Теплопроводность газов при высоких температурах (Критический разбор экспериментального материала и его обобщение в области "до ионизационного пика") Сагарда, Маргарита Васильевна

Введение к работе

Актуальность темы: Разработка и уточнение справочных данных о переносных свойствах высокотемпературных газов, в частности теплопроводности, с последующей систематизацией их в банках данных обусловлено многосторонним применением низкотеглпературной плазмы в качестве рабочего вещества: в плазменных генераторах для обработки материалов (сварка, резка), для получения чистых металлов (плазмометаллургия), в химическом производстве (плазмохимия), в магнитогидродинамических генераторах и термоэмиссионных преобразователях, служащих для прямого превращения тепловой энергии в электрическую, и т.д.

Для уточнения и прогнозирования данных по теплопроводности низкотемпературной плазмы необходимо правильное понимание природы процесса переноса энергии и умение оценить сопутствующие основному процессу теплопроводности эффекты: наличие конвекции, влияние термодиффузионного разделения и диффузионного термоэффекта на кондуктивный и конвективный перенос тепла, в высокотемпературных газах и газовых смесях и т.д. Необходимо изучение влияния неидеальности газа на процессы переноса энергии и массы.

К настоящему времени разработаны таблицы стандартных справочных данных по коэффициентам динамической вязкости и теплопроводности инертных газов при атмосферном давлении в диапазоне температур от нормальных точек кипения до 5000 К. Представляется целесообразным, учитывая многостороннее применение низкотемпературной плазмы, расширить исследуемый диапазон в область более высоких температур, при этом необходимо выявить эффекты, сопутствующие кондуктивному и реактивному процессам переноса тепла в ионизованных газах. Точное знание теплофизичоских характеристик ігаз-котемпературной плазмы необходимо, в частности, для составления критериальных уравнений тепло- и массообмена высокотемпературного газа с различного рода препятствиями, в том числе с поверхностями летательных аппаратов.

Целью работы является исследование влияния неравновесности газа на процессы переноса энергии и учет сопутствующих процессу теплопроводности эффектов.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие основные задачи:

1. На основании анализа экспериментальных данных по теплопроводности ионизованных аргона, азота, воздуха получить обобщенное описание коэффициентов теплопроводности низкотемпературной плазмы, которое может быть использовано для прогнозирования величин теплопроводности газов, данные по которым в настоящее время отсутствуют в литературе.

2. С целью уточнения погрешности измерения коэффициентов теплопроводности ионизованных газов, оценить вклад диффузионного термоэффекта в теплопроводность низкотемпературной плазмы азота в рамках четвертого приближения метода Devote.

3. Выявить возможность возникновения в системе ионизованного газа нового типа термической неустойчивости, обусловленного протекающими в системе процессаїли термодиффузионного разделения и способного вносить дополнительный вклад в суммарный поток энергии.

Научная новизна.

4. Предложено новое обобщенное описание коэффициентов теплопроводности аргона, азота, воздуха в интервале температур "до ионизационного пика", которое может быть использовано для прогнозирования величин теплопроводности газов, дапше по которым в настоящее время отсутствуют в литературе.

5. Впервые, используя посылку, что для всех инертных газов возможно построение единого потенциала межмолекулярного взаимодействия, показано, что теория термодинамического подобия не может быть распространена на все одноатомные газы (исключается гелий), а также быть использована во всем (90-5000 К) интервале температур (неон).

6. Впервые, применяя механизм нелинейных процессов переноса, основанный на возникновении в газовой системе потока массы и существовании эффективного значения коэффициента теплопроводности, проанализирован ход температурных зависимостей теплопроводности инертных газов в широком диапазоне температур.

7. Выполненная впервые, с целью уточнения погрешности эксперимента, оценка Еклада диффузионного термоэффекта'"'в процесс переноса энергии в низкотемпературной плазме азота в интервале 12000-20000 К показала, что он способен достигать %.

8. Впервые показано, что в системе ионизованного водорода (10000-14000 К) возможен новый тип термической неустойчивости,

обусловленный протекапцими в системе процессами термодиффузиопно-го разделения, способный вносить дополнительный вклад в суммарны?, поток энергии.

Достоверность результатов:

достоверность использования предложенного обобщенного описания ковффициептов теплопроводности низкотемпературной плазмы для прогнозирования величин теплопроводности газов, данные по которым в настоящее время отсутствуют в литературе, подтверждается величинами справочных данных по теплопроводности воздуха в интервале температур "до ионизационного пика" (расхождение в 15-20$ лежит в, пределах экспериментальной погрешности);

достоверность разработанного пакета программ расчета коэффициентов диффузии и термодиффузии электшнного, ионного, атомного компонентов высокотемпературного газа подтверждается данными по хорошо изученному высокотемпературному аргону;

возможность возникновения в системе ионизованного водорода нового типа термической неустойчивости, обусловленного протекающими в системе процессагли термодиффузионного разделения, подтверждается выводами классической работы по свойствам яидких смесей³¹.

Автор защищает:

предлагаемое обобщенное описание коэффициентов теплопроводности низкотемпературной плазмы, которое может быть использовано для прогнозирования величин теплопроводности газов, данные по которшл в настоящее время отсутствуют в литературе;

точку зрения о невозможности распространения теории термодинамического подобия на все одноатомные газы (исключается гелий), а также ее использования во всем рассматриваемом (90-5000 К) интервале температур (неон);

оценку вклада диффузионного термоэффекта в процесс переноса энергии в низкотемпературной плазме азота в интервале 12000-20000 К;

возможность возникновения в системе ионизованного водорода (І0000-І4000 К)" нового типа термической неустойчивости, ооуслов-

^к Schlechter R.S., Prigogine I., Haraen J.R. Thermal Diffusion and Convective Stability //Phys. Fluids. - 1972. - Vol. 15, N 3. - P. 379-366.

ленного протекавшими в системе процессами термодиффузионного разделения и способного вносить дополнительный вклад в суммарный поток энергии;

точку зрения о существовании механизма нелинейных процессов переноса, основанного на возникновении в газовой системе потока массы и существовании эффективного значения коэффициента теплопроводности.

Практическая ценность раооты.

9. Обобщенное описание коэффициентов теплопроводности аргона, азота, воздуха в интервале температур "до ионизационного пика", предложенное на основании анализа экспериментальных данных по теплопроводности ионизованных газов, монет быть использовано для прогнозирования величин теплопроводности газов, данные по которым в настоящее время отсутствуют в литературе.

10. Ёыявление в системе ионизованного водорода нового типа термической неустойчивости, обусловленного протекающими в системе процессами термодиффуэирнного разделения, снижает величину методической погрешности измерения коэффициентов теплопроводности, обусловленную мерой несоответствия теоретически постулированных и реально осуществляемых услоний.

11. Пакет программ расчета коэффициентов диффузии и термодиффузии электронного, ионного, атомного компонентов газа в высокотемпературных областях может быть рекомендован предприятиям и организациям, занимающимся расчетом и проектированием разных классов плазмохимических устройств.

12. Выводы, полученные в результате обобщения экспериментальных данных по теплопроводности шертных газов в рамках теории термодинамического подобия (наблюдаемые отклонения от нее в области низких 00-240 К температур) были использованы в процессе подготовки Таблиц стандартных справочных данных ГСССД 138-89. Гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. Динамическая вязкость и теплопроводность при атмосферном давлении (0,101325 МПа) в диапазоне температур от нормальных точек кипения до 5000 К. - Москва, 1989.

Основанием для проведения работы является координационный план научно-исследовательских работ АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика" (шифр I.ЭЛЛ.2.1). Исследование выполнено в раїлках Научного сотрудничества стран - членов СЭВ по темам: 01.628.05-84 "Динамическая вязкость и теплопровод-

ность гелия, пеона, аргона, криптона и ксенона при атмосферном давлении в интервале температур от нормальных точек кипения до 5000 К" и 10.1.4. "Исследование теплофизических свойств газових смесей в широком диапазоне температур".

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на:

13. Всесоюзных совещаниях рабочей группы по тешюфизическим свойствам диоксида азота, УАЗ ПНБ, Минск, 1987, 1988.

14. 8-ой Всесоюзной конференции по тешюфизическим свойствам веществ, Новосибирск, 1989.

15. 8-ой Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы, Минск, 1991.

Публикация. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных статей и тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, приложения и списка литературы из 135 наименований. Работа содержит 16 таблиц и 28 рисунков.