» » Механизм термического переноса массы
11.01.2015

Термический перенос массы является наиболее опасным и наиболее часто встречающимся на практике процессом. Протекание его принципиально неизбежно в теплобменных установках, т. е. в основной области практического использования жидких металлов.
Изобразим жидкометаллический контур в общем виде так, как показано на рис. 19. В этом контуре происходит циркуляция жидкометаллического теплоносителя, которым последовательно проходит наиболее нагретые участки («горячая» зона) и участки, находящиеся при минимальном температуре («холодная» зона). В горячей зоне такого контура происходит растворение твердого металла в жидком. Затем жидкометаллический раствор попадает в холодную зону, где происходит выделение кристаллов из раствора вследствие увеличения его концентрации выше равновесной из-за понижения температуры. Часть выпавших из раствора кристаллов оседает на поверхности контура и остается в холодной зоне, другая часть вместе с потоком жидкого металла снова попадает в горячую зону и растворяется. В горячей зоне вновь начинается растворение стенок контура, так как концентрация раствора в холодной зоне понизилась. Затем процессы будут протекать в указанной выше последовательности. Таким образом, термический перенос массы, в отличие от затухающей коррозии в изотермических условиях, характеризуется некоторой величиной скорости коррозии, постоянной для чистого металла в течение всего процесса. В этом незатухающем характере термического переноса массы и заключается главная его опасность.
Механизм термического переноса массы

Как видно из краткого описания процесса, основные это этапы следующие: растворение твердого металла в жидком (переход атомов через межфазовую границу и диффузия через неподвижный пограничный слой); перенос раствора в холодную зону; кристаллизация растворенного металла на стенках контура и в виде разобщенных кристаллов в потоке жидкого металла; перенос раствора пониженной концентрации и находящихся в нем кристаллов в горячую зону. В общем случае скорость каждого из этих этапов может определять скорость процесса термического переноса массы в целом. Ho обычно наиболее медленным из них оказывается растворение.
Из описания механизма процесса следует, что причиной его существования является температурная зависимость растворимости, а именно увеличение концентрации насыщения жидкометаллического раствора с ростом температуры [см. уравнение (23)]. Отсюда вытекает, что переносу массы в большей мере подвержены материалы, характеризующиеся большой величиной температурного коэффициента растворимости (ΔH/R). Иногда термический перенос массы протекает интенсивно и при слабой растворимости материала, т. е. значение ΔS/R играет в этом случае меньшую роль. Так, например, в работе наблюдалось закупоривание конвекционной петли из стали, содержащей 2,25% Cr и 1% Mo, после циркуляции в ней жидкого висмута в течение 405 ч. Прекращение движения жидкометаллической среды произошло из-за образования пробки в холодной зоне, хотя во время опыта горячая зона поддерживалась при относительно невысокой температуре (550° С), перепад температуры составлял всего 40° С, а диаметр трубки контура был равен 12 мм. При этом нужно отметить, что растворимость железа в висмуте при 550° С всего лишь около 0.002-0,003 вес. % (см. рис. 6). Из приведенного призера видно, что наряду с коррозионным разрушением материала в горячей зоне контура большие неудобства при эксплуатации установок может представлять также процесс кристаллизации. Нa первоначальных стадиях он вызывает уменьшение расхода жидкого металла и контуре, а в дальнейшем и полное прекращение циркуляции среды. О процессе кристаллизации в жидкометаллических контурах известно пока очень мало. Установлено лишь, что он протекает с большей скоростью, чем процесс растворения, что кристаллы очень плотно сцеплены с поверхностью стенок контура (рис. 20) и растут в виде дендритов в направлении от стенок внутрь потока жидкого металла.
Механизм термического переноса массы

Следует заметить, что этап переноса растворенных атомов из горячей зоны в холодную может осуществляться не только благодаря движению жидкого металла (принудительному — под действием электромагнитных или механических насосов и естественному — путем конвекции), но и вследствие диффузионного перемещения, атомов в жидком металле. Однако практическое значение имеет термический перенос массы, происходящий в подвижной жидкометаллической среде.