CN107421983A - 熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其包括实验不锈钢平台、高温炉系统、保护气系统、冷却系统、加热控制系统、实验水箱系统、高速摄像系统、升降台，其中：所述实验不锈钢平台分为上下两层，上层采用不锈钢板平铺，四周安装有不锈钢护栏，下层利用不锈钢板将四周焊接密封成一个较为密闭的空间，留两扇门用来进出，通过扶梯上下等。本发明可以实现最高2700℃的高温熔融物与冷却水的相互作用实验，有助于进行超高温反应现象的相关研究，在熔融金属与冷却剂相互作用的实验过程中，可以实现连续在线加料，有助于提高实验效率，也可以从不同角度同时对反应过程进行可视化观测，有助于对熔融金属与冷却剂相互作用的机理研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验系统，特别是涉及一种熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统。
背景技术
高温难挥发性熔融物与低温易挥发性冷却剂相互作用产生爆炸破坏的现象可能发生在核反应堆严重堆芯熔化事故中、也可能发生在冶金工业炼钢炉事故中，由于熔融物与冷却剂相互作用可能引起巨大的经济损失和环境破坏，所以这一复杂的物理现象是目前国际上安全研究领域里的一个重要研究对象。
通过熔融金属与冷却剂的相互作用可视化实验，有助于对其相互作用发生机理和反应过程进行更深入的研究，但是由于过去的实验系统简单，实验温度低，实验效率低，获取的实验结果有限。本发明实验系统在熔融金属与冷却剂相互作用过程中，可以实现金属温度的控制，可以连续实验，控制的实验初始参数更多，可以同时对不透明的熔融金属反应过程进行多方位观测，并可根据实验需求调整和保持水的温度以及熔融金属的落水高度，通过对动态压力和温度的实时采集，并通过高速摄像仪同步拍摄，有助于对水与熔融金属相互作用类型和发生机理进行研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其可以实现最高2700℃的高温熔融物与冷却水的相互作用实验，有助于进行超高温反应现象的相关研究，在熔融金属与冷却剂相互作用的实验过程中，可以实现连续在线加料，有助于提高实验效率，也可以从不同角度同时对反应过程进行可视化观测，有助于对熔融金属与冷却剂相互作用的机理研究。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其特征在于，其包括实验不锈钢平台、高温炉系统、保护气系统、冷却系统、加热控制系统、实验水箱系统、高速摄像系统、升降台，其中：
所述实验不锈钢平台分为上下两层，上层采用不锈钢板平铺，四周安装有不锈钢护栏，下层利用不锈钢板将四周焊接密封成一个较为密闭的空间，留两扇门用来进出，通过扶梯上下；
所述高温炉系统安装在实验不锈钢平台的上层，包括高温炉炉体、炉盖、充气入口、石墨坩埚、悬臂、转轴、支撑套、液压顶杆、保温层、感应密封装置、感应线圈、释放阀口、冷却水进口、电机、石墨杆驱动装置，可实现对金属球的加热和坩埚内的控温，并用于金属熔融物的释放，还实现连续加料；高温炉炉体和炉盖一起构成高温炉的外围，悬臂、转轴、支撑套、液压顶杆连接了高温炉炉体和炉盖，也可以在实验结束后通过液压顶杆开启炉盖；在高温炉的底部有一个冷却水入口，冷却水通过该入口注入高温炉进行冷却，类似的，在炉盖的上有一个充气入口，保护气通过该入口注入到高温炉里进行压力保护；在高温炉内部有一个石墨坩埚，金属燃料球就装载在坩埚里进行加热，坩埚的外围是保温层可实现高温保护，在坩埚外表面装有感应线圈和感应密封装置一起作用于高温炉的加热系统控制；当融化的金属球通过坩埚底部的通道流到释放阀门，阀门开启后，熔融物下流至水箱，便进行观测；在炉盖上部的电机和石墨杆驱动装置联合作用，实现连续加料；
所述保护气系统包括真空泵和氩气供应系统；真空泵用于将高温炉炉体内抽真空，氩气供应系统实现往高温高温炉炉体内注入氩气保护；
所述冷却系统包括冷却塔、储水箱，冷却水从高温炉炉体底部注入，对高温炉炉体进行有效冷却，再流出流回冷却塔内，形成一个水环路，其中冷却水的额定压力为0.2Mpa，进水温度低于25℃；储水箱提供整个实验台架所需的冷却水，并且回收从高温炉炉体流出经冷却塔冷却后的水；
所述加热控制系统主要包括变压器、控制柜，其中变压器实现压力从200V升至380V，控制柜和其他装置联合控制实验的金属物料加热功率，物料的放料、驱动机构的提升，以及泵的开关；变压器、冷却塔、真空泵、氩气供应系统都与高温炉炉体连接；变压器还与控制柜连接；
所述实验水箱系统包括一个四面都装有可视窗的实验水箱、四个热电偶、八个压力传感器、加热器，其中加热器安装在实验水箱的底部，对水进行加热作用；热电偶安装在水箱的一个侧面上，四个等距离分布；压力传感器装在水箱的两个侧面上，每侧等距布置四个，一共八个压力传感器；
所述高速摄像系统包括两台高速摄像机、四台影视镝灯以及其他相应的记录设备、保护设备，其中两台高速摄影机对着实验水箱的两个视窗，四台镝灯布置在实验水箱的四侧，另一台普通DV记录全景；
所述升降台安装在一块地板上，实验水箱安装在升降台的上部，水箱上部对准高温炉炉体的释放口，通过升降台来改变实验水箱的高度，引入实验的变量之一。
优选地，所述实验不锈钢平台的楼上设备主要包括高温炉系统、冷却系统和加热控制系统，楼下的设备包括实验水箱系统、高速摄像系统、升降台，整个实验系统是由不锈钢平台搭建，四周安装有护栏，平台上铺有不锈钢板，各个方位均安装有监控摄像头，用于对整个实验场地的监控，方便主控室的实验人员对整个实验场地的情况有一个充分的掌握。
优选地，所述高温炉炉体的顶部装有一台电机，和控制柜联合作用，用于石墨驱动装置的上升和下降的控制；以及高温炉炉体体上的连续加料控制，使得在实验过程中，金属颗粒能够在不停炉的状态下加入炉膛内部。
优选地，所述保护气系统的氩气供应系统是由氩气瓶和压力表以及阀门组成，并与高温炉炉体外壁面的充气阀门相连接，用于高温炉炉体炉膛内氩气的充入并控制进气量的大小。
优选地，所述冷却系统的管道连接在高温炉炉体、感应器需要水冷的设备管道上，并与储水箱、冷却塔连接成一个水回路，用于对整个实验系统的冷却以及对楼下实验水箱的冷却剂供应。
优选地，所述加热控制系统的变压器与高温炉炉体内的感应器连接，用于对感应器的供电；控制柜与一个高温探测仪连接，并与变压器连接，用来对温度的实时显示监测以及对变压器供电，并控制变频器的频率以及加热功率。
优选地，所述热电偶用于对熔融物反应的冷却剂温度进行测量；压力传感器用于对反应过程压力脉冲的捕捉；实验水箱设有进水出水的阀门管道，用于冷却剂的进入与排出；加热器用于水箱温度的控制。
优选地，所述高速摄像机用于对实验水箱中的反应过程进行立体拍摄；影视镝灯用于对高速摄像仪拍摄提供光源；记录设备主要是电脑，用于对拍摄照片的存储和对两台高速摄像仪的同步触发。
优选地，所述升降台用于对实验水箱的高度的控制，从而可以实现熔融物不同下落高度。
本发明的积极进步效果在于：本发明可以实现最高2700℃的高温熔融物与冷却水的相互作用实验，有助于进行超高温反应现象的相关研究，在熔融金属与冷却剂相互作用的实验过程中，可以实现连续在线加料，有助于提高实验效率，也可以从不同角度同时对反应过程进行可视化观测，有助于对熔融金属与冷却剂相互作用的机理研究。
附图说明
图1为本发明的整体示意图。
图2为本发明的实验水箱示意图。
图3为本发明的高温炉炉体上部分示意图。
图4为本发明的高温炉炉体下部分示意图。
图5为本发明的升降台示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1至图5所示，本发明熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统包括实验不锈钢平台、高温炉系统、保护气系统、冷却系统、加热控制系统、实验水箱系统、高速摄像系统、升降台，其中：
所述实验不锈钢平台15分为上下两层，上层采用不锈钢板平铺，四周安装有不锈钢护栏，下层利用不锈钢板将四周焊接密封成一个较为密闭的空间，留两扇门用来进出，通过扶梯3上下；
所述高温炉系统安装在实验不锈钢平台的上层，包括高温炉炉体14、炉盖11、充气入口10、石墨坩埚9、悬臂25、转轴26、支撑套27、液压顶杆28、保温层29、感应密封装置30、感应线圈8、释放阀口4、冷却水进口5、电机13、石墨杆驱动装置12，可实现对金属球的加热和坩埚内的控温，并用于金属熔融物的释放，还可实现连续加料；高温炉炉体14和炉盖11一起构成高温炉的外围，悬臂25、转轴26、支撑套27、液压顶杆28连接了高温炉炉体和炉盖，也可以在实验结束后通过液压顶杆开启炉盖；在高温炉的底部有一个冷却水入口，冷却水通过该入口注入高温炉进行冷却，类似的，在炉盖的上有一个充气入口，保护气通过该入口注入到高温炉里进行压力保护；在高温炉内部有一个石墨坩埚9，金属燃料球就装载在坩埚里进行加热，坩埚的外围是保温层29可实现高温保护，在坩埚外表面装有感应线圈8和感应密封装置30一起作用于高温炉的加热系统控制；当融化的金属球通过坩埚底部的通道流到释放阀门4，阀门开启后，熔融物下流至水箱，便可以进行观测；在炉盖上部的电机13和石墨杆驱动装置12联合作用，可实现连续加料。最终，所述的高温炉系统可实现对金属球的加热和坩埚内的控温，并用于金属熔融物的释放，还可实现连续加料。
所述保护气系统包括真空泵7和氩气供应系统6；真空泵7用于将高温炉炉体内抽真空，氩气供应系统6实现往高温高温炉炉体内注入氩气保护。
所述冷却系统包括冷却塔2、储水箱1，冷却水从高温炉炉体底部注入，对高温炉炉体进行有效冷却，再流出流回冷却塔内，形成一个水环路，其中冷却水的额定压力为0.2Mpa(兆帕)，进水温度低于25℃(摄氏度)；储水箱1提供整个实验台架所需的冷却水，并且回收从高温炉炉体流出经冷却塔冷却后的水。
所述加热控制系统主要包括变压器16、控制柜17，其中变压器实现压力从200V(伏)升至380V(伏)，控制柜和其他装置联合控制实验的金属物料加热功率，物料的放料、驱动机构的提升，以及泵的开关；变压器16、冷却塔2、真空泵7、氩气供应系统6都与高温炉炉体14连接；变压器16还与控制柜17连接；
所述实验水箱系统包括一个四面都装有可视窗的实验水箱20、四个热电偶24、八个压力传感器23、加热器22，其中加热器安装在实验水箱的底部，对水进行加热作用；热电偶安装在实验水箱的一个侧面上，四个等距离分布；压力传感器装在实验水箱的两个侧面上(热电偶侧的两相邻侧面)，每侧等距布置四个，一共八个压力传感器；
所述高速摄像系统包括两台高速摄像机18、四台影视镝灯19以及其他相应的记录设备、保护设备，其中两台高速摄影机对着实验水箱的两个视窗，四台影视镝灯布置在实验水箱的四侧，另一台普通DV机记录全景；
所述升降台21安装在一块地板上，实验水箱安装在升降台的上部，水箱上部对准高温炉炉体的释放口，通过升降台来改变实验水箱的高度，引入实验的变量之一。
所述实验不锈钢平台的楼上设备主要包括高温炉系统、冷却系统和加热控制系统，楼下的设备包括实验水箱系统、高速摄像系统、升降台，整个实验系统是由不锈钢平台搭建，四周安装有护栏，平台上铺有不锈钢板，各个方位均安装有监控摄像头，用于对整个实验场地的监控，方便主控室的实验人员对整个实验场地的情况有一个充分的掌握。
所述高温炉炉体的顶部装有一台电机，和控制柜联合作用，用于石墨驱动装置的上升和下降的控制；以及高温炉炉体体上的连续加料控制，使得在实验过程中，金属颗粒能够在不停炉的状态下加入炉膛内部。
所述保护气系统的氩气供应系统是由氩气瓶和压力表以及阀门组成，并与高温炉炉体外壁面的充气阀门相连接，用于高温炉炉体炉膛内氩气的充入并控制进气量的大小。
所述冷却系统的管道连接在高温炉炉体、感应器需要水冷的设备管道上，并与储水箱、冷却塔连接成一个水回路，用于对整个实验系统的冷却以及对楼下实验水箱的冷却剂供应。
所述加热控制系统的变压器与高温炉炉体内的感应器连接，用于对感应器的供电；控制柜与一个高温探测仪连接，并与变压器连接，用来对温度的实时显示监测以及对变压器供电，并控制变频器的频率以及加热功率。
所述热电偶用于对熔融物反应的冷却剂温度进行测量；压力传感器用于对反应过程压力脉冲的捕捉；实验水箱设有进水出水的阀门管道，用于冷却剂的进入与排出；加热器用于水箱温度的控制。
所述高速摄像机用于对实验水箱中的反应过程进行立体拍摄；影视镝灯用于对高速摄像仪拍摄提供光源；记录设备主要是电脑，用于对拍摄照片的存储和对两台高速摄像仪的同步触发。
所述升降台用于对实验水箱的高度的控制，从而可以实现熔融物不同下落高度。
本发明的实施例如下：本发明提供了一种熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力研究实验系统，整个实验不锈钢平台分为楼上和楼下两层，楼下四周用钢板焊接封住，使楼下呈一个较为密闭的空间，只留两扇门用来进出；楼上的设备主要包括高温炉系统、保护气系统、冷却系统和加热控制系统；楼下的设备包括实验水箱系统、高速摄像系统、升降台；整个实验系统是由不锈钢平台搭建，四周安装有护栏，平台上铺有不锈钢板，各个方位均安装有监控摄像头，用于对整个实验场地的监控；
其中，本实施提供的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其整体能够实现高温熔融物与冷却剂相互作用可视化实验研究；包括高温炉系统、保护系统、冷却系统、加热控制系统、实验水箱系统和高速摄像系统，实验水箱放置在升降台上，并启动升降台上升至合适高度，开启水箱的加热器，将水箱中的水加热至一定温度；同时启动保护气系统，对高温炉炉体进行除氧，使高温炉炉体处于氩气的保护；启动冷却水系统，对高温炉炉体、变压器、控制柜进行冷却，待高温炉炉体装料后，启动加热控制系统进行加热；当金属熔融物被加热至合适温度后，停止加热，并释放熔融物至楼下实验水箱与冷却剂相互作用，同时触发高速摄像仪系统进行拍摄；实验结束后收集金属碎片进行分析；实验流程如图所示：在实验开始前可以通过调节可加热器的功率，保持水箱内盛装的冷却剂在一稳定的温度，可以通过热电偶对冷却剂的温度进行实时监测；当熔融金属释放的瞬间可以触发高速摄像仪工作，透过水箱的可视窗可以进行全方位的拍摄，同时压力传感器也同步采集水箱主体的压力脉冲。
综上所述，本发明可以实现最高2700℃的高温熔融物与冷却水的相互作用实验，有助于进行超高温反应现象的相关研究，在熔融金属与冷却剂相互作用的实验过程中，可以实现连续在线加料，有助于提高实验效率，也可以从不同角度同时对反应过程进行可视化观测，有助于对熔融金属与冷却剂相互作用的机理研究。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其特征在于，其包括实验不锈钢平台、高温炉系统、保护气系统、冷却系统、加热控制系统、实验水箱系统、高速摄像系统、升降台，其中：
所述实验不锈钢平台分为上下两层，上层采用不锈钢板平铺，四周安装有不锈钢护栏，下层利用不锈钢板将四周焊接密封成一个较为密闭的空间，留两扇门用来进出，通过扶梯上下；
所述高温炉系统安装在实验不锈钢平台的上层，包括高温炉炉体、炉盖、充气入口、石墨坩埚、悬臂、转轴、支撑套、液压顶杆、保温层、感应密封装置、感应线圈、释放阀口、冷却水进口、电机、石墨杆驱动装置，可实现对金属球的加热和坩埚内的控温，并用于金属熔融物的释放，还实现连续加料；高温炉炉体和炉盖一起构成高温炉的外围，悬臂、转轴、支撑套、液压顶杆连接了高温炉炉体和炉盖，也可以在实验结束后通过液压顶杆开启炉盖；在高温炉的底部有一个冷却水入口，冷却水通过该入口注入高温炉进行冷却，类似的，在炉盖的上有一个充气入口，保护气通过该入口注入到高温炉里进行压力保护；在高温炉内部有一个石墨坩埚，金属燃料球就装载在坩埚里进行加热，坩埚的外围是保温层可实现高温保护，在坩埚外表面装有感应线圈和感应密封装置一起作用于高温炉的加热系统控制；当融化的金属球通过坩埚底部的通道流到释放阀门，阀门开启后，熔融物下流至水箱，便进行观测；在炉盖上部的电机和石墨杆驱动装置联合作用，实现连续加料；
所述保护气系统包括真空泵和氩气供应系统；真空泵用于将高温炉炉体内抽真空，氩气供应系统实现往高温高温炉炉体内注入氩气保护；
所述冷却系统包括冷却塔、储水箱，冷却水从高温炉炉体底部注入，对高温炉炉体进行有效冷却，再流出流回冷却塔内，形成一个水环路，其中冷却水的额定压力为0.2Mpa，进水温度低于25℃；储水箱提供整个实验台架所需的冷却水，并且回收从高温炉炉体流出经冷却塔冷却后的水；
所述加热控制系统主要包括变压器、控制柜，其中变压器实现压力从200V升至380V，控制柜和其他装置联合控制实验的金属物料加热功率，物料的放料、驱动机构的提升，以及泵的开关；变压器、冷却塔、真空泵、氩气供应系统都与高温炉炉体连接；变压器还与控制柜连接；
所述实验水箱系统包括一个四面都装有可视窗的实验水箱、四个热电偶、八个压力传感器、加热器，其中加热器安装在实验水箱的底部，对水进行加热作用；热电偶安装在水箱的一个侧面上，四个等距离分布；压力传感器装在水箱的两个侧面上，每侧等距布置四个，一共八个压力传感器；
所述高速摄像系统包括两台高速摄像机、四台影视镝灯以及其他相应的记录设备、保护设备，其中两台高速摄影机对着实验水箱的两个视窗，四台镝灯布置在实验水箱的四侧，另一台普通DV记录全景；
所述升降台安装在一块地板上，实验水箱安装在升降台的上部，水箱上部对准高温炉炉体的释放口，通过升降台来改变实验水箱的高度，引入实验的变量之一。
2.如权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其特征在于，所述实验不锈钢平台的楼上设备主要包括高温炉系统、冷却系统和加热控制系统，楼下的设备包括实验水箱系统、高速摄像系统、升降台，整个实验系统是由不锈钢平台搭建，四周安装有护栏，平台上铺有不锈钢板，各个方位均安装有监控摄像头，用于对整个实验场地的监控，方便主控室的实验人员对整个实验场地的情况有一个充分的掌握。
3.如权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其特征在于，所述高温炉炉体的顶部装有一台电机，和控制柜联合作用，用于石墨驱动装置的上升和下降的控制；以及高温炉炉体体上的连续加料控制，使得在实验过程中，金属颗粒能够在不停炉的状态下加入炉膛内部。
4.如权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其特征在于，所述保护气系统的氩气供应系统是由氩气瓶和压力表以及阀门组成，并与高温炉炉体外壁面的充气阀门相连接，用于高温炉炉体炉膛内氩气的充入并控制进气量的大小。
5.如权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其特征在于，所述冷却系统的管道连接在高温炉炉体、感应器需要水冷的设备管道上，并与储水箱、冷却塔连接成一个水回路，用于对整个实验系统的冷却以及对楼下实验水箱的冷却剂供应。
6.如权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其特征在于，所述加热控制系统的变压器与高温炉炉体内的一个感应器连接，用于对感应器的供电；控制柜与一个高温探测仪连接，并与变压器连接，用来对温度的实时显示监测以及对变压器供电，并控制变频器的频率以及加热功率。
7.如权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其特征在于，所述热电偶用于对熔融物反应的冷却剂温度进行测量；压力传感器用于对反应过程压力脉冲的捕捉；实验水箱设有进水出水的阀门管道，用于冷却剂的进入与排出；加热器用于水箱温度的控制。
8.如权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其特征在于，所述高速摄像机用于对实验水箱中的反应过程进行立体拍摄；影视镝灯用于对高速摄像仪拍摄提供光源；记录设备主要是电脑，用于对拍摄照片的存储和对两台高速摄像仪的同步触发。
9.如权利要求1所述的熔融物与冷却剂相互作用相关热工水力实验系统，其特征在于，所述升降台用于对实验水箱的高度的控制，从而可以实现熔融物不同下落高度。
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