Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. основные характерис тики исследуемых веществ 17
1.1. Обзор литературных данных по теплофизическим свойствам кислородосодержащих растворов 17
1.2. Математическое моделирование тепловых процессов в углеродных нанотрубках и фуллеренах 21
Глава 2. Экспериментальные установки для иссле дования тепло-,температуропроводности и плотности растворов в зависимости от тем пературы и давления 37
2.1. Экспериментальная установка для измерения теплопровод-ности жидкостей и растворов при различных температурах и давлениях 37
2.2. Методика измерения теплопроводности растворов при раз-личных температурах и давлениях 44
2.3. Расчетное уравнение для вычисления теплопроводности на основе данных опыта. Проверка прибора на отсутствие конвекции 44
2.4. Расчет погрешности измерения теплопроводности температуропроводности и плотности по методу цилиндрического би колориметра регулярного теплового режима 50
2.5. Экспериментальная установка для измерения коэффициента температуропроводности жидкостей при различных темпера-турах и давлениях 56
2.6. Методика измерения температуропроводности растворов и жидкостей при различных температурах и давлениях 57
2.7. Экспериментальная установка для определения плотности жидкостей и растворов при атмосферном давлении 60
2.8. Экспериментальная установка для измерения теплопровод-ности и температуропроводности жидкостей и растворов в зависимости от давления (Патент РТ №TJ 292) 62
2.9. Экспериментальная установка для измерения теплопровод-ности в зависимости от давления (Патент РТ №TJ 316) 65
Глава 3. Экспериментальные данные по тепло-, тем пературопроводности и плотности систе мы диэтилового эфира и одностенных уг леродных нанотрубок при различных тем пературах и давлениях 68
3.1 Теплофизические (тепло-, температуропроводность и плот ность) свойства системы диэтиловый эфир+одностенные углеродные нанотрубки (УНТ) при различных температурах и давлениях 68
3.1.1. Тепло-, температуропроводность исследуемых образцов при различных температурах и давлениях 68
3.1.2. Использование теплофизических характеристик для инженер-ных расчетов исследуемых веществ (диэтиловый эфир+одностенные углеродные нанотрубки (Taunit)), в зави-симости от температуры
3.2. Влияние одностенных углеродных нанотрубок (Taunit) на изменение тепло-, температуропроводности жидкого диэтилово-го эфира 80
3.3. Расчет эффективного коэффициента теплопроводности иссле-дуемых растворов при различных температурах и давлениях (модель Максвелла и Г.Н.Дульнева) 82
Глава 4. Обработка и обобщение экспериметальных данных по тепло-,температуропроводности и плотности исследуемых растворов 86
4.1. Обобщение экспериментальных данных по температу-ропроводности растворов в зависимости от температуры и давления 86
4.2. Температуропроводность системы жидкий диэтиловый эфир+ одностенные углеродные нанотрубки в зависимости от температуры и давления 92
4.3. Плотность системы жидкий диэтиловый эфир + одностен-ные углеродные нанотрубки в зависимости от температуры и давления 93
4.4. Уравнения состояния (УС) для исследуемых растворов (урав нения Мамедова-Ахундова) 4.5. Взаимосвязь тепло-, температуропроводности и плотности исследуемых наножидкостей при атмосферном давле-нии 100
4.6. Применение уравнения типа Тейта для расчетов плотности растворов при различных температурах и давлениях 101
Заключение 112
Список использованой литературы
- Математическое моделирование тепловых процессов в углеродных нанотрубках и фуллеренах
- Расчет погрешности измерения теплопроводности температуропроводности и плотности по методу цилиндрического би колориметра регулярного теплового режима
- Тепло-, температуропроводность исследуемых образцов при различных температурах и давлениях
- Температуропроводность системы жидкий диэтиловый эфир+ одностенные углеродные нанотрубки в зависимости от температуры и давления
Введение к работе
Актуальность темы. Исследования физико-химических, теплофизических свойств (ТФС) (плотность, тепло-, температуропроводность) веществ имеют давнюю историю. Однако в последние годы эти исследования приобрели качественно новый характер.
Интенсивность и продуктивность технологических процессов зависит не только от
правильной организации химических взаимодействий, но и от направленности потоков
тепла и массы. Для совершенствования и оптимизации технологических процессов
необходимы научно обоснованные инженерные расчеты, которые, в свою очередь,
нуждаются в информации о теплофизических свойствах рабочего вещества в широкой области параметров состояния. В связи с этим дальнейшее развитие теплофизических данных рабочих веществ представляет собой значительный резерв для совершенствования технологических процессов и повышения надёжности конструкторских разработок.
Разработка материалов с заранее заданными свойствами для различных отраслей
народного хозяйства, как и в целом ускорение научно-технического прогресса, невозможна
без знания свойств веществ и материалов. Достоверность данных о свойствах веществ и
материалов влияет на качество выпускаемой продукции. Уровень и эффективность
фундаментальных и прикладных исследований, качество выпускаемой продукции во всех
отраслях народного хозяйства все в большей степени определяется достоверностью данных,
характеризующих свойства наиболее важных для науки и промышленности видов сырья,
материалов, веществ. Для жидкой и паровой фаз к числу теплофизических величин,
достоверность которых имеет существенное значение, относятся: теплопроводность,
температуропроводность, плотность, теплоёмкость веществ.
Растворы широко применяются в современной технике в качестве рабочих тел,
теплоносителей, химических реагентов. Они используются в химической и
нефтеперерабатывающей промышленности, при разработке процессов разделения реагентов и селективной очистке образцов, в тепло – и хладотехнике, в процессах химического синтеза. Развитие новых направлений в науке и технике, таких как ядерная физика, космическая техника, физика твердого тела и вычислительная техника, квантовая электроника, ядерная энергетика, вызвали бурный научно-технический прогресс и стимулируют выполнение исследований свойств технологических сред при высоких температурах и давлениях.
Одними из важных теплофизических свойств жидкостей и газов являются тепло-,
температуропроводность, плотность, знание которых необходимы для тепловых расчетов
процессов и аппаратов и которые входят в уравнения теплообмена, отражают особенности
термодинамических и технологических процессов. Основным источником информации о
теплофизических (тепло-, температуропроводность, плотность) свойствах
кислородосодержащих органических жидкостей как в чистом виде, так и содержащих
различное количество наночастиц, являются экспериментальные данные.
Экспериментальные исследования тепло-, температуропроводности, плотности помимо практической ценности имеют исключительно важное научное значение, так как развитие и совершенствование расчетно-теоретических методов исследования термодинамических свойств и подобия всегда подтверждаются экспериментальными данными.
Исследование свойств различных веществ сформировалось в cамостоятельное
научное направление – теплофизику и термодинамику, перед которыми поставлена задача
обеспечить различные отрасли промышленности данными по теплофизическим и
термодинамическим свойствам веществ. Изучение теплопроводности,
температуропроводности и плотности органических жидкостей как в чистом виде, так и содержащих различные концентрации наночастиц, в значительной степени способствует развитию и совершенствованию современной теории двухфазных систем; выяснению механизма межмолекулярного взаимодействия в жидкостях в чистом виде, а также с
добавкой наночастиц, которые дают возможность объяснить ряд физико-химических и тепловых явлений, связанных с молекулярным переносом.
Точные данные по плотности, теплопроводности и температуро- проводности технически важных веществ определяются экспериментально. Диэтиловый эфир применяется:
как растворитель нитратов целлюлозы в производстве бездымного пороха, природных и синтетических смол, алкалоидов;
как экстрагент для разделения плутония и продуктов его деления при получении и переработке ядерного топлива, при выделении урана из руд;
как компонент топлива в авиамодельных компрессионных двигателях;
при запуске бензиновых в суровых зимних условиях.
Данные по теплофизическим свойствам органических жидкостей, в частности плотности, теплопроводности и температуропроводности, необходимы для проведения инженерных расчетов при проектировании установок, разработке новых технологических процессов и аппаратов химических, нефтехимических производств и летательных аппаратов.
Несмотря на широкую область применения диэтилового эфира как в чистом виде, так и в смеси с одностенными углеродными нанотрубками, его теплопроводность, температуропроводность и плотность исследованы недостаточно. Одним из перспективных способов интенсификации теплообменных процессов представляется повышение теплопроводности теплоносителя (жидкости) путем добавления в него твердых частиц с высокой теплопроводностью.
В настоящее время изучением свойств наножидкостей активно занимаются многочисленные исследовательские группы в таких странах, как США, Корея, КНР, Япония, Англия и др. Число публикаций, посвященных наножидкостям, особенно в последнее десятилетие, растет экспоненциально. Учитывая вышеизложенное, нами исследованы тепло-, температуропроводность, плотность диэтилового эфира как в чистом виде, так и содержащего некоторое количество углеродных одностенных нанотрубок.
Степень разработанности темы исследования: проблема теплофизических свойств
жидкостей и растворов, как в чистом виде, так и содержащей различное количество
наночастиц при различных температурах и давлениях изучалась как российскими, так
зарубежными учеными. Доказательством чему, могут послужить экспериментальные
исследования Гусейнова К.Д., Рудяка В.Я., Терехова В.М., Чои, и др., а также теоретические
работы Гамильтона, Кроссера, Хашина-Штрикмана, Максвелла, Леннард-Джонса, Кихары и
Викса-Чендлера-Андерсена и др. Механизм переноса тепла частично исследован, однако
вопрос изменения теплофизических свойств для отдельных классов органических
жидкостей в чистом виде и содержащих наночастицы остается недостаточно изученным. В
связи с чем, данная работа посвящена экспериментальному исследованию
теплопроводности, теплоемкости, плотности и температуропроводности диэтилового эфира в зависимости от температуры, концентрации одностенных углеродных нанотрубок и давления.
Цель диссертационной работы: выполнение экспериментов и получение данных по тепло-, температуропроводности и плотности системы диэтилового эфира и одностенных углеродных нанотрубок (до 0,5 %) в интервале температур (293-673) К и давлений (0,101-49,01) МПа.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Усовершенствование экспериментальной установки для измерения тепло-, температуропроводности, плотности растворов при различных значениях параметров состояния.
-
Получение экспериментальных данных по плотности, тепло-, температуропроводности растворов системы диэтиловый эфир + одностенные углеродные нанотрубки в интервале температур (293-673) К и давлений (0,101-49,01) МПа.
-
Установление зависимости плотности, теплопроводности и температуропроводности исследуемого чистого диэтилового эфира и его смесей с нанотрубками в зависимости от температуры, давления, массовой концентрации одностенных углеродных нанотрубок (до 0,5%).
4. Получение аппроксимационных зависимостей, устанавливающих взаимосвязь
плотности, теплопроводности и температуропроводности исследуемых образцов с
температурой, давлением и особенностями структуры исследуемых вещества.
5. Изучение процесса теплопереноса в исследуемых растворах (диэтилового эфира и одностенных углеродных нанотрубок).
Научная новизна работы заключается в следующем:
1.Выполнены экспериментальные исследования по теплопроводности (Я), температуропроводности и плотности чистых компонентов диэтилового эфира с добавкой одностенных углеродных нанотрубок (до 0,5 %) в интервале температур (293-673) К и давлений (0,101-49,01) МПа.
2. Получены аппроксимационные зависимости Я = /(р), Р-а-Т, Р-р-Т.
3. По результатам экспериментальных данных и аппроксимационной зависимости
произведены тепловые расчеты парогенераторов и ДВС (двигатель внутренного сгорания)
дизельных машин
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Составлены подробные таблицы ТФС технически важных веществ (растворов
диэтилового эфира) в широком интервале температур (293-673) К и давлений (0,101-49,01)
МПа, которые могут быть использованы проектными организациями в различных
химических процессах в теплоэнергетике и машиностроении.
2. Результаты проведенных исследований по плотности, тепло-, темпе
ратуропроводности растворов диэтилового эфира внедрены в Институте промышленности
Министерства промышленности и новых технологий АН Республики Таджикистан при
расчетах модельных реакторов и технологических процессов получения дизельных топлив,
а экспериментальные данные используются как справочные.
3. Созданная аппаратура для измерения плотности, тепло-, температуропроводности
растворов диэтилового эфира используется в научной и учебной лабораториях кафедры
«Теплотехника и теплотехническое оборудование» Таджикского технического университета
имени академика М.С. Осими, на кафедре общей физики Таджикского государственного
педагогического университета имени С. Айни аспирантами, магистрантами и
преподавателями при выполнении диссертационных работ и студентами при выполнении
дипломных, курсовых и лабораторных работ (приложение 4).
Положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментальные данные по плотности, теплопроводности,
температуропроводности растворов (диэтилового эфира и одностенных углеродных
нанотрубок) в диапазоне температур 293-673 К и давлений (0,101-49,01) МПа, позволяющие
описать математическую модель.
2. Параметризация расчетов теплопроводности растворов (модель Максвелла и Г.Н.
Дульнева) и результаты анализа процесса теплопереноса исследуемых двухфазных систем
(С4Н100 + Сп).
3. Аппроксимационные зависимости для расчета плотности, тепло-,
температуропроводности двухфазных систем (диэтиловый эфир плюс углеродные
нанотрубки) в широком интервале температур и давлений.
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов исследований обеспечивается:
-использованием апробированных и протестированных измерительных приборов, высокой воспроизводимостью результатов измерений, а также удовлетворительным согласием экспериментальных данных с расчетными данными;
-согласованностью настоящих результатов с известными данными, полученными в результате независимых исследований с использованием других физико-химических методов анализа;
полным метрологическим обеспечением измерительных установок, адекватным применением теории измерений, теории погрешностей, применением стандартных проверенных приборов и устройств; воспроизводимостью полученных резултатов; удовлетворительным согласием расчетных результатов теплопроводности, температуропроводности и плотности с экспериментальными данными;
корректной математической моделью физических процессов и проверенным математическим аппаратом численного решения дифференциальных уравнений тепломассопереноса;
Апробация работы: Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. Республиканская конференция “Состояние химической науки и ее преподавание в
образовательных учреждениях” (Республики Таджикистан, Душанбе, 2015).
-
Республиканская научно-практическая конференция «Экономическое развитие энергетики Республики Таджикистан» ( Курган-тюбе, 2015).
-
8 Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики (АНТЭ-2015» (Казань, 2015)
-
10 Всероссийский симпозиум с международным участием «Термодинамика и материаловедение»( Санкт-Петербург, 2015).
-
10 Международная теплофизическая школа “Теплофизические исследования и измерения при контроле качества веществ, материалов и изделий» (Тамбов-Душанбе, 2016).
Основные методы научных исследований. При выполнении диссертационной
работы для получения данных использован метод цилиндрического бикалориметра
(теплопроводность) и акалориметра (температуропроводность) регулярного теплового режима первого рода и метод гидростатического взвешивания (установка К.Д. Гусейнова и его учеников).
Личный вклад автора: заключается в постановке задач, выборе методов и
разработке алгоритмов решения поставленных при выполнении работы задач,
установлении основных закономерностей протекающих теплофизических процессов при проведении экспериментальных исследований, получении данных по плотности, тепло-, температуропроводности, обработке и анализе полученных результатов, формулировке основных выводов диссертационной работы и выборе путей и способов достижения цели работы, написании и опубликовании статей и тезисов.
При выполнении различных этапов данной работы принимала участие кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплотехника и теплотехническое оборудование» ТТУ им. акад. М.С. Осими М.А. Зарипова.
Все результаты диссертационной работы получены автором под руководством научного руководителя доктора технических наук, профессора М.М. Сафарова.
Соответствие паспорту специальности. По тематике, методам исследования,
предложенным новым научным положениям диссертация соответствует паспорту
специальности научных работников 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника» в
части п. 5 «Экспериментальные и теоретические исследования однофазной, свободной и
вынужденной конвекции в широком диапазоне свойств теплоносителей, режимных и
геометрических параметров теплопередающих поверхностей», в части п. 7
«Экспериментальные и теоретические исследования процессов совместного переноса тепла и массы в бинарных и многокомпонентных смесях веществ, включая химически реагирующие
смеси», в части п. 9 «Разработка научных основ и создание методов интенсификации процессов тепло- и массообмена».
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 25 таблиц, 157 наименований использованной литературы, 12 приложений.
Математическое моделирование тепловых процессов в углеродных нанотрубках и фуллеренах
В работе [32] рассмотрены фундаментальные и прикладные аспекты применения метода элементарных балансов к расчету нестационарных температурных полей наноструктур. Показана принципиальная возможность применения этого метода к построению математических моделей тепловых процессов в наноструктурах. Выявлены особенности, возникающие при построении таких моделей. Разработаны расчетный алгоритмы и поддерживающее программное обеспечение, позволяющее автоматизированно решать задачи расчета и анализа нестационарных температурных полей наноструктур. Проведены компьютерные эксперименты, подтверждающие полученные теоретические результаты и работоспособность математического, алгоритмического и программного обеспечения.
В настоящее время в области нанотехнологий существенное развитие и применение находят материалы и изделия на основе углеродных нанотрубок (УНТ), молекул фуллерена и других наноструктур. В связи с созданием многообразных наноструктур [30-36] возникает необходимость разработки методов построения математических моделей для расчета и анализа нестационарных тепловых процессов как важного фактора, влияющего на их эффективное и надежное функционирование, например, в составе датчиков, приборов и прецизионных измерительных систем. На макро- и микроуровнях действуют хорощо разработанные континуальные теории спошных сред и инженерные методы расчета и конструирования технических устройств с учетом разнообразных возмущающих факторов. При этом возникает важный с фундаментальной и с прикладной точек зрения вопрос о возможности и способах реализации методов расчета температурных полей применительно к наноуровню [31,32]
В работах [30, 37] обоснована принципиальная возможность применения метода элементарных балансов (МЭБ) [31, 43, 37] к расчету нестационарных температурных полей наноструктур. Дальнейшее развитие и применение МЭБ получил применительно к расчету и анализу тепловых процессов в конкретных наноструктурах (углеродных нанотрубках, фуллеренах и др.) с учетом их особенностей.
В основе МЭБ [32, 37] лежат закон сохранения энергии; закон Фурье теплообмена теплопроводностью; закон Ньютона конвективного теплообмена; закон лучистого теплообмена Стефана-Больцмана. Сущность МЭБ для твердотельных структур [31, 32, 37]: макро- или микроструктура (датчик, прибор, плата или другое устройство) разбивается на ряд конечных элементарных объемов (элементов). Эти объемы — тела с температурой Ti(t), і = 1, 2, ..., N. В объемах могут находиться источники или стоки теплоты мощностью Qi.
Из законов теплообмена путем составления уравнений тепловых балансов выводится основной алгоритм [31, 32] расчета температурного поля: Tt(t + At) = [l - (Z5Li 70- + ЧІС)] Ti+ iX iqtjTj + qicTci + Qi), (1.3) где Ti(t), Ti(t + t) — температуры i-го элемента в настоящий и последующий моменты времени; сі (і = 1, ..., М) - теплоемкость і-го элемента; qij — термопроводимость между элементами i, j ( j = 1, ..., N); qic — термопроводимость между і-м элементом и окружающей средой; Tci — температура окружающей среды; Qi — мощность источника теплоты; М — число элементов; N — число элементов, имеющих тепловой контакт с i-м элементом; t — шаг расчета. В некоторых случаях возможен и целесообразен альтернативный подход к составлению уравнений тепловых балансов не в виде разностных соотношений, а в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений для твердотельных структур: м Сі!г+Xqij (Ті Tj)+qk(Ti Тс)=Qi i = l, ..., N. (1.4) Система таких дифференциальных уравнений соответствует разностному алгоритму (1.4), и их удобно использовать для численных расчетов при сравнительно малом числе элементарных объемов (порядка нескольких единиц и десятков), а также для проведения аналитических оценок теплового состояния рассматриваемых структур. Вместе с тем внутри рассматриваемых наноструктур учитывается теплообмен только теплопроводностью (кондукцией). Наноструктуры состоят из наночастиц (молекул, ионов, атомов). Наночастицы находятся в непрерывном движении, и между ними существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. Эти силы вызывают колебания наночастиц около их средних положений, причем амплитуды колебаний являются мерой температуры и растут при ее повышении. Как показано в работах [32, 33], в первом приближении можно полагать, что использование алгоритмов и уравнений (1.3) и (1.4) МЭБ принципиально возможно и на наноуровне. Этот вывод подтверждается еще и тем, что МЭБ — это численный метод, алгоритмы которого [37] основаны на фундаментальных энергетических соотношениях, определяемых соответственно законами сохранения энергии и теплообмена Фурье, Ньютона, Стефана-Больцмана При этом совершенно необходим учет реальных типов внутренних наноструктур при расчете их температурных полей, при переходе к наноразмерностям в теплофизических параметрах и мощностях тепловыделения и уменьшении характерного времени протекания тепловых процессов до наноуровня. Еще одна выявленная особенность применения МЭБ для расчета температурных полей наноструктур заключается в существенном уменьшении (на порядок за счет малых геометрических размеров поверхностей теплоотдачи) по сравнению с макроуровнем термопроводимостей в окружающую среду по отношению к внутренним термопроводимостям между наночастицами. Эта особенность позволяет на данном этапе при расчете температурных полей наноструктур пренебречь их теплообменом с окружающей средой.
Исследуемые наноструктуры углеродные нанотрубки (УНТ) [31, 34, 35, 37], имеющие цилиндрическую структуру диаметром от долей нанометров до микрометра и длиной до десятков микрометров, полученные при свертывании плоской гексагональной сетки графита без швов. Эти трубки могут быть открытыми с торцов или заканчиваться полусферическими головками, рассматриваемыми как половинки молекул фуллерена [31, 34, 35, 37].
Идеальная открытая нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графитовую плоскость, т.е. поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет важную структурную характеристику УНТ - ее хиральность. Хиральность нанотрубки определяет многие ее свойства- например, электрические, теплофизические и др.
Хиральность нанотрубок [31, 34, 35, 37, 39, 40, 41] обозначается набором целых индексов (т, п), указывающих координаты вершин шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпадать с шестиугольником, находящимся в начале координат (рис. 1.1). Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла а между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Индексы хиральности однослойной нанотрубки (т, п) однозначно определяют ее диаметр D, поперечный (х) и минимальный продольный (у) размеры плоской прямоугольной развертки и угол а.
Расчет погрешности измерения теплопроводности температуропроводности и плотности по методу цилиндрического би колориметра регулярного теплового режима
Для измерения коэффициента температуропроводности растворов и некоторых азотосодержащих органических жидкостей (диэтилового эфира) с добавкой нано частиц УНТ (углеродные одностенные нанотрубки) в интервале температур 293 573 К и давлений 0,101-49,01 МПа применяли эксперименталь-ную установку, работающую по методу регулярного теплового режима, впервые созданную проф. К.М. Колоровым [82]. Установка (рис. 2.5) в основном, состоит из цилиндрического сосуда (1), помещенного внутри внешнего сосуда (3), заполненного термостатирующей жидкостью (9), в среде которой помещен а-калориметр (13).
Сосуды разделены изоляцией (2). Установка также содержит змеевик (5) для охлаждения; нагреватель (6) для нагревания и создания температуры эксперимента; термореле (7) для защиты от перегрева; вентиль (8) для слива тер мостатирующей жидкости; термометр (10) для наблюдения за температурой; шнековую мешалку (11) для активного перемешивания жидкости и выравнивания градиента температуры; электродвигатель (12) для вращения шнека; контактный термометр (14) для задания температуры эксперимента; гальванометр (15); электрическую сеть (4). Для создания давления жидкости установка снабжена пережимным сосудом (18) и грузопоршневым манометром МП-2500 (21). Прежемной сосуд (18) и а – калориметр (13) соединены между собой нержавеющими трубками (17). Для проведения эксперимента также необходим секундомер.
Схема установки для определения коэффициента температуропроводности при высоких параметрах состояния: 1–цилиндрический сосуд; 2–изоляция; 3–внешний сосуд; 4– электрическая сеть; 5–змеевик для охлаждения; 6–нагреватель; 7–термореле; 9– термостатирующая жидкость; 10–термометр; 11–шнековая мешалка; 12–электродвигатель; 13– а-калориметр; 14–контактный термометр; 15–гальванометр; 8, 16, 22-вентили; 17-нержавеющая металлическая трубка; 18,19- пережимной сосуд; 20-полиэтиленовый мешочек; 21– грузопоршневой манометр МП-2500; 23-металлический стакан для заполнения исследуемыми жидкостями или растворами
Для наблюдения температуры а – калориметр нами использована диффе-ренциальная хромель-алюмелевая термопара диаметром 0,15 мм, концы которой соединены с гальванометром (15). Холодный спай дифференциальной термопары помещен в термостатирующую жидкость, а горячий спай - в центр а - ка-лориметра (13).
При закрытом положении вентилей (15) и (22) исследуемая жидкость наливается в стакан (23), затем открываются вентили (22) и (16) а при заполнении а - калориметра исследуемой жидкостью они закрываются. Перед опытом жидкость, находящаяся в приборе, дегазировалась посредством нагревания установки, заполненной исследуемой жидкостью, до ее температуры кипения при открытом положении вентиля высокого давления (23). После подогрева устанавливается стационарное тепловое состояние при температуре опыта. Грузопоршневым манометром типа МП-2500 через пережимной сосуд в приборе создавалось требуемое давление. Затем а -калориметр с исследуемым материалом и заделанной в нем термопарой нагревают до определенной температуры, погружают в термостат и наблюдают за изменением температуры в период установления регулярного режима. Если тело охлаждается в среде постоянной температуры при условии, что коэффициент теплоотдачи является достаточно большим по величине, то для периода регулярного режима график охлаждения тела (в полулогарифмических координатах ln(AT)=f(Ax)) изображается в виде прямой. По этому графику можно найти показатель (темп) охлаждения т по соотношению [1, 2, 23, 68, 83-93] т = 1п — , (2.30) где AT - разность между температурой в какой-либо точке испытуемого тела и постоянной температурой окружающей среды (термостатирующей жидкости); Ах - время охлаждения.
Экспериментальная установка приведенная на рис. 2.5, КМ. Колоровым [82] использована для определения коэффициента температуропроводности молочных продуктов и томатных паст [82]. Установка КМ. Колорова нами модернизирована, то есть предложенная нами установка позволяет провести измерения температуропроводности исследуемых наножидкостей, растворов жидкостей при различных температурах и давлениях. Коэффициент температуропроводности методом двух точек определяют по формуле а = Фт9 (2.31) где m - темп охлаждения; 1/с - определяется потойже формуле, что и для определения теплопроводности; Ф - величина, учитывающая форму и размер а -калориметра [82]. Ф = 2 2 = 0,34-10-4м2
Для проверки правильности постановки эксперимента по температуропроводности на экспериментальной установке (рис. 2.5) были прове-дены контрольные измерения с водой. Экспериментальные значения температуропроводности контрольных образцов приведены в табл. 2.2. Здесь же также показаны данные, взяые нами из источников [1, 2, 14].
Результаты экспериментального определения температуропроводности воды (контрольных измерений) в зависимости от температуры при атмосферном давлении Т, К 293 303 313 323 333 343 353 алит108, м2 /с 14,3 14,9 15,3 15,7 16,0 16,3 16,6 аконт108, м2/с 14,6 14,7 15,4 15,9 16,5 16,6 16,9 а, % 2Д 1,34 0,65 1,27 ЗД 1,84 1,81 Расчеты показали, что максимальная общая относительная погрешность экспериментальных данных по температуропроводности при доверительной вероятности а= 0,95 не превышает 1,73 %.
Убедившись, что установка качественно и количественно воспроизводит значения температуропроводности воды в зависимости от температуры и давления, мы приступили к измерению температуропроводности исследуемых образцов. На этой установке нами измерена температуропроводность азотосодержащих и кислородосодержащих топлив в интервале температур 293-573 К, давлений 0,101-49,01 МПа и в зависимости от концентрации нанометаллов, окисей металлов [68, 74, 84-96]. 2.7. Экспериментальная установка для определения плотности жидкостей и растворов при атмосферном давлении
Существует достаточно большое число различных уравнений состояния, связывающих плотность жидкости с давлением и температурой, предназначенных для применения в том или ином случае. Несмотря на все достижения в области составления уравнений состояния, теории не дают удовлетворительного результата. Поэтому огромное значение приобретают экспериментальные исследования Р-р-Т - зависимостей жидкостей и растворов. Это объясняется тем, что все уравнения состояния жидкостей и растворов являются справедливыми лишь в определенной, как правило, достаточно узкой области состояния жидкости. Практическое использование этих уравнений возможно лишь при нахождении величин многочисленных коэффициентов, имеющихся в выражении для уравнения состояния [6].
Велика также роль точных исследований Р-р-Т - зависимостей для определения калорических свойств жидкостей и растворов. В ряде случаев при необходимости определения калорических свойств жидкостей производят экспериментальное исследование их Р-р-Т - зависимостей. Затем, обычно путем графоаналитической обработки с использованием соответствующих термодинамических уравнений, находят искомые значения калорических свойств [97, 98].
Методы экспериментального исследования Р-р-Т - зависимостей жидкостей и паров в основном можно подразделить на три разновидности: метод исследования при постоянном весовом количестве жидкости; метод исследование при изменяющемся ее объеме; метод, основанный на гидростатическом взвешивании. Преимущества и недостатки указанных методов хорошо освещены в работах [1, 23, 97-104]. Мы не ставили перед собой цель создания принципиально нового метода измерения, а пошли по пути использования хорошо разработанной методики, адаптировав ее к условиям, учитывающим специфические свойства исследуемых веществ.
Тепло-, температуропроводность исследуемых образцов при различных температурах и давлениях
Как видно из табл. 3.7, плотность жидкого чистого диэтилового эфира с добавлением до 0,5 % одностенных углеродных нанотрубок с ростом температуры уменьшается, а с увеличением давления растет. Экспериментальные данные показали, что добавка одностенных углеродных нанотрубок приводит к росту плотности исследуемой системы. Например, при температуре 293 К (система диэтилового эфира + 0,2 % одностенных углеродных нанотрубок) увеличение давления от 0,101 до 29,43 МПа увеличивается плотность образца на 5,2 % а для образца диэтиловый эфир + 0,2 % одностенных углеродных нанотрубок плотность увеличивается на 6,8 % При температуре 433 К раст давления от 9,81 до 29,43 МПа приводит к росту плотности системы диэтиловый эфир + 0,3% одностенных углеродных нанотрубок на 2,5 % а для образца диэтиловый эфир + 0,5 % одностенных углеродных нанотрубок это изменение доходит до 2,8 % при том же изменении параметров состояния. Как отмечалось выше, добавка одностенных углеродных нанотрубок приводит к увеличению плотности исследуемых растворов. Например, при T=293 К и Р=0,101МПа добавка 0,5 % одностенных углеродных нанотрубок в жидкий диэтиловый эфир (чистота х. ч. 99,86 %) приводит к росту плотности на 0,7 % а при T=293 К и Р= 29,43МПа добавка 0,5 % одностенных углеродных нанотрубок в жидкий диэтиловый эфир (чистота х.ч.-99,86 %) обусловливает рост плотности диэтилового эфира на 3,9 %, а при Т=433 К и Р= 29,43 МПа это изменение доходит до 2,3 % Как видно из выше приведенных значений, можно заключить, что при высоких температурах и давлениях влияние одностенных углеродных нанотрубок относительно мало, т.е. в 1,7 раза меньше, чем при комнатной температуре.
Использование теплофизических характеристик для инженерных расчетов исследуемых веществ (диэтиловый эфир+ одностенные углеродные нанотрубки Taunit) в зависимости от температуры
Методы численного моделирования играют важную роль в анализе и разработке технических устройств, характеризующихся переносом теплоты и течением жидкости. Такие методы, воплощенные в удобных вычислительных программах, представляют собой реальную альтернативу экспериментальным измерениям в силу своей быстрой реализации и экономичности. Численный анализ может содержать реальные данные о геометрических характеристиках, свойствах материалов, граничных условях и представлять полную и подробную информацию о полях температуры, скорости и других величинах, а также о связанных с ними потоках. На практике в некоторых случаях анализ и проектирование устройств могут быть целиком выполнены с использованием вычислительной программы. В ситуациях, когда желательно провести некоторые экспериментальные исследования, численное моделирование может быть использовано в планировании и разработке экспериментов для существенного уменьшения их стоимости, а также с целью расширения и улучшения результатов.
Для численного решения практических задач, связанных с теплопереносом, течением жидкости и другими аналогичными явлениями, требуется, как правило, интегрирование системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных по пространственным координатам и времени. Нестационарная одномерная теплопроводность описывается дифференциальными уравнениями вида pc = A(feI) + 5, (ЗЛ) Величины рс соответствуют плотности и массовой теплоемкости материала, следовательно, произведение рс есть объемная теплоемкость или удельная теплоемкость; Sh- мощность источника тепла в единице объема.
Задача написания и использования общих вычислительных программ для всех практически важных процессов тепломассопереноса достаточно трудна. Более приемлемое начало исследований в сфере численного моделирования может быть обеспечено с помощью уже готовой к использованию вычислительной программы, ограниченной подмножеством решаемых задач теплопереноса и течения жидкости. Надо отметить, что для решения уравнения (3.1) также необходимы и экспериментальные работы, т.е необходимо иметь данные по теплофизическим свойствам исследуемых веществ, в частности жидкостей и растворов. С этой целью мы перед собой поставили задачу выполнить такую непростую работу.
На рис. 3.1 и 3.2 представлены результаты экспериментального определения теплопроводности и температуропроводности системы диэтилового эфира и одностенной углеродной нанотрубки (Taunit) при различных концентрациях УНТ( до 0,5 %)от температуры и давления. Как видно из рис. 3.1 и 3.2, теплопроводность и температуропроводность диэтилового эфира с ростом концентрации УНТ увеличивается по линейному (линии 1, 3, 5, 6) и параболическому законам (линии 2 и 4). Например, при температуре 293 К и давлении Р=19,62 МПа при добавке одностенных углеродных нанотрубок от 0,1 до 0,5 % теплопроводность относительно чистого диэтилового эфира увеличивается на 18,3 % а при температуре Т=467 К и давлении Р=49,01 МПа на 26,4 %. Можно заключить, что, чем больше температура и давление, тем большее влияние оказывают одностенные углеродные нанотрубки на теплопроводность диэтилового эфира.
Температуропроводность системы жидкий диэтиловый эфир+ одностенные углеродные нанотрубки в зависимости от температуры и давления
При выборе методики особое внимание уделялось обеспечению высокой точности измерений с сохранением простоты проведения эксперимента. Необходимо было, чтобы экспериментальная установка позволяла проводить исследования плотности в широкой области параметров состояния, включая область жидкого и двухфазного состояний, а также вблизи нижней пограничной кривой. С учетом вышеизложенных требований предпочтение было отдано методу гидростатического взвешивания, разработанному профессором К.Д. Гусейновым и его учениками [57].
Для измерения плотности исследуемых веществ использовали кварцевый поплавок (5) (рис. 2.6) и аналитические весы (6). Исследуемая жидкость заполняелась в поплавковую камеру (4), а кварцевый поплавок подвешивался на манганиновой проволоке (7). Поплавковая камера вставлялась в жидкостной термостат, снабженный мешалкой и змеевиком, через который прокачивалась греющая среда (вода) из ультратермостата. Температура опыта регулировалась с погрешностью ±0,02 С и измерялась ртутным термометром (9) с ценой деления 0,1 С. Экспериментальная установка тарировалась проведением контрольных опытов с эталонными жидкостями - водой и толуолом. Расчетная формула для определения плотности исследуемых веществ имеет вид a-(a-G2) р = vП VH (2.33) где р - плотность исследуемых веществ при температуре опыта, кг/м3; Gb G2 - вес поплавка в воздухе и в исследуемых образцах; Vn,VH соответственно объем кварцевого поплавка и манганиновой проволоки.
Для проверки правильности работы экспериментальной установки нами проведены контрольные измерения с бензолом и Н-гексаном. Полученные результаты согласовались с данными исследований [14, 15] в пределах ± 1,2 %. Рисунок 2.6. Схема установки для определения плотности растворов при атмосферном давлении; 1-термостат; 2- окошко; 3- вискозиметр освальда; 4-поплавковая камера; 5-кварцевый поплавок; 6- аналитические весы; 7- манганиновая проволока; 8-уравновешивающие разновесы; 9-термометр; 10-нагреватель; 11-контактный термометр [1,4]
Экспериментальная установка для измерения теплопроводности и температуропроводности жидкостей и растворов в зависимости от давления (Патент РТ №TJ 292) [2, 106]. Метод основан на быстром локальном нагреве поверхности образца лазерным импульсом, при этом измеряется температура образца и поглощенная им энергия [2, 41, 108-112, 114,]. Перечень методов измерения температуропроводности приведен в [94]. Кроме того, для определения теплоемкости и теплопроводности гидразингидрата с добавкой некоторых наноразмерных окисей металлов нами была использована установка, разработанная профессором Е.С. Платуновым и его учениками [115]. В настоящее время примерно 75 % данных по температуропроводности получены методом лазерной вспышки.
Метод лазерной вспышки начиная с 80-х годов прошлого века бурно развивается в мире, в том числе и в странах СНГ. Эти установки позволяли измерять теплоемкость жидкостей при комнатной температуре. Наша установка предоставляет возможность измерять тепло-, температуропроводность прозрачных твердых тел, жидкостей и растворов в зависимости от давления и индукции магнитного поля при комнатной температуре.
Устройство работает следующим образом, Фронтальная поверхность малого образца формы призмы, т.е ячейка (2) (рис. 2.8), заполняется исследуемым образцом и соединяется с тонометром (5), после чего устанавливается внутри катушки (9) так, чтобы ячейка была в центре катушки и не касалась ее стенок, и подвергается облучению. Катушка прикрепляется к штативу.
Представленное устройство (рис. 2.7), состоит из лабораторного автотрансформатора (ЛАТР), тонометра, реостата, амперметра, катушки, лазерной установки типа ЛГН-109, микровольтнаноамперметра типа Ф136, термопары и ячейки [97,116,117].
Затем, подавая напряжение от 3 до 8 В лабораторным автотрансформатором (7) (ЛАТР), на катушке создаем магнитное поле и изменяем давление от 0,101 до 29,4 МПа, а с помощью реостата (8) контролируем ток от 0.4 до 0.97А, который указывает амперметр. Реостат и амперметр при соединяются последовательно к катушке. Источником облучения служит лазерная установка ЛГН-109 (1).
Изменение температуры на тыльной стороне образца регистрируется термопарой (3), спай прикреплен к ячейке, а концы подключены к микровольт-наноамперметру (4). Микровольтнаноамперметр установлен с помощью переключателя на 100 мкВ. Время фиксируется до снижения показания микровольтнаноамперметра (4). Температуропроводность образца определяется по формуле 1,37 -Iі а (я2-Ч,) (234) где / - толщина образца, о.5 - время достижения на тыльной поверхности температуры, равной половине ее максимального значения [9]. Максимальное время достижения температуры на тыльной поверхности г фиксируется двухстрелочным секундомером типа С-11-1Б с точностью до 0.1с. Лазерная установка ЛГН-109, микровольтнаноамперметр Ф136 и ЛАТР соединяются в сеть напряжением 220 В переменного тока.
Схематическое изображение установки для исследования влияния магнитного поля на температуропроводность вещества методом лазерной вспышки в зависимости от давления при комнатной температуре: 1-лазерная установка ЛГН-109; 2-измерительная ячейка; 3-термопара; 4-микровольтнаноамперметр типа Ф136; 5-система для создания внешнего давления; 6-7- измерительные приборы; 8- реостат; 9- соленоид
Температуропроводность образца в направлении его толщины определяется из решения одномерного нестационарного линейного уравнения теплопроводности (2.34). Эксперимент проводится следующим образом. С помощью хромель-алюмелевой термопары измеряется температура образца на тыльной стороне, и строится график зависимости є = /(г) -см рис. 2.9.
Принцип работы установки аналогичен принципу работы установки, которая приведена в п.2.8. Отличие состоит в том, что при проведении эксперимента после нагрева испытуемого образца с помощью лазерной установки производится отключение самой установки и наблюдается самопроизвольное охлаждение образца. Время охлаждения образца фиксируется двухстрелочным секундомером типа С-11-1Б. По шкале зеркального микровольтнаноамперметра отмечается время прохождения отраженного светового сигнала между двумя определенными значениями шкалы микровольтнаноамперметра.