Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ СВЯЗИ ТЕПЛА ЧЕРЕЗ РАЗРЕЖЕННЫЙ ГАЗ В
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЯЧЕЙКЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ. 8
1.1. Особенности исследования теплопроводности газов при низких давлениях . 8
1.2. Результаты исследований температурного скачка в нереагирующих газах 15
1.2.1. Область температурного скачка 15
1.2.2. Свободномолекулярная область 19
1.2.3. Переходная область 20
1.3. Результаты исследований температурного скачка в простых и химически реагирующих газовых смесях 30
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТШОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕМПЕРАТУШОГО СКАЧКА В ГАЗАХ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ 37
2.1. Методы измерения теплопроводности 37
2.1.1. Метод нагретой нити 38
2.1.2. Конструкция измерительных ячеек нагретой нити 42
2.1.3. Метод плоского слоя 43
2.1.4. Конструкция измерительной ячейки плоского слоя 48
2.2. Вспомогательные системы установки 51
2.2.1. Рабочий участок 51
2.2.2. Электрические измерительные схемы 53
2.2.3. Вакуумная и газовая системы 55
2.2.4. Система термостатирования 55
2.2.5. Измерение давлений 58
2.3. Оценка влияния возможного эксцентриситета нитей
и естественной конвекции на результаты измерений 60
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ПО ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
ИССЛЕДОВАННЫХ ГАЗОВ 64
3.1. Исследуемые вещества и заполнение измерительных ячеек 64
3.2. Градуировка измерительных ячеек и вспомогательные опыты 65
3.3. Результаты измерений 67
3.3.1. Ячейки нагретой нити 67
3.3.2. Ячейка плоского слоя 69
4. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 101
4.1. Нереагиругащие газы 101
4.2. Водяной пар
4.3. Бинарные смеси водяного пара с инертными газами 127
4.4. Пары карбонових кислот 136
4.4.1. Температурный скачок в парах карбоновых кислот 138
4.4.2. Таблицы значений коэффициента теплопроводности паров карбоновых кислот 145
4.5. Оценка погрешности экспериментальных данных по теплопроводности и результатов их обработки
4.5.1. Оценка погрешности измерения 159
4.5.2. Оценка погрешности обработки экспериментальных данных 165
ВЫВОДЫ 168
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ І7Е
ПРИЛОЖЕНИЕ I Значения коэффициентов для расчета давления насыщенного водяного пара 183
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Термодинамические свойства паров карбоновых кислот 184
- Особенности исследования теплопроводности газов при низких давлениях
- Методы измерения теплопроводности
- Исследуемые вещества и заполнение измерительных ячеек
- Нереагиругащие газы
Введение к работе
Одной из важных задач Программы развития энергетики СССР является создание высокотемпературных энергетических устройств. Перспективными рабочими телами и теплоносителями таких устройств могут быть пары щелочных, щелочноземельных и других металлов. Эффективность применения данных веществ определяется их теплофизи-ческими свойствами, важнейшим из которых является теплопроводность.
Физические свойства указанных паров таковы, что в диапазоне температур эксплуатации энергетических устройств они имеют давления ниже атмосферного. В этих условиях на механизм кондуктивного теплообмена в газе существенное, а в ряде случаев и определяющее влияние оказывает взаимодействие газов с твердой поверхностью в процессе передачи энергии. Учет этого взаимодействия осуществляется введением поправки на температурный скачок на границе газ - поверхность.
Анализ работ, посвященных введению такой поправки, показывает, что, несмотря на их многочисленность, в настоящее время нет общепринятых рекомендаций даже для чистого одноатомного газа. Недостаточное число экспериментальных работ, а также неоднозначность имеющихся результатов теоретических исследований делают получение достоверных экспериментальных данных в широком диапазоне давлений актуальной задачей. Теоретическая интерпретация результатов таких экспериментов позволит уточнить представления о теплообмене через разреженный газ, находящийся в измерительной ячейке теплопроводности, и дать обоснованные рекомендации по введению поправки на температурный скачок.
Для практического использования в экспериментальных исследованиях теплопроводности при низких давлениях особый интерес пред- ставляет разработка методики измерений, которая бы позволила исключать влияние эффекта температурного скачка и находить значения коэффициента молекулярной теплопроводности только на основе экспериментального материала. Этот интерес обусловлен также тем, что при измерении теплопроводности малоизученных газов зачастую отсутствуют данные об их физических свойствах, необходимые для введения поправки расчетным путем.
Изучение указанных вопросов непосредственно в парах металлов связано с большими трудностями, обусловленными высокими температурами опыта, агрессивностью исследуемых веществ и непродолжительностью работы измерительных ячеек, а также сравнительно высокой погрешностью измерений.
Исследование механизма кондуктивного теплообмена в парах металлов при высоких температурах может быть существенно упрощено, если часть наиболее важных вопросов задачи о взаимодействии газа с поверхностью изучить в удобной области параметров состояния на веществах, имеющих сходную с парами металлов структуру. Для паров щелочноземельных металлов, представляющих собой практически одноатомный нереагирующий газ, такими веществами являются инертные газы. Для паров щелочных металлов, представляющих собой диссоциирующий газ, такими веществами являются пары карбонових кислот. Возникающая при экспериментальных исследованиях в ряде случаев ситуация, когда наряду с парами металла в измерительной ячейке теплопроводности присутсвует в небольшом количестве примесь постороннего неконденсирующегося газа, может быть изучена на примере смесей водяного пара с инертными газами.
Карбоновые кислоты и их пары имеют широкое применение в ряде химико-технологических процессов. Поэтому измерения теплопро- водности паров карбонових кислот в зависимости от параметров состояния и разработка таблиц рекомендуемых для инженерных расчетов значений теплопроводности является важной для практики задачей. Целью настоящего исследования является: получение надежных экспериментальных данных по теплопроводности различных газов в широкой области давлений; уточнение влияния различных факторов - давления, геометрических размеров измерительной ячейки, состава смеси и энергии реакции на величину поправки на температурный скачок; разработка и использование метода нескольких измерительных ячеек для определения коэффициента молекулярной теплопроводности газов из опытных данных, полученных при низких давлениях; составление таблиц рекомендуемых значений коэффициента теплопроводности паров карбонових кислот в широком диапазоне температур и давлений.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: создана экспериментальная установка, позволяющая измерять теплопроводность чистых газов, бинарных нереагирующих и химически реагирующих газовых смесей в диапазоне температур 300*400 К и давлений Ю"г - І03 мм рт. ст.; изготовлены три измерительных ячейки нагретой нити с различными геометрическими размерами, работающие одновременно и одна ячейка, выполненная по методу плоского слоя; измерены теплопроводности исследуемых веществ при низких давлениях; проведена обработка полученных экспериментальных данных и проанализировано влияние различных факторов на.значения экспериментально измеряемого коэффициента теплопроводности.
В результате настоящего исследования получен большой массив экспериментальных данных по теплопроводности газовых систем различных типов в области низких (0,05-760 мм рт. ст.) давлений; проведено уточнение соотношений, используемых для введения поправки на температурный скачок; показано существенное влияние состава смеси и энергии реакции на температурный скачок в химически реагирующей газовой смеси; установлены источники и сделаны оценки систематических ошибок при определении коэффициента молекулярной теплопроводности из опытных данных, полученных при малых давлениях; доказана эффективность метода нескольких измерительных ячеек при исключении температурного скачка экспериментальным путем; получены значения коэффициентов теплопроводности водяного пара при температурах ниже 373 К и бинарных смесей водяного пара с неоном и ксеноном в широком диапазоне изменения состава; составлены таблицы рекомендуемых значений коэффициента теплопроводности паров муравьиной, уксусной, пропионовой и масляной кислот в диапазоне температур 273,15-425 К и давлений 0-250 кПа.
Работа выполнена на кафедре инженерной теплофизики Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института. « О "*
class1 ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ СВЯЗИ ТЕПЛА ЧЕРЕЗ РАЗРЕЖЕННЫЙ ГАЗ В
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЯЧЕЙКЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ. class1
Особенности исследования теплопроводности газов при низких давлениях
Для разреженного газа с короткодействующими силами межчастичного взаимодействия функция распределения $ f (t, г т v ) может быть получена из решения уравнения Больцмана. Наряду с точными методами, основанными на уравнении Больцмана, в кинетической теории газов широкое распространение получили модельные методы, основанные на кинетическом уравнении, в котором интеграл столкновений заменяется релаксационным членом. Чаще всего используется модельный метод Батнагара - Гросса - Крука (модель ЕГК).
В условиях, когда число Кнудсена нельзя считать малым, кинетическое уравнение необходимо решать с учетом граничных условий, т.е. особенностей взаимодействия газовых частиц с твердой поверхностью. Из-за сложной природы такого взаимодействия,исчерпывающее описание его пока недостижимо. Поэтому применяются различные модели взаимодействия с использованием системы коэффициентов аккомодации. Имеется обширная литература, освещающая состояние теории и экспериментов по взаимодействию газов с поверхностью / 8-ІІ /. В / 12 / дана феноменологическая теория коэффициентов аккомодации.
Для малого отклонения системы от максвелловского равновесия взаимодействие газа с поверхностью описывается четырьмя Кнудсе-новскими коэффициентами аккомодации - коэффициентами аккомодации нормального и касательного импульсов, энергии и радиометрического.
class2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТШОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕМПЕРАТУШОГО СКАЧКА В ГАЗАХ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ class2
Методы измерения теплопроводности
Особенностью настоящей работы является измерение теплопроводности одновременно тремя измерительными ячейками, выполненными по методу нагретой нити. В табл. 2.1 приведены основные геометрические характеристики каждой ячейки. Диаметры нитей измерены прибором ЙЗВ-І, диаметр трубки определялся до ее разрезания калибровкой дистиллированной водой. Длина нитей измерялась катетометром Ш-6.
Принципиально все ячейки изготовлены одинаково. На рис. 2.1 показана конструкция одной из них. Ячейка представляет собой молибденовую трубку I, толщина стенки которой составляет 0,1 мм. По оси трубки натянута вольфрамовая проволока 2. Использовались вольфрам марки ВА. и молибден марки МЧ с содержанием Мо 99,9$. Проволока приварена к стержням из нержавеющей стали 3, изолированным от трубки фторопластовыми пробками 4. Токовые провода из нержавеющей стали 5 приварены к внешним концам стержней. Потенциальные провода из нержавеющей стали 6 приварены в местах соединения вольфрамовой проволоки со стержнями 3 и пропущены через фторопластовые пробки 4. В трубке вверху и внизу сделаны отверстия 7 для заполнения ячейки исследуемым газом. Нить натягивается пружиной из вольфрама 8.К внешней поверхности трубки приварены токовые 9 и потенциальные 10 провода из нержавеющей стали.
class3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ПО ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
ИССЛЕДОВАННЫХ ГАЗОВ class3
Исследуемые вещества и заполнение измерительных ячеек
В настоящей работе экспериментально измерена теплопроводность следующих газов в области малых давлений:
1. Нереагирующих газов различной атомности - аргона, криптона, ксенона, воздуха и шестифтористой серы.
2. Водяного пара.
3. Бинарных смесей водяного пара с инертными газами (неоном и ксеноном).
4. Паров карбоновых кислот - муравьиной, уксусной, пропионо-вой и масляной.
Все вещества можно разделить на две группы, которые имеют некоторые особенности при проведении опыта. К первой группе относятся вещества, имеющие низкие критические температуры и находящиеся в газообразном состоянии во всем диапазоне температур и давлений, реализуемых в установке (инертные газы, воздух, шестифтористая сера). Сведения о чистоте газов приведены в табл. 3.1. Во вторую группу входят четыре первых члена гомологического ряда карбоновых кислот и вода. В опытах использовалась дистиллированная вода, очищенная с помощью фильтра из смол КУ2 и AB-I7. Муравьиная кислота была марки ЧДА и содержала по паспорту 99,7$ С%02. Чистота остальных кислот проверялась по температуре плавления / 84 /. Данные о чистоте приведены в табл. 3.2. "Ледяная" уксусная кислота перед использованием трижды вымораживалась с постоянным контролем температуры плавления, которая составляла 16,6 - 0,1С. Химически чистая пропионовая кислота имела температуру плавления - 22,0 ± 0,1С. Масляная —5,0 - 0,1С. Основной примесью во всех кислотах являлась вода.
Теплопроводность исследуемых веществ определялась на изотерме при изменяющемся давлении. При работе с газами первой группы давление в измерительных ячейках изменялось краном-дозатором (см. описание установки). Давление измерялось ртутнымиманометрами. При исследовании паров вещества второй группы помещались в испарительный бачок в жидком состоянии. Давление в системе определялось по кривой сублимации или кривой упругости насыщенного пара и температуре вещества в испарительном бачке. В табл. 3.3 приведены соотношения, использованные для расчета давления пара по температуре и литературные источники.
Для удаления растворенного в жидкостях воздуха проводилась деаэрация, которая заключалась в многократном периодическом замораживании и плавлении вещества с промежуточной откачкой.
Нереагиругащие газы
Из обзора, сделанного в главе I, следует, что экспериментально измеренный и молекулярный коэффициенты теплопроводности газа связаны между собой соотношением
которое справедливо во всех областях давлений. Кроме того, в главе I показано, что в настоящее время нет ясности в вопросе о зависимости АК (Ка ). Полученные в настоящей работе экспериментальные данные (табл. 3.8) позволили, пользуясь уравнением (4.1), определить значения аккомодационного комплекса и исследовать зависимость АК от числа Кнудсена (при варьировании как давления, так и геометрических размеров измерительной ячейки) и атомности газа. В качестве X в расчетах принимались значения \эксл » полученные на ячейках при атмосферном давлении. Это позволило в определенной степени исключить возможные неучтенные остатки систематической погрешности измерений. На рис. 4.1 приведен типичный график зависимости АК (Кп ), полученной для ксенона и воздуха на третьей ячейке, из которого видно существенное влияние числа Кнудсена.
Если придерживаться концепции постоянства . во всем диапазоне давлений опытов / 8 /, то ответственным за такое поведение аккомодационного комплекса следует считать множитель f для АК вида (2 -f oL )/2 L . Учитывая, что в свободномолекулярной области для измерительной ячейки нагретой нити АК = 1/dL , коэффициент аккомодации энергии может быть определен экстраполяцией кривой АК (Ка ) на ось ординат.
