Содержание к диссертации
Введение
1. Краткий обзор методов, установок и низко температурных измерений вязкости шдких фреонов 12
1.1. Низкотемпературные измерения вязкости жидких фреонов 12
1.2. Методы и установки для измерения вязкости 21
2. Описание экспериментальной установки и методика опрвделения вязкости 34
2.1. Экспериментальная установка для исследова ния вязкости фреонов 34
2.1.1. Система термостатирования 34
2.1.2. Методика создания и поддержания температуры. Система измерения температуры . 36
2.1.3. Конструкция и способ крепления насоса-расходомера и капилляра 40
2.1.4. Системы вакуумирования, создания и измерения давления, измерения времени истечения 42
2.1.5. Конструкция горизонтального криостата 42
2.2. Методика калибровки капилляра, насоса- расходомера и определение вязкости из данных опыта 46
3. Расчет и аттестация данных о плотности фреонов 55
4. Результаты экспериментального исследования вязкости фреонов. Расчет погрешности измерений ... 80
4.1. Измерения вязкости 80
4.2. Расчет и анализ погрешности измерений вязкости фреонов
5. Вязкость жидких фреонов в состоянии переохлаждения 116
6. Обработка и обобщение данных о вязкости фреонов 121
6.1. Сопоставление полученных результатов с данными других авторов 121
6.2. Уравнения для расчета вязкости жидких фреонов 126
6.3. Аттестация справочных данных о вязкости.. 144
Заключение 160
Литература
- Методы и установки для измерения вязкости
- Методика создания и поддержания температуры. Система измерения температуры
- Расчет и анализ погрешности измерений вязкости фреонов
- Уравнения для расчета вязкости жидких фреонов
Введение к работе
Задачи, поставленные партией и правительством в текущем десятилетии, предусматривают дальнейшее развитие различных отраслей народного хозяйства с целью наиболее полного удовлетворения потребностей советского народа. Большое место, как указывается в Продовольственной программе [i] , отводится применению искусственного холода при переработке и хранении продуктов сельского хозяйства. Сюда относятся как применение новой технологии замораживания различных продуктов (например, хранение зерна, фруктов, мяса, быстрозамороженных на азотном уровне температур), так и использование уже существующих машин и аппаратов с применением новых более экономичных и производительных рабочих тел. Большую роль в развитии холодильной и криогенной техники играет применение предельных галогенпро-изводных соединений - фреонов.
В связи с расширением диапазона температур, которыми оперирует современная холодильная и криогенная техника, в настоящее время наметилась тенденция применения как чистых фреонов, так и их двух и многокомпонентных смесей для достижения необходимого уровня охлаждения. К наиболее применяемым и перспективным холодильным агентам относятся, в частности, фреоны /?13, /Р22, /?23, /?П4, У?П5, /?2I8, R I3BI.
Фреон /РІЗ, например, применим в качестве холодильного агента высокого давления в нижних ступенях каскадных машин для достижения уровня температур ~150 К. В этих же целях он пригоден в сочетании с фреонами RI2 и 22. В свою очередь фреон R 22 перспективен для применения в каскадных машинах, а в поршневых двухступенчатого сжатия пригоден для достижения температуры ~190 К. Для получения температуры около I50K
вполне применим в качестве агента высокого давления фреон у? 23.
В тех случаях, когда необходимо располагать холодильным агентом низкого давления, применяется фреон /?П4. Его используют в турбокомпрессорных холодильных машинах, для кондиционирования. Весьма перспективным является применение фреона R 218 в качестве гидравлической жидкости аппаратов, работающих в условиях криогенных температур.
Кроме того, что перечисленные фреоны обладают весьма удобными свойствами как холодильные агенты, они являются малотоксичными, невзрывоопасными, неагрессивными по отношению к конструкционным материалам. Обладают они также благоприятными теплофизическими свойствами. Все эти качества и определяют широкое применение фреонов как в качестве хладагентов, так и в электротехнике, авиационной и химической отраслях промышленности, в установках на вторичных ресурсах промышленных предприятий и геотермальных источниках [2 - 10J .
Использование фреонов в самых разнообразных установках с различными температурными режимами (от достижения глубокого холода до получения энергии) повлекло за собой необходимость обладания надежными сведениями об их тешюфизических свойствах. В частности, весьма важными и необходимыми для гидравлических и тепловых расчетов являются сведения о вязкости рабочих тел того или иного аппарата.
Поскольку различные эмпирические и полуэмпирические зависимости не в состоянии удовлетворить потребность в надежной информации о тешюфизических свойствах рабочих веществ в широком диапазоне параметров, в настоящее время ведутся интенсивные разработки в области газообразного, жидкого и твердого состояния вещества. Следует отметить, что если для газа и твер-
дого тела достигнуты значительные успехи, то теория жидкого состояния еще далека от совершенства. Здесь исследователи столкнулись с рядом трудностей, обусловленными промежуточным положением жидкости между газом и твердым телом.
По результатам рентгеноструктурного анализа в жидкости с одной стороны наблюдается расположение рассеивающих центров, сходное с газом, с другой - наблюдается упорядочение их, сходное с твердым телом. Это породило многочисленные модели жидкого состояния, приводящие к несопоставимым результатам.
Для дальнейшего развития теории жидкого состояния весьма ценным на данном этапе является накопление экспериментальных данных о теплофизических свойствах в широком диапазоне параметров. Сюда входят также опыты при высоких давлениях, которые, казалось бы, пока не применяются в технике, но имеют большое значение для совершенствования теории жидкого состояния вещества. К не менее важным экспериментам следует отнести также измерения в области точки замерзания и метастабильном состоянии переохлажденной жидкости, несущие ценную информацию о структуре вещества и структурных преобразованиях.
Все сказанное выше в полной мере относится и к экспериментам по измерению вязкости, которые проводились многими исследователями многочисленными методами. Из всех известных методов следует особо отметить метод капилляра, получивший широкое распространение в различных модификациях. Достоинством этого метода является его теоретическая обоснованность, на установках, реализующих его, получены многочисленные данные о вязкости большой группы технически важных веществ.
Этим объясняется тот факт, что многие исследователи продолжают совершенствовать метод с целью повышения точности и надежности результатов измерений. Совершенствование метода
сводится к проблеме выбора материала капилляра, его обработке, влияние неравномерности диаметра и формы по длине, измерения расхода исследуемого вещества и перепада давлений на конечный результат.
Поскольку для вычисления вязкости из данных опыта необходимо располагать значениями плотности исследуемого вещества, весьма существенным для улучшения метода является поиск экспериментальных данных, либо надежных расчетных методов определения плотности.
Вместе с тем, следует отметить, что ежегодно появляется большое количество новых рабочих тел, темпы их использования в технике значительно опережают возможности экспериментальных методов исследования. Эксперимент не в состоянии полностью удовлетворить потребности науки и техники в данных о вязкости газов и жидкостей. Поэтому в настоящее время ведется интенсивный поиск методов расчета свойств веществ на основании имеющегося экспериментального материала или минимального дополнительного.
В настоящей работе для исследования выбраны наиболее применяемые и перспективные фреоны /PI3, /Р22, /Р23, /PII4, ^115, /P2I8 и /Р I3BI. Имеющийся к настоящему времени массив экспериментальных данных относится, в основном, к линии насыщения либо к газовой фазе при высоких температурах. Сведения о вязкости фреона /P2I8 в литературе отсутсвовали вообще.
В связи с изложенным, при выполнении диссертационной работы были поставлены следующие задачи:
Экспериментальное исследование вязкости жидких фреонов /? 13, /Р22, /Р23, ^114, /ЄІІ5, /?218 и /РІЗКЕ при низких температурах (от точки плавления до 300 К) и давлениях до 60 МПа.
Исследование применимости уравнения Гиршфельдера, Бю-
лера, Мак-Ги и Саттона (ГБМС) для расчетов значений плотности, необходимых при вычислении вязкости из данных опыта.
Проведение эксперимента для фреонов R 13 и RI3BI в состоянии переохлажденной жидкости с целью выяснения поведения вязкости при переходе через кривую плавления.
Выбор формулы аппроксимационного уравнения, описывающего вязкость фреонов в жидкой и газовой фазах в широком диапазоне параметров. Составление таблиц справочных данных.
Научная новизна. Создана экспериментальная установка для измерения вязкости методом капилляра, вынесенного в зону низких температур, с переменным во времени перепадом давлений.
Впервые получены экспериментальные данные о вязкости жидких фреонов в диапазоне температур для R13 - 90 - 300 К; R 22 - 115 - 300 К; /Є23 - 120 - 300 К; R 114 - 180 - 300 К; R 115 - 180 - 330 К; R 218 - 120 - 340 К; RI3BI -100 - 300 К при давлениях до 60 МПа.
Применено уравнение ГБМС для расчетов значений плотности фреонов, необходимых при вычислении вязкости из данных опыта.
Исследована температурная зависимость вязкости фреонов R 13 и RI3BI при переходе через кривую плавления.
Автор защищает:
- результаты экспериментального исследования вязкости
жидких фреонов в диапазоне температур для RlZ - 90 - 300 К;
R 22 - 115 - 300 К; R 23 - 120 - 300 К; R 114 - 180 - 300 К; R 115 - 180 - 300 К; R 218 - 120 - 340 К; R ІЗ BI -100 - 300 К при давлениях до 60 МПа;
- результаты экспериментального определения температур
ной зависимости для фреонов R 13 и /РіЗВІ в состоянии переох
лажденной жидкости и вблизи температуры плавления;
- таблицы рекомендуемых справочных данных о вязкости фреонов Л» 13, /922, /9 23, /9 114, /9 115, /9218, /9 I3BI в широком диапазоне параметров.
диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.
В первой главе приведен обзор работ, посвященных исследованию вязкости жидких фреонов и методов экспериментального измерения вязкости при низких температурах.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методики измерения вязкости.
В третьей главе приведен краткий обзор уравнений, пригодных для расчета плотности фреонов. На основании уравнения Гиршфельдера, Бюлера, Мак-Ги и Саттона составлены и аттестованы таблицы плотности жидких фреонов /913, /922, /9 23, /9114, /9115, /Р 218, /9 I3BI для температур и давлений, в которых измерялась вязкость.
В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования вязкости фреонов /913, /922, /9 23, /9114, /9 115, /9 218, /9I3BI. Приведен анализ погрешностей низкотемпературных измерений вязкости на примере фреона /922.
В пятой главе содержатся сведения о температурной зависимости вязкости фреонов /913 и /9 I3BI в состоянии переохлажденной жидкости и при переходе через кривую плавления.
Шестая глава посвящена сопоставлению полученных результатов с данными других авторов. Приведены уравнения для расчета вязкости жидких фреонов. На основании двухпараметричес-кой зависимости вязкости от плотности и температуры рассчитаны экспериментально обоснованные таблицы рекомендованных справочных данных исследованных фреонов в широком диапазоне параметров.
Работа выполнена на кафедре тешюхладотехники Одесского технологического института пищевой промышленности им.М.В.Ло-моносова в соответствии с планом рабочей группы по свойствам фреонов Советской Комиссии международного союза теоретической и прикладной химии.
Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному руководителю доктору технических наук, профессору В.Ф.Чайковскому и доктору технических наук, профессору В.З.Ге-ллеру за поддержку и болыцую помощь в работе.
I. КРАТКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ, УСТАНОВОК И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ВЯЗКОСТИ ЖИДКИХ ФРЕОНОВ
Постоянно растущие требования промышленности и науки к объему и точности данных о теплофизических свойствах современных хладагентов, в том числе и фреонов, привели к интенсивному развитию исследований в этой области. В настоящее время Международный институт теоретической и прикладной химии UUPAC ), Советский комитет по сбору и оценке численных данных в области науки и техники, Советская комиссия по термодинамическим таблицам, Государственная служба стандартных справочных данных (ГСССД) осуществляют накопление результатов исследований различных свойств технически важных рабочих веществ в широком диапазоне параметров состояния.
В связи с этим в лаборатории теплофизики 0ТИШІ им.М.В.ла моносова в период с 1970 по 1974 г.г. Иванченко проведены исследования вязкости фреонов в жидких и газообразных фазах при температурах от 240 до 430 К и давлениях до 60 МПа [її] . Настоящая работа является продолжением проведенных исследований и ставит целью изучение вязкости жидких фреонов при низких температурах.
I.I. Низкотемпературные измерения вязкости жидких
фреонов
Для большинства применяемых в настоящее время фреонов экспериментальные данные о вязкости в жидкой фазе представлены в весьма небольшом объеме, в основном лишь при давлении
насыщения и в ограниченном интервале температур. Последние данные о вязкости жидких фреонов в интересующем нас диапазоне температур датируются 1975 годом. В полной мере это относится и к объектам исследования настоящей работы - фреонам /РіЗ,/?22,/Р23, /ЄП4,/РП5,/?2І8 и/?ІЗВІ (см. табл.І.І).
Так, для фреона RІЗ значения вязкости нри температурах менее 273 К представлены лишь в трех исследованиях. В работах Гордона с сотрудниками [I5J и Филлипса и Марфи [21J получены, соответственно, 7 и 8 экспериментальных точек при давлении насыщения. Лишь в работе Иванченко [IlJ получено 108 точек в интервале температур 244-433 К и давлений 0,1-59 МПа, в том числе 8 точек на линии насыщения при низких температурах.
Несмотря на то, что все три работы выполнены одним методом, максимальные отклонения достигают 9$. К сожалению, отсутствие в источниках |_15, 2l] достаточно полного описания методик измерения не позволило выяснить причины столь значительных расхождений.
Фреон /Р22 можно считать наиболее изученным (известны работы десяти авторов), но и здесь массив данных весьма ограничен. В наиболее ранней работе Беннинга и Марквуда |_23J , датируемой 1939 годом, медод катящегося шара использован для получения 5 экспериментальных точек, Кинзер |_I2J и Эй-зель [l4j тем же методом получили по 4 точки. Метод катящегося шара был применен также Гержкой и Пиктхалем [24 J (2 точки), Рилеем |_I3j (5 точек). Более поздние работы реализуют метод капилляра. Так, в работах [15, 21, 28J представлено по 8 точек при давлении насыщения. Лишь только данные Бутырской [25, 26J насчитывают 199 точек, но они представлены, в основном, при высоких температурах, а дан-
Таблица I.I Перечень экспериментальных работ по вязкости жидких фреонов при низких температурах
Авторы Год
Метод Темпе- Дав- Коли-
измере- ратура, ление, чество
ния К МПа точек
Продолжение таблицы I.I
Филлипс, Марфи [21J Иванченко [ill Филатов [_22J
1970 к. 190-257 р 7
к. 273-433 Ш,0-58,9 93
к. 203-453 0,2-40 162
Продолжение таблицы I.I
Авторы
Метод Темпе- Дав- Коли-
Год измере- ратура, ление, чество
ния К МПа точек
Филлипс, Марфи [21J Тори, Роджер [29]
Филлипс, Марфи [21]
Филлипс, Марфи [2l]
Штакельбек [зо] Беннинг, Марквуд |_23 J Авберри, Гриффите [І?]
Беннинг, Марквуд [23J
Кинзер Лилиос
Иванченко [ilj
Беннинг, Марквуд [23J Кинзер [l2J Филлипс, Марфи |_2IJ Бутырская [25J
Лилиос [18J Гордон, Гамильтон, Фонтайн [l5j Филлипс, Марфи [21J Бутырская [25J
к. к. к.
# 8
/? 8
0,1-49,1 199
ные Иванченко [27J - 57 точек, из которых лишь 18 относятся к низким температурам.
Имеющиеся экспериментальные значения вязкости фреона у? 22 на линии насыщения согласуются с максимальным отклонением от 1,5 до 9,3$. Данные же, полученные методом капилляра [_15, 21, 25-28J , обнаруживают отклонения не более 2%, что иллюстрирует рис.1.1. Лишь для данных Бутырской [26J и Иванченко [27 J в одной точке Т = 300 К отклонения составляют, соответственно, 3,2 и 4,6$.
Фреон /f 23, также один из наиболее применяемых и перспективных хладагентов, представлен в литературе тремя исследованиями. Филлипс и Марфи [21J получили 7 экспериментальных значений на линии насыщения. Работа Иванченко [ilj представлена 93 точками, из которых 12 относятся к температурам ниже 273 К. Филатов [22J получил 162 точки.
Методы и установки для измерения вязкости
На основании анализа табл.1.1, иллюстрирующей имеющиеся литературные данные, можно заключить, что сведения о вязкости фреонов крайне недостаточны как по диапазону изученных параметров, так и по объему и качеству экспериментального материала. Сопоставление полученных значений вязкости обнаруживает существенное несоответствие результатов различных авторов, что делает весьма затруднительным выбор достоверных данных для нужд науки и техники.
Методы и установки для измерения вязкости Из всех известных методов, как следует из таблицы I.I, для измерения вязкости жидких фреонов в области низких температур применены лишь методы катящегося шара, падающего груза и капилляра.
Измерения вязкости по методу катящегося шара сводятся к замерам времени прохождения шариком фиксированного расстояния внутри наклонной трубки. Истечение исследуемого вещества при этом происходит через серпообразный зазор между трубкой и шариком. Вычисление вязкости из опытных данных производится по эмпирической зависимости, установленной Флауэрсом [34І и Герсеем [зб] где Т - время скатывания шарика; Р ,Р - плотности шарика и исследуемого вещества; к - константа прибора.
Несмотря на значительную погрешность (5-6$), метод в области низких температур использовали Кинзер [l2j , Рилей [l3J , Эйзель [l4J , Авберри и Гриффите [l7j , Беннинг и Марквуд [23J , Лилиос [l8J , Гержка и Пиктхаль [24J . Такая популярность метода объясняется исключительной простотой установок, его реализующих, и несложностью эксперимента.
Метод падающего груза впервые был применен Бриджменом _36J для измерения вязкости органических жидкостей при высоких давлениях. Вязкость некоторых жидких фреонов при низких температурах этим же методом была измерена Штакельбеком [_30 J и Бикульшиным _32J .
Согласно приближенной теории Ловачека _37j , вязкость из данных опыта в случае истечения исследуемого вещества через цилиндрический зазор между трубкой и падающим в ней грузом, определяется как где соответственно, радиусы пилиндрической трубки и груза; h - высота падения груза; Т - время падения груза; р ,JD - плотность груза и исследуемого вещества. Погрешность измерения этим методом составляет 5-8$ и используется он, в основном, как относительный. В таком виде метод падающего груза для исследования вязкости жидкого метана, этана, пропана и н-бутана при низких температурах вблизи линии насыщения использовали Свифт, Христи, Лоренц и
Установка Свифта состоит из вискозиметрической трубки из стекла пирекс, внутри которой падает груз пилиндрической формы, помещенный в криостат с термостатирующей жидкостью, представляющей собой сосуд Дьюара. На вискозиметрической трубке размещены две магнитные катушки для фиксации времени падения груза. Регулирование температуры на необходимом уровне осуществлялось при помощи испарителя и змеевика, через которые пропускался жидкий азот, и двух электронагревателей. Измерение температуры производилось при помощи платинового термометра сопротивления с точностью до +0,01 К, давления - пружинными манометрами. Время измерялось автоматическим хронографом.
Погрешность полученных результатов оценивается авторами в +5$.
Описанная установка позволяет производить замеры лишь при давлении насыщения. Для измерений в области более высоких температур и давлений была создана аналогичная установка Ван-Уиком, Ван-дер-Вьеном, Бринкманом и Сидером [401 .
Здесь для разгрузки от давления вискозиметрическая трубка помещалась в термостатируемый металлический автоклав. Измерение времени падения груза осуществлялось двумя емкостными датчиками. Возврат груза в исходное положение производился путем поворота автоклава на 180 вокруг горизонтальной оси.
Методика создания и поддержания температуры. Система измерения температуры
Экспериментальная установка, схема которой приведена на рис.2.1 , состоит из криостата 20 со стеклянным измерительным капилляром 23, вискозиметрического сосуда 3 с расположенным в нем ртутным насосом-расходомером, систем ваку-умирования и заполнения установки, создания и измерения давления, термостатирования, измерения температуры в зонах капилляра и насоса-расходомера, измерения времени истечения и системы коммуникаций.
Основной частью экспериментальной установки является криостат, состоящий из медного блока 20 диаметром 56 мм и длиной 300 мм. На поверхности блока нарезаны специальные каналы, представляющие собой резьбу М 56x3 с уменьшенным внутренним диаметром, по профилю которой уложены бифиляр-но три нагревателя - центральный и два концевых. Нагреватели изготовлены из константановой проволоки диаметром 0,18 мм и имеют суммарную мощность 6 Вт. Питание нагревателей осуществлялось от двух последовательно включенных лабораторных автотрансформаторов типа J3ATP-2. В медный блок запрессован автоклав 21 диаметром 9 мм из стали XI8HI0T, в котором находится стеклянный измерительный ка пилляр 23. В нижней части автоклава расположен чехол 24 для измерительного термометра сопротивления таким образом, что чувствительный элемент термометра находится в непосредственной близости от рабочего участка капилляра.
Медный блок установлен в латунном стакане 25, на котором бифилярно навит змеевик 22, изготовленный из медной трубки внутренним диаметром 3 мм для прокачки жидкого азота. В целях улучшения условий теплообмена змеевик залит оловом.
Особенностью данного криостата является то, что латунный стакан 25 вместе с навитым змеевиком 22 навинчивается на медный блок при помощи той же специальной резьбы, в каналах которой установлены нагреватели. Такая конструкция обеспечивает хороший контакт проводящих тепло частей криостата и позволяет без трудностей производить сборку нагревателей.
Тепловая изоляция криостата обеспечивалась слоем ультратонкой базальтовой ваты.
Для поддержания необходимой температуры жидкий азот из сосуда Дьгоара 26 поступал в змеевик 22 криостата и откачивался вакуум-насосом 17 через дифференциальный игольчатый вентиль 18, позволяющий весьма тонко регулировать расход. Контроль скорости откачки азота осуществлялся по образцовому вакууметру 16. Для форсированного охлаждения криостата применялся байпасный вентиль 19 большого сечения. При регулировании температуры на заданном режиме устанав ливался расход азота, обеспечивающий незначительный темп переохлаждения, которое компенсировалось тепловым потоком регулирующих электронагревателей, включенных в схему чувствительного электронного терморегулятора позиционного типа (рис.2.2). В качестве датчика температуры использовался 46-омный платиновый термометр сопротивления, установленный в сверлении медного блока. Неравномерность температурного поля по длине криостата контролировалась дифференциальными медь-константановыми термопарами, изготовленными из проводов диаметром 0,1 мм. Измерения показали, что при температурах порядка 100 К градиент температур по длине не превышал РКГ4 К/мм.
Расчет и анализ погрешности измерений вязкости фреонов
Определение геометрических характеристик измерительных капилляров и насосов-расходомеров осуществлялось согласно получившей широкое распространение методике [45, 47, 50J . По этой методике сначала производилась оценка эллиптичности внутренних диаметров при помощи микроскопа УИМ-2І. Затем, на тщательно вымытых и просушенных капиллярах выбирались участки с постоянным диаметром, для чего по длине капилляра перемещался столбик ртути высотой около 15 мм. После кавдого из перемещений ртутного столбика производился замер его длины катетометром типа КМ-8. Неизменность длины столбика свидетельствовала о постоянстве диаметра.
Радиус капилляров определялся посредством многократного заполнения ртутью. В процессе тарировки измерялись длины ртутных столбиков и производилось взвешивание ртути после всех заполнений на весах типа BIA-2QM. Затем по формуле (2.1) вычислялось значение радиуса гДе тозщ ,sut общи6 вео и длина ртутных столбиков; р - плотность ртути при температуре тарировки. В связи с наличием расширений на концах капилляров, об разувдихся при пайке, определялась их эффективная длина в соответствии с методикой [45, 50J . При этом использовался график изменения диаметра капилляра по длине (рис.2.6), из которого следует, что длина капилляра складывается из трех частей: отрезка ВС с постоянным и отрезков СД и АВ с изменяющимся внутренним диаметром. Эффективная длина находится из выражения где A - длины, на которых диаметр можно считать постоянным; 4 - отрезок ВС с постоянным диаметром; П - число участков на расширяющихся концах капилляра. Для определения объема измерительного баллончика насос-расходомер полностью заполнялся ртутью. Затем ртуть выпускалась из нижней воронки через гибкую хлорвиниловую трубку с капиллярным наконечником в бюксы. Количество ртути, вытекшей из измерительного объема, определялось путем взвешивания бюксы на аналитических весах типа BIA-200. Объем баллончика определялся по весу вытекшей ртути по формуле
Контроль за истечением ртути осуществлялся по размыканию верхнего и среднего контактов расходомера, включенных в цепь миллиамперметра. Для измерения общей высоты ртутного столба в насосе L1ff и LZH и разности уровней ртути в начале Нгн
Замеры всех перечисленных геометрических характеристик производились катетометром типа КМ-8 с точностью 0,01 мм. В ходе тарировки капилляров измерялась температура используемой ртути. Значения плотности ртути, необходимые для вычисления радиусов капилляров и объемов расходомеров взяты из [51] .
Результаты тарировок представлены в табл.2.I и 2.2. Обоснованием метода капилляра является уравнение Гагена-Цуазейля для ламинарного течения газов и жидкостей, выводимое строго теоретически где р-р - перепад давления на концах капилляра; ґ - радиус капилляра; г/ - объем газа, протекающего через капилляр в единицу времени; Z, - длина капилляра. Все капиллярные вискозиметры основаны на применении уравнения (2.4), однако при вычислении вязкости из данных опыта в зависимости от конструкции вискозиметра и условий опыта в это уравнение вводится ряд поправок.
Подробный вывод уравнения для определения вязкости из результатов опыта представлен в работе [45J . После введения поправок на кинетическую энергию текущего через капилляр вещества, на изменение плотности ртути и вещества в зависимости от условий опыта, на изменение геометрических размеров капилляра с изменением температуры уравнение окончательно имеет вид
Уравнения для расчета вязкости жидких фреонов
Предварительная проверка возможностей уравнения ГБМС производилась путем сопоставления рассчитанных значений плотности с имеющимися в литературе экспериментальными и табличными данными. В таблице 3.1 приведен перечень веществ, для которых эта процедура осуществлялась, исследованный интервал параметров состояния и источник.
Сопоставление полученных результатов с экспериментальными и табличными данными, как видно на рис.3.2, показало, что в околокритической области расхождения являются значительными (до 3 - 4%). С понижением температуры до 0,7-0,8 точность описания термодинамических свойств существенно возрастает и становится соизмеримой с точностью экспериментальных и табличных р , гг ,7" - данных. Так, для фреона RII максимальное отклонение не превышает 0,52$, для фреона R22 - 0,65$, для фреона R ИЗ - 0,30$. Таков же порядок расхож 60
В связи с тем, что диапазон параметров состояния, при которых нами измерялась вязкость жидких фреонов, значительно шире представленного в литературе, проверка работоспособности уравнения ГШС в области низких температур вплоть до точки плавления производилась путем сопоставления рассчитанных значений плотности фреонов /f 22 и R 218 с полученными экспериментально на установке, созданной в лаборатории теплофизики ОТИШ им.М.В.Ломоносова.
Установка (рис.3.3), работающая по методу гидростатического взвешивания _83J , состоит из криостата 9, аналогичного описанному нами ранее в главе 2 для измерений вязкости. В криостат запрессован автоклав 8, представляющий собой нержавеющую трубку, заглушённую с нижнего конца. Посредством толстостенной нержавеющей трубки 6 автоклав сообщается с верхней камерой 5. Система автоклав- трубка- верхняя камера составляют замкнутый объем, в котором помещается подвесная система, состоящая из поплавка 10, ферромагнитного сердечника 4 и соединяющей их нихромовой нити 7.
Основной операцией при определении плотности является взвешивание подвесной системы. Связь подвесной системы с аналитическими весами 2 осуществляется с помощью электромагнитной катушки-соленоида 3, необходимое направление поля которой поддерживается специальной электронно-следящей системой I. Электронно-следящая система поддерживает ферромагнитный сердечник с поплавком во взвешенном состоянии.
Установка снабжена также системами терморегулирования, создания и измерения давления, заполнения, измерения температуры, аналогичные использованным в установке для исследования вязкости.
Конструкция терморегулятора такова, что при помощи моста постоянного тока типа МО-62 (задатчика температуры) в криостате можно получить любую желаемую температуру с отклонениями не более 0,01 К.
На установке была измерена плотность жидких фреонов /Р 22 и /Р 218 непосредственно при температурах, при которых измерялась вязкость.
Сравнение рассчитанных по уравнению ГБМС значений плотности фреонов с данными, полученными на этой экспериметаль-ной установке, как следует из таблицы 3.2, обнаружило расхождения не более 1,0$ практически во всем диапазоне исследуемых параметров, кроме температур, близких к температуре плавления. Такое совпадение расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о том, что применение уравнения ГЕМС правомерно для получения надежных данных о плотности, приемлемых при расчетах вязкости. Значения плотности исследованных фреонов, рассчитанные непосредственно для экспериментальных точек, приведены в табл.3.2 - 3.8.
