ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 4, с. 596-600
УДК 621.311.25(06)
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОГО СВИНЦА В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР 350-1000° С
© 2015 г. А. Б. Круглов1, В. Б. Круглов1, В. И. Рачков1, П. Г. Стручалин1, В. С. Харитонов1, Р. Ш. Асхадуллин2, П. Н. Мартынов2
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва 2ГНЦ РФ ФЭИ, г. Обнинск E-mail: ABKruglov@mephi.ru Поступила в редакцию 30.05.2014 г.
В работе предложена методика определения теплопроводности жидкого свинца импульсным методом, в которой расчеты теплопроводности проводятся по начальному участку термограммы. Приведены результаты измерений теплопроводности жидкого свинца С1 в диапазоне температур 350—1000°С.
DOI: 10.7868/S0040364415030096
ВВЕДЕНИЕ
В разрабатываемых проектах перспективных ядерных энергетических установок с реакторами на быстрых нейтронах, а также ядерных систем с ускорителями планируется использование тяжелых жидкометаллических теплоносителей [1]. Рассматриваются варианты использования тяжелых жидкометаллических теплоносителей в неэнергетических приложениях [2]. В связи с этим в последнее время были выполнены исследования по анализу имеющихся данных, а также по получению новых экспериментальных результатов по теплофизическим свойствам жидкометаллических теплоносителей [3—7]. В этих работах представлена, в том числе, информация по коэффициенту теплопроводности свинца, которая необходима для моделирования теплогидравлических процессов в ядерных реакторах и теплообменниках со свинцовым теплоносителем.
Анализ экспериментальных данных по теплопроводности свинца, опубликованных к настоящему времени, показал, что данные разных авторов существенно отличаются. Особенно это проявляется при высоких температурах. Это отличие, по мнению ряда авторов [3—6], связано как с недостаточной точностью ранее выполненных экспериментов, так и с методическими погрешностями, обусловленными сложностью экспериментального определения теплопроводности жидких металлов в высокотемпературной области.
Цель настоящей работы состояла в разработке методики измерения теплопроводности жидкого свинца с использованием импульсного лазерного нагрева. В работе также представлены новые данные по теплопроводности свинца марки С1 в ин-
тервале температур 7пл—1000°С и приведена оценка точности измерений.
МЕТОД ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВА
Метод импульсного нагрева, известный как метод Паркера, Дженкинса, Батлера и Эбботта [8], заключается в следующем. Выполняются нагрев фронтальной поверхности образца коротким импульсом света лазера или лампы-вспышки и регистрация температуры его тыльной поверхности. По полученной термограмме проводится расчет температуропроводности образца, а если известна энергия импульса, поглощенная образцом, то может быть определена и его теплоемкость.
В предельно простом случае, когда энергия в пучке излучения распределена равномерно, импульс тепла короткий, а образец теплоизолирован, то его температуропроводность а рассчитывается по формуле
a =
1.38/2
2
п т0.5
(1)
где т0.5 — время достижения половины максимального подогрева, I — толщина образца.
В общем случае форма регистрируемого сигнала зависит от температуропроводности и геометрии образца, длительности и формы импульса лазера, равномерности распределения энергии по сечению пучка и поверхности образца, теплообмена образца с окружающей средой. В таких условиях определение температуропроводности исследуемых материалов проводится с учетом перечисленных факторов на основании аналитических или рассчитанных численно зависимостей температуры поверхности образца от времени [9—13].
По определенным в экспериментах значениям температуропроводности коэффициент теплопроводности X рассчитывается с использованием данных об удельной теплоемкости с и плотности р
X = аср. (2)
Метод импульсного нагрева, сочетающий высокую оперативность и одновременно высокую точность измерений, нашел широкое применение в исследованиях теплопроводности и теплоемкости твердых тел и жидкостей при температурах до 2900°С.
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ РАСПЛАВОВ МЕТАЛЛОВ. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
Рассматриваемый метод в исследованиях теплопроводности жидких металлов стал применяться сравнительно недавно. Эксперименты проводятся в специальных измерительных ячейках, представляющих собой миниатюрный тигель, между дном и крышкой которого находится исследуемый расплав. В качестве материалов измерительных ячеек используются стойкие в исследуемых расплавах металлы, керамики и сплавы, для которых известны прецизионные данные по удельной теплоемкости, теплопроводности и плотности в диапазоне температур исследования [5, 14].
Измерения теплопроводности расплавов отличаются от измерений на однородных образцах двумя методическими особенностями. Во-первых, процесс нестационарной теплопроводности в трехслойной системе тигель—расплав—крышка определяется геометрией измерительной ячейки, теплофизическими свойствами тигля и крышки — сст, Хст, рст, расплава — ср, Хр, рр и термическим сопротивлением гт на границах контакта. Наличие в системе дополнительного к перечисленным неизвестного параметра гт усложняет экспериментальную методику. Так как теплопроводность Хр расплава и контактное сопротивление гт не могут быть определены в одном измерении с удовлетворительной точностью, то прецизионные измерения теплопроводности расплава возможны, если гт
достаточно мало гт < г* и не влияет на результат измерений. Оценка величины гт* будет приведена
ниже. Практическое осуществление условия гт < г* требует специальной подготовки образцов свинца и измерительной ячейки, а также подбора режима нагрева ячейки при подготовке измерений. Заметим, что использовавшаяся в работе [5] предварительная очистка образцов свинца от растворенных газов в процессе высокотемпературной переплавки в вакууме, возможно изменяющая содержание примесей в свинце, в настоящей работе не применялась.
Рис. 1. Измерительная ячейка: 1 — установочная платформа LFA 457, 2 — свинец, 3 — тигель, 4 — крышка тигля, 5 — груз.
Вторая особенность работы с расплавами заключается в необходимости разработки методики расчета теплопроводности по экспериментальным термограммам-применительно к геометрии используемой измерительной ячейки.
КОНСТРУКЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЯЧЕЙКИ
В исследовании используется установка NETZSCH ЬБА 457 МютоПавИ, предназначенная для измерений температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости материалов в диапазоне температур 25—1100°С [14].
Измерительная ячейка, разработанная для проведения исследования, изготовлена из стали 12Х18Н10Т, обладающей удовлетворительной коррозионной стойкостью в расплаве свинца до температуры 1000°С [5, 15]. Конструкция ячейки представлена на рис. 1. На крышке тигля размещен груз, обеспечивающий фиксацию положения крышки после плавления свинца. Между образующими тигля и крышки имеется кольцевая полость 1.5 х 4 мм, в которую происходит расширение расплава. Слой расплава толщиной 2 мм находится между донышками тигля и крышки с толщинами 0.5 мм. В обечайке крышки выполнено четыре отверстия диаметром 1 мм для выхода из ячейки газов, растворенных в свинце и адсорбированных на границах контакта, при плавлении в вакууме и в процессе измерений в атмосфере аргона.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
В существующих методиках измерения температуропроводности и теплопроводности расплавов металлов импульсным методом используется подгонка нормированного расчетного подогрева поверхности крышки тигля (Т*(т) — Т*(0))/(Т*(т) —
-0.5 -
-1.0 -
10
15
т-1, с-1
Рис. 2. Измерение теплопроводности расплава свинца при Т = 1000°С, = 25.58 Вт/(м К) = 1 - УЭ = = -0.1934т-1 + 1.4955, 2 - У* = -0.1934т-1 + 1.0424.
- 77*(0))тах к нормированному сигналу ИК-детек-тора Щ(т), связанного с температурой поверхности крышки Тп(т) зависимостью Щ(т) = сТп(т). Подгонка осуществляется варьированием температуропроводности или теплопроводности расплава и эффективной степени черноты поверхностей измерительной ячейки. Такие методики обработки вполне эффективны, однако требуют проведения большого объема вычислений или разработки специализированного программного обеспечения [5, 14].
В предлагаемой методике измерений, требующей небольших затрат расчетного времени, определение теплопроводности осуществляется по начальному временному интервалу 80 < т <140 мс термограммы измерений.
Расчет выполняется в следующей последовательности. С использованием экспериментальной термограммы Щ(т) и термограммы Т*(т), рассчитанной для некоторого значения теплопроводности расплава X*, проводится построение функций Уэ(т) и У*(т):
ад = 1п ((и(т) - ифЩ = Сэт-1 + Ьэ, (3)
У\т) = 1п ((Т*(т) - Т*(0))л/Г) = С*(Х* )т-1 + Ь*. (4)
Характерной особенностью функций (3), (4) на начальном участке является их линейная зависимость от т-1 с коэффициентами Сэ и С *, зависящими только от геометрии ячейки и теплофизи-ческих свойств ее компонентов, в частности теплопроводности расплава (рис. 2). Следовательно,
рассчитав Сэ по экспериментальной термограмме
и варьируя аргумент X* функции У*(т), теплопроводность расплава найдем из условия
С ) = Сэ. (5)
При выполнении расчетов Т *(т) учитывались длительность и форма импульса лазера, теплообмен ячейки с окружающей средой, термическое расширение измерительной ячейки. Используемые данные по теплофизическим свойствам стали 12Х18Н10Т и свинца были заимствованы из [4, 16-19].
В расчетах полагалось, что гт = 0, следовательно, измеренные значения теплопроводности Хр равны теплопроводности расплава свинца Х0, если контактное сопротивление достаточно мало -
гт < гт*. Оценить величину гт* можно по формуле
X п - X о
1 +
2гтХ, А
\-1
(6)
рь У
которая описывает связь теплопроводности Хр, Х0, толщины слоя расплава Арь и термического сопротивления гт в рассматриваемом процессе теплопроводности при гт < 5 х 10-5 (м2 К)/Вт.
Задав (Хр - Х0)/Хр < 1 х 10 х 10-6 (м2 К)/Вт.
получим гт* < 0.5 х
ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИИ
Перед сборкой ячейки поверхности тигля и крышки шлифовались и тщательно обезжиривались. На поверхности измерительной ячейки,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.