基于最大气泡压力法的液态碱金属密度和表面张力测量.pdf
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1、Jun.2023Nuclear Science and Engineering2023年6 月No.3Vo1.43工程第43 卷第3 期核科学与基于最大气泡压力法的液态碱金属密度和表面张力测量贺彦,刘祥,郝祖龙*,牛风雷(华北电力大学核科学与工程学院,北京,10 2 2 0 6)摘要:液态碱金属是空间核反应堆的冷却剂材料之一,其热物性参数是冷却剂材料选取的重要依据。现有的液态碱金属的密度及表面张力实验研究数据较少,当今空间堆发展对其有更高要求。根据最大气泡压力法,研制了一套可同时测量液态碱金属密度和表面张力的实验装置,并以纯度为9 9.9%的锂为被测介质,对该装置的可靠性和可用性进行验证。结果
2、表明,在2 0 0 6 50 温度范围内,标准大气压下,实验结果与文献参考值相比,密度平均偏差为0.47%,表面张力平均偏差12 为0.93%,具有较好的线性度。在此基础上,给出了液态锂密度和表面张力与温度的经验关系式。最后分析了管径、鼓泡速度对液态锂密度和表面张力测量结果的影响,并给出相应实验建议。本文工作可对高温液态碱金属的密度及表面张力开展高精度测量提供参考。关键词:反应堆冷却剂;碱金属;表面张力;最大气泡压力法中图分类号:TL334文章标志码:A文章编号:0 2 58-0 9 18(2 0 2 3)0 3-0 56 8-0 8Experimental Investigation of
3、Density and Surface Tension of LiquidAlkali Metals Based on the Maximum Bubble Pressure MethodHE Yan,LIU Xiang,HAO Zulong,NIU Fenglei(School of Nuclear Science and Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)Abstract:The liquid alkali metal is one of the coolant materials
4、for space nuclear reactor,andits thermophysical parameters are an essential basis for the selection of coolant materials.Theexisting experimental data on the density and surface tension of liquid alkali metals are less,and the development of space reactors has higher requirements.According to the ma
5、ximumbubble pressure method,an experimental device that can simultaneously measure the densityand surface tension of liquid alkali metals is developed,and the reliability and availability of收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 9基金项目:国家重点研发计划资助(2 0 18 YFB1900602)作者简介:贺彦(19 9 4一),男,江西丰城人,硕士研究生,现主要从事液态金属热物性方面的研究通讯作者:郝祖龙
6、,E-mail:h a o z u l o n g 16 3.c o m568569the device are verified with lithium with the purity of 99.9%as the measured medium.Theresults showed that the average deviation of the density was 0.47%,and the average variationof surface tension was 0.93%,with g0od linearity in the temperature range of 20
7、0C650and under standard atmospheric pressure compared with the literature reference values.Theempirical relationship between liquid lithiums density,surface tension,and temperature isgiven on this basis.Finally,the effects of the tube diameter and the bubbling speed on liquidlithium density and surf
8、ace tension measurement results are analyzed,and correspondingexperimental suggestions are given.The work in this paper can provide a reference for thehigh-precision measurement of the density and surface tension of liquid alkali metals at hightemperatures.Key words:Reactor coolant;Liquid alkali met
9、als;Surface tension;Maximum bubble pressuremethod冷却剂工质的密度和表面张力是核反应堆开展热工流体计算和安全分析的基础性参数。随着深空探测、海洋开发等特殊用途小型堆的发展,以钠、锂等碱金属为冷却剂的小堆设计再次兴起,而液态金属的密度和表面张力数据对堆内流动换热分析有直接影响。已公开的碱金属热物性数据大多基于国外2 0 世纪50-6 0 年代的实验数据,限于当时实验条件,其数值可能无法满足反应堆高精度计算要求1,2 。由于碱金属化学性质活泼,高温下容易与空气发生剧烈反应,因此在对其进行热物性测量时面临较大技术挑战,需要从测量原理和装置设计方面深入探
10、讨。液态碱金属密度测量早期有膨胀计法3 ,比重法4。后来出现的真空双毛细管密度计法5解决了原密度计脱气困难、毛细管中液柱容易断裂、样品和壁层中出现气穴等问题,提高了测量结果的可靠性和准确性。而碱金属表面张力测量常见有静态真空悬滴法6 、座滴法 和大液滴法8 。Sun9等人提出一种基于跌落-弹跳原理的表面张力测量方法。然而,上述方法实现过程中所需的试验台架构造复杂,且光学设备对外界干扰影响比较敏感,实施难度较大。最大气泡压力法7,10 是目前测液态金属密度和表面张力的常用方法,结构简单,精度较高,可同时测量介质的密度及表面张力。Taylor1,Bohdansky2,Yakimovich11等人分
11、别使用最大气泡压力法测量了液态碱金属的密度及表面张力,研究发现该方法在实验过程中能够在新形成的表面进行连续测量,非常适用于碱金属。但已有实验大多是在真空室内测量,通过在真空室通入惰性气体保证待测碱金属与外界隔离。其缺点为,实验中无法接触待测介质,使得实验生成的金属杂质无法及时去除,从而引入测量偏差。本文以金属锂为被测介质,基于最大气泡压力法对液态碱金属的密度和表面张力进行了实验研究。研制了一种可同时测量高温下液态碱金属密度及表面张力的测量装置。利用该装置测量了2 0 0 6 50 温度范围内液态锂的密度和表面张力,通过实验结果与文献参考值进行对比来验证方法的有效性。同时分析了鼓泡速度、毛细管内
12、径对测量结果的影响。1测量原理如图1所示,将毛细管插入待测液体,向毛细管缓慢充气,管内液体被压出管外,在毛细管的尖端将产生一个一定尺寸的气泡,通过测量产生气泡所需的气体压力,可以反求液态金属的密度。气泡在成长过程中,其内部产生的压强P与液体深度为h处平衡压力pgh及液体表面张力引起的附加压强2保持动态平衡。R图1中的3 种气泡状态,只有状态2 的气泡半径最小,此时气泡半径与毛细管半径R相等,气泡内压强达到最大值,即:2P=pgh+(1)R57013一减压阀;14一氩气瓶其中:Pm浸入深度为h时的最大气泡压力;表面张力;R-毛细管半径。2R123图1毛细管顶端气泡形成原理Fig.1Bubble
13、formation at the tip of the capillary这里假定产生的气泡为球形,在实验时,通过插入不同深度测量最大气泡压可以消去式(1)中右边的第二项表面张力的影响。这时测定在不同深度h和hz时的最大气泡压P和Pm,则可得液体密度及表面张力的计算式:P=P-P(2)(h-h2)gR(Pm-pgh)Y=(3)2考虑到毛细管的热膨胀效应以及不同深度的压力差,而且所吹气泡并非理想球形。这些因素对密度计算可忽略不计,但对表面张力影响较大,因此使用时需要对式(3)进行修正7 ;2Rpg2RPRpgx103110623P6P(4)其中P,=Pm-pgh。2实验装置图2 为本文设计的测量
14、装置原理示意图,该装置主要由4个系统组成:气路系统、毛细管升降系统、加热恒温系统以及数据采集系统。图3 为测量装置的实物照片。13101412561189图2 装置示意图Fig.2The schematic of the device1一毛细管升降台;2 一毛细管夹;3 一毛细管;4一可拆式电加热炉盖板;5一加热炉;6;7 热电偶;8 支架;9 待测样品;10 一差压计;11一玻璃转子流量计;12 一单向阀;毛细管夹持加热炉升压差计及升降台温控制器压差信号毛细管转换器毛细管升降控制器加热炉埚密封盖气囊单向阀石英盖板螺旋活塞图3装置实物Fig.3The photo of the device气路
15、系统为本测量系统的核心系统,由氩气瓶、减压阀、玻璃转子流量计、压差计、毛细管、埚及密封盖组成,用于实现自动鼓泡和测压。系统由氩气瓶供气,通过调节气路上的减压阀及单向阀可方便调节压力,控制实验所需要的鼓泡速率,然后利用压差计测出稳定鼓泡过程的最大压力。毛细管升降系统由升降控制器、步进电机、丝杆以及可动夹持件组成。当收到毛细管移动信号时,步进电机带动丝杆转动,实现夹持件带动毛细管上下移动。升降台内的丝杆上螺纹为高精度螺纹,通过控制步进电机转动可实现毛细管的自动升降,且毛细管移动精度可达0.04 mm。加热恒温系统由加热炉及升温控制器组571成。埚放置在加热炉中间腔体内,埚外壁与腔体加热丝之间的缝隙
16、很小,炉丝与外壁间填充耐火保温材料,以减小实验中的热损失。升温控制器采用AI-516型智能控温装置,该控制器可以精准控制加热炉升温,使加热炉实现给定加热降温曲线斜率,能够使加热炉快速升至指定温度并设置保温时间,同时补偿上方的热损失。经测试,该加热系统可使温度误差稳定在土1以内。数据采集系统由压差计和压差信号转换器及相应的软件组成。压差计有效压力量程为0 3kPa,表显精度为1Pa。通过压力表和信号转换器配合,压差数据可精确到0.0 1Pa。该实验装置的特点为:实验开始后可以实现自动运行,无需大量人工操作,减少了试验过程中的人为因素干扰,从而提高实验数据可靠性。3实验流程被测材料为锂粒,纯度为9
17、 9.9 7 4%,总金属杂质为2 6 0 10-6。鼓泡所用气体为高纯氩气,纯度9 9.9 9 9%,符合GB/T4842一2 0 17 标准。为避免高温环境下杂质对实验结果的影响,将实验台架放置在充氩气环境的手套箱内,箱内压力为+2 0 0 40 0 Pa,氧含量小于0.510-6,水含量小于0.2 10-6。实验基本流程如图4所示。需要注意的是,由于液态锂高温下化学性质活泼,即便在手套箱氩气环境下,它也可能与盛装容器材料发生反应生成杂质,因此在实验中应及时去除漂浮熔化锂粒,恒温后除杂调节毛细管接触锂液面并固定调节氩气流速设定毛细管移动步长接收压差数据,调节毛细管下插深度数据处理图4实实验
18、流程图Fig.4The experimental flow chart在埚表面的杂质。图5为实验中在毛细管内通入氩气后液态锂的鼓泡图。图5锂鼓泡图Fig.5The phoot of the liquid lithium bubble4结果分析实验结果的准确性由最终计算使用的物理参数所涉及的误差控制,各参数的测量精度如表1所示。表1各物理参数的测量精度Table1The measurement accuracy of physicalparameters物理参数测量精度最大气泡压力P0.01 Pam毛细管内径R0.01 mm毛细管升降高度h0.04 mm在测量过程中,假设毛细管升降高度误差为0.
19、1mm,最大压力测量误差为1Pa,在最终计算结果中,密度和表面张力误差均为1%。分别使用5种不同内径的毛细管(2.0 8 mm,2.30mm,2.46 m m,2.56 m m,2.7 2 m m)进行了多组实验,得到不同管径下温度为2 0 0 650范围内的压差数据,温度间隔为2 5。然后依据式(2)和式(4)分别计算出不同毛细管径和温度下液态锂的密度和表面张力,最终得到5组有效实验结果,其中一组如表2 所示,剩余数据均展示在图中误差棒内。下面分别对密度和表面张力结果进行分析。572表2不同管径毛细管液态锂密度和表面张力实验值Table 2 Experimental data of the
20、density and surface tension of the liquid lithium at different capillary diametersandtemperatures2.72mm2.56mm2.48 mm2.30 mm2.08 mmT/p/(kg/m)/(mN/m)p/(k g/m)/(mN/m)p/(k g/m)/(mN/m)p/(k g/m)/(m N/m)p/(k g/m)/(m N/m)200503.2394.26505.8388.83502.0388.12503.1393.30509.8395.20225503.3390.46500.0381.57502.
21、3389.05503.6386.98506.3392.29250503.4387.94503.7382.16501.8382.54500.4382.38506.2387.82275504.6377.50504.1381.50502.2383.16498.1382.78498.2385.49300498.7377.28499.1381.38500.9380.99499.5380.13498.3381.68325487.5367.57494.4374.72497.4375.35492.9375.25498.9376.26350495.4368.38492.3370.07493.5370.76491
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