Теплопроводность и таблицы транспортных свойств паров магния при высоких температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Введение

Глава I. Обзор методов экспериментального исследования паров металлов при высоких температурах .•.

1.1. Дилатометрический метод Д.Л.Тимрота и Е.Е.Тоцкого.Ю

1.2. Метод коаксиальных цилиндров Н.Б.Вар-гафтика и А.А.Вощинина

1.3. Модифицированный метод нагретой нити.

1.4. Метод периодического нагрева

1.5. Метод плоского слоя Бриггса.

Глава 2. Метод нагретой нити с нулевым участком для исследования теплопроводности агрессивных веществ.

2.1. Описание метода

2.2. Характерная погрешность метода.

2.3. Электрические схемы и конструкция измерительной ячейки.

Глава 3. Описание экспериментальной установки.

3.1. Вакуумная и газовая системы установки.

3.2. Система создания температуры

3.3. Измерительным комплекс установки

Глава 4. Проведение эксперимента и введение поправок в измеряемые величины

4.1. Предварительные опыты.

4.2. Градуировка термометров сопротивления.

4.3. Определение излучательных характеристик измерительной ячейки

4.4. Измерение теплопроводности паров магния

4.5. Введение поправок на излучение и концевые потери.

4.6. Оценка влияния естественной конвекции, возможного эксцентриситета нити и других факторов на результаты измерений.

Глава о. Обработка и анализ экспериментальных данных по теплопроводности и температурному скачку в парах магния.

5.1. Элементы теории температурного скачка.

5.2. Структура паров щелочноземельных металлов и выбор схемы обработки экспериментальных данных

5.3. Выбор Р$ - 7s зависимости и влияние ее погрешности на определение коэффициентов расчетного уравнения

5.4. Термическая аккомодация и формирование температурного скачка в парах магния. Сопоставление с другими нереагирующими газами.'.

5.5. Теплопроводность паров магния при высоких температурах.

5.6. Влияние неконденсирующихся приме сек на определение теплопроводности паров магния цри малых давлениях.

5.7. Интегралы столкновения и таблицы транспортных свойств паров магния . III

Глава 6. Оценка погрешности эксперимента и рекомендуемых данных по транспортным свойствам паров магния.

6.1. Оценка погрешности определения геометрических постоянных измерительной ячейки

6.2. Оценка погрешности определения количества тепла передаваемого путем теплопро -водности.

6.3. Суммарная погрешность экспериментально определяемого коэффициента теплопроводности Лъьсп.

6.4. Результирующая погрешность определения истинной теплопроводности Аист, и рекомендуемых данных по транспортным свойствам паров магния

Основные еыводы

В последние годы в связи с развитием энергетики и ряда от -раслей новой техники большое внимание уделяется поискам перспективных теплоносителей и изучению их теплофизических свойств.Таковыми в последнее время рассматриваются пары щелочноземельных металлов, обладающие рядом специфических свойств, таких как высокие температуры плавления и кипения, большие теплоты парообразования и низкие давления насыщения. По совокупности этих свойств пары щелочноземельных металлов имеют перспективу применения в качестве теплоносителей в высокотемпературных тепловых трубах и других специальных энергетических устройствах.

Необходимо отметить, что теплофизические свойства щелочно -земельных металлов изучены относительно мало. Большинство опуб -ликованных работ относится к изучению свойств этих металлов в твердом и жидком состояниях. В паровой фазе исследования в ос -новном сводятся к спектроскопии и изучению давления насыщения. Информация по транспортным свойствам паров щелочноземельных металлов - вязкости и теплопроводности в литературе отсутствует.

Актуальность проведения указанных исследований определяется Координационными планами АН СССР на I98I-I985 г.г., задание 1.9.1.1.П, в соответствии с которым выполнена данная работа.

Экспериментальное исследование транспортных свойств указан -ных металлов, в частности, теплопроводности сопряжено с рядом трудностей, обусловленных как техническими причинами, так и фи -зическими свойствши этих веществ.

В экспериментально реализуемой области температур, которая ограничена сверху механической прочностью измерительных ячеек , исследования теплопроводности паров щелочноземельных металлов приходится проводить при малых давлениях, где заметным, а в ряде случаев и определяющим является взаимодействие паров с твердой поверхностью в процессе передачи энергии, В этих условиях к задаче оцределения молекулярной теплопроводности добавляется задача опытного изучения термической аккомодации исследуемых веществ на конструкционных материалах. Полученные в таких исследованиях характеристики термической аккомодации в виде коэффициентов аккомодации энергии представляют самостоятельный интерес, тал как кроме учета поправок на температурный скачок при вычислении молекуляр -ной теплопроводности паров, надежные данные такого вида позволят уточнить инженерные расчеты соответствующих энергетических уст -ройств с высокотемпературными газовыми теплоносителями.

Целью представляемой работы является:

1. Обоснованный выбор метода экспериментального исследования теплопроводности паров магния при высоких температурах.

2. Усовершенствование метода применительно к решению задачи исследования паров магния.

3. Разработка и создание экспериментальной установки для проведения исследований.

4. Экспериментальное исследование теплопроводности паров магния при высоких температурах (1000-1250 К) и вопросов взаимодействия указанных паров с твердой поверхностью в процессе передачи энергии.

5. Обоснованный выбор схемы введения поправки на температурный скачок в экспериментальные данные, полученные при малых давлениях и определение значений коэффициента молекулярной теплопроводности паров магния.

6. Расчет транспортных свойств (теплопроводности, вязкости, коэффициента самодиффузии) и составление таблиц рекомендуемых значений указанных свойств в расширенном диапазоне температур (900-1400 К). ^ "'J . .-.--

Представляемая работа выполнена на кафедре Инженерной теплофизики Московского энергетического института при непосредственном участии научного руководителя группы доцента В.В.Махрова. Им оказана большая помощь в вопросах выбора и усовершенствования методики исследований, организации и проведения высокотемпературного эксперимента, выбора схемы обработки экспериментальных данных и способа введения поправки на температурный скачок. Автор считает своим долгом выразить благодарность доценту В.В.Махрову за помощь, оказанную при постановке и проведении работы.

основные вывода

I. На основе анализа известных методов исследования теплопровод -ности паров металлов при высоких температурах показано,что ряд из них мало приемлем для исследования теплоцроводности паров магния. Для измерения теплопроводности паров магния цри высоких температурах выбран метод нагретой нити с нулевым участком

2. Метод усовершенствован црименительно к исследованиям цри более высоких температурах и относительно низкой уцругости паров исследуемого вещества. Изменена схема измерений и предложена новая система заполнения ячейки исследуемым веществом.

3. Спроектирована и изготовлена новая экспериментальная установка " для исследования теплопроводности агрессивных паров металлов до температур 1300 К абсолютным методом нагретой нити с нулевым участком.

4. В работе проведены опыты по определению излучательных характеристик измерительной ячейки в диапазоне температур 950-1200 К. Опыты повторялись в процессе измерения теплопроводности паров магния и позволили с высокой степенью надежности ввести поп -равку на передачу тепла излучением.

5. В работе проведено экспериментальное исследование теплопроводности паров магния в предварительной серии на изотерме 1175 К и в трех основных сериях: в первой - на изотермах 1050 и 1175 К, во второй - на изотермах 1070 и 1175 К, в третьей - на изотермах 1100 и 1275 К. Измерения цроведены в диапазоне давлений исследуемых паров от 0,3 до 21 мм рт.ст. Получено 70 экспериментальных значений коэффициента теплопроводности паров магния. Исследование теплопроводности паров магния проведено впервые в мировой практике.

6. Экспериментально изучены вопросы взаимодействия паров магния с поверхностью вольфрамовой нити при передаче энергии в области режимов течения газа от свободномолекулярного до режима слаборазвитого скачка. Получено значение коэффициента аккомодации энергии паров магния на вольфраме.

7. Изучена зависимость функции ^(Кп.) от режимов течения не-реагирующего газа для паров магния в соответствии с уравнением для введения поправки на температурный скачок [.52-56 , 67] • Показано, что неучет переменности функции ^ (КгО в области переходных режимов течения ( Ww^H ) и введение поправки в соответствии с теорией Смолуховского-Кеннарда,приводит к завышению вычисленных значений молекулярной теплопроводности. Величина смещения оценки для паров магния достигает 12,5%.

8. Предложена принципиально ногая схема введения поправки на температурный скачок в экспериментальные данные, полученные в области малых давлений исследуемых паров.

9. В результате введения поправки на температурный скачок по предложенной схеме получены значения молекулярной теплопроводности паров магния в диапазоне температур 1050-1275 К.

10.B соответствии с молекулярно-кинетической теорией [б9] проведены расчеты силовых постоянных межмолекулярного взаимодействия в парах магния для потенциальной функции (6-12) Леннарда-Джон-са. - и вычислены значения сечений взаимодействия О ht и О Jt в расширенном диапазоне температур 900-I400K.

Рассчитаны таблицы рекомендуемых значений транспортных свойств паров магния (теплопроводности, вязкости и коэффициента самодиффузии) в диапазоне температур 900-1400 К, которые могут быть использованы в инженерных расчетах.

II. Проведен расчет погрешностей определения экспериментально измеряемого коэффициента теплопроводности, коэффициента молекулярной теплопроводности и рекомендуемых значений транспортных свойств паров магния равных, соответственно, 4%, 7,5% и 10% для доверительной вероятности 0,95.

1. Стефанов Б.И., Тимрот Д.Л., Тоцкий Е.Е. Чжу Вень-хао. Экспе -риментальное исследование вязкости и теплопроводности паров натрия и калия в зависимости от температуры и давления.- ТВТ, 1966, т.4, Ж, с. 141-142.

2. Тимрот Д.Л., Тоцкий Е.Е. Экспериментальное определение теплопроводности паров натрия и калия в зависимости от температуры и давления.-ТВТ, 1967, т.5, J&5, с.793-801.

3. Варгафтик Н.Б., Вощинин А.А. Экспериментальное исследование теплопроводности паров натрия и калия.-ТВТ, 1967, т.5, JS5, с.802-811.

4. Варгафтик Н.Б., Студников Е.Л. Теплопроводность паров рубидия. Теплоэнергетика, 1972, JE2, с. 81-83.

5. Варгафтик Н.Б., Керженцев В.В. Экспериментальное исследование коэффициента теплопроводности паров цезия.-ТВТ, 1972, т.10, И, с.59-65.

6. Варгафтик Н.Б., Вощинин А.А., Керженцев В.В., Студников Е.Л. Экспериментальное определение теплопроводности паров натрия.-ТВТ, 1973, т.II, JS2, с.422-423.

7. Вощинин А.А., Капитонов В.М. Установка для экспериментального исследования теплопроводности паров щелочных металлов при высоких температурах.-Заводская лаборатория, 1980, JS9, с.837-838.

8. Вощинин А.А., Капитонов В.М. Экспериментальное определение теплопроводности одноатомных паров лития при высоких температурах.- В сб.: Физические процессы в нейтральных и ионизиро- .ванных газах. М., МАИ, 1981, с.60-63.

9. Bbis /J.C., Mann У. 5. TftetmaB conductivity of PieBium and hydioqen, ab PiLgfr ■ЬьтрехссЬиче.з-Уоиъла? of Cfte-mUaZ MysUS, ШО, \/.32, У-5, p. №94*65.

10. Ю.Заркова Л.П., Стефанов Б.И. Измерение коэффициента теплопро -водности газов и паров до 2500 К. Пары ртути и цезия,- ТВТ, 1976, т.14, с.277-284.

11. Стефанов Б.И., Заркова Л.П., Оливер Д.Н. Измерение коэффициента теплопроводности газов и паров до 2500 К. Дифференциальная методика. ТВТ, 1976, т.14, Ж, с.56-66.

12. Erezasimov aL Stejanov д. and Zav&ova L. TfiemaZ con-ductiviiy of monoaiomic potQSSium vapoui in. ike гапде №00-4900R. УоипаВ. of PAysLis Appe, pfiys., <i980f1. V- 451 р^йЩ-НВЧЧ.

13. Филиппов Л.П. Методика измерения коэффициента тепловой активности жидкоетей.-ШЖ,1960, т.Ш, F7, с.121-123.

14. Филлипов Л.П. Исследование теплопроводности жидкостей.- М.: Изд. Моск.ун-та, 1970, с.239.

15. EtoCn-ouzHS. boniZio ££ TfLeimct? zonducUtsCty of тегмгу vapoz.-In: Proceeding of tAe S fym-posiurrt on TfietmopfiysLcae ptoptttM. ASHE, WO, p. 64- 77.

16. Варгафтик Н.Б., Виноградов Ю.К. 0 теплопроводности паров ртути.- ТВТ, 1973, JS 3, с. 523-529.

17. Варгафтик Н.Б., Виноградов Ю.К., Хлудневский И.А. Исследование теплопроводности газоЕ методом периодического нагрева.

18. Виноградов Ю.К., Верюгин А.В. Экспериментальное исследование теплопроводности пара цезия методом периодического нагреЕа.-ИФЖ, 1978, т.34, J* 5, с. 854-859.

19. Тимрот Д.Л., Махров В.В., Тетерина И.Н. Экспериментальное определение теплопроводности паров натрия. В сб.: Доклады научно-технической конференции по итогам научно-исследовательскихработ. М. МЭИ, 1969, ч.1, с.134-138.

20. Тимрот Д.Л., Махров В.В., СЕириденко В.И. Метод нагретой нити с нулеЕым участком для агрессивных веществ и определение теплопроводности паров натрия.-ТВТ, 1976, т.14,М,с.67-74.

21. Тимрот Д.Л., Махров В.В., Свириденко В.И., Реутов Б.Ф. Экспериментальное исследование теплопроводности паров цезия.-ТВТ, 1976, т.14, JS5, с.965-969.

22. Реутов Б.Ш. Экспериментальное исследование паров калия и рубидия. -Дис с. на соискание уч.ст.канд.техн.наук.-М.,1976,-163с.

23. Тимрот Д.Л., Махров В.В., Реутов Б.Ф. Экспериментальное исследование теплопроводности паров рубидия.-ТВТ,1978, т.16, JS5, с.943-945.

24. Махров В.В., Пильненьский Ф.И. Экспериментальное исследование вопросов формирования температурного скачка и коэффициента теплопроводности в диссоциирующих газах при малых давлениях. Пары натрия.-ТВТ, 1982, т.20, J& 5, с.853-861.

25. Тимрот Д.Л., Махров В.В., Пильненьский Ф.И. Экспериментальное исследование теплопроводности паров лития,- ТВТ, 1984, т.22, Jfc I,31. bticjgs 2ХЕ. ТАегтаё oondurtivLty о/ potassium vapot-£>i^ssettation UrbLvetsity of Michigan.t AQS&, -2.0Jp.

26. Зендберг Э.Я., Ионов Н.И. Поверхностная ионизация.-М.,Наука, 1969, -432 с.

27. Яргин B.C., Сидоров Н.И., Студников Е.Л. Вязкость и теплопро-» *водность щелочных металлов в газовой фазе. Обзоры по теплофи-зическим свойствам веществ, М,: ИВТАН, 1978, Л5, -131 с,

28. СгоЫгтМ А.} VlaibtmarL Т. S.} HLvscRZovn Н.У. -Handbook of iKzimopdysiaoZ Pvopetkes of Sot id MctletiaPs \tA: Eiemervis blzu> : Mac-mi££an. Ho.- 758р.

29. Roibmah. О. У. T&tvmaB conductivity <г>/ posesat Я С д. Я iempevati/tes fTfiesif) -Tecftnicai information. sezvice. US Atomic e.neгgty eommis. VCRL levies! гъъ9) Radiation iaioYatoty Univev-Sibj of MifovniQ Bttke9B^Caeifo^nia) -/955-H5p.

30. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справоч -ник под ред. акад. Глушко В.П. -М.: Наука, 1981, т.З, кн.2,-395 с.

31. Варгафтик Н.В., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.А., Юрчак Р.П. Теплопроводность газов и жидкостей. М.: Издательство стандартов, 1970, -155 с.

32. Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.А., Тоцкий Е.Е. Теплопроводность жидкостей и газов. М.: Издательство стандартов, 1978, -471 с.

33. Горшков Ю.А., Уманский А.С. Измерение теплопроводности газов. М.: Энергоиздат, 1982, 211 с.

34. Цедерберг Н.В. Теплопроводность газов и жидкостей. М.: Гос-энергоиздат, 1963,-408 с.

35. Свойства и применение металлов и сплавов для электровакуумных приборов. Справочное пособие под ред.Нилендера Р.А. -М.: Энергия, 1973, -336 с.

36. SmoBucftows&y M.S. ивё* Srldtmeieiiung in уе*с/Хпп. ten Clnnaeen. Ывг J8 98, BetS. -IO-I-J30.

37. S(tu>2ucPiow%{L<£ M£. Welt ere $>tudi2.n u&et. d&n. ТстречаЫъършпд ibi* Wa*cmeeeLtung. in &-asen.~ Akadernie. clez VlLssenscftaften Ween Hat^rnaicsck

38. NcLtwLWiHerLStPicij-tlufie, $>Ltiung zietic&te, 189&Jbd.jos, ae-i.Ha, s.s-гз.

39. К nLtdse.n M. 2Ue товесиёаге. VfotrtePe-rtunQ de^ Сгаъь and det Q k&omodationskoeff is Lend.-Оппавеп dez Htftfy S.S93-6S3.45. /^nuofsea M. Rcidiom&itidtacA und Qkko/7it>daUons* kozf$L2iervi Оп/гавел- clet P/lyScA t 1930 f Ad.£f

40. Wen-natd E.H. In HCneicc. Tfieoty of G-aiet, </938, Ht&tQW-HiU &ook Co., A/etv-Yovk} pA€Z4 88, Z91-5Z7.

41. Gr*ie<fo*L<j M.S. mi nation of -ЬЯе CoeJ-ficLe-nAof accomodation jtom aspect of i&mpetatu^e d*tcp е/feoi. PpLlZosopllicce MagazCne t -193Q, v.ZZ, a/MG, p. £5 7-£6 7.

42. ScVdjet V.fc, Rating W., А. Шеъ den £Lh.f£u£ des qefietmrnterL Qu^iciu^ki dei. TtQns-"tfltloas-und StftwCngunys«nefcgie auf dQS \A/a'time-Bzi'tvzim'Qqe.n dez. &Q se Qnna£en de-г PfiySik t №2, M. Ровдг 5t S.i76-£ог.

43. Дэшман С. Научные осноеы вакуммной техники. Пер. с английского. М.: Мир, 1964.

44. Тимрот Д.Л., Варава А.Н. Экспериментальное исследование вязкости паров натрия.-Теплофизика высоких температур, 1977,т. 15, № 4, с.750-757.

45. VJttandez P. On. Ые Тетрем^иге $umpu> а -" jizd Gas.- Qtkiw /ог лр. $07- SS3.

46. Махров В.В. Анализ экспериментальных данных по теплопроводности паров щелочных металлов с учетом температурного скачка для химически реагирующего газа.-Теплофизика высоких температур, 1977, т.15, №, с.1183-1188.

47. Махров В.В. Учет температурного скачка на границе газ-твердое тело при измерении теплопроводности химически реагирующего газа.-Теплофизика высоких температур, 1977,т.15,$3,с.539-544.

48. Махров В.В. Термическая аккомодация паров щелочных металлов на вольфраме при высоких температурах.-Теплофизика еысоких температур, 1978, т.16, М, с.737-743.

49. Мирошниченко В.И. Экспериментальное исследование вопросов формирования температурного скачка в нереагирующих газах и их бинарных смесях. УП Всесоюзная конференция по теплофизи-ческим свойствам веществ. Тезисы стендовых докладов, М., 1982, с.45-47.

50. Махров В.В., Мирошниченко В.И. Экспериментальное исследование теплопроводности и температурного скачка в инертных га-зах.-Тр./Моск.энерг.ин-т,1983,вып.598, с.22-26.

51. ВаВ^оиг w.^tyottfiat А-Е.Msovption. sped turnifte Л1$г rnotem&L. Сапа о! сап Уои-спаб of Р Яд site, -/970, М. Щ № 7} А 9(Н- 9М58. bolfoui Wkiieiock R.F. Tie Militit № sorption. ipzcLtum of diatomic coZ&Cum. Canadian Уоимяв о.f РЛузЩ рАП-ЧЪЗ.

52. Hatt maun. H.; ScllneLdei R. Фее frecfeitmpezdtuten

53. ЧОп MayttzZium , Caelum, SttontUrm, batium unc( Liiium . ZeittcpLl. Jiil qnotq. cPizm. 6.180)1. S.275-c2a3.

54. Афанасьев Ю.А., Баянов A.II., Фролов Ю.А. Термодинамические свойства жидких сплавов. Металлы, 1975, И, с.186-190.

55. Prasad R. ./епид.орав И, fyev Р.У., $>ood Ъ.Ъ. 7еъто-dyriQ/пСс sindy of ( magnesium 4-ilsnnutfi) vapom-ptestuze measurement %игла£ CAem. Tft e.imос/угьа/пitsf У9 78/ A/Y. p. -/3S- У4У.

56. Несмеянов A.H. Давление пара химических элементов. Изд. АН СССР, М.: 1962, -362 с.

57. V/eiandiz P. Heat conduction of a (Zaveftect Cai: Иг aytvnclxi савву sitmsnei^tcae casecrz&iv fi>* 4Ч5Ч> Bond 7, MS, p. 554-56У.

58. Лазарев П.П. 0 скачке температуры при исследовании теплоцро-водности на границе твердого тела и газа.- Соч., т.2,- М-Л: АН СССР, 1957, с. 363-372.

59. Махров В.В., Мирошниченко В.И. 0 распределении температурв ячейке для измерения теплоцроводности газа при малых давлениях. Тр./Моск.энерг.ин-т., 1981, еып. 534, с.78-85%

60. Тимрот Д.Л., Махров В.В., Свириденко В.И., Реутов Б.Ф.

61. Влияние примеси водорода на измерение теплоцроводности паров натрия при низких давлениях. Тр.Моск.энерг.ин-т, 1975, вып. 234, с.78-82.

62. Гирийзельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. Пер. с англ. М.: Изд. иностр. лит., 1961,- 929 с.

63. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978, -262 с.

64. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента.-М.: Наука, 1971, -192с.