Особенности конденсации и взаимодействия водорода в устройствах из оксидов при обеспечении безопасности атомных энергетических установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Лысенко, Сергей Леонидович

• Лысенко, Сергей Леонидович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Лысенко, Сергей Леонидович

Содержание

Стр.

Введение

Глава 1. Современное состояние разработки теоретических и экспериментальных методов утилизации водорода при обеспечении безопасности атомных энергетических установок

1.1. Проблемы безопасности и взрывозащищенность реакторных установок

1.2. Катализаторы и основные приемы их использования

1.3. Диффузионная транспортировка водорода

1.4. Трехмерный перенос вещества

1.5. Безразмерные комплексы переноса

1.6. Пограничная область переноса вещества

1.7. Одномерный перенос энергии применительно к процессу конденсации водорода

*

* 1.8. Уравнения для оценки трехмерного переноса энергии

1.9. Концентрация импульса в пространстве

4 Выводы к главе 1

Глава 2. Теоретические основы кинетических процессов

при конденсации водорода

2.1. Транспортные уравнения

2.2. Кинетика конденсации водорода

2.3. Физическая модель конденсации водорода в оксидах

2.4. Безразмерные координаты и хронометрические параметры

2.5. Основные параметры и теоретические взаимозависимости

при конденсации водорода

2.6. Безразмерные соотношения потоков

2.7. Конденсация водорода и некоторые процессы, происходящие

в твердом теле оксидов

Стр.

2.8. Число Яе - соотношение транспортных потоков

2.9. Роль кинетики импульса при оценке ресурсных характеристик

2.10. Химические основы процесса конденсации водорода

Выводы к главе 2

Глава 3. Экспериментальные исследования кинетических процессов конденсации водорода в разделительно-поглотительном устройстве

3.1. Исходные данные для исследований конденсации водорода

в разделительно-поглотительном устройстве

3.2. Стенд для предварительного исследования влияния различных

газовых смесей на процесс конденсации водорода

3.3. Методика проведения предварительных экспериментальных исследований процесса конденсации водорода в смеси газов

3.4. Некоторые результаты по исследованию конденсации водорода

в оксиде меди

3.5. Эксперименты с таблетированным оксидом серебра

3.6. Стенд для исследования конденсации водорода с постоянным (периодическим) взвешиванием образцов

3.7. Материалы, оборудование и методика проведения экспериментальных исследований процесса конденсации водорода с постоянным (периодическим) взвешиванием образца

3.8. Эксперименты с гранулированным оксидом меди и гранулами, активированными солями металлов платиновой группы

3.9. Исследование конденсации водорода в таблетированном

оксиде серебра

3.10. Основные результаты исследований по изучению конденсации

водорода в оксидах меди и серебра

Выводы к главе 3

Стр.

Глава 4. Заключение

4.1. Методические указания и расчетная оценка конструкции РПУ

4.2. Схема включения разделительно-поглотительного устройства

при конденсации водорода из радиолитических газов

4.3. Теоретические зависимости для расчета схемы конденсации

водорода

Общие выводы по работе

Список литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности конденсации и взаимодействия водорода в устройствах из оксидов при обеспечении безопасности атомных энергетических установок»

Введение

Актуальность темы. Твердые и жидкие конденсированные среды в различных условиях внешнего воздействия проявляют интересные, а иногда и неожиданные свойства. В последнее время оксиды меди находятся в центре внимания исследователей в области физики конденсированного состояния из-за обнаруженных у них уникальных свойств, прежде всего каталитических. Физические процессы, протекающие при конденсации водорода, вызывают особый интерес в связи с необходимостью обеспечения водородной безопасности в атомных энергетических установках. Тема водородной безопасности получила максимальный статус по результатам анализа аварии на атомной электростанции (АЭС) «Фукусима-1».

Использование процесса конденсации водорода в теле оксидных материалов может обеспечить этому технологическому процессу связывания газа характерные свойства, из которых необходимо отметить: наименьшие массогаба-ритные характеристики и надежность функционирования энерготехнологической установки после длительного хранения по регламенту аварийной готовности.

В отечественных и зарубежных научных публикациях технология связывания водорода базируется на горении радиолитической смеси кислорода и водорода в контактных аппаратах. Отличительной особенностью данной работы является то, что в ней рассматривается и обосновывается избирательный метод конденсации газообразного водорода, прежде всего в оксидах. Впервые конденсация водорода в твердом теле представляется как комплексный процесс,

происходящий в специальном разделительно-поглотительном устройстве (РПУ).

Постановка и решение комплекса задач по конденсации водорода в РПУ отсутствуют в литературных источниках, что определяет актуальность проблемы, поставленной и решаемой в настоящей диссертационной работе.

Цель диссертации. Исследование физических процессов, происходящих при взаимодействии водорода с оксидом меди и серебра на основе рассмотрения комплексного кинетического процесса конденсации газа в твердом теле.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: разработка физической модели конденсации водорода в оксидах меди и серебра; определение пространственных параметров транспортировки и хронометрических (кинетических) параметров конденсации водорода; определение влияния предварительной обработки исследуемых оксидов гексахлорпалладиевой кислотой на латентный (инкубационный) период процесса конденсации водорода и предварительной обработки гексахлорплатиновой кислотой на хронометрические параметры конденсации водорода; создание макетной установки для определения кинетических зависимостей конденсации; разработка методики обработки экспериментов и определение параметров транспортно-кинетического процесса; изучение процесса конденсации водорода при наличии паров воды в данном диапазоне давлений парогазовой смеси; разработка экспериментального устройства для конденсации водорода применительно к замкнутым взрывоопасным энергетическим системам.

Предмет исследования - физические процессы, происходящие при конденсации водорода в твердом теле.

Объект исследования - оксиды меди и серебра.

Границами исследования являются параметры (давление, влажность и температура), характерные для парогазовой смеси, наблюдаемые в компактных аварийных устройствах атомных энергетических установок.

Научная новизна:

1. Впервые на основе диффузионно-кинетической модели изучен комплексный физический процесс конденсации водорода в твердом теле. Обоснованы и подтверждены оптимальные параметры технологии конденсации в парогазовой системе при давлении 50-150 кПа и температуре ~ 400°С на базе исследования кинетики взаимодействия водорода с оксидами меди и серебра.

2. Найдены константы скорости хронометрического (кинетического) процесса конденсации водорода, теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены оптимальные параметры для сферических элементов из оксида меди.

3. Экспериментально подтверждено, что

• гексахлорпалладиевая кислота уменьшает латентный (инкубационный) период процесса конденсации водорода в оксиде меди в 2 раза;

• гексахлорплатиновая кислота существенно замедляет кинетику конденсации водорода в оксиде меди.

4. Впервые определена кинетика конденсации водорода в таблетках оксида серебра при параметрах:

- давление, кПа...................50-125;

- температура, °С................ 100-150.

Такой узкий диапазон работоспособности оксида серебра при конденсации водорода обосновывает ограничение использования оксида серебра в промышленном применении.

5. Показано, что для промышленного применения необходимо использовать процесс конденсации водорода в сферических гранулах оксида меди диаметром до 10 мм.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физическая модель комплексного энерготехнологического процесса конденсации водорода в твердом теле.

2. Хронометрические (кинетические) зависимости и параметры конденсации водорода.

3. Основные численные значения кинетических характеристик конденсации водорода при давлении 50-150 кПа и температуре ~400°С в оксиде меди сферической формы.

4. Расчетные зависимости скорости конденсации водорода и оценка на их основе конструктивных решений по технологии конденсации водорода для промышленного применения.

Достоверность научных положений и выводов диссертации основана на экспериментальных (эмпирических) данных, полученных на макетных уста-

новках с аттестованной и поверенной приборной базой, которые согласуются с общетеоретическими оценками. Достоверность полученных результатов обусловлена использованием методик обработки значительного количества кинетических зависимостей многократных экспериментов и проверкой технологии конденсации водорода в условиях, приближенных к промышленным.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана новая технология конденсации водорода применительно к компактным аварийным системам.

2. Новая технология конденсации водорода характеризуется наименьшими массогабаритными характеристиками, высокой готовностью к эксплуатации и надежностью функционирования.

3. Выполнена расчетная оценка промышленного процесса конденсации и разработана конструкция разделительно-поглотительного устройства (РПУ).

Личный вклад автора. Автором лично выполнены теоретические исследования, построена математическая модель физических процессов, происходящих при конденсации водорода в твердом теле, определены хронометрические зависимости и параметры, в том числе кинетические константы скорости конденсации, разработаны методики обработки результатов экспериментальных данных, а также методика переноса в промышленные условия.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных и научно-

технических конференциях, в том числе на Международной конференции International Conference on Maritime Technology ICMT, 2007, Taipei, Taiwan; International Symposium on Marine Engineering, BEXCO, Busan, 2009; Третья Всероссийская научно-техническая конференция «Технические проблемы освоения Мирового океана», г. Владивосток, 2009.

Публикации. Материалы диссертации изложены в 8 работах, 3 из которых опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы (91 наименование). Общий объем диссертации - 127 страниц, включая 22 рисунка и 12 таблиц.

и

Глава 1. Современное состояние разработки теоретических и экспериментальных методов утилизации водорода при обеспечении безопасности атомных энергетических установок

1.1. Проблемы безопасности и взрывозащищенность реакторных установок

Основная проблема безопасности — отсутствие надежных методов локализации аварийных течей теплоносителя в герметичных атомных энергетических установках, поскольку в случае образования гремучей смеси происходит взрыв и разрушение оборудования, которые приводят к выбросу радиоактивных веществ в окружающую среду (ОС) [1]. В настоящее время используются как одноконтурные корпусные кипящие реакторы (BWR), так и двухконтурные атомные энергетические установки с водой под давлением (Р'\У11). Первые модернизируются с целью повышения надежности вывода из аварийных ситуаций, однако несмотря на широкий спектр исследований [2] проблема взрыво-защищенности до конца не решена. После серии аварийных ситуаций на атомной электростанции «Фукусима-1», сопровождавшихся взрывами гремучего газа и выбросом радиоактивных веществ в ОС, проблема водородной безопасности превратилась в масштабную актуальную задачу.

Суть физико-химических процессов, происходящих, например, при работе одноконтурного кипящего реактора, такова. При выдаче пара из реактора на турбину происходит как генерация водорода, так и его непрерывное удаление в конденсатор турбины вместе с паром. Отметим, что радиолиз теплоносителя в

кипящем реакторе протекает более интенсивно, чем в водо-водяных реакторах под давлением, так как традиционный аммиачный метод подавления радиолиза в одноконтурных установках неприменим. В этих установках происходит кипение воды, разделение фаз и вынос радиолитических газов с паром. При этом в парогенерирующих элементах отсутствуют условия по рекомбинации радиолитических газов. Скорость радиолитического процесса в одноконтурных установках возрастает с увеличением температуры в аварийных ситуациях. При нарушении барьера герметичности первого контура проблема водородной безопасности становится более чем актуальной.

По данным [2], при эксплуатации энерготехнологической установки в нормальном режиме максимальная объемная концентрация водорода, зафиксированная на выходе из систем конденсатора, порядка 10%, что несколько ниже взрывоопасного значения, который считают равным более 12%. Информативным параметром взрывоопасности конденсатора является, кроме объемной концентрации водорода, давление в охладителе газов. Это связано с тем, что смесь водорода с циркулирующими газами взрывоопасна при давлении более 16 кПа, а давление, наблюдаемое в конденсаторе, - порядка 5 кПа. По общепринятой технологии после эжекторов турбины парогазовая смесь вместе с продуктами радиолиза поступает в контур сжигания газовой смеси (КСГС). Полагают [2], что решение проблемы взрывозащищенности на специальной установке - КСГС - заключается в предварительном осушении парогазовой смеси, поскольку применяемые катализаторы теряют эффективность при высокой влажности из-за того, что вода превращается в пар, образует реверсивный

поток от активной поверхности катализатора и препятствует доступу водорода и кислорода к ней. Понижение влажности смеси перед входом её в контактный аппарат в теплообменнике позволяет уменьшить реверсивный поток и обеспечить нормальный режим сжигания.

Кроме проблем с катализаторами слабым звеном энерготехнологических установок с потенциально опасным радиолизом является то, что в аварийных ситуациях при разгерметизации первого контура необходимо локализовать радиоактивные вещества в замкнутом объеме. Для этого создают специальные барьеры безопасности - защитные оболочки. В пределах проектных и запро-ектных аварийных ситуаций выполняется сбор радиолитических и других газов с последующей утилизацией с использованием различных катализаторов.

Следовательно, решение проблемы радиационной безопасности за счет локализации последствий разгерметизации энерготехнологических установок путем поиска новых эффективных материалов является важной задачей в обеспечении безопасности их функционирования.

1.2. Катализаторы и основные приемы их использования

Согласно [3], катализ - это изменение скорости химической реакции или её возбуждение при воздействии веществ, называемых катализаторами. Все каталитические реакции в термодинамическом отношении являются самопроизвольными процессами и сопровождаются уменьшением свободной энергии. Если катализатор и реагирующие вещества находятся в одной и той же фазе, то катализ называют гомогенным, а если в разных, т. е. если имеется граница раз-

дела, - он носит название гетерогенного, или контактного. Процесс конденсации водорода в оксидах близок по физической природе к гетерогенному каталитическому процессу.

Гетерогенно-каталитическая реакция состоит из нескольких стадий, таких как транспортировка (диффузия) компонентов к катализатору, адсорбция, химическое превращение (кинетика) на поверхности, десорбция и реверсивный газосброс продуктов реакции. Если иметь в виду твердые катализаторы, то механизм действия их различен, и пока не существует единой теории подбора катализаторов [3].

В технологии утилизации газовой смеси в КСГС применяют катализаторы из платины, родия, осмия, рутения и палладия [1,2].

Свойства этих материалов хорошо изучены и описаны в целом ряде монографий и справочников, так же как и особенности их использования в качестве катализаторов [4-12].

Однако, их уникальные каталические свойства теряются при преобразовании воды на их рабочих поверхностях. Катализаторы весьма дороги даже для использования в малогабаритных аварийных устройствах.

В последнее время ученые и специалисты в промышленности концентрируют интерес на особых свойствах оксидов. На это обращено внимание, например, в работах [13-15].

С учетом того что было отмечено выше относительно многообразия физико-химических процессов, происходящих на поверхности как катализаторов, так и в оксидах, целесообразно проанализировать их детально с учетом извест-

ных физических понятий и закономерностей, в том числе и при переносе (транспортировке) вещества и энергии при наличии градиентов [16-30], таких как:

- дгай Т— градиент температуры;

- §га<1 С - градиент концентрации вещества;

- V— градиент скорости.

Наличие градиентов температуры, вещества и скорости обусловливает:

- передачу энергии в результате теплопроводности;

- молекулярно-диффузионный перенос вещества;

- транспортировку импульса.

Перенос вещества, энергии и импульса при наличии перечисленных градиентов определяется внутренними свойствами субстанции, которые характеризуются коэффициентами диффузии, теплопроводности и вязкости [31—39].

Далее представлены численные значения констант применительно к энерготехнологическому процессу конденсации водорода при температуре до 400°С и давлении ~50—150 кПа.

1.3. Диффузионная транспортировка водорода

Молекулы, из которых состоит парогазовая смесь, в реальных условиях находятся в движении. Эти молекулы в процессе движения сталкиваются с другими частицами парогазовой смеси. Результатом движения, столкновения молекул водорода будет перемещение их в ту сторону, где концентрация этих частиц меньше. Связь между количеством транспортируемого таким образом во-

дорода и полем его концентрации устанавливается первым законом Фика: количество массы данного компонента, проходящей через изоконцентрационную поверхность, пропорционально градиенту его концентрации:

/ = —2>ёгаас, (1.1)

где £> - коэффициент молекулярной диффузии водорода.

Коэффициент молекулярной диффузии И измеряется в

кг

О ^

м • с • §гас1(кг/м )

(после сокращений м /с) и численно равен массе рассматриваемого компонента, проходящего через единичную площадь изоконцентрационной поверхности в единицу времени при единичном градиенте концентрации водорода. Значение коэффициента молекулярной диффузии зависит от физических свойств как рассматриваемого самого водорода, так и парогазовой смеси, входящих в изучаемую систему, от режимных параметров: температуры, давления (для газов), а также от концентрации компонентов. Для бинарных систем (состоящих из двух компонентов) в нашем случае принимают одинаковыми коэффициенты диффузии обоих компонентов, составляющих систему. В этом случае коэффициент молекулярной диффузии рассматривается как коэффициент взаимной диффузии и при его написании индекс опускается. Численные значения коэффициентов молекулярной диффузии для газов колеблются от 9-КГ6 до 70-Ю-6 м2/с, для водорода в парогазовой смеси можно принять £> да 10"4 м2/с.

Таким образом, первый закон Фика определяет перенос (транспортировку) водорода в одномерном концентрационном поле.

1.4. Трехмерный перенос вещества

Второй закон Фика устанавливает зависимость между концентрацией, координатами и временем для процесса транспортировки вещества в трехмерном концентрационном поле. В дальнейших уравнениях мы будем рассматривать изменения концентрации только водорода.

Из системы, в которой изменяется концентрация водорода, выделим элементарный куб со сторонами сЬс, агу, йх (рис. 1.1).

Рис. 1.1. К выводу второго закона Фика и дифференциальных уравнений В элементарный объем путем молекулярной диффузии поступает водород массой с!М, которую можно представить как сумму трех потоков вещества по трем осям координат. Через грань 1-2-3-4 в соответствии с первым законом Фика поступит масса за время ¿/т

дс

ЬМх=-В—(1ус12с1т.. (1.2)

дх

Через грань 5-6-7-8 из рассматриваемого параллелепипеда выйдет масса

( дс Л д с ч--скс

ЪМХ=(Ы =-В К дх иу<12(1т. (1.3)

дх

При написании уравнения (1.3) предполагалось, что физические свойства в рассматриваемом элементарном теле постоянны. Вычитая из уравнения (1.2) уравнение (1.3), получим поток водорода, поступивший в элементарный параллелепипед по направлению оси х:

а2с

йМх = ЪМХ - Шх+сЬс = —И—-с1хс1ус12с1т. (1.4)

дх

Аналогично рассуждая, получим выражения для потока водорода, поступившего в элементарный параллелепипед по направлению осей у иг:

д2с

с1М =£>—т:(1хду<Ь(1т,

ду

д2с

с1М2 = £>-;^сЫдусЬйх.

дг

Полное приращение (изменение) массы водорода во всем элементарном объеме

йМ = Шх + (IМу + йМ2 = ПЧ2с сЫауйгйх, (1.5)

дх2 ду2 + дг1

где У с = + —- + —2 _ опеРатоР Лапласа.

Из уравнения (1.5) получаем аналитическое выражение второго закона

Фика:

— = £>У2с. (1.6)

дх

Необходимо отметить, что первый и второй законы Фика определяют перенос (транспортировку) водорода в одномерном и трехмерном концентрационном поле при условии, что поток водорода пропорционален градиентам его концентрации [29, 30, 33, 34, 37, 40, 41].

1.5. Безразмерные комплексы переноса

Анализируя уравнение конвективной диффузии, можно получить два оригинальных критерия:

1) диффузионный критерий Фурье

Бод =£>т//2;

2) диффузионный критерий Пекле

Ре0 = -и>•//£>.

Диффузионный критерий Фурье характеризует связь между скоростью изменения поля концентраций, физическими характеристиками и размерами поглотителя - в нашем случае окись меди и оксид серебра. Этот критерий используют для оценки нестационарных диффузионных процессов.

Диффузионный критерий Пекле является мерой отношения молекулярного и конвективного переноса массы в потоке. Как известно из теории подобия, комбинации критериев образуют новые критерии. Так, например, поделив диффузионный критерий Пекле на критерий Рейнольдса, получим новый критерий - диффузионный критерий Прандтля:

Р е0/Ке = у/В = ?г0.

Диффузионный критерий Прандтля является мерой подобия концентрационных и скоростных полей в потоке движущейся парогазовой среды.

Для энерготехнологического процесса конденсации водорода критерий Прандтля принимаем ~0,64.

Если поделить друг на друга конвективный и диффузионный критерии Прандтля, то получим новый критерий - критерий Льюиса-Семенова:

Рг/Ргд = £>/а = Ье.

Критерий Льюиса-Семенова является мерой подобия концентрационного и температурного полей.

Поделив диффузионные критерии Нуссельта на Пекле, получим новый критерий — диффузионный критерий Стентона:

З^Шд/Ре^р/ж

Приведенные выше критерии диффузионного подобия являются наиболее распространенными в теории массопереноса водорода [42—46].

1.6. Пограничная область переноса вещества

При конденсации водорода в окиси меди и оксиде серебра наблюдается разность концентраций компонентов, составляющих рассматриваемую среду [17, 33,34].

Распределение концентрации водорода в парогазовой среде у поверхности окиси твердого тела показано на рис. 1.2.

'/////////

Рис. 1.2. Распределение концентрации водорода у поверхности окиси меди и серебра в начальный период Необходимо отметить, что такое распространение водорода характерно только для начального периода работы.

Тонкий пристенный слой водорода, в котором концентрация рассматриваемого компонента изменяется от с0 до 0, называется диффузионным пограничным слоем. Здесь с0 — концентрация водорода за пределами диффузионного пограничного слоя. Изменение концентрации водорода в диффузионном пограничном слое можно представить следующим соотношением: дс/ду^ 0. Поле концентраций в диффузионном пограничном слое с определенными до-

пущениями описывается следующим уравнением:

дс дс _ д2с дх Уду ду2

(1.7)

При написании уравнения (1.7) предполагалось, что:

а) процесс стационарный;

б) изменения концентрации по осям г не происходит;

в) вторая производная от концентрации по координате х несопоставимо мала по сравнению со второй производной от концентрации по координате у;

г) внутренних источников массы нет.

Диффузионный пограничный слой может быть и ламинарным, и турбулентным. При наличии турбулентного диффузионного пограничного слоя у самой границы раздела фаз будет наблюдаться ламинарный подслой [33, 34, 47].

1.7. Одномерный перенос энергии применительно к процессу конденсации водорода

Процесс конденсации водорода в окиси меди или оксиде серебра идет с выделением энергии.

Согласно гипотезе Фурье, плотность теплового потока q прямо пропорциональна градиенту температуры grad t и связана с ним через коэффициент пропорциональности X:

q = — *k grad t. (1.8)

Знак «минус» указывает на противоположенную направленность векторов теплового потока и градиента температур. Коэффициент пропорциональности X назван коэффициентом теплопроводности и характеризует транспортную способность вещества проводить тепловую энергию [37, 48, 49].

Температурный градиент - это вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно рав-

ный частной производной от температуры по расстоянию, измеренному по этой нормали, т. е.

егаск = Пш

Д->0

дп

Единица измерения grad t - кельвин на метр (К/м). Положительное направление вектора - в сторону увеличения температуры, т. е. обратное по отношению к вектору теплового потока, направленного в сторону понижения температур.

Коэффициент теплопроводности. Физический смысл коэффициента теплопроводности следует из уравнения (1.8) [37]:

14

^габ. t

Как видно, коэффициент теплопроводности представляет собой величину, численно равную количеству теплоты, передаваемой в единицу времени через единичную изотермическую поверхность тела при единичном температур-

Дж

ном градиенте. Коэффициент теплопроводности измеряется в —-(после

м -с-К/м

сокращений Вт/(м-К)). Коэффициент теплопроводности водорода для нашего

л, Вт

процесса составляет ~0,3-.

м-К

Коэффициент теплопроводности серебра и меди (конечных продуктов

Вт

нашего процесса) составляет ~400

м-К

Следовательно, коэффициент теплопроводности, определяя величину передаваемого теплового потока при прочих единичных условиях, зависит только от свойств и параметров состояния материала данного тела и является его теп-лофизической характеристикой (феноменологическим коэффициентом).

Уравнение (1.8) справедливо при транспортировке тепловой энергии в одномерном градиентном температурном поле.

1.8. Уравнения для оценки трехмерного переноса энергии

Для трехмерного температурного поля в отсутствие внутренних источников теплоты используется зависимость между температурой временем х и координатами х,у, г в виде дифференциального уравнения теплопроводности

£ = (1.9)

от с р

Вывод уравнения (1.9) аналогичен выводу уравнения (1.6) для транспортировки водорода в трехмерном концентрационном поле.

В уравнении (1.9) коэффициенты теплопроводности X, теплоемкости с и плотности р приняты не зависящими от остальных параметров. Величина V t является оператором Лапласа:

V2/ = д2Идх2 + дЬ/ду2 + д2Идг2.

Комплекс Х/{ср) называется коэффициентом температуропроводности и обозначается а = Х/(ср). Коэффициент температуропроводности а, имеющий размерность [м /с], определяет меру скорости изменения температуры единицы объема тела при прохождении через него теплового потока, пропор-

ционального X. Коэффициент температуропроводности для процесса конденсации водорода принимаем на уровне а « 9-10"4 м2/с.

Применительно к конденсации водорода необходимо отметить однораз-мерность коэффициента температуропроводности с аналогичными коэффициентами диффузии и кинематической вязкости. Одноразмерность коэффициентов переноса лежит в основе моделирования энерготехнологического процесса конденсации водорода, что будет показано в главе 2.

Коэффициент теплопроводности всех известных веществ является функцией большого числа параметров: температуры, структуры или состояния вещества, внешних воздействий, таких как излучение, магнитное поле, влажность для пористых материалов и др. Поэтому точное определение коэффициента теплопроводности расчетным путем установить очень сложно, и в подавляющем большинстве случаев эти значения определяются экспериментально. Нужно отметить при этом, что и экспериментальное определение коэффициента теплопроводности является достаточно сложной процедурой. Погрешности при его определении в твердых телах составляют до 20%. Необходимо учитывать также, что достаточно точные методы определения коэффициента теплопроводности для различного диапазона температур, различной геометрии образцов и типа твердых тел должны быть различны.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лысенко, Сергей Леонидович, 2013 год

Список литературы

1. Локализация радиоактивного пара после предохранительных клапанов на водо-водяном реакторе / А. С. Курский [и др.] // Атомная энергия. 2013. Т. 114, вып. 1. С. 34 - 57.

2. Курский А. С., Калыгин В. В. Радиолиз теплоносителя и методы обеспечения взрывозащищенности корпусного кипящего реактора // Вестник Ивановского государственного энергетического университета им. В. И. Ленина. 2013. Вып. 4. С. 1-7.

3. Физический энциклопедический словарь. М. : Советская энциклопедия, 1962. Т. 2. 608 с.

4. Металловедение платиновых металлов / Под ред. Е. М. Савицкого. М.: Металлургия, 1975. 248 с.

5. Благородные металлы : Справочник / Под ред. Е. М. Савицкого. М.: Металлургия, 1984. 396 с.

6. Савицкий Е. М., Полякова Е. П., Тылкина М. А. Сплавы палладия. М.: Наука, 1966. 328 с.

7. Физико-химические свойства элементов: Справочник / Под ред. Г. В. Самсонова. Киев : Наукова думка, 1965. 612 с.

8. Смирнова Н. А. Методы статической термодинамики в физической химии. М.: Высшая школа, 1973. 312 с.

9. Конструкционные материалы ядерных реакторов / Н. М. Бескоровайный [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 1995. 956 с.

10. ТищенкоЛ. П., ШабуняА. В., ПерегонТ. И. Исследование захвата и термического газовыделения гелия и изотопов водорода из конструкционных материалов // Известия РАН. Серия физическая. 1994. Т. 85, №3. С. 158-161.

11. Федосеев И. В. Гидрокарбонильные процессы в технологии платиновых металлов. М.: Руда и металлы, 2011. 128 с.

12. Резников А. Н., Резников JI. А. Тепловые процессы в технологических системах : Учебник. М.: Машиностроение, 1990. 228 с.

13. Пчелинцева Н. И., Смельцов М. А. Получение и исследование основных физических свойств нанокатализаторов Си20 // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе : Материалы региональной научно-технической конференции. М.,, 2012. Т. 2. С. 47-49.

14. Grozdanov I. Electroless chemical deposition technique for Cu20 thin films // Materials letters. 1994. № 19. P. 281-285.

15. Serin N., Serin Т., Unal B. The effect of humidity on electronic conductivity of an Au/Cu0/Cu20/Cu sandwich structure // Semiconductor science and technology. 2000. № 15. P. 112-116.

16. Технологические проблемы создания подводной техники / С. JI. Лысенко [и др.] // Технические проблемы освоения Мирового океана: Материалы третьей Всероссийской научно-технической конференции. Владивосток, 2009. С. 26-29.

17. Лысенко С. JI., Шаталов В. К., Глебов С. А. Теоретические основы транспортно-кинетических процессов при конденсации водорода для энерготехнологических установок // Наукоемкие технологии. 2012. № 10. С. 80-86.

18. Шаталов В. К., Лысенко Л. В., Лысенко С. Л. Способ получения защитных покрытий на поверхности металлов и сплавов. Патент №2263728. 2005. Б.И. 31.

19. Energy-Technological Processes in Equipment of Ships Power Plants / S. L. Lisenko [et al.] // Abstracts of International Symposium on Marine Engineering. Busan, 2009. P. 6.

20. Lisenko A. L., Shatalov V. K., Lisenko S. L. Energy-Technological Processes in Elements of Marine Engineering // Abstracts of International Conference on Maritime Technology. Taipei, 2007. P. 123-128.

21. Закон телепортации - единство транспортных и хронометрических (кинетических) процессов переноса вещества, энергии и момента импульса (импульса): свидетельство о регистрации объекта интеллектуальной собственности / С. Л. Лысенко [и др.] // Реестр Фонда интеллектуальной собственности. Сер. А000401. № 13-461.25.09-13.151 с.

22 Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М. : Наука, 1976. 888 с.

23. Белоцерковский О. М., Давыдов Ю. М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982.392 с.

24. Беррер Р. Диффузия в твердых телах. М.: ИЛ, 1948. 376 с.

25. Гиршфельдер Дж., КертиссЧ., БердР. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: ИЛ, 1961. 928 с.

26. ГухманА. А. Введение в теорию подобия. М.: Высшая школа, 1968. 254 с.

27. Дейч М. Е. Техническая газодинамика. М.: Энергия, 1974. 592 с.

28. КарслоуГ., ЕгерД. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. 488 с.

29. Лысенко Л. В. Теоретические основы конструкторских оценок энерготехнологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1997. 64 с.

30. Лысенко Л. В., Минаев А. Н., Лысенко С. Л. Кинетика и транспортировка момента импульса в океанотехнике // users.kaluga.ru/mgtu_ktz.

31. Миначев X. М., Исаков Я. И. Металлсодержащие цеолиты в катализе. М.: Наука, 1976. 112 с.

32. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х томах. М.: Мир, 1991. Т. 1. 504 е.; Т. 2. 552 с.

33. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969.712 с.

34. Франц-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1967. С. 116.

35. Исследование теплофизических свойств сплавов Ti-H / Б. А. Колачаев [и др.] // Металлы (РАН). 1994. № 5. С. 85-91.

36. Кристан Дж. Теория превращения в металлах и сплавах. Термодинамика и общая теоретическая теория / Пер. с англ. М.: Мир, 1978. 4.1. С. 808.

37. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. С. 416.

38. ЛевичВ. Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматлит, 1959. 696 с.

39. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. 848 с.

40. Абианц В. X. Теория авиационных газовых турбин. М.: Машиностроение, 1979. 246 с.

41. Авдуевский В. С., Галицейский Б. М., Данилов Ю. И. Основы в теплопередаче в авиационной и ракетно-космической технике. М.: Машиностроение, 1992. 528 с.

42. Белоцерковский О. М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука, 1984. 520 с.

43. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. М.: Мир, 1990. Т. 1.384 е.; Т. 2.392 с.

44. Васенин И. М., Рычков А. Д. Численное решение задачи о смешанном осесимметричном течении газа в некоторых криволинейных областях методом установления // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1971. № 1. С. 155-159.

45. Несененко Г. А. Библиографический обзор, формулировки теорем и алгоритмы по теме: «Геометро-оптический асимптотический метод решения сингулярно-возмущенных задач нелинейного тепло- и массопереноса в областях с подвижными границами». М.: МГОПУ, 1995. С. 103.

46. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. М. : Наука, 1978. 336 с.

47. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие. Л.: Химия, 1982. 592 с.

48. Лошкарев В. А., Никитин А. Т. Теплозащитные покрытия в динамике сплошных сред. Изд-во Ростовского государственного университета, 1982. 256 с.

49. Ривкин С. Л. Термодинамические свойства газов : Справочник. М. : Энергоиздат, 1987. 288 с.

50. Численное решение многомерных задач газовой динамики / Под ред. С. К. Годунова. М.: Наука, 1976. 400 с.

51. Лошкарев В. А. Диагностика пристенных пограничных слоев на поверхности аблирующих материалов // ТВТ. 1993. Т. 31, № 3. С. 418— 425.

52. Шаталов В. К., Буланов А. В., Лысенко А. Л. Физическая интерпретация энерготехнологических координат // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы: Сборник трудов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. С. 18-25.

53. Шаталов В. К., Лысенко А. Л. Параметры и безразмерные комплексы, обобщающие энерготехнологические комплексы // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы : Сборник трудов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. С. 25-30.

54. Эммануэль Н. М., Кнорре Д. Г. Курс химической кинетики. М. : Высшая школа, 1974. С. 400.

55. Борисов С. Ф., Балахонов Н. Ф., Губанов В. А. Взаимодействие газов с поверхностью твердых тел. М.: Наука, 1988.200 с.

56. Ливанов В. А., Буханова А. А., Колачаев Б. А. Водород в титане. М. : Металлургия, 1962. 246 с.

57. Ускорение процессов самодиффузии в металлах под влиянием растворенного водорода / В. И. Сидоренко [и др.] // ФХММ. 1997. № 6. С. 27-30.

58. ФроммЕ., ГебхартЕ. Газы и углерод в металлах. М. : Металлургия, 1980. 712 с.

59. Рогинский С. 3. Теоретические основы изотопных методов изучения химических реакций. М.: Изд-во АН СССР, 1956. 612 с.

60. МиначевХ. М., Харламов В. В. Окислительно-восстановительный катализ на цеолитах. М. : Наука, 1990. 152 с.

61. Томас Ч. Промышленные каталитические процессы и эффективные катализаторы / Пер. с англ.; Под ред. А. М. Рубинштейна. М.: Мир, 1973. 388 с.

62. Гейтс Б., Кетцир Дж., Шуйт Г. Химия каталитических процессов / Пер. с англ. М.: Мир, 1981. 552 с.

63. Киперман С. Я. Основы химической кинетики в гетерогенном катализе. М.: Химия, 1979. С. 286.

64. Основы предвидения каталитического действия. / Я. И. Исаков [и др.]. М.: Наука, 1970. Т. 2. С. 135.

65. Еремин Е. Н. Основы химической кинетики. М.: Высшая школа, 1976. 376 с.

66. Дельмон Б. Кинетика гетерогенных реакций. М.: Мир, 1972. 554 с.

67. Давыдов Ю. М., Скотников В. П. Метод крупных частиц. Вопросы аппроксимации, схемной вязкости и устойчивости. М.: ВЦ АН СССР, 1978. 72 с.

68. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. 148 с.

69. Андерсон Дж. Структура металлических катализаторов / Пер. с англ. М.: Мир, 1978. 364 с.

70. Березин В. И., Клесов А. А. Практический курс химической и ферментативной кинетики. М.: Изд-во МГУ, 1976. 320 с.

71. ПовхИ. Л. Техническая гидромеханика. Л.: Машиностроение, 1976. 504 с.

72. Буханова А. А., Колачаев Б. А. О диаграмме состояния системы титан-алюминий-водород в интервале 500-800°С // Фазовые равновесия в металлических сплавах: Сборник научных трудов. М., 1981. С. 127-131.

73. Габидуллин Э. Р., Носов В. К., ИльинА. А. Кинетические параметры взаимодействия водорода с титаном // Металлы (РАН). 1995. № 6. С. 71-75.

74. Ильин А. А., Мамонов А. Н. Температурно-концентрационные диаграммы фазового состава водородосодержащих многокомпонентных сплавов на основе титана // Металлы (РАН). 1994. № 5. С. 71-78.

75. Ионе К. Г. Полифункциональный катализ на цеолитах. Новосибирск : Наука, 1982.180 с.

76. Водородная технология производства пресс-изделий из титановой стружки без ее переплава / Б. А. Колачаев [и др.] // Наука, производство и применение титана в условиях конверсии : труды I Международной конференции стран СНГ по титану. М.: ВИЛМ, 1994. Т. 1. С. 283-290.

77. Мак-Даниэль К. В., Мейер П. К. Стабильность цеолитов и ультрастабильные цеолиты. / Пер. с англ. М.: Мир, 1980. 392 с.

78. Пирумов У. Г., Росляков Г. С. Численные методы газовой динамики. М.: Высшая школа, 1987.232 с.

79. Полежаев Ю. В., Михатулин Д. С., Никитин П. В. Моделирование межфазного обмена в гетерогенных средах с целью разработки высокоэффективных технологий // ИФЖ. АН Беларуси. 1998. Т. 71, № 1. С. 19-29.

80. Колачаев Б. А., Габидуллин Р. М., Пигузов Ю. В. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1992. 228 с.

81. Колачаев Б. А., Елагин В. И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСиС, 1999. 416 с.

82. Надежность и долговечность машин / Б. И. Костецкий [и др.]. Киев : Техника, 1975.408 с.

83. КазенасЕ. К., Цветков Ю. В. Испарение оксидов. М.: Наука, 1997. 248 с.

84. Налимов В. В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1971.284 с.

85. Зайдель А. Н. Ошибки измерений физических величин. JI. : Наука, 1974. 108 с.

86. Розанов В. В., Крылов О. В. Спилловер водорода в гетерогенном катализе // Успехи химии. 1997. Т. 66, № 2. С. 117-130.

87. Роуз П., Станкевич Дж. Измерение теплопередачи в критической точке тела, обтекаемого частично ионизированным воздухом // Ракетная техника и космонавтика. 1965. С. 131.

88. Термодинамический анализ системы титан-водород / Р. М. Габидуллин [и др.] // Титан. Металловедение и технология: труды III Международной конференции по титану. М.: ВИЛС, 1978. С. 419-427.

89. Баре П. Кинетика гетерогенных процессов / Пер. с франц. М.: Мир, 1976.144 с.

90. Бороненков В. Н., Шанчуров С. М., Зиниград М. И. Кинетика взаимодействия многокомпонентного металла со шлаком в диффузном режиме // Известия АН СССР. Металлы. 1979. № 6. С. 21-27.

91. Константы взаимодействия металлов с газами / Я. Д. Коган [и др.]. М.: Металлургия, 1987. 368 с.