表面改性板状元件实际环境应用的换热特性测试方法

1.本发明涉及的是一种表面改性领域的技术，具体是一种表面改性板状元件实际环境应用的换热特性测试方法。


背景技术：

2.在轻水型反应堆中，表面改性强化传热会带来诸多好处，比如，强化传热可降低燃料包壳等高温部件温度，提高装置在正常工况、事故工况下的安全性，此外，强化传热可增强系统单位体积的输出功率，减小相关系统设备的体积、重量，有助于优化反应堆系统设计。表面改性强化传热潜在的应用场景包括换热器、蒸汽发生器、耐事故燃料包壳、试验堆燃料包壳等传热部件，可提高传热性能，有利于优化设计(减小体积重量、降低运行参数)或提高安全裕量等。此外，尽管表面改性强化传热会带来诸多好处，但是，目前对表面改性在实际应用时可能存在的问题研究较少，在典型水质环境下的长期运行过程中，换热设备可能出现腐蚀现象，可能会导致表面改性带来的强化传热效果减弱或消失，需开展相应的探索研究。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术只能对现有材料进行池式沸腾实验，而无法预测材料表面可能会出现腐蚀情况而带来的强化传热效果的不足，提出一种表面改性板状元件实际环境应用的换热特性测试方法，将经过表面改性处理后的板状试样放置在模拟应用工况进行腐蚀，通过对腐蚀前、后试样分别开展例如池式沸腾实验研究并对比两者的传热性能，即可得出该表面改性试样在实际应用中经过腐蚀之后的强化换热效果是否受到影响，从而可以用来判断该表面改性方法能够适用于实际的应用场景。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种表面改性板状元件实际环境应用的换热特性测试方法，通过使用高温高压反应釜对反应堆实际应用场景工况的模拟、微观结构测量以及宏观沸腾特性实验，测试在反应堆实际应用中经过长时间高温高压腐蚀之后对不同表面改性方法强化换热效果的影响。
6.所述的表面改性是指：通过物理或化学手段改变金属基体表面组织结构以达到强化传热的目的，包括用微翅片、烧结涂层、溅射、激光加工、电化学腐蚀以及电化学沉积等加工方法，在金属材料表面加工特定的微结构阵列，诸如微、纳米尺度的微孔、微柱、微槽阵列。
7.所述的对反应堆实际应用场景工况的模拟是指：使用高温高压反应釜对应用场景包括换热器、蒸汽发生器、耐事故燃料包壳、板状燃料包壳等传热部件的高温高压环境进行模拟，并通过调配反应釜内溶液配比模拟实际工况下的酸碱环境及离子环境。
8.所述的微观结构测量以及宏观沸腾特性实验是指：将表面改性板状试样放入高温高压反应釜腐蚀特定时间之后将试样取出。首先，针对腐蚀板状试样开展微观结构测量，例
如可以使用激光共聚焦显微镜或扫描电子显微镜得到试样腐蚀前后表面形貌以及粗糙度r，使用接触角测量仪可以得到试样腐蚀前后表观接触角θ。其次，使用现有的板状试样池式沸腾实验装置对腐蚀前后板状试样进行池式沸腾实验，得到试样腐蚀前后换热特性，主要为临界热流密度chf与临界热流密度对应的表面温度。技术效果
9.本发明对经过表面改性的材料试样进行实际应用工况的模拟腐蚀，并对腐蚀前后的试样进行表面特性与形貌的测量表征，以及进行池式沸腾实验分别得到其腐蚀前后换热特性，得到试样表面特性以及换热特性在腐蚀前后的对比结果，从而能够为表面改性潜在的应用场景包括换热器、蒸汽发生器、耐事故燃料包壳、板状燃料包壳等传热部件进行材料选择时提供重要参考依据。
附图说明
10.图1为本发明流程图；
11.图2为微孔结构示意图；
12.图3为微槽结构示意图；
13.图4为微柱结构示意图；
14.图5为高温高压反应釜实物图；
15.图6为腐蚀后微孔试样表面形貌图；
16.图7为腐蚀后微槽试样表面形貌图；
17.图8为腐蚀后微柱试样表面形貌图。
具体实施方式
18.如图1所示，为本实施例涉及一种表面改性板状元件实际环境应用的换热特性测试方法，通过使用高温高压反应釜对反应堆实际应用场景工况的模拟、微观结构测量以及宏观沸腾特性实验，测试在反应堆实际应用中经过长时间高温高压腐蚀之后对不同表面改性方法强化换热效果的影响，具体包括以下步骤：
19.步骤1：对板状试样进行表面改性处理；
20.步骤2：将表面改性后的部分试样放入设置好温度、压力、酸碱度的模拟实际应用工况的如图5的高温高压反应釜中进行长时间腐蚀；
21.步骤3：待设定好的腐蚀时间到后将板状试样取出，并对腐蚀与未腐蚀的板状试样进行表面特性表征，使用激光共聚焦显微镜或扫描电子显微镜得到试样腐蚀前后表面微观形貌以及粗糙度r，使用接触角测量仪得到试样腐蚀前后表观接触角θ；
22.步骤4：对腐蚀与未腐蚀的板状试样进行池式沸腾实验，得到腐蚀前后试样材料表面换热特性，具体为：沸腾曲线、临界热流密度与对应表面温度；
23.步骤5：将步骤3、4分别得到的板状试样腐蚀前后表面特性与换热特性结果对比分析，比较腐蚀前后材料表面接触角、粗糙度的大小，以及临界热流密度chf与其对应温度的值，得到腐蚀对板状试样表面特性与换热特性的影响趋势，其结果即可作为实际应用场景包括换热器、蒸汽发生器、耐事故燃料包壳、板状燃料包壳等传热部件进行材料选择时的重要参考依据。
24.如图2至图4所示，不同的微结构阵列能够改变材料表面的粗糙度、润湿性，从而影响材料表面传热特性。此外，微结构带来的毛细吸芯效应对于材料表面沸腾换热过程中的临界热流密度的形成也存在较大的影响。正如上面所提到，除了激光加工的方法之外，化学蚀刻等方法能够在金属材料表面得到尺度更小、加工精度更高的微结构表面。除微结构表面外，还可以使用化学方法在材料表面制备多孔涂层，涂层上密集分布着纳米尺度的多孔结构，对材料表面亲水性有较大影响。此外，还有诸如纳米流体，化学气相沉积等其它表面改性方法被用于改善材料表面传热特性。
25.如图6-图8所示，为金属表面改性板状试样腐蚀之后的微观形貌。此外，在微观结构测量的基础上针对腐蚀前、后的板状表面改性试样开展池式沸腾实验，测试不同试样在池式沸腾工况下的传热特性，从而能够得到实际腐蚀工况对于表面改性板状材料表面沸腾传热特性的影响对比结果。
26.经过具体实际实验，将经过表面改性的板状试样放置在温度为310摄氏度，压力为10mpa，ph为8.5的高温高压反应釜中连续腐蚀300天后，将试样取出并进行表面形貌与表面特性表征，腐蚀后试样表面形貌如图6-图8，试样表面原有微结构被腐蚀，变为多尺度，多层级的微结构，其表面接触角也发生变化，部分试样表面由腐蚀前的疏水变为腐蚀后的超亲水，而这对其表面换热特性也有较大影响。
27.采用本方法能够得到在实际应用场景中，长时间的腐蚀对不同材料表面特性以及换热特性的影响结果，并将其结果作为实际应用场景中材料选择的重要参考依据。
28.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。


技术特征：
1.一种表面改性板状元件实际环境应用的换热特性测试方法，其特征在于，通过使用高温高压反应釜对反应堆实际应用场景工况的模拟、微观结构测量以及宏观沸腾特性实验，测试在反应堆实际应用中经过长时间高温高压腐蚀之后对不同表面改性方法强化换热效果的影响。2.根据权利要求1所述的表面改性板状元件实际环境应用的换热特性测试方法，其特征是，所述的表面改性包括用微翅片、烧结涂层、溅射、激光加工、电化学腐蚀以及电化学沉积方法，在金属材料表面加工微、纳米尺度的微孔、微柱、微槽阵列。3.根据权利要求1所述的表面改性板状元件实际环境应用的换热特性测试方法，其特征是，所述的对反应堆实际应用场景工况的模拟是指：使用高温高压反应釜对应用场景包括换热器、蒸汽发生器、耐事故燃料包壳、板状燃料包壳的高温高压环境进行模拟，并通过调配反应釜内溶液配比模拟实际工况下的酸碱环境及离子环境。4.根据权利要求1所述的表面改性板状元件实际环境应用的换热特性测试方法，其特征是，所述的微观结构测量以及宏观沸腾特性实验是指：将表面改性板状试样放入高温高压反应釜腐蚀特定时间之后将试样取出，具体包括：先针对腐蚀板状试样，使用激光共聚焦显微镜或扫描电子显微镜得到试样腐蚀前后表面形貌以及粗糙度r，使用接触角测量仪可以得到试样腐蚀前后表观接触角θ；然后使用现有的板状试样池式沸腾实验装置对腐蚀前后板状试样进行池式沸腾实验，得到试样腐蚀前后临界热流密度chf与临界热流密度对应的表面温度。5.根据权利要求1～4中任一所述的表面改性板状元件实际环境应用的换热特性测试方法，其特征是，具体包括以下步骤：步骤1：对板状试样进行表面改性处理；步骤2：将表面改性后的部分试样放入已设置温度、压力、酸碱度的模拟实际应用工况的高温高压反应釜中进行长时间腐蚀；步骤3：待设定好的腐蚀时间到后将板状试样取出，并对腐蚀与未腐蚀的板状试样进行表面特性表征，使用激光共聚焦显微镜或扫描电子显微镜得到试样腐蚀前后表面微观形貌以及粗糙度r，使用接触角测量仪得到试样腐蚀前后表观接触角θ；步骤4：对腐蚀与未腐蚀的板状试样进行池式沸腾实验，得到腐蚀前后试样材料表面的沸腾曲线、临界热流密度与对应表面温度；步骤5：将步骤3、4分别得到的板状试样腐蚀前后表面特性与换热特性结果对比分析，比较腐蚀前后材料表面接触角、粗糙度的大小，以及临界热流密度chf与其对应温度的值，得到腐蚀对板状试样表面特性与换热特性的影响趋势，其结果即为实际应用场景包括换热器、蒸汽发生器、耐事故燃料包壳、板状燃料包壳等传热部件进行材料选择时的重要参考依据。

技术总结
一种表面改性板状元件实际环境应用的换热特性测试方法，通过使用高温高压反应釜对反应堆实际应用场景工况的模拟、微观结构测量以及宏观沸腾特性实验，测试在反应堆实际应用中经过长时间高温高压腐蚀之后对不同表面改性方法强化换热效果的影响。通过对腐蚀前、后试样分别开展例如池式沸腾实验研究并对比两者的传热性能，即可得出该表面改性试样在实际应用中经过腐蚀之后的强化换热效果是否受到影响，从而可以用来判断该表面改性方法能够适用于实际的应用场景。于实际的应用场景。于实际的应用场景。


技术研发人员：刘晓晶 许巍 欧阳琨 何辉 熊进标
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.07.29
技术公布日：2022/10/11