A hődiffúzió kutatása ritkított háromkomponensű gázrendszerekben különböző koncentrációk és hőmérsékletek mellett

O.A. Makeenkova, a "NIU MPE" Smolenszki Fiók Fizikai Tanszékének PhD-hallgatója
M.A. Nezovitina, PhD, a "NIU MPE" Smolenszki Fiók Fizikai Tanszékének docense

A munka relevanciája és problémája. Az egyik jelenség, amely a nem-izotermikus körülmények között a gázokban zajlik, a hődiffúzió, amely a gázkeverék összetételének változását jelenti a forró és hideg területeken a hőmérséklet gradiensének hatására. A hődiffúzió egy olyan folyamat, amelyben az interpartikuláris kölcsönhatásoknak jelentős szerepe van, és így lehetőségként szolgálhat az intermolikuláris kölcsönhatás potenciáljának helyességét ellenőrizni a gázkeverékekben. A nem-izotermikus körülmények között a gázokban egyszerre több fizikai folyamat is zajlik: koncentrációs diffúzió, hődiffúzió, hődiffúziós baro-effektus, hőcsúszás. Sok esetben éppen a hődiffúzió az a meghatározó folyamat, amely jelentősen befolyásolhatja más folyamatok lefolyását vagy azok megjelenését. Ezért szükséges vagy megfelelő korrekciót bevezetni a hődiffúzióra, vagy kizárni annak hatását más folyamatok lefolyására. Kísérleti szempontból a hődiffúzió a többkomponensű gázrendszerekben jelenleg nem elég teljes körűen kutatott. Az eddigi kutatások nem teszik lehetővé egyértelmű következtetés levonását a számítási módszerek és a kísérlet közötti összhangról, valamint a harmadik komponens hatásáról a keverék két másik komponensének hődiffúziós elválasztására.

Ezért a hődiffúzió kutatása többkomponensű gázrendszerekben kísérleti vizsgálatot igényel a hődiffúziós elválasztás széles koncentráció- és hőmérsékleti tartományban, hogy ellenőrizhessük a hődiffúziós állandók (TDP) számítási lehetőségeit a létező elméletek és félempirikus számítási módszerek alapján. Az ilyen kutatások eredményei képezhetik az alapot egy olyan módszertan kidolgozásához, amely lehetővé teszi a TDP számítását a kísérleti hibahatáron belül.

A munka célja. A hődiffúziós elválasztás kísérleti és elméleti vizsgálata ritkított háromkomponensű gázrendszerekben, amelyek műszaki szempontból fontos gázokat tartalmaznak, különböző keverékkoncentrációkkal és hőmérsékletekkel.

A tudományos munka feladatai:

• Kísérletek végzése a háromkomponensű gázrendszerek hődiffúziós jellemzőinek meghatározására különböző komponens-koncentrációk és hőmérsékletek mellett.

• Az experimentalikus adatok elemzése a háromkomponensű gázkeverékek hődiffúziós elválasztásának koncentrációtól és hőmérséklettől való függéséről.

• A hődiffúziós állandók számítási módszerének kidolgozása széles gázkeverék összetétel- és hőmérsékleti tartományokban.

A kutatás eredményei, elméleti és gyakorlati jelentősége. A szerzők kifejlesztettek egy eredeti berendezést, amely lehetővé teszi a ritkított háromkomponensű gázrendszerek hődiffúziós jellemzőinek mérését 280–1000 K hőmérséklettartományban a módosított kétüveges módszer segítségével.

Kísérleti kutatásokat végeztünk 12 ritkított háromkomponensű rendszeren, amelyek műszaki szempontból fontos gázokat tartalmaznak: H2, CH4, N2, CO, CO2, He, Ne, Ar. Ezen rendszerek közül 8 esetében a kutatás először zajlott. A kutatás kísérleti részének végrehajtása során több mint 1800 TDP értéket kaptunk több mint 600 gázkeverék számára. A szigorú kinetikai elmélet keretében félempirikus képletet dolgoztunk ki, amely lehetővé teszi a TDP értékének kiszámítását háromkomponensű gázrendszerekben a megfelelő bináris gázkeverékek TDP értékei segítségével.

Fejlesztettünk és implementáltunk egy szoftvert, amely lehetővé teszi a bináris és háromkomponensű ritkított gázkeverékek TDP értékeinek kiszámítását kinetikai elméletek keretében. Az alkalmazott program segítségével kiszámoltuk a TDP értékeit számos bináris és háromkomponensű gázkeverék számára, és elemeztük a TDP hőmérséklet- és gázkeverék összetétel függését. A felfedezett minőségi összefüggéseket a kísérletek is alátámasztják.

A kísérleti adatok, amelyeket mi és más szerzők szereztünk 20 gázrendszerre vonatkozóan, összehasonlításra kerültek a számított eredményekkel. A legtöbb esetben az eredmények összhangban vannak a kísérleti hibahatáron belül (3-10%).

A munka gyakorlati értéke. A kutatás során nyert kísérleti adatok és a TDP számításához kidolgozott képletek alkalmazhatók:

• A többkomponensű gázrendszerek kinetikai elméletének fejlesztésére nem-izotermikus körülmények között.

• A hődiffúziós jellemzők széles koncentráció- és hőmérsékleti tartományban való általánosítására és számítására.

• A háromkomponensű gázrendszerek hődiffúziós elválasztásának adatbázisainak bővítésére.

• Hő- és anyagáramlási folyamatok, égési folyamatok, valamint berendezés tervezése és fejlesztése számos tudományos és technikai területen – energetikában, gáz- és vegyiparban stb.

• A gázok vezetékekben történő szállításánál előforduló gélesedés lehetőségének értékelésére.

• A kőolaj- és földgáz kitermelés során alkalmazott anyagáramlási folyamatok pontosabb számítására.

Fejlesztett szoftver alkalmazható:

• A hő-massza transzfer berendezések tervezésekor a hődiffúziós jellemzők előzetes számítására.

• A komponens gazdagodásának meghatározására, ha hőmérsékletgradiens van a munkakörnyezetben.