Введение к работе
Актуальность проблемы. Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному изучению теплофизических свойств органических жидкостей, на значения которых при измерении влияет радиационный теплоперенос ( А,, а, х )
Необходимость исследования теплофизических свойств (ТФС) вызвана:
» во-первых, обеспечением науки и техники достоверной справочной информацией о свойствах технически важных жидкостей. Имеющиеся в настоящее время справочные значения ТФС, в частности приведенные в справочниках по теплопроводности жидкостей и газов, базируются, в основном, на экспериментальном материале, полученном традиционными методами измерения. Результаты, полученные традиционными методами (метод плоского слоя, метод коаксиальных цилиндров, метод нагретой нити), искажены радиационным теплопереносом, т.е. являются эффективными значениями ТФС. Эти значения могут отклоняться от истинных молекулярных более, чем на 20%, так как большинство органических жидкостей при толщине исследуемого вещества, равном 0,5-й),7мм, которое имеет место в условиях традиционного эксперимента, являются полупрозрачными средами.
во-вторых, возможностью автоматизации технологических процессов
и контроля качества выпускаемой продукции, что достигается измерением
ТФС сырья на входе в аппарат химического производства или товарного
продукта, выходящего из реактора.
в третьих, с научной точки зрения, изучение ТФС жидкостей является
одной из важнейших задач современной физики, поскольку вопрос о при
роде теплового движения непосредственно связан с фундаментальными
проблемами жидкого состояния вещества, которые в настоящее время
нельзя считать решенными.
Когда нет завершенной теории, особое значение приобретают экспериментальные исследования, которые обеспечивают недостающей информацией.
По сведениям международной комиссии по термодинамике и термохимии, ежегодно появляется потребность в данных о свойствах 10-15 тысяч веществ и материалов, очевидно, что только создание высокопроизводительных прецизионных методов комплексного измерения свойств может решить эту проблему. Одним из таких методов является реализованный нами метод импульсно нагреваемого малоинерционного зонда в стадии иррегулярного теплового режима в автоматизированном варианте.
Принципиальной особенностью этого метода является то, что за время измерения тепловая волна от зонда проникает в среду на очень маленькую глубину. Если эта глубина меньше длины свободного пробега фотона, то зондируется прозрачная среда и получаемые значения ТФС можно отождествить с молекулярными.
Наряду с разработкой методов измерения, отвечающих современным требованиям науки и техники, необходимо развивать исследования, приводящие к созданию обобщающих методов расчета и прогнозирования ТФС.
Настоящая работа выполнена в соответствии с координационными планами НИР АН СССР и НИР РАН по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» 1986-2000 (п.1.9.1.1.2.1.).
Цель работы.
Разработать способ измерения температуропроводности жидкостей, не искаженной радиационным теплопереносом.
Разработать теоретические основы комплексного измерения теплофизических свойств жидкостей в потоке.
Создать экспериментальные установки для комплексного измерения теплофизических свойств жидкостей методом импульсно нагреваемого зонда при давлениях до 50 МПа и температурах до 650 К.
Разработать и создать автоматизированные системы измерения теплофизических свойств веществ на базе персонального компьютера.
Получение экспериментальных данных по комплексу теплофизических свойств представителей различных классов органических соединений, не искаженных радиационным теплопереносом.
Оценка величины радиационной составляющей в значениях теплофизических свойств органических жидкостей, исследованных ранее традиционными методами, для разработки методики расчета по эффективным значениям свойств их молекулярных значений.
Провести обобщенный анализ экспериментальных данных с целью получения единых уравнений, описывающих и прогнозирующих ТФС представителей различных классов органических соединений.
У Получение экспериментальных данных по ТФС органических жидкостей в потоке.
Научная новизна. К наиболее существенным научным результатам можно отнести следующее:
Разработан способ измерения температуропроводности,жидкостей, не
искаженной радиационным теплопереносом на базе метода импульсно
нагреваемого зонда. Способ защищен патентом на изобретение.
Q Разработаны теоретические основы комплексного измерения теплофизических свойств жидкостей в потоке.
Впервые метод импульсно нагреваемого зонда реализован в автомати
зированном варианте на основе импульсной и вычислительной техни
ки, позволяющий измерять комплекс ТФС. Автоматизированные уст
ройства защищены двумя патентами на изобретение.
а Разработана математическая модель теплообмена между потоком вязкой несжимаемой жидкости и импульсно нагреваемой пластиной, позволяющая определить характеристики температурного пограничного слоя, внутри которого тепло передается практически только кондук-тивным механизмом. Р Измерена теплопроводность 29, температуропроводность 7 и тепловая активность 2 жидкостей, относящихся к 10 классам органических соединений, при температурах до 650К и давлениях до 50 МПа. Теплопроводность 19 и температуропроводность 5 из этих жидкостей измерены впервые. Полученные значения теплофизических свойств не искажены радиационным переносом энергии. Q Предложена методика оценки радиационной составляющей теплопроводности различных веществ и корректировки значений ХЭф, полученных традиционными методами измерения, а На основе закона соответственных состояний получены единые уравнения, описывающие и прогнозирующие ТФС представителей различных классов органических соединений в широком диапазоне параметров состояния. Q Измерены теплофизические свойства жидкостей в потоке. В соответствии с этим на защиту выносятся:
Результаты теоретического и экспериментального исследования теплофизических свойств органических жидкостей в потоке. Математическая модель теплообмена между потоком вязкой несжимаемой жидкости и импульсно нагреваемой пластиной. Теоретические основы измерения теплопроводности, температуропроводности, кинематической вязкости жидкостей в потоке в течение одного импульса нагрева малоинерционного зонда. Автоматизированные экспериментальные установки, позволяющие измерять в течение одного импульса нагрева комплекс теплофизических свойств жидкостей, не искаженных радиационным теплопереносом. Способ
измерения температуропроводности методом импульсно нагреваемого зонда.
Результаты измерения теплофизических свойств представителей 10 классов органических соединений в широком диапазоне параметров состояния, представленные в виде таблиц экспериментальных данных и обобщающих зависимостей.
Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния радиационного теплопереноса на значения теплофизических свойств органических жидкостей. Методика оценки поправки на излучение для корректировки эффективных значений теплофизических свойств жидкостей, измеренных традиционными методами исследования.
Практическая ценность Данные по теплофизическим свойствам представителей 10 классов органических соединений, не искаженные радиационным теплопереносом, представляют практическую ценность для обеспечения научно-исследовательских и проектных организаций и предприятий достоверными данными о свойствах технически важных веществ.
Разработанные теоретические основы измерения теплофизических свойств жидкостей в потоке, выраженные в виде критериальных зависимостей, представляют практическую ценность для разработок, проводимых в рамках создания систем автоматизации производственных процессов.
Реализация результатов работы. Полученные нами молекулярные значения теплопроводности толуола, н-октана и н-гексадекана вошли в справочники:
-
Справочник по теплопроводности жидкостей и газов./ Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.А., Тоцкий Е.Е. М. Энергоатомиздат, 1990.350 с.
-
Handbook of Thermal Conductivity of Liquids and Gases./ Vargaftik N.B., Filippov L.P., Tarzimanov A.A., Totskii E.E. CRC Press. Boca Raton, Ann Arbor, London, Tokyo. 1994. 358 p.
Результаты работы введены в информационную базу данных системы АССИСТЕНТ, функционирующей во Всероссийском научно-исследовательском центре стандартизации, информации и сертификации сырья, материалов и веществ (ВНИЦСМВ) ГОССТАНДАРТА России, с целью обеспечения научно-исследовательских и проектных организаций и предприятий достоверными данными о ТФС веществ (Москва). Апробация работы. Основные положения и результаты доложены и обсуждены на-.
12, 13, 15 European conference on thermophysical properties (Viena, Austria, 1990; Lisbon, Portugal, 1993; Wurzburg, Germany, 1999);
11, 12, 13 Symposium on Thermophysical Properties (Boulder, Colorado, USA, 1991, 1994, 1997);
1ой и 2ой Международной тегшофизической школе (Тамбов, 1990, 1995);
5ой Международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов" (Казань, 1999);
9ой теплофизической конференции СНГ (Махачкала, 1992);
8ой Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Новосибирск, 1988);
2ой, Зеи Всесоюзной студенческой научной конференции "Интенсификация тепло- и массообмена в химической технологии" (Казань, 1984, 1989);
итоговых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Казанского государственного технологического университета в 1979-2000 г.г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 49 печатных работ в отечественной и зарубежной литературе. Получено 2 патента на изобретение. Основные работы приведены в конце автореферата.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из