Экспериментальные исследования процесса тепломассообмена и химических реакций углерода с газами

1.  Экспериментальные исследования процесса тепломассообмена и химических реакций углерода с газами.

Для получения наиболее простого экспериментального решения и проведения строгого анализа процесса горения и газификации углерода необходимо изучать процесс горения на телах определенной геометрической формы. Существуют различные методы исследования: метод канала, засыпки, метод сферической частицы и т.д.

При использовании метода канала затруднительна точная оценка так называемого «внутреннего» горения углерода, которое наблюдается в различных температурных условиях и которое при высоких температурах потребует особого внимания. Поэтому исследование было проведено на сферической частице. Частицы правильной геометрической формы в виде шара вытачивались на токарном станке из блоков графитизированного углерода марки ЭГ-14 (d= 0,015 м) плотностью =1,73 Мг/м³ или изготавливались на заводе из графитизированного углерода марки ВТМ-4 (d = 0,0125 м). Для такого графита характерны произвольная ориентация кристаллитов и отсутствие четкой границы между зернами, где не наступает полной графитизации углерода даже при нагревании до 3900 К. Рентгенографические данные для выбранного нами графита показали, что исходный размер кристаллитов по оси С равен 15,4 им, а по оси а — 95,8 нм. Материал имеет значительное количество пор. Пористость достигает иногда 25%, при этом основную массу составляют поры размером 0.5-5*10 ^–6 м.

Наиболее сложной и ответственной частью работы было получение очень высоких температур в широком диапазоне. Был использован метод высокочастотного нагрева, который, как нам представляется, достаточно хорошо себя оправдал, о чем свидетельствуют работы. В настоящее время этот метод получил распространение.

Благодаря тому что углерод, как и уголь, является проводником, хотя и с высоким удельным сопротивлением, он может быть очень легко нагрет в высокочастотном электромагнитном поле. Отрицательный температурный коэффициент и возможность варьирования параметров высокочастотного генератора и индуктора в широких пределах принципиально не ограничивают достижимого верхнего температурного предела. Главными параметрами, которые определяют количество теплоты, выделяющейся на 1*10^-4  м² поверхности, глубину прогрева объекта и распределение тока по поверхности, являются мощность генератора, его частота, геометрические размеры индуктора, куда помещается нагреваемый объект, и электрические свойства нагреваемого объекта. Геометрические параметры индуктора - соотношение между размером индуктора и объекта, соотношение между диаметром индуктора и его высотой -определяют в значительной мере КПД системы.

Градиент температуры в объеме сферической частицы при ВЧ -нагреве неизбежен, как и при любом другом методе нагрева. Он определяется прежде всего характером реакции - ее эндотермикой или экзотермикой и теплообменом с окружающей средой. Качественных различий в характер распределения температур метод ВЧ -нагрева внести не может, так как источник теплоты (токи Фуко) находится в узком поверхностном слое. Глубина проникновения токов Фуко σ = 5030  мала, в нашем случае составляла 2 • 10^-3  -3*10 ^–3  м, здесь ρ- удельное сопротивление; μ-магнитная проницаемостъ; f — частота тока. Поток теплоты, как и при нагреве потоком горячего газа, был направлен внутрь тела.

Экспериментально на примере реакции С + 0₂ для 1800 К показано, что метод нагрева не вносит особенностей протекание реакции.

Индукционный метод нагрева предъявляет определенные требования к системе регистрации изменения массы. Для обеспечения высокой точности наблюдения за процессом образец, нагреваемый в индукторе высокочастотного генератора, не должен смещаться по высоте индуктора при изменении его массы. Вследствие существующей неоднородности распределения напряженности электромагнитного поля по высоте индуктора смещение образца будет приводить к изменению температурного уровня нагрева и электродинамической силы, действующей на образец в индукторе. В соответствии с этими требованиями экспериментальная установка была снабжена прецизионной автоматической весовой системой. Были приняты меры к автоматической стабилизации температуры и к созданию  условий нагрева образца с минимально возможным градиентом температуры на его поверхности (см. ниже). Мощность рабочего генератора составляла 5*10⁴ Вт

Установка (рис.1.1) состоит из следующих узлов: 1. экспериментальной камеры высокого давления с нагревательным элементом и реакционной трубкой;

2. камеры высокого давления с весовым механизмом;

3. высокочастотного генератора;

4. системы измерения, регулирования и стабилизации температуры;

5. системы приготовления и подачи газовой смеси в реакционную трубку;

6. пультов управления, регулирования и регистрации температуры тела, давления, расхода газа и измерения массы испытуемого материала.

Экспериментальная камера и камера весового устройства устанавливались на общем стенде одна над другой. Камера с весовым устройством может перемещаться вертикально по двум направляющим стежкам при помощи подъемного механизма . Последний состоит из электродвигателя, редуктора, группы шестерен и червяка, жестко скрепленного в вертикальном положении с весовой камерой. Вертикальное перемещение весовой камеры предусмотрено для смены образцов испытуемого материала и ввода их в экспериментальную камеру.

Обе камеры соединяются трубопроводом нижнего фланца весовой камеры, внутри которого проходит подвеска весового механизма; на нем крепится образец исследуемого материала. Соединение герметизируется уплотнением плунжерного типа, находящимся в верхнем фланце экспериментальной камеры.

Рис. 1.1. Схема экспериментальной установки (а) и реакционной камеры (б) 1 -экспериментальная камера, 2- весовая камера, 3 –соединительный трубопровод, 4 - подъемный; механизм, 5-к высокочастотному генератору, 6- электрический пирометр к пульту управления ве­сов, 9 - блок генера­тора высокой частоты (ГВЧ);. Ю - регулятор температуры "Редмет-201"; 11 - блок конден­саторов контура индукто­ра; 12 -водяное охлаж­дение; 13 — сброс газа из камеры; 14 - ввод газа в камеру; 15 - кран сброса газа; 16 - ре­дукторы; 17 - осушка газа; 18 - очистка га­за от О₂; 19-- игольчатые краны регулировки рас- • хода газа; 20 - фильтр; 21 - сверхзвуковое соп­ло; 22 - дифманометр ДТ-150 с из­мерительной диафраг­мой; 23 - образцовый манометр; 24 - смеси­тель; 25 - система при­готовления и подачи га­зовой смеси; 26 - ввод газа в реакционную труб­ку; 27 - отражательный экран; 28 - змеевик во­дяного охлаждения; 29 - кварцевый учас­ток подвески; 30 - гай­ка плунжерного уплот­нения; 31 - верхний фланец эксперименталь­ной камеры с водяным охлаждением; 32 - плун­жерное уплотнение; 33 -устройство для подвеши­вания образца; 34 - гра­фитовый участок подвес­ки; 35 - кварцевая ре­акционная трубка; 36 -углеродная частица; 37-смотровое окно; 38 -индуктор; 39 - металли­ческий участок реакци­онной трубки; 40 - оп­тическое стекло; 41 -вводы индуктора; 42 -фланец для вводов индуктора с водяным охлаждением.

Экспериментальная камера высокого давления представляет собой цилиндр из нержавеющей стали с приваренными к нему фланцами. Внутренний диаметр камеры 0,130 м, высота 0,400 м. Верхний съемный фланец снабжен водяным охлаждением для уменьшения подвода теплоты к весовому механизму.

В центральной части камеры помещена реакционная кварцевая трубка, соединенная нижним концом с металлической трубкой нижнего фланца камеры. Осесимметрично кварцевой трубке расположен индуктор высокочастотного генератора, вводы которого для подачи высокочастотного напряжения проходят через специальный фланец, расположенный на бо­ковой стенке камеры. Вводы индуктора тщательно герметизированы и электроизолированы.

В кварцевую трубку симметрично относительно индуктора помещается испытуемый образец на графитовой подвеске, прикрепленной к подвеске весового механизма.

1.2.НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Нагревательный элемент – индуктор питается от лампового высокочастотного генератора, смонтированного на базе промышленного генератора типа ИО.60.011. Для увеличения его мощности в схему включены параллельно две генераторные лампы типа Г-452. Мощность в рабочем контуре генератора составляет 50 *10³ Вт. Контур индуктора соединен с рабочим контуром генератора по двухконтурной схеме со средней нулевой точкой индуктора и обратной связью по сетке генераторных ламп .

Особого внимания требует нагревательный элемент - высокочастотный индуктор. От правильного выбора его конфигурации и размеров, а также рабочей частоты генератора для заданных формы и размеров нагреваемого тела в значительной степени зависит КПД нагреваемого устройства. Это, в свою очередь, определяет максимально достижимую температуру при данной мощности генератора и характер ее распределения по поверхности и глубине нагреваемого тела.

Распределение выделяемой теплоты в теле и соответственно температуры зависят от распределения индуцируемых токов по поверхности и глубине нагреваемого тела, а также от его теплопроводности и условий теплообмена на границе тела. Известно, что для сферического тела, нагреваемого в цилиндрическом индукторе, распределение настила потока обеспечивает максимальное тепловыделение соответственно температуру на экваторе.

Экспериментальные результаты сублимации углерода были получены на цилиндрическом индукторе с раздвинутым витком. Индуктор был изготовлен из медной трубки прямоугольного сечения размером 6 х 4*10^-3 м Высота индуктора 0,042 м, диаметр 0,018 м; расстояние между раздвинутыми витками 0,014 м.

Опыты по взаимодействию углерода с СО₂ при повышенных давлениях были проведены с бочкообразным семи витковым индуктором из медной трубки прямоугольного сечения 6-10 ^-3х4-10 ^-3 м с толщиной стенки 5 • 10^-3 м с крайними витками d = 1,5 • 10 ^-2 м и средним витком d = 3,5-10 ^-2 м.

Максимально допустимая частота, необходимая для получения достаточно высокого КПД индукционного нагрева тела сферической формы, оценивалась по формуле

f_доп >4*10⁸ ρ/r²,

где r — радиус нагреваемого тела; ρ — его удельное сопротивление. Для сферического образца из поликристаллического графита диаметром d= 1,25 • 10 ^-2 м и ρ = 1,0 • 10 ^-5 Ом • м f_доп > 1 МГц. В качестве рабочей была выбрана часта 1,8 МГц ближайшая разрешенная по радиопомехам.

Применение выбранного индуктора при указанных параметрах высокочастотного генератора (мощность 5,0 *10⁴ Вт и частота 1,8 МГц) позволило при нагреве сферической углеродной частицы диаметром 1,5*10 ^-2 — 1,25*10 ^-2 м достигать температуры 3500 К. Этот предел лимитировался больше прочностными свойствами графита, чем параметрами нагревательной системы.

1.3 ВЕСОВОЕ УСТРОЙСТВО

В качестве весового устройства использовались регистрирующие автоматические весы РАВ-10.Они состоят из следующих основных частей: камеры высокого давления с весовым механизмом, электронной следящей схемы автоматического уравновешивания коромысла и пульта управления с самописцем для регистрации изменения массы.

Коромысло весов двуплечее с двумя подвесками. Левая подвеска служит для подвешивания образца и имеет гиревую планку с компенсационными гирями для расширения диапазона регистрируемого изменения массы, правая также имеет гиревую планку с гирями, предназначенными для тарировки весов перед началом работы. Наложение гирь производится с помощью специальных гиревых механизмов.

Автоматический принцип работы весов с непрерывной компенсацией изменения массы осуществляется путем преобразования отклонения коромысла в электрический сигнал. Это преобразование осуществляется с помощью высокочастотного датчика угла отклонения, представляющего собой алюминиевую пластину (рис. 1.2.), жестко закрепленную на коромыле весов и расположенную между двумя катушками, каждая из которых включена в контур высокочастотного генератора (ГВЧ) синусоидальных колебаний. Перемещению пластины соответствует изменение добротности контуров генератора, приводящее к изменению напряжения на его выходе, которое в результате выпрямления и усиления преобразуется в сигнал постоянного тока. Этот сигнал одновременно поступает на потенциометр, шкала которого соответствующим образом проградуирована в единицах массы,и на компенсационные катушки магнитоэлектрического преобразователя, внутри которых могут свободно перемещаться постоянные магниты, жестко связанные с коромыслом весов. Отклвнение коромысла весов регистрируется на диаграмме автоматического потенциометра ЭГШ-09-М2Д

Рис. 1.2. Схема регистрирующих весов с системой автоматического уравновешивания коромысла.

1-датчик угла отклонения, 2-коромысло весов,

3-катушка магнитного преобразователя,

4-постоянные магниты, 5-катушк индуктивности контуров генератора высокой частоты, 6-поценциометр.

Весы снабжены также системой тарировки, которая производится дискретно по 2 *10^-5 кг в пределах до 2 *10^-4 кг с помощью механизма наложения гирь, управляемого вручную с пульта управления посредством специального кнопочного устройства.

На пульт управления весов вынесены самописец, блоки радиоэлектронной схемы, за исключением генератора высокой частоты, прикрепленного непосредственно к весовой камере, блоки исполнительных реле системы управления, устройства регулировки и настройки. Панель управления содержит переключатель диапазонов чувствительности, переключатель режима с тремя положениям (автоматического арретирования и дискретной компенсации изменения массы в диапазоне до 5*10^-4 кг, принудительного арретирования нажатием специальной кнопки, принудительного сброса наложенных гирь), системы автоматической компенсации, кнопки принудительного арретирования и тарировки цифровой ламповый указатель скомпенсированного изменения массы.

Для обеспечения работы весов при высокой температуре образца применена подвеска из термостойкого материала с малым коэффициентом теплового расширения.