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基于最大气泡压力法测量液态锂的密度和表面张力

来源:NCEPU ART Lab 浏览 191 次 发布时间:2024-03-18

华北电力大学先进堆关键技术研究室(NCEPU ART Lab)成员贺彦,在核科学与工程发表题为"基于最大气泡压力法的液态碱金属密度和表面张力测量"的文章。该文章给出了液态锂密度和表面张力与温度的经验关系式,并给出相应实验建议,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。


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200~650℃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、毛细管内径对测量结果的影响。


实验装置


下图为本文设计的测量装置原理示意图与实物图,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1原理示意图

图2装置实物图


实验流程


被测材料为锂粒,纯度为99.974%,总金属杂质为260×10-6。鼓泡所用气体为高纯氩气,纯度≥99.999%,符合GB/T 4842—2017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+200~400Pa,氧含量小于0.5×10-6,水含量小于0.2×10-6。实验基本流程如图3所示。

图3实验基本流程图


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在坩埚表面的杂质。图4为实验中在毛细管内通入氩气后液态锂的鼓泡图。

图4液态锂的鼓泡图


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各参数测量精度


在测量过程中,假设毛细管升降高度误差为0.1mm,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(2.08mm,2.30 mm,2.46 mm,2.56 mm,2.72 mm)进行了多组实验,得到不同管径下温度为200~650℃范围内的压差数据,温度间隔为25℃。

图5不同管径密度实验值


上图5给出了温度T在200~650℃范围内,使用不同管径毛细管测量的液态锂密度实验值及其拟合曲线。可知,拟合结果具有良好线性度。各个温度点的密度实验结果偏差小于±5 kg/m3,相对误差为±1%,且实验结果均在线性拟合95%预测带中,其中预测带表示对多次实验结果分析,充分考虑实验偶然误差,单次实验结果在预测带之间,说明实验结果具有较好可信度。

图6不同管径表面张力实验值


上图6给出了温度T在200~650℃范围内,使用不同管径毛细管测量的液态锂表面实验值及其拟合曲线。可知,拟合结果具有良好线性度。各个温度点的密度实验结果偏差小于±5 mN/m,相对误差为±1.4%,且实验结果均在线性拟合95%预测带中,说明实验结果具有较好可信度。

表2不同管径下的液态锂表面张力实验偏差


不同管径毛细管在不同温度下实验结果偏差如上表2所示。可知,2.72 mm内径毛细管与基准值偏差最大,且在不同温度的实验偏差波动也是最大,从表中结果可以得出,随着毛细管内径增大,实验结果偏差和偏差波动随之增大。而2.08mm、2.30mm、2.48mm三个管径的偏差相差不大,且从低温到高温偏差范围波动较小。因此,在均匀鼓泡下,实验使用的毛细管管径应控制在2.0~2.5mm。


总结


本文以金属锂为被测介质,研究了一种基于最大气泡压力法的碱金属密度和表面张力测量技术。利用研制的实验装置,在200~650℃温度范围内,分别使用5种不同管径的毛细管进行了多次测量,并与公认的文献参考值做了对比分析,结果表明:


(1)密度实验结果平均偏差为0.47%,表面张力结果平均偏差为0.93%,且两者的拟合结果均具有良好线性度。


(2)鼓泡速度和毛细管内径对表面张力测量有较明显的影响。鼓泡速度过快会使表面张力测量值变小;而当毛细管内径小于2.5 mm时测量结果趋于稳定且波动较小。


(3)鼓泡速度和毛细管内径对锂密度测量影响不明显。


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