鋯合金高頻感應(yīng)氧化過(guò)程中的導(dǎo)熱系數(shù)

鋯合金高頻感應(yīng)氧化過(guò)程中的導(dǎo)熱系數(shù)

0氧化膜厚度對(duì)包殼導(dǎo)熱系數(shù)的影響鋯錳是一種新型的抗污染材料。為了提高表面的耐耐腐蝕性，可以通過(guò)高頻氧化技術(shù)在鋯錳表面生成致密的氧化鋯錳膜熱障礙。為了保護(hù)氧化鋯錳氧化物的殼體，熱障層影響了殼體中燃料釋放的能量在語(yǔ)句中的輸出，并影響了核反應(yīng)堆的功率輸出。同時(shí)大量能量滯留在包殼內(nèi),使包殼的溫度升高,降低了包殼的使用壽命。因此,研究和分析氧化膜厚度對(duì)包殼導(dǎo)熱系數(shù)的影響成為必要。物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法可以分為兩大類(lèi):穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法指的是在待測(cè)試樣上溫度分布達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量,分析研究的出發(fā)點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱微分方程,能直接測(cè)得導(dǎo)熱系數(shù)。這種方法的特點(diǎn)是試驗(yàn)原理簡(jiǎn)單,計(jì)算方便,但試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng),需要直接或間接地測(cè)量導(dǎo)熱量和若干點(diǎn)的溫度。非穩(wěn)態(tài)法指的是試驗(yàn)測(cè)定過(guò)程中試樣溫度隨時(shí)間變化,其分析的出發(fā)點(diǎn)是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程,這種方法的特點(diǎn)是,試驗(yàn)公式不如穩(wěn)態(tài)法那樣簡(jiǎn)單、直觀,試驗(yàn)時(shí)間短,需要測(cè)量試樣上若干點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律,不必測(cè)量導(dǎo)熱量。本研究是在已知鋯合金導(dǎo)熱系數(shù)的情況下測(cè)定膜層厚度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響,即測(cè)定的是相對(duì)導(dǎo)熱率。1導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定采用非穩(wěn)態(tài)法,即將裝入蒸餾水的包殼試樣置入恒溫浴槽中,測(cè)定包殼試樣內(nèi)蒸餾水溫度隨時(shí)間的變化,同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算,用穩(wěn)態(tài)方程進(jìn)行近似處理,從而推算出不同氧化膜厚度所對(duì)應(yīng)的包殼管導(dǎo)熱系數(shù),確定氧化膜厚度對(duì)包殼導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律。為了研究氧化膜的厚度對(duì)試樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度,分別對(duì)未經(jīng)高頻感應(yīng)氧化處理的包殼試樣,表面氧化膜層厚度為2μm和4.2μm的包殼試樣的導(dǎo)熱系數(shù)λ進(jìn)行了檢測(cè)。本次測(cè)定采用的設(shè)備為HS-4(B)型恒溫浴槽,測(cè)溫系統(tǒng)所獲得的信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集,并輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),由AdvantechVisiDAQ組態(tài)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄,檢測(cè)裝置如圖1所示。檢測(cè)步驟為:1)在包殼試樣中裝入蒸餾水,兩端用絕熱膠布封住;2)在包殼試樣內(nèi)插入測(cè)溫?zé)犭娕?并將包殼密封;3)將恒溫浴槽內(nèi)的水由室溫緩慢加熱到60℃,并恒溫10min,使熱度均勻;4)將試樣放入恒溫浴槽加熱,由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)每隔1s記錄下試樣中的蒸餾水由室溫升至60℃過(guò)程中,包殼試樣內(nèi)水溫變化的全過(guò)程;5)由數(shù)據(jù)繪出3個(gè)試樣內(nèi)水溫隨時(shí)間變化曲線,即:升溫時(shí)間-溫度曲線,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。2氧化膜厚度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系由傳熱學(xué)中的導(dǎo)熱基本定律可知,在圓管中,單位時(shí)間內(nèi)所傳輸?shù)臒崃颗c垂直于截面方向的溫度梯度存在以下關(guān)系:Φ=-λ?Τ?r?2πrl(1)Φ=?λ?T?r?2πrl(1)式中,Φ為單位時(shí)間內(nèi)的傳輸熱量,J·s-1;λ為導(dǎo)熱系數(shù),4.1868J/(cm·s·K);r為傳熱面半徑,cm;l為圓管長(zhǎng)度,cm;?Τ?r?T?r為溫度梯度,K/cm。現(xiàn)取23.15～38.56℃溫度段為研究對(duì)象。由圖2可知,試樣2#中蒸餾水溫度由23.15℃到38.56℃的時(shí)間為4s;試樣1#內(nèi)蒸餾水的升溫時(shí)間為3.2s;試樣3#內(nèi)蒸餾水的升溫時(shí)間為5.3s。由式(1)可得:dQdtΦ1(2)Q2=CGΔt=CρVΔΤ(3)式中,Q1為包殼管傳輸?shù)臒崃?J;Q2為試樣內(nèi)蒸餾水吸收的熱量,J;C為蒸餾水的熱容,J/(K·g);G為蒸餾水的質(zhì)量,g;ρ為水的密度,g/cm3;V為試樣內(nèi)蒸餾水的體積,cm3;ΔT為蒸餾水與浴槽內(nèi)的水之溫差,K。在恒溫浴槽中,通過(guò)包殼管壁傳輸?shù)臒崃咳勘辉嚇又械恼麴s水吸收,故有:Q1=Q2(4)由此,將式(1)、(2)、(3)代入式(4)并積分可得:λi=ρVc?Δr2πrlΔτi=[ln(60-t1)-ln(60-t2)](5)式中,i為試樣序號(hào),n=1、2、3;t1=23.15℃、t2=38.56℃;Δr=0.57cm。由式(5)可知這三個(gè)試樣之間存在以下關(guān)系:λ1·Δτ1=λ2·Δτ2=λ3·Δτ3(6)可以用純鋯的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)近似代替M5鋯合金的導(dǎo)熱系數(shù)λ1,即,λ1=0.8862J/(cm·s·K);可推導(dǎo)出:λ2=λ1?Δτ1Δτ2=0.7090J/(cm?s?Κ)(7)λ3=λ1?Δτ1Δτ3=0.5351J/(cm?s?Κ)(8)由以上計(jì)算結(jié)果可得到氧化膜厚度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線:通過(guò)SPSS11.5軟件對(duì)試樣結(jié)果進(jìn)行回歸分析,可得:λ=0.8862-0.0798δ(10)其中,λ為鋯合金管的綜合導(dǎo)熱系數(shù),δ為氧化膜厚度。經(jīng)F檢驗(yàn)法檢驗(yàn)分析,可知其顯著水平為0.033,線性回歸關(guān)系顯著,回歸方程可被接受。3高頻感應(yīng)氧化技術(shù)1)由式(10)可知,?λ?δ=-0.019,即氧化膜每增厚1μm,包殼管的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)降低0.0798J/(cm·s·K),包殼的導(dǎo)熱能力顯著降低。2)當(dāng)氧化膜的耐腐蝕性和耐磨性能達(dá)到要求時(shí),應(yīng)選擇較薄膜層,以保證包殼內(nèi)的熱能順利地傳輸?shù)酵饨?。由此可?選擇膜層厚度為2μm,處理時(shí)間3min為宜。3)針對(duì)核反應(yīng)堆燃料棒的具體情況,建議:可在燃料棒與擱架接觸的部位采用高頻感應(yīng)氧化技術(shù)鍍上1層厚約2～3μm的陶瓷膜層,而在其余部位鍍厚約0.5～1μm的膜層,這樣既能滿足燃料棒耐腐蝕性能的要求,又有利于提高核反應(yīng)堆的輸出功率,使燃耗達(dá)到55MW·d/kg的國(guó)際先進(jìn)水平。4)高頻感應(yīng)氧化技術(shù)具有加熱速度快,效率高,能耗小,易于實(shí)現(xiàn)加熱過(guò)