第一入口和第一出口相连，四通阀4的第二入口接收保护气体，第二出口输出水箱蒸汽，驱动装置的末端设置用于连接试样的试样固定棒2并驱动试样依次经过密闭加热炉、四通阀和骤冷水箱，试样以及骤冷水箱上均设有与控制系统相连的热电偶，驱动装置、密闭加热炉、四通阀和高速摄像机分别与控制系统相连。

所述的驱动装置采用电动推杆1，电动驱动方式与气动驱动方式相比具有更高的稳定性，同时又较油压驱动方式具有更高的可靠性，后期使用与维护过程中可以避免油压驱动的泄露风险和气动驱动的密封性问题。

如图3所示，所述的四通阀，通过旋转阀门蝶板10控制四通道的连通情况，从而避免在试样加热过程中骤冷水箱中加热产生的蒸汽进入高温炉中发生高温蒸汽氧化从而影响试样加热结果，同时也满足了特殊的试样材料能够在所需的惰性气体环境下加热，并保证了在加热结束后的待测试样能够迅速进入骤冷水箱以防止试样冷却导致骤冷换热实验结果存在较大误差。

所述的骤冷水箱6的前后两侧均设有液体单向阀7，用于向水箱中注入实验所需的液体工质和试验结束后的工质排出。

所述的水箱底部6设有一加热装置9(通常为旋入式加热电阻)，用于控制水箱水样处于实验所需的温度。

所述的电动推杆1的驱动开关，连接至控制系统。

所述的试样上设有与外部温度采集系统相连的热电偶。

所述的骤冷水箱上设有观察视窗5以及摄像装置，该摄像装置与控制系统相连。

所述的控制系统，包括：数据采集单元、电力控制单元、图像处理单元以及可视化操作面板单元，其中：数据采集单元根据装设于试样内表面热电偶的壁温采集信息、根据驱动装置顶部的电机信息，进行模数转换处理，得到数字化壁温信息和数字化驱动装置位置信息；电力控制单元根据可视化操作面板单元在不同过程中给出的电信号，向相应装置发出控制信号，推进实验过程；图像处理单元根据数字化壁温信息，进行曲线拟合处理，获得全实验过程的壁温瞬态相应曲线，并能够存储高速摄像机拍摄的骤冷过程中的试样图像；可视化操作面板单元主要根据实验人员在实验前设定的气体环境、加热温度、保温时长等具体实验参数制定实验流程，并根据数据采集单元的提供的数据反馈进行逐步调控，向电力控制单元发出电信号，并实时显示实验过程中的温度、实验时间、驱动装置的相对位置等实验参数。

本实施例涉及上述装置的实验控制方法，以对具有NCD涂层的锆合金包壳进行高温骤冷换热实验为例，包括以下步骤：

步骤1)实验准备阶段将待测试样固定于试样固定棒2末端；实验开始前实验人员在可视化操作面板单元选择实验类型为高温骤冷换热实验，设置高温骤冷初始温度为1000℃，气体环境为氩气环境；

步骤2)实验开始时，控制系统的数据采集单元获取驱动装置中电机信息，判断驱动装置1是否处于基准位置并由可视化操作面板单元内部的处理器向电力控制单元发出信号进行复位，若处于基准位置，则由电力控制单元控制四通阀4导通高温加热炉与保护气体入口，打开氩气气瓶，向高温加热炉中通入氩气，电力控制单元控制高温加热炉3开始加热并由数据采集单元实时监测试样内壁的热电偶温度，并控制外接进水口由单通阀7向骤冷水箱注入常温水；

步骤3)当内壁温度达到1000℃时高温加热炉3停止加热并保温，随后电力控制单元旋转四通阀4，导通骤冷水箱6与高温加热炉3，电力控制单元控制驱动装置1以500mm/s向下移动，推动试样下降400mm，进入骤冷水箱6，并控制高速摄像机通过骤冷水箱6的观察视窗5对试样的淹没过程进行记录，由数据采集单元采集该过程的壁温瞬态响应曲线，由图像处理单元自动拟合并输出至可视化操作面板，同时将高速摄像机拍摄的内容存储于可视化操作面板的ROM中，以待实验人员记录与分析；

步骤4)当试样壁温与骤冷水箱中液体工质温度一致时，数据采集装置停止工作，驱动装置1复位至基准位置，四通阀4复位，外部氩气气罐阀门关闭，其余装置处于关闭状态，高温骤冷换热实验结束。

与现有技术相比，本发明通过电动驱动装置而不是液压驱动装置或气动驱动装置，能够提高装置运行的稳定性，并有利于装置整体的后期维护；通过采用四通阀，能够在控制实验过程中各部分的气体环境(或气体组成成分)的同时，使试样能够在冷却至过低温度前迅速进入骤冷水箱以开始后续实验，极大扩充了该装置的适用材料。

综上，本发明能够对整个实验全过程进行自动化地控制和运行，并对所需的实验数据进行采集和初步整理，这是已有文献中所不具备的。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。