淬火过程中固-液接触表征的电化学阻抗实验系统及其方法

摘要

本发明公开了一种应用于淬火过程中固‑液接触表征的电化学阻抗实验系统及其方法。所述系统由：电动执行器、外装载铜管、试样、高温管式加热炉、管式炉控制器、辅助电极、淬火池、淬火冷却液、平板加热台、电化学工作站、计算机、高温参比电极组成。本发明通过采用由高温参比电极，辅助电极，和试样在淬火冷却液中所组成的三电极体系，基于电化学阻抗数据的固‑液接触计算方法，能够在一定精度范围内推算整个试样表面如汽膜覆盖率等的关键固‑液接触参数，并能够以此评价不同试样的热流密度，判断淬火冷却速率。这对于淬火工况和淬火表面结构的设计具有指导意义。系统结构布置简单，表征测量操作方便，结果直观明了，对于试样的形状包容性良好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于淬火过程中固-液接触表征的电化学阻抗实验系统及其方法，属于气液相变领域。

背景技术

随着我国绿色能源战略的逐步推进，核能已经逐渐成为未来能源供给的中坚力量。核电作为当前核能利用中最为成熟的能源转化方式，被广泛应用于生产生活，国防军事等诸多领域，由此产生的核安全问题也随之成为研究的焦点。核反应堆堆芯的应急冷却是避免轻水堆核电站失水事故扩大的一种有效手段，系统通过注入应急冷却水使得高温燃料棒快速淬火，以避免高温燃料棒超温熔毁造成更为严重的核泄漏事故。增强淬火冷却过程中的热流密度能够有效增强燃料棒向冷却水中传递的热量，加快燃料棒的冷却速率。在高温燃料棒淬火冷却的初始阶段，燃料棒由于具有较高的温度，使得冷却液在表面迅速汽化，并形成一层蒸汽汽膜，且占据淬火过程相当长的一段时间。这层蒸汽膜阻碍了冷却液和固体表面的接触对流换热，从而使得热流密度下降。目前，大量的研究着眼于如何通过改变燃料棒表面的性质或淬火冷却液的性质来增强燃料棒高过热度阶段冷却液与固体表面的接触，从而达到在淬火冷却的初始阶段强化热流密度并增强淬火速率的目的。因此对于淬火冷却过程中固-液接触情况的表征也就成为了这些强化手段和强化方式在淬火冷却过程初始阶段提高热流密度最直接的评判依据。

淬火过程中的传热现象是一种过热度逐渐减小的沸腾传热过程。在沸腾传热的研究中，已经有许多固-液接触的表征和监测手段被提出，包括汽膜观测法，温度波动表征法，红外热成像表征法，光学反射表征法以及电化学表征法。汽膜的观测往往受到气泡之间遮挡的影响，难以直接得到表面的固-液接触情况。温度波动表征所需要的热电偶布置复杂，且要求温度波动有足够的分辨率；红外测温和光学反射由于发射和接受受到方向的限制，对于曲面包容性不足，难以达到测量要求。应用电化学手段能够很好的解决上述这些问题，但电化学表征过程中若仅以电流信号和电压信号作为指标往往需要根据在标准状况下的润湿比例的标定，才能对数据进行处理分析，缺乏直接判断固-液接触发生的依据。综上所述，要实现淬火冷却过程固-液接触的定量表征，则需要能够及时将表面的平均接触信息准确的表达出来，以供研究使用。

发明内容

本发明旨在克服上述不足，提出一种应用于淬火过程中固-液接触表征的电化学阻抗实验系统及其方法。

本发明公开了一种应用于淬火过程中固-液接触表征的电化学阻抗实验系统，所述系统包括电动执行器、外装载铜管、试样、高温管式加热炉、管式炉控制器、辅助电极、淬火池、淬火冷却液、平板加热台、电化学工作站、计算机、高温参比电极；

其中，电动执行器与外装载铜管上端固定相连，外装载铜管的下端与试样相连，试样在初始状态下位于高温管式加热炉内；高温管式加热炉受管式炉控制器反馈控制；高温管式加热炉位于淬火池正上方；通过电动执行器可控制试样的升降；

辅助电极与高温参比电极底部均浸入淬火池中的淬火冷却液中，辅助电极与高温参比电极分布在淬火池的两侧，辅助电极、高温参比电极、试样分别通过导线与电化学工作站相连并传送电位信号；淬火池设置在平板加热台上；

电动执行器、电化学工作站均与计算机相连，向计算机传输电化学参数测量结果。

优选的，淬火冷却液作为电化学工作站的电解液完成电化学参数的测量，其溶解盐浓度为0.001mol/L。

优选的，辅助电极采用铂电极，高温参比电极采用银/氯化银电极参比电极，淬火池为石英玻璃质。

本发明还公开了一种应用于淬火过程中固-液接触表征的电化学阻抗实验测试方法：

开启平板加热台加热淬火冷却液，通过管式炉控制器开启高温管式加热炉将被测试样加热至淬火的初始温度；初始温度均由测量工况决定；

完成准备工作后，电化学工作站开始采集的数据，实时记录电化学阻抗数据；

通过计算机控制电动执行器使得高温管式加热炉中加热的试样下降，并完全浸入淬火池中的淬火冷却液液面进行淬火，电化学工作站实时采集数据；

淬火结束后停止电化学工作站的数据采集，并将数据保存至计算机中；此后通过计算机控制电动执行器将试样升至高温管式加热炉中，以便再次测量；

假设淬火过程中的汽膜覆盖率是γ，汽泡或汽膜等效电容的电容值为C_b和角频率为ω，二者的乘积ωC_b由汽膜完全包裹表面的膜态沸腾阶段计算得到；冷却液在与试样表面的接触过程中会形成界面阻抗Z₀，在汽膜间的裂隙中填充的电解液和汽膜层外的电解液可以分别被等效为电阻R_e0和R_e。界面阻抗Z₀和填充的电解液电阻R_e0之和Z₀+R_e0由冷却液完全润湿表面时测量得到；因此我们就可以得到系统的电化学阻抗表达式为：

由于本装置旨在测量试样表面的固液接触情况，在保持淬火冷却液所含电解质浓度和成分不变的前提下，外部电解液的电阻可以不被考虑，表面的电化学阻抗表达式简化为：

通过上式测得的表面附近电化学阻抗Z能够反求解汽膜覆盖率γ，从而得知淬火过程表面的固-液接触情况。

本发明与现有技术相比具有如下收益：

(1)通过基于电化学阻抗数据的固-液接触计算方法，能够在一定精度范围内推算整个试样表面如汽膜覆盖率等的关键固-液接触参数；

(2)与现有电化学测量技术相比，采用电化学阻抗的方式测量表征，无需事先大量标定电流信号，电压信号与固-液接触的一一对应关系，简化表征测量流程，结果直观明了；同时能够完成电流信号和电位信号的检测，以满足变更电化学测量方式和手段的需求。

(3)系统结构布置简单，对被测试样的形状具有良好的包容性，能够得到全表面平均的固-液接触情况。同时可以通过改变了淬火冷却液的种类、温度，以及试样的淬火温度以满足不同的工况的测量需求；

附图说明

图1是淬火过程中固-液接触表征的电化学阻抗实验系统结构示意图；

图2是试样在管式炉中加热时示意图；

图3是试样淬火过程示意图及表面的等效电路图；

图4是采用基于电化学阻抗方法得到的电化学阻抗结果(图4b)和计算得到的汽膜覆盖率的变化结果(图4c)与经典文献中热流密度的变化结果(图4a)的对比图，用以验证该计算方法在利用固-液接触参数判断热流密度变化方面的合理性；

图中：电动执行器1、外装载铜管2、试样3、高温管式加热炉4、管式炉控制器5、辅助电极6、淬火池7、淬火冷却液8、平板加热台9、电化学工作站10、计算机11、高温参比电极12

具体实施方式

如图1、2所示，一种应用于淬火过程中固-液接触表征的电化学阻抗实验系统，电动执行器1、外装载铜管2、试样3、高温管式加热炉4、管式炉控制器5、辅助电极6、淬火池7、淬火冷却液8、平板加热台9、电化学工作站10、计算机11、高温参比电极12组成。其中电动执行器1与外装载铜管2上端固定相连，外装载铜管2的下端与试样3相连，高温管式加热炉4受管式炉控制器5反馈控制，辅助电极6与高温参比电极12底部均浸入淬火池7中的淬火冷却液8中，且分布在淬火池7的两侧，并同试样一起通过导线与电化学工作站10相连并传送电位信号，电动执行器1、电化学工作站10均受计算机11的实时程序控制，并向计算机11传输系统的电化学参数测量结果。淬火冷却液8中含有极少量的溶解盐以便形成低电导率的电解液完成电化学参数的测量。

本发明的具体工作过程如下：

开启平板加热台9加热淬火冷却液8，通过管式炉控制器5开启高温管式加热炉4将被测试样3加热至淬火的初始温度。温度均由测量工况决定。完成准备工作后，通过计算机11开启电化学工作站10的数据采集模式，实时记录系统中的电化学阻抗数据。此后通过计算机控制电动执行器1使得高温管式加热炉4中加热的试样下降，并完全浸入淬火池7中的淬火冷却液8(电解液)液面淬火，整个过程实时通过计算机11实时记录数据。淬火结束后停止电化学工作站10的数据采集模式，并将数据保存至计算机11中。此后通过计算机控制电动执行器1将试样升至高温管式加热炉4中，以便再次测量。

根据表面电路等效模型及实验系统得到的系统阻抗，得到表面固-液接触比例。计算方式如下：

图3所示为固-液接触的部分的表面电路等效图。假设淬火过程中的汽膜覆盖率是γ，在汽膜间的裂隙中填充的电解液和汽膜层外的电解液可以分别被等效为电阻R_e0和R_e。由于本装置旨在测量试样表面的固液接触情况，在保持淬火冷却液所含电解质浓度和成分相同的前提下，外部电解液的电阻R_e在计算中可以不被考虑，并假设为0。汽泡或汽膜等效电容的电容值为C_b和角频率为ω，二者的乘积ωC_b由汽膜完全包裹表面的膜态沸腾阶段计算得到(即γ为1时通过简化后的阻抗计算得到)；冷却液在与表面的接触过程中会形成界面阻抗Z₀，界面阻抗Z₀和填充的电解液电阻R_e0之和Z₀+R_e0由冷却液完全润湿表面时测量得到(即γ为0时通过简化后的阻抗计算得到)；系统的电化学阻抗表达式为：

简化后的近表面的电化学阻抗表达式为：

通过上式测得的表面附近阻抗Z能够反求解汽膜覆盖率γ，从而得知淬火过程表面的固-液接触情况。

实施例：

该例中淬火试样表面采取超亲水处理，初始淬火温度为700摄氏度；淬火冷却液为含0.001mol/L的氯化钾盐溶液，温度为100摄氏度。待电动执行器驱动试样完全浸入淬火冷却液，淬火开始。淬火过程起始点(完全浸入水中的初始时刻)至临界热流密度点间(该区间的热流密度变化主要由固-液接触决定)的热流密度随时间的变化曲线如图4a所示(曲线根据他人研究文献已知)。热流密度随着淬火时间逐步增加并在约15秒时显著增加。相应地得到图4b中的阻抗模和相位角随时间的变化曲线，通过计算得到如图4c所示的汽膜覆盖率，汽膜覆盖率随淬火时间逐渐减小这也对应于热流密度的逐渐增大，当淬火进行到15s左右时，汽膜覆盖率大幅下降，对应于热流密度的大幅增加。

因此根据电化学阻抗所计算得到的汽膜覆盖率能够很好的反应淬火过程中热流密度的变化，以便从固液接触的角度直接反应热流密度或者传热性能的变化，并能够以此来判别不同强化手段和强化方式在淬火冷却过程初始阶段提高热流密度中作用的大小。