Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткий литературный обзор по теплофи зическим и термодинамическим свой ствам масел и их растворов 16
1.1. Литературный обзор по исследованию теплопроводности масел и их растворов
1.2. Литературный обзор по исследованию плотности масел и их растворов
1.3. Литературный обзор по исследованию удельной теплоемкости растительных масел и растворов
1.4 Литературный обзор по исследованию температуропроводности масел и растворов
Выводы по первой главе 36
Глава 2. Методы измерения и аппаратура для исследования теплопроводности жидкостей
2.1. Методы измерения теплопроводности 37
2.2. Аппаратура для измерения теплопроводности жидкостей и растворов в зависимости от давления и температуры 39
2.3. Методика измерения теплопроводности жидкостей и растворов
2.4. Формулы расчета для определения коэффициента теплопроводности 43
2.5. Учет влияния различных поправок на значение коэффициента теплопроводности 46
2.5.1. Поправка на расположение спаев термопары з
2.5.2. Поправка на нагрев внешнего цилиндра 48
2.5.3. Поправка на изменение геометрических размеров бикало-риметра с изменением температуры 49
2.5.4. Поправка на изменение геометрических размеров бикалориметра под действием давления 50
2.5.5. Учет передачи теплоты излучением 51
2.5.6. Вклад конвективного переноса тепла 2.6. Оценка поправок за счет специфики измерения коэффициента теплопроводности 53
2.7. Определение погрешности измерения теплопроводности методом цилиндрического бикалориметра 56
2.8. Аппаратура для определения плотности масел и их растворов 2.8.1. Измерительный прибор экспериментальной установки для исследования плотности жидкостей и растворов 65
2.8.2. Электронно-следящая система 67
2.8.3. Расчетное уравнение по определению плотности 69
2.8.4. Определение параметров подвесных систем усовершенствованной экспериментальной установки 70
2.8.5. Порядок проведения опытов на экспериментальной установке 72
Выводы по второй главе 73
Глава 3. Экспериментальное исследование плотности и теплопроводности исследуемых растворов 74
3.1. Экспериментальные значения плотности растворов системы «подсолнечное масло + Н-гексан» 74
3.2. Теплопроводность растворов системы «подсолнечное масло + Н-гексан» в зависимости от температуры и давления 79
3.3 Удельная теплоемкость системы «подсолнечное масло + Н– гексан» в зависимости от давления и температуры при раз- 86
личных концентрациях
3.4. Обобщенное уравнение состояния для растворов системы «подсолнечное масло + Н-гексан» 88
3.4. Обработка и обобщение экспериментальных данных теплопроводности растворов подсолнечного масла 92
3.5. Расчет термодинамических свойств исследуемых растворов при различных температурах и атмосферном давлении 96
3.6. Расчет теплопроводности системы подсолнечного масла и растворителей
Выводы по третьей главе 106
Заключение 107
Список использованной литературы
- Литературный обзор по исследованию удельной теплоемкости растительных масел и растворов
- Аппаратура для измерения теплопроводности жидкостей и растворов в зависимости от давления и температуры
- Определение погрешности измерения теплопроводности методом цилиндрического бикалориметра
- Обработка и обобщение экспериментальных данных теплопроводности растворов подсолнечного масла
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы заключается в том, что для проектирования процесса тепло- и массообмена в различных технологических процессах, а также для составления эмпирических уравнений, уравнения состояния и подробных таблиц по свойствам чистых жидкостей и их растворов, необходимы данные по термодинамическим и теплофизическим свойствам системы.
Исследование теплофизических и термодинамических свойств растворов, в том числе масел, в широком диапазоне температур, при различных концентрациях и давлениях основных компонентов, имеет важное научное и прикладное значение.
Исследование теплофизических и термодинамических свойств жидких растворов (теплопроводность, теплоемкость, плотность) весьма важно для развития и познания физики жидкого состояния веществ.
Для совершенствования и оптимизации, технологических процессов необходимы научно обоснованные инженерные расчеты, для которых нужны информация о плотности, теплоемкости и теплопроводности растворов в широкой области их параметров состояния.
Особый интерес представляет использование жидких растворов в качестве, окислителей, восстановителей, топлива, защитных охлаждающих и нагревательных сред во многих технологических процессах и теплообменных устройствах. В связи с этим возникает необходимость исследования теплофизических и термодинамических свойств жидкостей и их растворов при различных условиях эксплуатации.
Экспериментальные и расчетные данные по теплофизическим и термодинамическим свойствам жидкостей и их растворов могут служить основанием для развития макроскопической теории явлений переноса в растворах.
Для расчета термодинамических свойств растворов в широком интервале изменения параметров состояния необходимо установление аппроксимационных зависимостей между исследуемыми величинами.
В промышленности для улучшения экологических параметров авиационного керосина добавляют определенное количество растительных масел, что вызывает необходимость знания их теплофизических свойств.
В связи с вышесказанным следует, что необходимы исследования в этой области для получения обобщенных, надежных термодинамических и теплофизических данных жидкостей и их растворов в различных средах в широком диапазоне параметров состояния.
Диссертационная работа выполнена в Таджикском государственном педагогическом университете им. Садриддина Айни в лаборатории «Теплофизика» кафедры общей физики по плану координации научно-исследовательских работ в области естественных наук АН Республики Таджикистан на 2000 – 2010 г. по теме: «Теплофизические свойства веществ» (№ госрегистрации 81081175) и по проблеме 1.9.7 – Теплофизика (№ 018660103274).
Автор диссертационной работы считает своим приятным долгом поблагодарить доктора технических наук, профессора Сафарова М.М. за участие в обсуждении результатов исследования и ценные советы.
Объект исследования: подсолнечное масло, Н–гексан и растворы системы «подсолнечное масло + растворитель».
Степень разработанности темы исследования:
Исследования теплофизических свойств жидкостей в чистом виде и растворов содержащих различное количество растворителей при различных температурах проводились как российскими, так и зарубежными учеными: Гусейновым К.Д., Маджидовым Х., Сафаровым М.М., Юсуповым
Ш.Т., Вышелесским А.Н., Громовым М.А., Жмырой Л.П., Сергеевым А.Г., Гинзбургом А.С., Ру-дякой В.Я., Тереховым В.М., Риаделом Л., Чоя И., Гамильтон, Кроссером, Хашина–Штрикманом, Максвеллом, Леннард-Джонсом (Л-Д) и др. Однако, изменение теплофизических свойств для отдельных классов органических жидкостей как в чистом виде, так и растворов не изучено в достаточной степени.
Данная работа посвящена экспериментальному исследованию теплопроводности, плотности, теплоемкости и термодинамических свойств подсолнечного масла и его растворов в зависимости от температуры, давления и массовой концентрации растворителя Н–гексана в интервале температур (293–540) К и давлений (0,101– 49,01) МПа и концентрации Н–гексана (0–75) %.
Цель работы заключается во всестороннем экспериментальном исследовании теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости, разности энтропии, разности энтальпии исследуемых растворов и получении уравнения состояния системы «подсолнечное масло + Н–гексан», зависимости термодинамических свойств смесей от концентрации и типа масел в широком интервале температур.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Усовершенствование экспериментальной установки для измерения плотности, теплопроводности и термодинамических свойств подсолнечного масла и его растворов.
-
Получение экспериментальных значений теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости бинарных растворов «подсолнечное масло + Н–гексан» в интервале давлений (0,101 – 49,01) МПа, температур (293 – 540) К и концентрации Н–гексана (0–75) %.
-
Установление аппросимационных зависимости плотности, теплопроводности удельной теплоемкости исследуемых растворов от концентрации растворителя – Н–гексана, давления, температуры с целью выявления механизма переноса тепла.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые получены новые экспериментальные данные по теплофизическим свойствам (теплопроводности, плотности, теплоемкости) и термодинамическим характеристикам (энтальпия, энтропия, удельная энергия Гельмгольца) системы «подсолнечное масло + Н-гексан», при различных значениях давления (0,101–49,01) МПа и температуры (29–540) К.
-
Предложены модернизованные методы цилиндрического бикалориметра регулярного теплового режима первого рода, метода гидростатического взвешивания и метод монотонного разогрева подсолнечного масла и его растворов при различных температурах и давлениях.
-
Получены новые экспериментальные данные по теплофизическим свойствам (теплопроводность, плотность, теплоемкость) и расчетные данные по термодинамическим характеристикам (энтальпия, энтропия, внутренняя энергия, энергия Гибсса и Гельмгольца) подсолнечного масла и его бинарных растворов в диапазоне давлений (0,101 – 49,01) МПа и температур (293 – 540) К.
-
Впервые проведено исследование теплофизических и термодинамических свойств системы «подсолнечное масло + Н–гексан» в зависимости от давления (0,101 – 49,01) МПа, температу-ры(293 – 540) К и концентрации Н–гексана (0 – 75 %).
-
Установлено оптимальная концентрация (40% масс.) наиболее эффективного растворителя, используемого как жидкий катализатор при очистке подсолнечного масла от примесей.
Положения, выносимые на защиту:
-
Экспериментальные данные по плотности, теплопроводности и удельной теплоемкости подсолнечного масла и его растворов в зависимости от давления (0,101 – 49,01) МПа, температуры(293 – 540) К и концентрации Н–гексана (0 – 75 %).
-
Полученные эмпирические уравнения, устанавливающие взаимосвязь между теплофизическими свойствами исследованных веществ и апроксимационные зависимости для расчета теплопровод-4
ности, плотности удельная теплоемкости подсолнечного масла в зависимости от температуры, давления концентрации растворителя.
-
Метод расчета термодинамических характеристик масел в зависимости от массовой концентрации растворителя, температуры, давления.
-
Проведен анализ изменения теплопроводности и плотности растворов (подсолнечного масла и растворителя) с ростом температуры, давления и массовой концентрации растворителя – Н– гексана, в интервале температур (293–540) К и давлений (0,101 – 49,01) МПа.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
- получены экспериментальные и расчетные данные по теплопроводности, плотности, удельной
теплоемкости, разности энтропии, энтальпии, удельной энергии Гиббса и Гельмгольца, жидких
растворов, которые могут служить основанием для развития микроскопической теории явлений
переноса в растворах при различных значениях давления (0,101-49,01) МПа и температуры (293-
540) К;
-полученную аппроксимационную зависимость можно использовать для расчета термодинамических свойств экспериментально неисследованных растворов однотипных жидкостей в широком интервале изменения параметров состояния (температуры, давления и плотности);
созданная экспериментальная установка используется в Таджикском государственном педагогическом университете им. Садриддина Айни в научной лаборатории «Теплофизика» кафедры «Общая физика» студентами, магистрантами, аспирантами и соискателями при выполнении лабораторных, курсовых, дипломных и диссертационных работ.
составлены подробные таблицы теплофизических и термодинамических свойств растительных масел и Н – гексана и его растворов в широком интервале давлений (0,101 – 49,1) МПа и температур (293 – 540) К, которые могут быть использованы в различных физико-химических расчетах и технологических процессах.
Методология и методы диссертационного исследования. Поставленные задачи решались путем сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Использованы методы экспериментального исследования теплофизических свойств (метод цилиндрического бикало-риметра регулярного теплового режима для измерения теплопроводности масел и их растворов при различных температурах и давлениях; метод гидростатического взвешивания для исследования плотности жидких веществ и метод монотонного разогрева для измерения теплоемкости). Для расчета эффективной теплопроводности растворов подсолнечного масла с растворителями использована модель структуры с взаимопроникающими компонентами (модель Г.Н. Дульнева).
Степень достоверность и обоснованность научных положений диссертации обеспечивается применением современных физических методов исследования, аттестованного измерительный оборудования и использование апробированных теоретических положений результатов работы, согласованностью полученных результатов с данными, полученными другими авторами.
Личный вклад автора. Личное участие автора в работах заключается в постановке задач исследований, непосредственном выполнения в экспериментов, обработке и анализе полученных результатов, опубликовании результатов диссертационного исследования.
Соответствие паспорту специальности. По тематике, методам исследования, предложенным новым научным положениям диссертация соответствует паспорту специальности научных работников 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника»: п.1 «Фундаментальные, теоретические и экспериментальные исследования молекулярных и макросвойств веществ в твердом, жидком и газообразном состоянии для более глубокого понимания явлений, протекающих при тепловых процессах и агрегатных изменениях в физических системах».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: 9 Теплофизическая конференция СНГ, Махачкала , (1992); научно – практическая конференция Душанбе, (1993); II и III международная конференция «Перспективы развития науки и образования в XXI в.», Душанбе, (2006, 2008); XI Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, Санкт-Петербург, (2006); Республиканская научно-методическая конференция «Современные проблемы физики», Душанбе (2007); научно-практическая конференция «Актуальные проблемы технологического образования в высших, средних специальных и средних учебных заведениях» Душанбе, (2009); Международная конференция «Фазовые переходы, нелинейные и критические явления в конденсированных средах», Махачкала, (2009); Республиканская научная конференция «Проблемы современной координационной химии», Душанбе, (2011); 8 Международная теплофизическая школа, посвященная 60-летию профессора М.М. Сафарова, Душанбе – Тамбов, (2012); 9-я Международная теплофизическая школа, «Теплофизические исследования и измерения при контроле качества веществ, материалов и изделий», Душанбе – Москва – Тамбов, (2014); 10 – я Международная теплофизическая школа, «Теплофизические исследования и измерения при контроле качества веществ, материалов и изделий», Душанбе – Тамбов, (2016); Международная научно-практическая конференция, ТНУ, Душанбе, (2016).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы (165 наименования) и приложения. Полный объем диссертации, с учетом 31 рисунков, 47 таблиц и приложения составляет 137 страниц.
Литературный обзор по исследованию удельной теплоемкости растительных масел и растворов
Для измерения теплопроводности применяются стационарные и нестационарные методы. Эти методы могут быть абсолютными или относительными. В абсолютных методах определение всех величин, входящих в расчетное уравнение, осуществляется непосредственно измерением, а в относительных используются величины, постоянные для данного прибора, определяемые путем тарировки по эталонному веществу. Непосредственное измерение геометрических размеров измерительных ячеек может вносить погрешность, поэтому относительные методы широко используются для измерения теплопроводности веществ. Стационарные методы основаны на законе Фурье для стационарного теплового потока. Для определения теплопроводности жидкостей применяются следующие варианты стационарных методов: метод горизонтального слоя, коаксиальных цилиндров и нагретой нити. Различные конструкции установок для измерения теплопроводности веществ, работающие стационарным методом плоского слоя, нагретой нити и коаксиальных цилиндров рассматриваются в [11,56–66].
Стационарные методы имеют следующие недостатки: значительные потери теплоты с боков и торцов установки, усложнение установки с применением охранных колец с нагревателем, трудность соблюдения горизонтальности поверхности пластин (в методе плоского слоя), соосности цилиндров (в методе коаксиальных цилиндров) и центровки проволоки внутреннего термометра сопротивления (в методе нагретой нити). При измерения теплопроводности жидкостей и растворов большая величина перепада температур на границах исследуемого слоя способствует возникновению конвекции [2]. Нестационарные методы измерения теплопроводности основаны на теории теплопроводности при нестационарном тепловом потоке. Из нестационарных методов для исследования теплопроводности газов и жидкостей широко используются метод цилиндрического бикалориметра регулярного теплового режима и метод монотонного разогрева.
Различные конструкции установок для измерения теплопроводности газов и жидкостей по методу цилиндрического бикалориметра регулярного разогрева рассмотрены в [4,8].
Метод цилиндрического бикалориметра основан на закономерностях охлаждения металлического цилиндра через слой исследуемого вещества в термоста-тирующей среде.
Методы монотонного разогрева основываются на закономерностях приближенного анализа нелинейного уравнения теплопроводности, являются обобщением квазистационарных методов на случай переменных параметров (давления и температуры) и позволяют из одного опыта получить температурную зависимость теплоемкости и теплопроводности [2,67].
К недостаткам нестационарных методов относятся: сложность расчетных уравнений и трудность строгого соблюдения граничных условий в технике опыта.
Вместе с тем нестационарные методы исследования теплопроводности веществ по сравнению со стационарными имеют ряд преимуществ. Простота и удобство для практического применения, отсутствие необходимости измерения тепловых потоков, несложность конструкции бикалориметров, значительное уменьшение времени проведения эксперимента, начальное тепловое состояние образца и расположение внутреннего измерителя температуры не оказывают влияния на конечный результат.
Быстрота измерений теплопроводности по методу регулярного охлаждения дает возможность сократить время, в течение которого жидкость подвергается испытанию при присутствии различных других тел, так как измерения в течение длительного времени могут привести к загрязнению исследуемого вещества.
Учитывая вышеуказанные преимущества, нами для исследования теплопроводности подсолнечного масла и их растворов в зависимости от температуры и давления был выбран метод цилиндрического бикалориметра регулярного теплового режима первого рода.
Для изучения теплопроводности подсолнечного масла и его растворов при высоких температурах и давлениях нами использовалась экспериментальная установка, работающая по методу регулярного теплового режима [2,4,8,28, 64,66,68,70–72].
В основном аппаратура состоит из бикалориметра, пережимного сосуда высокого давления (13), грузопоршневого манометра МП – 2500 (16) и автоматического комплекса (рисунок 2.1).
Цилиндрический бикалориметр делится на два коаксиально расположенных медных цилиндра, а зазор между цилиндрами (ядро и внешний цилиндр) запол 40
няется жидкостью и раствором. В свою очередь ядро (внутренний цилиндр) тоже состоит из измерительного (2) и компенсационного (3) цилиндров, позволяющих ликвидировать передачу тепла через верхний торец измерительного цилиндра. Внутренний и наружный диаметры внешнего цилиндра (1) соответственно равны 19,4 и 110 мм. Диаметр наружный внутреннего цилиндра равен 18,2 мм и длина измерительного цилиндра – 165,0 мм, компенсационного – 50 мм. Толщина исследуемого слоя составляет 0,605 мм [2–4, 33,73–79].
Компенсационный цилиндр сверху на резьбе соединен с центрирующим конусом (8), уплотненном в корпусе внешнего цилиндра с помощью гайки (9). Через нижний конус (5), который прижимается фланцем (6) к корпусу внешнего цилиндра, прибор заполняется исследуемой жидкостью.
Температура в опыте и перепады температур на границах исследуемого слоя измерялись хромель–алюмелевыми дифференциальными термопарами (диаметр –0,15 мм) и потенциометром Р 37– 1 или автоматическим комплексом. Внутренний нагреватель и горячий спай измерительной термопары (11) находятся в цилиндрическом бикалориметре в атмосферном воздухе и полностью изолированы от исследуемой среды [2].
Второй спай дифференциальной хромель – алюмеловой термопары для измерения температуры опыта помещается в сосуд Дьюара. С помощью этой дифференциальной термопары и гальванометра типа М 195/1 также измерялась температура установки во время эксперимента. Величина перепада температур на границе исследуемого слоя составляла 1,31–0,65К, которые соответствовали 320 и 160 делениям шкала гальванометра [2].
Внешний и внутренний диаметры пережимного сосуда высокого давления (13), который изготовлен из нержавеющей стали и имеет длину 300 мм, соответственно равны 100 мм и 28 мм. В сосуд высокого давления в качестве разделителя использован полиэтиленовый мешочек (14) [2, 4, 8]. Давление создавалось и измерялось грузопоршневым манометром типа МП–2500 (16). В этом манометре МП – 2500 в качестве рабочего вещества (для создания необходимого давления) использовался глицерин (15) [2, 8]. Для измерения теплопроводности при повышенных и высоких температурах цилиндрический бикалориметр вставляется в электропечь. Зазор между внутренним и внешним цилиндрами бикалориметра, где размещается исследуемое вещество, для газов составлял 0,36 мм, а для жидкостей (масел) – 0,46–0,56 мм. Предварительные опыты показали, что наиболее оптимальное расстояние между цилиндрическими поверхностями бикалориметра для исследования жидкостей (масла) равно 0,605 мм. Видимо, это связано с тем, что масла обладают большой вязкостью. В связи с чем возникла задача провести дополнительное усовершенствование параметров бикалориметра. В частности, применить ряд мер по исключению конвективного переноса тепла, которое растет с увеличением толщины исследуемого слоя.
В экспериментальной установке в качестве разделительного вещества использован полиэтиленовый мешочек (14), что удобно и безопасно при использовании установки [2].
Необходимо отметить, что в используемом нами бикалориметре отсутствует нижний компенсационный цилиндр, нижний торец внутреннего измерительного цилиндра полностью погружен в исследуемую жидкость (масло), что несколько упрощает конструкцию бикалориметра.
Аппаратура для измерения теплопроводности жидкостей и растворов в зависимости от давления и температуры
Для измерения плотности использованы универсальный сосуд, позволяющий измерить плотность, а также исследовать P-р зависимость жидкостей растворов в интервале давлений и температур (рисунок 2.4) [2].
Усовершенствованный и изготовленный нами измерительный прибор состоит из двух сосудов высокого давления, в которых располагаются поплавки из двух трубок высокого давления для подвешивания в них сердечников из магнитного материала, соединяющих аналитические весы через магнитное поле соответствующих соленоидов с подвесными системами [2, 8]. Трубки высокого давления и сосуды, а также и другие узлы измерительного прибора изготовлены из ти 66 тана марки ВТ-6. Нижний сосуд предназначен для жидкой фазы и имеет диаметр 24 мм, внешний-100 мм и внутреннюю высоту 75 мм. Данный сосуд закрепляется с помощью горизонтальных винтов и приспособлений (5, 7, 10) к трем вертикальным стойкам (3). К нижнему сосуду снизу подсоединена капиллярная трубка высокого давления из нержавеющей стали (4) с помощью конусного уплотнителя (8) и накидной гайки (6), соединяющей измерительный прибор с системой создания и измерения давления. Трубка высокого давления (11) с конусным концом с помощью накидной гайки герметично соединяется с сосудом. Между трубкой высокого давления и накидной гайкой имеется пространство, где помешается катушка-датчик подвесной системы. Внутренний диаметр трубка высокого давления равен 7 мм, а внешний 16 мм, и его высота равна 163 мм [2].
В верхнем и нижнем сосудах расположены датчики подвесной системы, состоящие из кварцевого поплавка. Поплавок верхний подвесной системы полый, его плотность равна 1,0952 г/см3, и объем немного больше нижнего. Он предназначен для измерения плотности жидкостей и их растворов.
Для измерения P-рзависимости жидкостей и растворов в измерительном приборе верхнего сосуда высокого давления снимали трубку высокого давления сверху, заглушали, и после откачки воздуха измерительный прибор заполняли исследуемой жидкостью.
В предыдущих установках, выполненных по методу гидростатического взвешивания, датчик подвесной системы находился внутри измерительного прибора и имел непосредственное соприкосновение с исследуемыми жидкостям и растворами[2, 8, 66]. Во–первых, данная конструкция проводила к загрязнению исследуемой жидкости и растворов из–за покрытия проволоки датчика различными лаками, и во-вторых, имела ограниченный диапазон изменения давления. В связи с этим нами была усовершенствована новая электронно–следящая система.
Датчики первых электронно-следящих систем установок профессора И.Ф. Голубева невозможно было вывести наружу [63]. Они являлись составной частью генератора электронно-следящей системы, собранной на основе индуктивной трехточки [2, 8]. При выводе наружу датчика электронно-следящей системы резонансная частота резко уменьшается из-за того, что добротность катушки датчика падает. Естественно, что при низкой добротности катушки-датчика подвесную систему привести во взвешенное состояние не удается [2, 8].
Следует отметить, что электронно-следящие системы, основанные на элементе генератора индуктивной трехточки чувствительны ко всяким настройкам, что в конечном итоге приводит к трудностям в работе с ними.
Второй вариант электронно-следящей системы, разработанный в лаборатории И.Ф. Голубева, основан на более простом принципе [89].
В этом варианте чувствительным элементом является мост переменного тока, в одно плечо которого подают переменное напряжение частотой 100 кГц, с другого плеча снимается напряжение разбаланса моста, в дальнейшем напряжение уменьшается и подается на регулирующий элемент тока тягового соленоида [2, 8, 89]. Профессором К.Д. Гусейновым была установлено, что при вынесении наружу катушки–датчика электронно–следящей системы мост переменного тока не чувствует хода сердечника подвесной системы. При использованной частоте 100 кГц экранирующая способность трубки высокого давления велика [66].
Второй вариант электронно-следящей системы проф. И.В. Голубева при частоте до 2,6 кГц работал неустойчиво, так как использованный усилитель низкой частоты становился неустойчивым, что было связано с симметричным входом и несимметричным выходом моста переменного тока [89].
После получения вышеизложенных результатов предварительных исследований профессором Гусейновым [66] разработана новая электронно-следящая система, принципиальная электрическая схема которой приведена на рисунке 2.5.
Данная электронно–следящая система в основном состоит из следующих узлов: моста переменного тока генератора синусоидальных колебаний, усилителя низкой частоты активного двухполупериодного детектора фазокорректирую-щей цепочки, регулирующего элемента тока взвешивания, усилителя постоянно
Определение погрешности измерения теплопроводности методом цилиндрического бикалориметра
Проблема жидкого состояния вещества является одной из наиболее сложных проблем молекулярной и статической физики.
Попытка теоретического описания свойств жидкостей связана с введением ряда ограничивающих предположений или с использованием далеко не безупречных моделей. Для расчета оценки теплопроводности жидкостей целесообразно использовать полуэмпирический подход, такой, например, как в работе [124], в котором вывод формулы для теплопроводности жидкостей сделан на основе общей формулы Дебая: A pcocJcp. (3.16) В выражении (3.16) эффективный коэффициент теплопроводности зависит от плотности р, удельной теплоемкости cv, скорости звука си , и длины свободного пробега носителей энергии 1ср. Было показано, что скорость звука (скорость фотонов) в жидкостях и растворах можно выразить через Ткип и плотность р и др. Эксперимент показывает, что отклонения от расчета довольно значительны. При одинаковом числе молекул отклонения тем больше, чем больше вязкость жидкости. Если учесть коэффициент динамический вязкости ju, то скорость звука можно представить в следующем виде [4]: (к 1 2 со \ р /А (3.18) В формуле Дебая (3.18) осталось выразить произведение cv -/ через физические характеристики жидкости. При одинаковом числе атомов произведение (cv-lcp) с точностью до постоянного множителя равно: 100 cv-lcp—у . (3.19) /г2 Формула для расчета эффективного коэффициента теплопроводности примет следующий вид: Ґ Ч V (к У2 і/ і р і/ /И2 v Р ) Л = В-р /иАъср1Г (3.20) Пренебрегая членом, содержащим вязкость //, Миснар [125] для расчета теплопроводности жидкости получил следующее выражение: A = B(Tкип-pf cр. (3.21) Множитель В считать постоянным для жидкостей, имеющих одинаковое число атомов в молекуле, и равным: Тогда окончательный вид выражения для расчета эффективного коэффициента теплопроводности жидкости при нормальных условиях принимает вид [4]: уи-ш / \i/ кал Х0 = (ткипррсР , , (3.22) 90-КГ6 у/ кал N/4 кип с Р см-с-К где Ткип -температура кипения, К; р- плотность при t = 0оСи атмосферном давлении; ср - удельная теплоемкость, при постоянном давлении; N - число атомов в молекуле [2]. Результаты расчета по этой формуле (3.22) совпадают с экспериментальными данными с погрешностью менее 10 % [8].
Для количественной оценки влияния температуры на изменение эффективного коэффициента теплопроводности жидкостей можно воспользоваться формулой Миснара [8, 125]. Результаты расчета по формуле (3.23) дают значения эффективного коэффициента теплопроводности в диапазоне температур от -50 до 50 С, если значение 0 известно с точностью до 5 %. При сжатии жидкости увеличивается плотность, молекулы сближаются, их взаимное притяжение становится сильнее, связь между ними усиливается, вязкость и теплопроводность увеличиваются. Влияние давления на эффективный коэффициент теплопроводность при t=0С по формуле [125] можно определить с точностью 5 %. Г Р Л%\ кал 2/ с-К X=X0\l +Ц -Р-)3 I кал , (3.24) L (ТкипРГ 144 J см где Р- давление, кг/см2; Х0 -теплопроводность при t = 0 С и атмосферном давлении [102, 107, 108]. При температуре t С и повышенном давлении эффективный коэффициент теплопроводности определяется по формуле [125]: 1 ( Р V3 v =jJi + ІГг\ І кал . (3.25) (Ткип.р) 144-0,3tJ см-с-К В 1951 г. Ридель предложил эмпирическое соотношение для эффективного коэффициента теплопроводности водных растворов электролитов: А = Ав+ хЛ, (3-26) где -теплопроводность воды; л -мольная концентрация электролита; хг - эмпирический коэффициент для каждого электролита. 102 В 1956 г. Н.В. Варгафтик и Ю.П. Осминин для расчета теплопроводности водных растворов электролитов любой концентрации рекомендовали следующее эмпирическое выражение [2, 6]: где сРв,сРэ-удельная теплоемкость воды и раствора электролита при постоянном давлении; рв рэ -плотность воды и электролита; Мв -масса молекулы воды в атомных единицах; Мэ -приведенная молекулярная масса раствора электролита [2].
В 1960 г. Ф.Г. Эльдаров в работе предложил для расчета теплопроводности водных и неводных растворов электролитов следующее эмпирическое уравнение [2]: Л = Л1+(Л2-Л1)-Н/М ,Ne = 1 , (3.28) N/ е М где Л1 - эффективная теплопроводность растворителя; Л2- эффективная теплопроводность соли в растворе, N2,P2,M2 - мольная концентрация соли, плотность в растворенном состоянии и молекулярная масса, соответственно. В 1966 г. Миснар в работе [125] для расчета эффективного коэффициента теплопроводности рекомендовал следующее полуэмпирическое выражение [2]: Лс =93-Ю2Рл[ Тпл М) , Вт/м (3.29) где М, Р, Тплр, - соответственно молекулярная масса, число атомов в молекуле, температура плавления вещества и плотность электролита. Естественные и искусственные материалы имеют структуру с взаимопроникающими компонентами [2]. Компоненты в структурах являются геометрически равноправными, т. е. смеси обладают инвариантностью при замене местами компонентов [4]: 103 Л = f1(Л1,Л2) = f(Л2,Л1\m1 =m2. (3.30)
Обработка и обобщение экспериментальных данных теплопроводности растворов подсолнечного масла
Нами исследована плотность растворов («подсолнечное масло + Н– гексан») при различных давлениях (0,101–98,10) 105 Па и температурах (290-540) К и концентрации Н–гексана на экспериментальной установке, работающей по методу гидростатического взвешивания [8, 102, 103, 104, 105, 106].
Исследование показало, что плотность подсолнечного масла и его растворов зависит от давления, температуры и концентрации растворителей, входящих в их состав.
Необходимо отметить, что в последние годы растворы с жидкими компонентами имеют весьма широкое распространение в технике и используются в теплообменных устройствах, во многих технологических процессах, а также в качестве рабочего тела, окислителей, топлива, восстановителей, защитных устройств, нагревающих и охлаждающих сред, растворителей, вытеснителей, дубителей и других. Жидкое состояние веществ и их растворов охватывают широкую область давлений и температур [2, 4, 7, 9].
Влияние давления и температуры на плотность растворов с жидкими компонентами проявляется в основном в изменении свойств исходных компонентов жидкой системы [4].
Однако, несмотря на широкое применение растворителя Н–гексана и растворов подсолнечного масла, необходимо отметить, что их теплофизические и термодинамические свойства недостаточно изучены. В настоящее время методы расчета теплофизических свойств, в основном, (модель Максвелла и Дульнева ) базируются на обобщении экспериментальных данных по изучению теплофизических свойств, а именно определении тепло 75 проводности и плотности жидких растворов в в зависимости от давления и температуры. Поэтому мы перед собой ставили задачу экспериментально определить плотность подсолнечного масла в зависимости от концентрации Н-гексана в интервале давлений (0,101–9,81)МПа и температур от 293 до 539,2К. Для измерения плотности систем подсолнечного масла + Н–гексана использован метод гидростатического взвешивания. В растворе подсолнечного масла и Н–гексана концентрация Н–гексана изменялась от 0 до 75%. Погрешность измерения плотности этим методом равно 0,13 % [4, 8, 103, 105].
График зависимости плотности подсолнечного масла от концентрации растворителя Н–гексана показан на рисунке 3.1. Как видно из рисунка 3.1, с увеличением концентрации растворителя и температуры плотность исследуемых веществ уменьшается по линейному закону [103].
Ранее нами были измерены только плотность Н–гексана в широком интервале давлений и температур [6]. Однако, необходимо отметить, что наши результаты исследований плотности совпадают с данными вышеуказанной работы с погрешностью 0,13 % . Измерения плотности растворов подсолнечного масла в зависимости от концентрации растворителя (Н-гексана), от давления и температуры исследуются впервые. Измерения проводились по изотермам, и при измерениях шаг давления равнялся (49-105 -98-105) Па, а шаг температуры (20-40) К [102-106].
Рисунок 3.2. Зависимость плотности системы «подсолнечное масло + 24,75% Н-гексана» от температуры при различных давлениях: 1-9,81; 2 – 19,62; 3 – 29,43; 4 – 39,24; 5 – 49,05; 6– 58,86; 7 – 68,07; 8 – 78,48; 9 – 88,29; 10 – 98,10 МПа[103]
Рисунок 3.3. Плотность системы «подсолнечное масло + 24,75% Н-гексана» от температуры и давления: 1 – 0,101; 2 – 4,9; 3 – 9,81; 4 – 19,62; 5 – 29,43; 6 – 39,24; 7 – 49,05; 8 – 58,86; 9 – 68,07; 10 – 78,48; 11 – 88,29; 12 – 98,10 МПа [103] Рисунок 3.4. Плотность системы подсолнечного масла + 50,32 % Н-гексан в зависимости от температуры при различных давлениях: 1 – 0,101; 2 – 4,9; 3 – 9,81; 4 – 19,62; 5 – 29,43; 6 – 49,01; 7 – 58,86; 8 – 68,67; 9 – 78,48; 10 – 88,29; МПа [103]
Молекулы растворов под влиянием внешнего давления приближаются, друг к другу, при этом уменьшается объем раствора, поэтому с повышением давления плотность раствора увеличивается [4, 8, 103–106]. Например, при концентрации 50 % Н-гексана характер зависимости плотности от давления показан на рисунке 3.5. Согласно рисунку 3.5, при давлении 20 МПа плотность равна 670 кг/м3 и при давлении 100 МПа – 770 кг/м3. Отсюда видно, что возрастание давления на 80 МПа приводит к увеличению плотности на 15 % [103–106].
С ростом температуры расстояние между молекулами растворов и их компонентов увеличивается, и это приводит к уменьшению их плотности.
Исследования показали, что с ростом концентрации растворителя плотность подсолнечного масла уменьшается. Самое малое значение плотности имеет Н–гексан и самое большое значение – подсолнечное масло (рисунок 3,2 и 3,5) [103, 105].
Исследование теплопроводности растворов при различных концентрациях Н–гексана, температурах и давлениях, условиях изготовления и эксплуатации представляет определенный интерес как в научном, так и в практическом плане [102, 107–109].
Теплопроводность растворов системы подсолнечного масла и Н-гексана, исследованная в широком интервале давлений ((0,101–49,01) МПа) и температур ((293–539,2) К), при различных концентрациях Н–гексана, изменяется в пределе от 10 до 90 % (рисунок 2.1) [109].