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CN105136601A - 一种高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置 - Google Patents

一种高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置 Download PDF

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Abstract

一种高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，包括高温气氛炉、气路控制装置和废气排除装置，高温气氛炉包括加热室，加热室底部设有进气口，顶部设有出气口，加热室的进气口通过管路与气路控制装置的出气口连接，加热室的出气口通过管路与废气排除装置连接，高温气氛炉外侧设有重量测量装置，重量测量装置的测量端设置在加热室内，气路控制装置通过独立的管道与不同气体储存高压气瓶连接，每个管道上均安装有气体质量流量控制器，本装置结构简单可靠，使用、维护方便，气氛模拟能力强，使用温度高且能即时在线测量和记录数据，能够精确、逼真的模拟诸如航空发动机燃气环境、化工热交换器等高温和氧化、腐蚀性气氛共存实际工况。

Description

一种高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置
技术领域
本发明涉及一种高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置。
背景技术
热结构材料和高温抗氧化、抗腐蚀涂层通常应用于航空发动机、能源、重化工等战略型工业领域，其技术水平的高低对于保障国民经济的健康发展乃至国家安全都具有重要意义。热结构材料和高温抗氧化、抗腐蚀涂层的实际服役工况除了高温之外，通常还有各类腐蚀性气体成分的存在。高温和复杂腐蚀性气氛的耦合使得这类材料的腐蚀、失效机制十分复杂，探明其中的规律以指导相关的材料研发往往成为这类材料开发过程中的一个难点。
此外，当完成上述材料的研发工作后，为了保障最终产品质量的稳定可靠，有必要对其进行性能测试。出于技术可行性、安全以及成本等多方面因素的考虑，比较可靠的方法是先在模拟实际工况的环境中对材料进行充分、全面的检测之后再进行实际装车考核。
综上所述，一种能够模拟热结构材料和高温抗氧化、抗腐蚀涂层实际工况的环境模拟设备在这类材料的研发过程中具有不可或缺的作用。但是，当前国内的高温复杂气氛环境模拟设备尚属空白，现有设备通常以单一的高温炉为主，所用气体成分单一，无法提供多组分且成分可控的氧化和腐蚀性气氛环境。现有的该类设备普遍存在着所模拟的环境与实际工况差别大，所获取的测试数据可信度低的不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种结构简单可靠，使用、维护方便，气氛模拟能力强，使用温度高且能即时在线测量和记录数据，能够精确、逼真的模拟诸如航空发动机燃气环境、化工热交换器等高温和氧化、腐蚀性气氛共存实际工况的高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，用于模拟热结构材料和高温抗氧化、抗腐蚀涂层的实际服役环境。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，包括高温气氛炉、气路控制装置和废气排除装置，所述高温气氛炉包括加热室，所述加热室底部设有进气口，顶部设有出气口，所述加热室的进气口通过管路与气路控制装置的出气口连接，所述加热室的出气口通过管路与废气排除装置连接，所述高温气氛炉外侧设有重量测量装置，所述重量测量装置的测量端设置在所述加热室内并且所述测量端上设有试样固定装置，所述气路控制装置包括气体混合器和气体质量流量控制器，所述气路控制装置通过独立的管道与不同气体储存高压气瓶连接，每个所述管道上均安装有气体质量流量控制器，所述管道的出口通过汇总管路与所述气体混合器的进口连接，所述气体混合器的出气口通过管路与加热室的进气口连接。
所述加热室上设有抽真空口，所述抽真空口通过管道与真空泵连接。
所述加热室内设有刚玉护板将加热室内硅钼棒与进气口和出气口密封隔离。
所述重量测量装置包括用于实时测量试件重量的数据记录分析天平和计算机，所述数据记录分析天平通过气密罩密封在加热室的出气口外侧，所述数据记录分析天平的测量端上设有铂铑合金悬丝，所述铂铑合金悬丝从所述出气口进入加热室内与试件连接，所述数据记录分析天平与计算机连接，所述计算机记录储存数据记录分析天平的实时数据。
所述废气排除装置包括底座和排气管道，所述排气管道安装在底座上，所述排气管道的中部安装有管道式风机，所述排气管道的后段内部通过两个由散热孔板隔离构成排水段，所述排气管道的排水段内散热孔板之间设有多个折流板，所述排气管道在排水段的底部安装有排水阀。
所述气体储存高压气瓶包括N2，O2，CO，CO2，SO2和SO3六种气体的高压气瓶，与所述N2气体的高压气瓶连接的管路上通过一个三通阀与加湿管路连接，所述加湿管路的另一端与气体混合器的进口连接，所述加湿管路上设有水蒸气发生器。
所述加湿管路外缠绕电伴热带，所述电伴热带外部通过热敏胶带和泡沫橡胶管固定。
所述加热室的进气口管采用带封帽的刚玉套管，所述封帽的外部安装有多孔氧化铝板。
所述气体混合器为管式气体混合器。
由于采用上述方案，本装置通过质量流量控制器实现对于气体流量(成分)的精确控制；双回路气路结构实现含水蒸汽气氛和干燥气氛模式之间的切换，并辅以气体预热管路保障气体含水量的精度；在线测量装置实现对于样品质量变化数据的连续测量记录；合理的高温气氛炉炉膛结构设计保证炉膛内部气体流场的均匀和设备的使用寿命；废气排出系统保证废气的及时排出，保护实验操作人员的身体健康。整个装置结构简单可靠，使用、维护方便，气氛模拟能力强，使用温度高且能即时在线测量和记录数据，能够精确、逼真的模拟诸如航空发动机燃气环境、化工热交换器等高温和氧化、腐蚀性气氛共存的实际工况。
附图说明
图1为本发明的总体布局示意图；
图2为本发明高温气阀炉的结构示意图；
图3为本发明的气路控制装置结构示意图；
图4为本发明的废气排出装置的结构示意图；
图中，1.水蒸气发生器2.管式气体混合器3.单向阀4.气体预热管路5.气体预热管路温控器6.计算机7.数据记录分析天平8.废气排出装置9.真空泵10高压气瓶11台架12.气路控制装置13.高温气氛炉14.气体整流板15.刚玉护板16.硅钼棒17.试样18.铂铑合金悬丝19.隔热层20.气密罩21.安装底座22.高精度气体质量流量控制器26.折流板27.散热孔板28管道式风机29.排水阀30.底座。
具体实施方式
下面结合附图，进一步详细说明本专利的具体实施方式。
如图1至4所示，一种高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，包括固定在台架11上的高温气氛炉13、气路控制装置12和废气排除装置8，所述高温气氛炉13包括加热室和隔热层19，加热室通过隔热层19与外界隔离，所述加热室底部设有进气口，顶部设有出气口，加热室内设有硅钼棒16作为加热体，在加热室内设有刚玉护板15将加热室内硅钼棒16与进气口和出气口密封隔离，减轻腐蚀性气氛对于发热体硅钼棒16的损坏，延长发热体使用寿命，所述加热室的进气口通过管路与气路控制装置12的出气口连接，所述加热室的出气口通过管路与废气排除装置8连接，所述加热室的进气口管采用带封帽的刚玉套管，所述封帽的外部安装有多孔氧化铝板；
所述高温气氛炉13外侧设有实时测量试件重量的数据记录分析天平28和记录储存数据的计算机6，所述数据记录分析天平7通过气密罩20密封在加热室的出气口外侧，所述数据记录分析天平7的测量端上设有铂铑合金悬丝18，所述铂铑合金悬丝18从所述出气口进入加热室内与试件17连接，所述数据记录分析天平7与计算机6连接；
所述气路控制装置12包括管式气体混合器2和气体质量流量控制器22，所述气路控制装置12通过独立的管道与储存不同气体的高压气瓶10连接，每个所述管道上均安装有气体质量流量22控制器，本例中，所述高压气瓶包括N2，O2，CO，CO2，SO2和SO3六种气体的高压气瓶，与所述N2气体的高压气瓶连接的管路上通过一个卡套三向阀与加湿管路连接，所述加湿管路的另一端通过卡套球阀与气体混合器的进口连接，所述加湿管路上设有水蒸气发生器1对管路内气体进行加湿，所述加湿管路为预热管路，加湿管路外缠绕电伴热带加热，所述电伴热带外部通过热敏胶带和泡沫橡胶管固定和保温，预热管路最高加热温度为120℃，所有管道的出口通过汇总管路与所述管式气体混合器2的进口连接，所述管式气体混合器2的出气口通过单向阀3与加热室的进气口连接，所述加热室的进气口上设有气体整流板14，保证进气的均匀。所述加热室上设有抽真空口，所述抽真空口通过管道与真空泵9连接。
所述废气排除装置8包括底座30和排气管道，所述排气管道安装在底座30上，所述排气管道的中部安装有管道式风机28，所述排气管道的后段内部通过两个由散热孔板27隔离构成排水段，所述排气管道的排水段内散热孔板之间设有多个折流板26，所述排气管道在排水段的底部安装有排水阀29。
实施例1
利用本发明模拟温度为1500℃，气体成分为N270％，O220％，CO1％，CO28％，SO20.2％，SO30.8％的高温燃气气氛环境：将待测样品放入由铂铑合金悬丝18悬挂的测试皿内，封闭高温气氛炉13，设定升温程序，待温度升至1500℃并进入恒温阶段后，旋转卡套三向阀，同时关闭卡套球阀，切换至燃气环境气路。打开各种类气体高压气瓶15的开关，接通气体质量流量控制器22的电源，按制定气体成分的比例设定各类气体的流量值：N2～350mL/min，O2～100mL/min，CO～5mL/min，CO2～40mL/min，SO2～1mL/min，SO3～4mL/min，打开管道式风机28以排出废气。数据记录分析天平7自动检测试样17的质量变化并将数据发送至计算机6进行数据记录与分析。
实施例2
利用本发明模拟温度为1400℃，空气+10％H2O的水氧环境：将待测样品放入由铂铑合金悬丝18悬挂的测试皿内，封闭高温气氛炉13，设定升温程序，待温度升至1400℃并进入恒温阶段后，旋转卡套三向阀，同时打开卡套球阀，切换至水氧环境气路。在气体预热管路温控器5上设置预热温度为100℃，接通气体预热管路4电源后预热20分钟后打开水蒸气发生器1并设定参数至发生湿度为10％H2O。打开N2和O2的气体高压气瓶阀门，接通安装在安装底座21上的N2和O2的高精度气体质量流量控制器22的电源，按照空气成分比例(N278％，O221％)设定N2和O2的流量值：N2～390mL/min，O2～105mL/min。打开管道式风机28以排出废气。数据记录分析天平7自动检测试样17的质量变化并将数据发送至计算机6进行数据记录与分析。
本发明所阐述的实施例仅仅只是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，包括高温气氛炉、气路控制装置和废气排除装置，其特征在于：所述高温气氛炉包括加热室，所述加热室底部设有进气口，顶部设有出气口，所述加热室的进气口通过管路与气路控制装置的出气口连接，所述加热室的出气口通过管路与废气排除装置连接，所述高温气氛炉外侧设有重量测量装置，所述重量测量装置的测量端设置在所述加热室内并且所述测量端上设有试样固定装置，所述气路控制装置包括气体混合器和气体质量流量控制器，所述气路控制装置通过独立的管道与不同气体储存高压气瓶连接，每个所述管道上均安装有气体质量流量控制器，所述管道的出口通过汇总管路与所述气体混合器的进口连接，所述气体混合器的出气口通过管路与加热室的进气口连接。
2.根据权利要求1所述的高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，其特征在于：所述加热室上设有抽真空口，所述抽真空口通过管道与真空泵连接。
3.根据权利要求2所述的高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，其特征在于：所述加热室内设有刚玉护板将加热室内硅钼棒与进气口和出气口密封隔离。
4.根据权利要求3所述的高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，其特征在于：所述重量测量装置包括用于实时测量试件重量的数据记录分析天平和记录储存数据的计算机，所述数据记录分析天平通过气密罩密封在加热室的出气口外侧，所述数据记录分析天平的测量端上设有铂铑合金悬丝，所述铂铑合金悬丝从所述出气口进入加热室内与试件连接，所述数据记录分析天平与计算机连接。
5.根据权利要求4所述的高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，其特征在于：所述废气排除装置包括底座和排气管道，所述排气管道安装在底座上，所述排气管道的中部安装有管道式风机，所述排气管道的后段内部通过两个由散热孔板隔离构成排水段，所述排气管道的排水段内散热孔板之间设有多个折流板，所述排气管道在排水段的底部安装有排水阀。
6.根据权利要求1至5之一所述的高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，其特征在于：所述气体储存高压气瓶包括N2，O2，CO，CO2，SO2和SO3六种气体的高压气瓶，与所述N2气体的高压气瓶连接的管路上通过一个三通阀与加湿管路连接，所述加湿管路的另一端与气体混合器的进口连接，所述加湿管路上设有水蒸气发生器。
7.根据权利要求6所述的高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，其特征在于：所述加湿管路外缠绕电伴热带，所述电伴热带外部通过热敏胶带和泡沫橡胶管固定。
8.根据权利要求1所述的高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，其特征在于：所述加热室的进气口管采用带封帽的刚玉套管，所述封帽的外部安装有多孔氧化铝板。
9.根据权利要求1所述的高温热场与复杂气氛环境的静态耦合装置，其特征在于：所述气体混合器为管式气体混合器。
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