автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Исследование процессов переноса в диссоциированных парах щелочных металлов

Введение. . •

Глава I. Современное состояние экспериментальных и теоретических исследований процессов переноса в парах щелочных металлов.

I. Основные направления развития теории процессов переноса в диссоциирующих'газовых средах

2. Обзор экспериментальных исследований процеооов переноса щелочных металлов в газовой фазе

3.' Теоретические расчеты коэффициентов переноса паров щелочных металлов . . . .;.

4. Сравнение результатов экспериментальных исследований и теоретических расчетов

5. Основные задачи исследования процеосов перенос са в парах щелочных металлов

Глава П. Экспериментальное исследование вязкости паров щелочных металлов.

1. Выбор метода экспериментального доследования . . 63т

2. Проведение опытов и полученные результаты

3. Оценка погрешности экспериментальных данных

Глава Ш. Теория процессов переноса в диссоциированных га

1 1 1 ' ' ♦ зах при малости концентрации одной компоненты

1. Вязкость сильно диссоциированного газа

X «I).

2. Теплопроводность сильно диссоциированного газа

3. Вязкость и тс-зхлолрово, uiccTL ОгХ.бс ,с.::сг!с;дл1роБаппого газа

4. Процессы переноса г, пара;: щелочных металлов. I2C

Глава 17. Обобщение экспериментальны::: лапт:;: не влзкссги и теплопроводности.Сакопомерпости процессов переноса в парах щелочных металлов

1. Пет од обобщения экснержепталъных данных.

2. Результаты обобщения окенершлепталып^: данных по вязкости п теплспроводностп

2.1. Рубидий.

2.2. Калий.

2.3. Натрии.

2.4. Цезий.

5. Выводы из совместного рассмотрения результатов экспериментальных исследовании вязкости и теплопроводности.

4. Сечения столкновений атомов водорода

5. Закономерность изменения сечений столкновении в ряду щелочных металлов. Сечения столкновении в парах лития.

Глава 7. Расчет сечений столкновении атомов лития.

1. Квантовомеханические методы расчета молекул.

2. Обзор результатов квантовомеханпческин расчетов молекулы лития

3. Сечения столкновении атомов лития . IS

4. Особенности взаимодействия атомов щелочных металлов.

5. Расчеты взаимодействия атом-молекула лития.

Глава УТ. Обобщающие уравнения и таблицы коэффициентов переноса щелочных металлов в газовой фазе. •

1. Рекомендуемые величины сечений столкновений атомов.

2. Расчетные уравнения для коэффициентов вязкости и теплопроводности

3. Таблицы коэффициентов переноса. Погрешности табличных величин

Щелочные металлы находят в последние годы все более широкое [рименение в технике, йх пары используются как рабочие тела и теплоносители в специальных энергетических установках, тепловых срубах, термоэлектронных преобразователях гнзргал и в ряде других ?ехнических устройств. Этому способствуют специфические свойства елочных металлов, что особенно Еажно при высоких температурах.

Перспективно применение лития и его де^ив в термоядерных гстройствах. Таким образом вероятность использования щелочных ме-?аллов в газовой фазе в различию: разделах новой техники весьма зелика и со стороны практики проявляется ушгсйчивый интерес к ?еплофизическим свойствам паров щелочных металлов и, в частности, : характеристикам их переносных озойств.

В весьма широкой области параметров состояния пары щелочных аеталлов представляют собой смесь атомной и молекулярной композит, в которой протекает реакция диссоциации - демеризации. Процесс н переноса б таких средах значительно сдшкнее, чем в простых .'азах. Кинетические коэффициенты зависят от давления, вследствие изменения концентраций компонент* Кроме то г© существует дополнительный перенос энергии реакции димеризациа диффузионным потоком ^ассоциированных молекул.

Таким образом, процессы в диссоциирущгг газах по сравнению ; обычными обладаьот рядом существенных особенностей, могущих иметь большое практическое значение.

Среди других диссоциирующих газов парн щелочных металлов выделяются рядом особенностей; дгля них харак^з^зд малость концент-)ации молекулярной компонент*: и большие мезасоияне расстояния в аолекулах. Поэтому.пооледовани© переносных свойств щелочных металлов в газовой - фс?р кзжео ъ'акхе в научном отношения - для раз

5Итйя теорий процессов переноса в химически реагирующих газовых j filG СЯХ •

При экспериментальных исследованиях свойств паров щелочных металлов приходится считаться с их агрессивностью при высоких тем-шратурах. Конструктивные материалы работают близко к пределу их фочностных свойств и ресурсы экспериментальных установок малы. 5 особенности сказанное относится к исследованию вязкости, при соторых изучаемое вещество движется б строго, регулируемом режиме;

Эти исследования начались сравнительно недавно. Полученная шформация о процессах переноса и кинетических коэффициентах во шогих отношениях не полна, а в некоторых случаях противоречива.

Б определении коэффициентов переноса первоначально преобладали расчетные методы, сохранившие определенное значение и позднее. Результаты теоретических расчетов сказались во многом отличными от опытных данных.

В следствие этого имеющиеся таблицы коэффициентов переноса, эснозанные на теоретических расчетах или экспериментальных данных, часто не согласуются между собой.

Таким образом проблемы исследования процессов переноса и зпределения надежных данных о кинетических коэффициентов паров целочных металлов оказалась весьма актуальной. Решение этой проб-потребовало проведения комплекса работ, включающего в себя:

- экспериментальное исследование вязкости при различных температурах и давлениях, когда существенна роль молекулярной компоненты ;

- теоретическое исследование вязкости и теплопроводности на оснозе установленных теоретических соотношений для процессов перекоса в сильно диссоциированных газовых средах;

- обобщение всего экспериментального материала по вязкости а теплопроводности, определение сечений столкновений атом-атом и v' 7 атом-молекула б парах натрия, калия, рубидш и цезия: ОО ОГ»ГЛ ЛТЮ mOT7Ut.IV Т."та OIJmntXMlA^VOr? Г»ТТ,ПЛ1»ГГ-«» О ЮТПт Р»Ч1ГЧ Л fr^ И ПО i.w> X S- -ьА*—jJUuiOl OOJ lux^o/^ujxoilxio зечений столкновений атомов лития;

- разработку согласованной системы расчетных уравнений и габлиц, кинетических коэффициентов всех щелочных металлов в газовой фазе.

Работа выполнялась в соответствия с планом Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике "Исследование звойств газов и жидкостей при высоких температурах" 1970 г., координационными планами АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика" на 1976-1980 гг. и I98I-I985 гг., планами фундаментальных а поисковых КИР Минвуза СССР на I97I-I975 гг. и 1976-1930 гг., а гакже координационным планом НИР по комплексной проблеме "Разработка достоверных данных и создание массива стандартных справоч-аых данных о теплофизических свойствах технически важных газов и кидкостей" Минвуза СССР, 1981 г.

Автор защищает:

- экспериментальные данные по вязкости пгров натрия, калия, рубидия и цезия;

- установленные теоретические соотношения: для процессов переноса в сильно и слабо диссоциированных газаж;

- методы обобщения результатов опытов, совместного рассмотрения и усреднения данных по вязкости я теплопроводности;

- величины сечений столкновений атомов ( ) и относитель

2 „Zr.llW/sJniW* сшх сечений столкновении атом-молекула В -Ь1[ /о 11 в паиах

Jf2 12 12 1 11 аатрия, калия, рубидия и цезия, полученные обобщением опытных данных по вязкости и теплопроводности, а также величины сечений атомов лития, определенные на основе результатов квантовоиеханпче-ских расчетов;

- объяснение уменьшения вязкости с повышением давления и равнительно малой роли переноса энергии димеразации диффузионным отоком диссоциированных молекул теплопроводности большой величи-ой относительного сечения столкновений атоы-йолекула;

- установленную закономерность изменения сечений атомов 'руппы щелочных металлов и водорода;

- разработанные расчетные уравнения для коэффициентов пере-[оса всех щелочных металлов в газовой фазе;

- составленные таблицы согласованных значений вязкости, теп-[опроводности и ее составляющих для паров всех щелочных металлов.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, лиска используемой литературы и приложения.

Основные результаты работы.

1. Разработана п создана экспериментальная установка для исследования вязкости щелочных металлов в газовой фазе до

Т = 1200 К при давлениях от 1С"2 до 0,5 ГЖ.

2. С точностью, близкой к точности измерения вязкости обычных газов прп высокой температуре, экспертюнтально исследована вязкость паров щелочных металлов ( натрия, калия, рубидия и цезия). Исследования проведены прп различных температурах до 1200 1С) п давлениях, при которых существенна концентрация молекул, что позволило изучить особенности процессов переноса в парах щелочных металлов и, в частности, столь важный вопрос, как роль молекулярной компоненты.

3. Выведены теоретические соотношения: для процессов переноса в сильно и слабо диссоциированных газах. Полученные методе:-.: разложения по малому параметру, они имеют ясный сТзпзическиЁ смысл и позволяют с заданной степенью точности описывать после,цуеше процессы.

Теоретические соотношения устанавливают связь глежду вязкостью и теплопроводностью, а также дают возможность рассчитать влияние различных физических факторов п ^ате:латпчес:а-^; допуцехлгй.

4. На основе полученных теоретических результатов разработаны:

- методы обобщения экспериментальных данных по вязкости и т е плопр ов о д но с т и;

- метод совместного рассмотрения и усреднения опытных данных по вязкости и теплопроводности;

- метод согласованных расчетов кинетических коэффициентов сильно и слабо диссоциированных газов. м.

5. Проведено обобщение полученных автороьгизвестных в литературе экспериментальных данных по коэффициентам переноса.

Впервые совместно рассмотрены и обобщены данные по вязкости и теплопроводности.

Определены сечения столкновений атомов 0} и относитель2 ные сечения столкновений атом-молекула ^ в парах натрия, калия, рубидия и цезия, рекомендуемые для расчетов коэффициентов переноса паров металлов и их смесей.

6. На основе проведенного обобщения экспериментальных данных установлены некоторые особенности кинетических коэффициентов паров щелочных металлов, связанные с влиянием молекулярной компоненты: уменьшение вязкости с увеличением давления, сравнительно малая величина переноса энергии реакции диффузионным потоком, существенное отличие "замороженной"теплопроводности от теплопроводности атомного газа.

Установлена закономерность изменения сечения столкновений атомов в ряду щелочных металлов и водорода, позволившая определить сечения столкновений атомов в парах лития по обобщенным экспериментальным данным для других щелочных металлов.

7. Вычислены сечения столкновений атомов лития, основанные на результатах точных квантовомеханических расчетов. Они хорошо согласуются с совокупностью сечений атомов всех других щелочных металлов, установленных по результатам обобщения опытных данных. Найденные величины сечений обладают значительно большей точностью по сравнению с данными, полученными полуэмпирическими методами, применявшимися равнее для подобных расчетов.

Впервые при вычислении сечений учтено влияние потенциальной ямы в триплетном состоянии, что особенно существенно при невысоких температурах.

8. Разработаны согласованные уравнения для кинетических коэффициентов ( вязкость, теплопроводность, ее составляющие) всех щелочных металлов в газовой фазе, удобные для технических расчетов и составления программ. Для натрия, калия, рубидия и цезия эти уравнения аппроксимируют опытные данные по вязкости и теплопроводности в экспериментально исследованных интервалах параметров и экстраполируют их в более широкие области температур и давлений. Для лития уравнения основаны на результатах точных квантовомеханических расчетов взаимодействия атомов и хорошо согласуются с результатами обобщения опытных данных для Есех других щелочных металлов.

9. Предложены согласованные таблицы вязкости, теплопроводности и ее составляющих для паров Есех щелочных металлов при Т=700-1500 К (1000-2000 К в случае лития) и различных давлениях, включая линию насыщения. Составленные таблицы существенно отличаются от имеющихся в справочной литературе и обладают значительно большей надежностью и точностью, так как основаны на обобщении всех известных экспериментальных данных и результатах точных квантовомеханических расчетов взаимодействия атомов.

Таблицы представлены ГСССД для аттестации в качестве стандартных справочных данных (Р.С.Д.).

10. Разработанные уравнения и таблицы использовались при p э о и йя ■ т ? п л с срй з йч в с еих . ■ и ■ г о з о л ил е т ич е о к их задач б организация.

П «Л • j. "f ! tjj. •

• / j •' г

Результаты ооосзбкия ( сечения атомов .величины 5 -.ура вне-» ния) была использованы .для. расчетов коэффициентов.1 переноса смесей паров-.щелочных .металлов в организации п.я. В-2289-, а :tsk;~g переносных свойств паров литая, натрия, калия 'и эвтектики натрий-калий, вошедших в- таблицы рекомендуемых:. величин - коэффициентов переноса-металлов на линии'насыщения'для тепловых."расчетов б -атомной энергетике, составленные теплофизйческш" центром-ИВТ АН СССР.

Расчетные 'уравнения положены в оснозу разработанной программы "Расчет коэффициентов вязкости и теплопроводности'паров щелочных .металлов", используемой' в ИВТ АН СССР при создании'банка теплофизяческих данных.

II. Результаты проведенного обобщения, найденные величины сечений столкновений и коэффициентов переноса, данные квантозо-механическиг расчетов, а также выявленные на этой*' основе' физические; особенности могут быть использованы при исследовании других теплофизических свойств щелочных металлов'.

Установленные-теоретические соотношения, метод совместного рассмотрения данных по вязкости и теплопроводности, а также методы обобщения результатов экспериментов' и расчета кинетических коэффициентов могут' быть распространены на другие сильно й/слабо диссоциированные газы и применены при исследовании'процессов переноса 3 них.