Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ
КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ И ВЫБОР МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА 9
1.1. Стационарные методы измерения теплопроводности. 10
1.2. Нестационарные методы измерения теплопроводности 18
1.3. Выбор методики эксперимента 24
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА
ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ 26
2.1. Принципиальная схема установки 26
а) измерительный узел 26
б) узел создания и измерения давления 34
в) узел вакуумирования 34
г) узел заполнения 35
2.2. Анализ условий переноса тепла в горизонтальном слое 35
а) перенос тепла конвекцией 35
б) перенос тепла излучением .39
в) термическое сопротивление металла 44
2.3. Выбор и градуировка термопар .47
2.4. Расчетное уравнение для вычисления теплопроводности 52
2.5. Методика проведения эксперимента 53
а) порядок проведения опытов 53
б) методы контроля коррозионного состояния рабочих поверхностей 54
2.6. Калибровка установки 55
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНШ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 61
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ДАННЫХ ПО ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕИ 76
4.1. Структура воды и водных растворов солей 76
а) современное представление о структуре воды 76
б) влияние растворенных ионов на структуру воды 84
4.2. Теплопроводность воды и водных растворов солей 91
4.3. Аналитическое описание экспериментальных данных 110
4.4. Обсуждение результатов экспериментов 151
ГЛАВА 5. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КАСПИЙСКОЕ МОРСКОЙ ВОДЫ 176
5.1. Измерение теплопроводности Каспийской морской воды 176
5.2. Применение правила аддитивности к расчету теплопроводности морской воды 193
ВЫВОДЫ 202
ЛИТЕРАТУРА 204
ПРИЛОЖЕНИЕ 215
- Стационарные методы измерения теплопроводности.
- Принципиальная схема установки
- РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНШ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
- Структура воды и водных растворов солей
- Измерение теплопроводности Каспийской морской воды
class1 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ
КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ И ВЫБОР МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА class1
Стационарные методы измерения теплопроводности
Этот метод для исследования теплопроводности был применен еще в 1880 г. Г.Вебером [/] . Примерами осуществления "классической" схемы метода плоского горизонтального слоя могут служить также установки А.Чаллонера и Р.Пауэлла И , А.Михельса и й.Зен-герс[з], Г.Польца [ ,5] , а для низких температур - Ё.Лёхтермана [б] и Г.Гаммана [7]. Наиболее удачным образцом экспериментальной техники явилась установка, выполненная А.Михельсом и И.Зенгерс. Сконструированный ими измерительный узел установки позволяет предотвратить конвективные токи как в зазоре между горячей и холодной пластинами, так и вне его. Плоский слой исследуемого вещества между пластинами по периферии ограничен пленкой, а горячая и охранная пластины разделены тефлоновими прокладками. Опыты проводились с разными расстояниями между пластинами (0,4-1,3 мм) , с изменением положения пластин и с разными градиентами температур. Авторами [З] были проведены исследования углекислоты при температурах 25 75С и давлении до 2000 атм, включая критическую область параметров состояния. Экспериментальные исследования с использованием разновидности метода плоского горизонтального слоя были проведены 1.й. Амирхановым и А.П.Адамовым [8,9\ для углекислоты и воды. Ими была применена новая конструкция измерительного узла, в котором среда между горячей и охранной пластинами одновременно служит дифференциальной термопарой. При измерении воды применялась засыпка из закиси меди, которая использовалась одновременно и как один из электродов охранной термопары высокой точности, и как среда, воспринимающая давление, которое исследуемое вещество оказывает на горячую пластину. Следует также отметить, что если в опытах А.Михельса и И.Зенгерс уже была проявлена тенденция к герметизации исследуемого вещества в зазоре между пластинами путем использования гибкой плёнки, то Х.И.Амирханов и А Л.Адамов впервые в опытах при . высоких параметрах полностью герметизировали исследуемое вещество в зазоре между пластинами. Однако в этом случае сами пластины, между которыми находится исследуемое вещество, подвергаются одностороннему внутреннему давлению и деформации. Это обстоятельство, а также отсутствие строго фиксированной величины зазора между пластинами снижают точность измерения коэффициента теплопроводности.
Дальнейшее развитие абсолютного метода плоского слоя в последнее время нашло отражение в исследованиях, выполненных во ВТЙ им. Ф.Э.Дзержинского A.M.Сиротой и сотрудниками [/О] . Авторами была создана экспериментальная установка и проведены исследования Л воды в широком интервале параметров состояния, включая критическую область. В конструкции измерительного узла установки и других отдельных её частей нашли свое решение многочисленные проблемы и трудности, осложняющие использование этого метода исследования на практике. Был применен новый вариант метода плоского слоя - с разгруженным от давления измерительным узлом. Для получения фиксированного зазора между пластинами, величина его задается специальными шайбами, обработанными с высокой точностью. Решены также проблемы термостатирования и вопросы, связанные с предотвращением конвективных токов в системе измерительного узла. Несмотря на достаточно сложную конструкцию установки, создание её явилось значительным шагом в осуществлении абсолютных измерений методом плоского горизонтального слоя.
class2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА
ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ class2
Принципиальная схема установки
Измерительный узел I является основным элементом экспериментальной установки. Он состоит из верхней "горячей" и нижней "холодной" пластин , зазор между которыми заполняется исследуемой жидкостью. Соединение "горячей" и "холодной" пластин измерительного узла, как показано на Рис.2.2, осуществляется по кольцевому зазору, внутри которого находится кольцевая цельная паронито-вая прокладка 12. В верхней и нижней пластинах измерительного узла имеются кольцевые канавки глубиной 2мм и шириной Змм по три на каждой пластине (Рис.2.4 и 2.5). Выполненные с целью умень -шить перетоки тепла в радиальном направлении, они практически отделяют охранное кольцо от собственно "горячей" пластины, диаметр которой равен 50мм. Обе пластины изготовлены без сварки и имеют поэтому строгую геометрическую форму, что повышает точность расчета поправок. Все рабочие детали измерительного узла изготовлены из нержавеющей стали IXI8HI0T. Рабочие поверхности измерительных пластин обрабатывались с точностью v 10. Расстояние между "горячей" и "холодной" пластинами определяется толщиной прокладки 12 установленной в кольцевом зазоре "холодной" пластины. Диаметр "горячей" пластины определялся измерительным микроскопом УИМ-2І с точностью 0,02%.
Расчет погрешности измерения теплопроводности
Анализ вопросов, связанных с возникновением ошибок измерений 95—1о6\, приводит к выводу о том, что погрешности, в зависимости от причин их возникновения, можно разделить на две основные группы -систематические и случайные.
Систематические ошибки всегда односторонне влияют на результаты измерений, только увеличивая или уменьшая их. Источниками систематической погрешности чаще всего могут быть неисправности измерительных приборов или неточность самого метода измерений, а также использование для расчетов неточных данных. В наших исследованиях были тщательно соблюдены правила эксплуатации приборов, а также градуировки термопар. Тщательное термостатирование измерительного узла установки и сам выбор метода исследования способствуют исключению систематической погрешности в наших измерениях.
Случайные ошибки являются следствием самых разных как субъективных, так и объективных причин, учесть которые очень трудно или даже невозможно. Эти ошибки к тому же еще и непостоянны, а поэтому, вследствие случайных обстоятельств, они могут как увеличивать, так и уменьшать значение измеряемой величины. Ошибки такого типа подчиняются законам теории вероятностей, установленным для случайных явлений.
Исключить случайные ошибки, возникающие при измерениях, нельзы, однако можно оценить их значение.
class3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ДАННЫХ ПО ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕИ class3
Структура воды и водных растворов солей
Характеризуя основные физические параметры исследуемых жидкостей, объективно представляющих собой водные растворы электролитов, необходимо прежде всего исходить из современных представлений о структуре растворителя и влиянии растворенных ионов электролита на структуру воды.
Поскольку в рассматриваемых водно-солевых системах вода является доминирующим компонентом, их структура в основном определяется структурой самой воды.
В основу многих экспериментальных и теоретических исследований легли представления о структуре воды, выдвинутые Д.Берналом и Р.Фаулером {/Об] . Важнейшим положением теории Д.Бернала и Р.Фауле-ра явилось указание ими на существование в воде направленных межмолекулярных связей, хотя термин "водородная связь" в работе не использовался. Авторы ограничились характеристикой этой связи, как направленной, образующей тетраэдрическую структуру.
В настоящее время тетраэдрический характер структуры воды, осуществляемый за счет водородных связей, является надежно установленным фактом \j0?, /OS , /09] .
Согласно Н.Бьерруму [Щ, каждоя молекула воды благодаря тет-раэдрическому строению может участвовать в четырех водородных связях. Образование водородных связей между молеклами воды и их пространственное распределение обуславливают структуру льда. Наглядная тетраэдрическая модель строения молекулы воды и расположение молекул воды в структуре льда представлены на рис. 4.1 и 4.2.
Многочисленными исследованиями считается установленным [/0 что структура льда, кристаллизирующегося при обычных условиях обладает большой ажурностью, т.е. сильно отличается от плотней-шей. Б структуре много пустот, размеры которых даже несколько больше размеров молекул.
Теория, выдвинутая О.Я.Самойловым [/0?] , основывается на идее заполнения пустот, согласно которой ближняя упорядоченность в воде может быть охарактеризована как размытая тепловым движением молекул структуры льда, причем полости этой ажурной структуры (каркаса) частично заполнены молекулами воды {не имеющими водородных связей, или сохранившими лишь некоторую их часть) [///] . Заполнение полостей начинается при плавлении льда. С ростом температуры растет число молекул, сошедших со своих полонений равновесия и попавших в пустоты.
Измерение теплопроводности Каспийской морской воды
Наиболее распространенным методом опреснения больших количеств высокоминерализованных вод является метод дистилляции. В настоящее время осваиваются два вида термической дистилляции: испарение несмягченной морской воды при температурах до I05 II0C и степенях упаривания до 3 4 с предотвращением образования карбонатной накипи декарбонизацией или введением присадок и метод испарения глубоко умягченной морской воды, позволяющий испарять ее при любых температурах и степенях упаривания.
При решении задачи опреснения морских и соленых вод крайне сложными являются вопросы, связанные с предотвращением накипе-образования на поверхности нагрева теплообменной аппаратуры.
Существуют различные физические и химические способы борьбы с накипеобразованием.
Для предотвращения накипеобразования на поверхностях нагрева теплообменной аппаратуры опреснительных установок используется реагентный метод предварительного подкисления. В этом случае, для предупреждения образования накипи карбоната кальция и гидроокиси магния может быть применена обработка испаряемой воды соляной или серной кислотой. Этот метод нашел широкое применение преимущественно в многоступенчатых установках мгновенного испаре -ния, а также в многокорпусных выпарных установках. Максимальная рабочая температура морской воды не превышает П0-120С, а степень концентрирования в установках мгновенного испарения должна быть не более 2,5-2,7, а в установках прямоточного выпарного типа - з-4 Щ.
Реализация второго вида термической дистилляции высокоминерализованных вод основывается на предложенным И.З.Макинским термохимическом методе умягчения, специально приспособленным для воды Каспийского моря {/95} . Этот метод, при котором достигается глубокое умягчение морской воды, пригоден для подготовки питательной воды испарителей, работающих при высоких температурах и внедрен в промышленных масштабах на ГРЭС "Северная" в г.Баку и на Красноводской ТЭЦ.
При осуществлении указанных методов, в процессе работы происходит значительное изменение теплофизических свойств рабочего агента - т.е. морской воды, под влиянием таких факторов, как изменение концентрации и температуры. Поэтому исследование теплопроводности таких вод представляется важной задачей с целью практического использования при расчетах и проектировании теплообменно-го оборудования.
