Введение к работе
Актуальность темы.
Металлы - важнейшая группа конструкционных материалов, а водород - один из основных компонентов примесей внедрения и рабочей атмосферы. Поэтому традиционный интерес к системам металл - водород связан с техническими приложениями в области атомной энергетики (конструкционные материалы для ядерных реакторов), порошковой металлургии, ракетостроении, электровакуумной промышленности, водородной энергетики, защиты оборудования и конструкций от водородной коррозии.
Водород - экологически чистое топливо, поэтому в настоящее время идет научная проработка перехода к водородной энергетике и водородной цивилизации. Использование водорода в качестве энергоносителя требует решения задач очистки газообразного водорода, хранения водорода в виде гидридов металлов, изготовления электродов для топливных элементов.
Системы водород - металл представляют и самостоятельный научный интерес для физики конденсированного состояния, связанный с относительной простотой их квантово - механического рассмотрения, а также новыми эффектами, обусловленными взаимным влиянием металлической матрицы и водородной подсистемы (воздействие водорода на механические свойства металлов и сплавов, концентрационная зависимость коэффициента диффузии и др.).
Качество большого ряда современных изделий часто определяется взаимодействием металла с водородом и, в частности, диффузией последнего. Применение водорода во многих отраслях промышленности диктует необходимость производить инженерные расчеты рассматриваемых систем. При этом возникает необходимость решения различных диффузионных задач для определения: скоростей насыщения и дегазации, величины проникающего потока, вычисления профиля концентрации.
Такой широкий спектр теоретических и практических интересов к системам водород - металл делает их исследование исключительно актуальным.
Цель работы. Исследование кинетических закономерностей проникновения водорода через металлические мембраны при помощи метода имитационного моделирования.
Научная новизна.
1. Разработана имитационная модель водородопроницаемости,
позволяющая (при известных параметрах системы) рассчитывать полный
набор данных о состоянии системы при проникновении водорода через
металлическую мембрану: профили концентрации и потока в мембране в
любой момент времени, выходной и входной потоки (при корректно
заданных взаимосвязях потока и концентрации).
2. Проведена оценка адекватности феноменологических моделей
водородопроницаемости: с постоянным коэффициентом диффузии без
учета скорости межфазовых процессов; с постоянным коэффициентом
диффузии с учетом скорости межфазовых процессов - реальным
процессам, происходящим при проникновении водорода через
металлические мембраны, а также рассмотрен ряд предположений о
функционировании системы.
Разработана методика идентификации феноменологической модели водородопроницаемости, учитывающей скорость межфазовой реакции на выходной стороне мембраны по минимальному набору экспериментальных данных. Методика апробирована на системе водород -никель.
По экспериментальным данным рассчитаны температурные зависимости: коэффициента диффузии водорода в никеле, константы Сивертса, константы скорости межфазовой реакции.
Рассчитан полный набор зависимостей, характеризующих водородопроницаемость для системы водород - никель, с использованием параметров (коэффициент диффузии, константа Сивертса, константа скорости межфазовой реакции), определенных при идентификации модели.
Практическая ценность.
1. Разработан метод решения диффузионных задач, позволяющий определять концентрацию, поток, выходной поток в заданный момент времени в любой точке мембраны, что позволяет решать широкий круг инженерных задач.
2. Разработана феноменологическая модель водородопроницаемости,
и метод её идентификации, что позволяет определить параметры,
характеризующие взаимодействие водорода с металлом для конкретного
образца по небольшому количеству экспериментальных данных, и
использовать их в дальнейшем для инженерного расчета.
3. Использование предложенного метода идентификации модели
водородопроницаемости, позволяет исследовать межфазовые процессы в
каталитических системах.
Апробация работы.
Материалы диссертации опубликованы в 5 научных работах, а также докладывались на Всероссийской научно - технической конференции посвященной 90 - летию П.В. Гельда «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатиринбург, 2001г.), III Всероссийской научной конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2004г.).
На защиту выносятся.
1. Имитационная модель водородопроницаемости.
2. Результаты исследования адекватности феноменологических
моделей водородопроницаемости: с постоянным коэффициентом
диффузии без учета скорости межфазовых процессов; с постоянным
коэффициентом диффузии с учетом скорости межфазовых процессов -
реальным процессам, происходящим при проникновении водорода через
металлические мембраны
3. Феноменологическая модель водородопроницаемости,
учитывающая скорость межфазовой реакции на выходной стороне
мембраны и метод её идентификации.
4. Температурные зависимости параметров взаимодействия водорода
с металлом: коэффициента диффузии водорода в никеле, константы
Сивертса, константы скорости межфазовой реакции и метод их расчета.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы из 109 наименований; изложена на 107 машинописных страницах и включает 55 рисунков, 6 таблиц.
