Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор по теплофизическим свойствам теплоносителей и методам их измерения 14
1.1. Научные особенности теплофизических свойств теплоносителей .14
1.2. Теплофизические свойства теплоносителей 17
1.3. Обзор экспериментальных данных по теплофизическим и электрофизическим свойствам .25
1.4. Солнечный коллектор открытого типа 28
Глава 2. Метод и измерительные средства для определения теплофизических и электрофизических свойств растворов в зависимости от давления и темпера туры 30
2.1. Постановка задачи 30
2.2. Экспериментальная установка для измерения температуропроводности теплоносителей в зависимости от давления 32
2.3. Экспериментальная установка для измерения теплопроводности теплоносителей в зависимости от давления 37
2.4. Экспериментальная установка для измерения электропроводности теплоносителей в зависимости от температуры (Патент РТ № TJ 371)... 39
2.5. Устройство для измерения диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков Патент РТ. TJ 210 41
2.6. Расчет погрешности измерения теплофизических и электрофизических свойств веществ 46
Глава 3. Теплофизические и электрофизические свойства теплоносителей вода+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) +графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) +сажа, вода+углеродные нанотрубки, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + углеродные нанотрубки .51
3.1. Основные теплофизические свойства исследуемых систем теплоносителей (вода+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + сажа, вода+ углеродные нанотрубки, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) +углеродные нанотрубки) 51
3.2. Основные электрофизические свойства исследуемых теплоносителей (во-да+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + сажа, вода+ углеродные нанотрубки, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + углеродные нанотрубки) .62
Глава 4. Анализ полученных результатов и обработка экспериментальных данных по теплофизическим и электрофизическим свойствам исследуемых образцов .72
4.1. Обработка экспериментальных данных по теплофизическим свойствам теп
лоносителей (системы вода+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (анти-
фриз)+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+сажа, вода+ угле
родные нанотрубки, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+углеродные
нанотрубки) в зависимости от давления 72
4.2. Обработка экспериментальных даддных по теплоемкости теплоносителей (системы вода+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+сажа, вода+ углеродные нанотрубки, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+углеродные нанотрубки) в зависимости от концентрации нанодобавок 77
4.3. Обработка экспериментальных данных по электрофизическим свойствам теплоносителей (вода+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + сажа, вода+углеродные нанотруб-ки, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+ углеродные нанотрубки) в зависимости от температуры 78
4.4. Обобщение опытных данных по теплофизическим свойствам (температуропроводность, теплопроводность и теплоемкость) исследуемых теплоносителей в зависимости от давления 82 CLASS Глава 5. Оптимизация и расчет эффективности солнечных коллекторов открытого типа. Сравнение теплофизических свойств исследуемых теплоносителей с данными теплофизических свойств, полученных по программе «Thermophysical»... 91 CLASS
5.1. Оптимизация теплофизических и оптических свойств теплоносителей в солнечных коллекторах открытого типа 95
5.2. Экономия энергии в системах теплоснабжения с коллекторами открытого ти-па. 98
Выводы 102
Литература 103
- Теплофизические свойства теплоносителей
- Экспериментальная установка для измерения температуропроводности теплоносителей в зависимости от давления
- Основные электрофизические свойства исследуемых теплоносителей (во-да+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + сажа, вода+ углеродные нанотрубки, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + углеродные нанотрубки)
- Обработка экспериментальных даддных по теплоемкости теплоносителей (системы вода+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+сажа, вода+ углеродные нанотрубки, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+углеродные нанотрубки) в зависимости от концентрации нанодобавок
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы заключается в том, что для расчета тепло- и массообмена в различных процессах, а также составления уравнений состояния и подробных таблиц по свойствам чистых жидкостей и растворов необходимы данные по теплофизическим свойствам теплоносителей. Данная работа посвящена исследованиям теплофизических и электрофизических свойств водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а и воды с различными концентрациями сажи, графитного порошка и углеродных нанотрубок.
Отсутствие в литературе данных по теплофизическим свойствам данных объектов в зависимости от температуры и давления затрудняет рациональное их использование в теплообменных аппаратах (солнечных двухконтурных коллекторах).
Исследование теплофизических свойств водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а и воды с добавлением углеродных нанонтрубок, сажи и графита в зависимости от давления, а также исследование электрофизических свойств водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а и воды с добавками углеродных нано-трубок, сажи и графита в зависимости от температуры позволяет определить рациональное использование теплоносителей в теплообменных аппаратах.
Диссертационная работа выполнена по плану координации научно-исследовательских работ на кафедре «Теплотехника и теплотехнические оборудования» Таджикского технического университета им. акад. М.С. Осими в 20082010гг. по теме: «Влияние наноматериалов на изменение теплофизических свойств этиленгликоля».
Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность полученных результатов подтверждаются их соответствием с большим количеством известных данных, полученных в результате независимых исследований с использованием других физико-химических методов анализа.
Цель данной работы
-повысить эффективность солнечных коллекторов открытого типа путем изменения теплофизических свойств (теплоемкость, температуропроводность, теплопроводность и плотность) теплоносителей в зависимости от давления и их оптических характеристик.
-исследовать теплофизические и электрофизические свойства системы теплоносителей в зависимости от давления и температуры.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
приготовление объектов для исследования;
-
разработка и создание экспериментальной установки (для измерения теплопроводности и температуропроводности), работающей методом лазерной вспышки;
3. разработка и создание экспериментальной установки (для измерения
электропроводности), работающей методом плоского конденсатора;
4. получение экспериментальных значений теплопроводности, теплоемкости
и температуропроводности, плотности, электропроводности теплоносителей в за
висимости от давления и температуры;
5. получение аппроксимационных зависимостей, устанавливающих взаимосвязь теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности, плотности, электропроводности и диэлектрической проницаемости исследуемых растворов от давления, температуры и особенностей структуры исследуемых теплоносителей. Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые экспериментально изучены теплопроводность, температуропро
водность, удельная теплоемкость, электропроводность и диэлектрическая прони
цаемость воды и водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а с концентраци
ями сажи, графитного порошка и нанотрубок в зависимости от давления и темпе
ратуры;
разработаны и созданы экспериментальные установки для измерения теплопроводности, температуропроводности (по методу лазерной вспышки), электропроводности и диэлектрической проницаемости (по методу динамического конденсатора);
получены экспериментальные данные по теплофизическим и электрофизическим свойствам теплоносителей водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а и воды с различной концентрацией сажи, графита и нанотрубок от 0,2% до 0,4% в интервале давлений (0,101-0,141) МПа и в интервале температуры от (283,15-358,15) К.
проведен анализ процесса теплопереноса и на его основе разработана методика расчета теплопроводности исследуемых объектов, используемых в качестве теплоносителя;
предложены эмпирические зависимости, описывающие теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость, электропроводность воды и водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а от концентрации сажи, графитного порошка, нанотрубок, давления и температуры;
предложена новая конструкция солнечного водонагревательного коллектора и рассчитана его эффективность с использованием новых теплоносителей;
-оптимизированы тепловые процессы теплоносителей для солнечных водо-нагревательных коллекторов.
Практическая значимость работы:
-
полученные экспериментальные данные могут использоваться при расчете солнечных водонагревательных коллекторов открытого типа.
-
полученные эмпирические уравнения и методика расчета теплопроводности объектов могут использоваться для инженерных расчетов солнечных коллекторов.
-
получен акт внедрения от ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ» в г. Душанбе и ТТУ имени академика М.С. Осими, г. Душанбе.
Методологии и методы исследования – для выполнения диссертационной работы использован метод лазерной вспышки (теплопроводность и температуропроводность), плоского конденсатора (электропроводность), пикнометрический метод (плотность), численные методы, компьютерное моделирование (программа Thermophysical), метод наименьших квадратов (микрокалькулятор МК61 и компьютерная программа Exell).
На защиту выносятся:
-
результаты экспериментального исследования теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности, плотности и электропроводности теплоносителей (вода + графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + сажа, вода + углеродные нанотрубки, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + углеродные нанотрубки);
-
аппроксимационные зависимости для расчета теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности исследуемых теплоносителей в зависимости от интервалов давления от (0,101 – 0,141) МПа;
-
эмпирические уравнения для расчета электропроводности исследуемых теплоносителей в зависимости от температуры при интервале от (283,15– 358,15)К;
4. получены патенты РТ по темам: «Экспериментальная установка для из
мерения электропроводности теплоносителей в зависимости от температуры» Па
тент РТ (Патент РТ № TJ 371) и «Устройства для измерения диэлектрической
проницаемости жидких диэлектриков» Патент РТ. TJ 210;
5. результаты оптимизации тепловых процессов теплоносителей в солнеч
ных водонагревательных установках (СВНУ).
Результаты исследования внедрены:
-
Полученные аппроксимационные зависимости по теплофизическим и электрофизическим свойствам растворов используются для инженерных расчетов при проектировании солнечных коллекторов.
-
Составлены подробные таблицы теплофизических и электрофизических характеристик системы водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а – вода – нано-материалы в интервале температур (283,15-358,15) К, давлений (0,101 – 0,141) МПа, которые могут быть использованы проектными организациями в различных технологических процессах.
-
Собранная аппаратура для измерения температуропроводности, теплопроводности и электропроводности систем, (водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) – вода – наноматериалы) используются в научных и учебных лабораториях кафедры «Теплотехника и теплотехнические оборудования» Таджикского технического университета им. академика М.С. Осими преподавателями при выполнении диссертационных работ и студентами при выполнении дипломных, курсовых и лабораторных работ.
-
Приведенная новая модель солнечного коллектора может использоваться при конструировании солнечных коллекторов в промышленности и в исследовательских институтах.
Личный вклад автора состоит из постановки задач, выбора методов и разработки алгоритмов решения поставленных при выполнении работы задач, установления основных закономерностей протекающих тепло- и электрофизических процессов для расматриваемых теплоносителей, проведения экспериментальных исследований в реальных производственных условиях, получения данных по теплофизиче-ским (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость, плотность) и электрофизическим (электропроводность, удельная сопротивления) свойствам, обработки и анализа полученных результатов, разработки рекомендаций для повышения
энергоэффективности солнечных двухконтурных коллекторов, формулировки основных выводов диссертационной работы.
Все результаты диссертационной работы получены автором лично под руководством научного руководителя.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 3-я Международная научно-практическая конференция СЭТТ-2008, Москва-Тамбов (2008г); 6-я школа -семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова Казань, Россия 16-18 сентябрь 2008г; International conference. Warszawa, Poland, 2008y; 18 th European conference on thermophysical properties. France, 2008y; 18 Thermodynamic Water Solutions, Berlin, 2008y; Республиканская научно-практическая конференция Актуальные проблемы технологического образования высших, средних специальных и средних учебных заведениях Душанбе-2009г.; 17-th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, Colorado USA, June 21-26, 2009y; Abstracts book. 30th ITCC and 18 th ITES 2009. Pittsburg. USA (2009y); 30-International Thermal Conductivity Conference and 18 International; Thermal Expansion Symposium. Pittsburg, Pennsylvania USA, August 29 –September 2, 2009y; Республиканкая научно-практическая конференция Состояние и будущей энергетики Таджикистана Душанбе-2009г.; Республиканской научно-практической конференции Физика конденсированных сред (28-29 апреля 2009), Душанбе-2010г.; 16th International conference thermodynamics properties materials, 23-26 Iune Budapest, 2009y.; международного научно-технического семинара. Актуальные проблемы и термовлаж-ностная обработка материалов к 100-ю А.В. Лыкова, 11-13 мая 2010 г. Воронеж (2010г.); 7 – я школа-семинар молодых ученых и специалистов им. академика В. Е. Алемасова Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашино-строении, Каань, 15-17 сентября 2010г.; 7 –я Международная теплофизическая школа Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг Ч. 1, Тамбов, 20-25 сентябрь 2010г.; республиканская научно-практическая конференция, посвященная 90 летию М.С. Осими «Академик М.С. Осими и развитие культуры» 20 ноября 2010г.; 31-th Thermal conductivity conference, 19-th International Thermal expansions symposium, Iune 26-30, 2011, Saguenay, Quebec, Canada (2011y); Международная конференция «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах Махачкала ,21-23 ноября 2010г.; Республиканская конференция посвященная 70-летию Зидулло Нуриддинова, ТГПУ им. С. Айни, Душанбе, 24-25 декабря 2010г.; Республиканская научная конференция Проблемы современной координационной химии, посвященная 60-летию члена корреспондента АН Республики Таджикистана, доктора химических наук, профессора Аминджонова А.А.; 13 Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ (с международным участием), Новосибирск-28 июня-1 июля 2011г.; 9-я Международная научно-техническая конференция. Материалы и технологии 21 века. Пенза-март 2011г.; 4 Международная научно-практическая конференция Современные энергосберегающие тепловые технологии, СЭТТ-2011 , Т.2 , Москва-2011г.; 19 European Conference son Thermophysical Properties, August 28-September1, 2011, Thessaloniki, Greece (2011y); Республиканская научно-
практическая конференция Перспективы энергетики Таджикистана, 23 декабря 2011г.; 18-th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, Colorado USA, June 21-26, 2012у.; 8-ая Международная теплофизическая школа, Посвященная 60-летию Сафарова М.М. 8-13 октября 2012, Душанбе-Тамбов (2012г); Труды 8 –ой школы семинара молодых ученых и специалистов им. академика РАН В.Е. Але-масова. 2012. Казань (2012г); 2- Всероссийская школа-семинар молодых ученых, посвященная 55-литию создания Института физики и 105- летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР Х.И. Амирханова, Махачкала, 2012г.
По результатам работы опубликовано 1 монография, 30 статей (из них 5 рекомендуемых ВАК РФ), 25 тезисов докладов и получено 2 патента Республики Таджикистан.
Структура и объм работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка литературы (136 наименований). Содержание работы изложено на 117 страницах (приложения 52 страница), включая 54 таблиц и 76 рисунков.
Теплофизические свойства теплоносителей
Научные основы материаловедения намного сложнее по сравнению с нашими знаниями о них и тесно связаны с рассмотрением свойств нелинейных динамических систем [91,128], работающих вдали от равновесия. Как отмечает Пригожин [56], осознание этого факта уже само по себе представляет существенное продвижение в области науки о материалах. Действительно, взаимодействие с окружающей средой (обмен энергией, веществом) может привести к сложным динамическим превращениям, приводящим к неустойчивостям, создающим переходы к множественным структурам. Особый интерес этот постулат имеет для научных основ синтеза и эксплуатации материалов космической, электронной, атомной, металлургической техники, являющихся базой современной космической, электронной и атомной промышленности.
В общем случае взаимодействие сложной системы (изделия, установка, различные машины и даже сложные промышленные и гражданские объекты и т.д.) со всем остальным описывается сложной системой нелинейных интегральных и дифференциальных уравнений в частных производных, для которых нелинейные перекрестные члены и сами краевые условия зависят сложным образом от времени и от координат.
Особенно важную роль представляет случай эволюции атмосферы собственных точечных дефектов в наноматериалах (например, сажа, графитный порошок и углеродный нанотрубок) при получении и эксплуатации. Как известно, высокие эксплуатационные характеристики и свойства технически важных материалов (как, в прочем и всех материалов) на атомарном уровне связаны с генерацией на начальном этапе собственных френкелевских междоузельных пар (атомов и вакансий). Эти междоузельные атомы и вакансии в процессе работы материа 15 лов, в свою очередь, взаимодействуют между собой весьма сложным образом, в результате чего создаются дефекты или комплексы дефектов сложного состава, которые могут давать, в конечном счете, дислокации, разупорядоченные области (РО) и поры.
Такого рода нанодефекты и дефекты могут играть роль активных центров нарушения основных характеристик материала, например, к механическим, теп-лофизическим и радиационным воздействиям. Предохранение основных эксплуатационных характеристик, несомненно, связано с необходимостью наличия в материале неких ловушек междоузельных атомов и вакансий. Эти объекты в больших количествах наблюдаются в наноматериалах. В объеме наноматериала в качестве ловушек собственных междоузельных атомов и вакансий могут служить интерфейсы, поры, пустоты, вакансии, комплексы вакансий и т.д. нанометровых размеров, формирующие «пустое» пространство в материале. Под пустотой здесь понимается пространство наноматериала, свободное от наночастиц материнского материала, формирующих его каркас. Это пустое пространство наноматериала, по существу, является его внутренней атмосферой, содержащей помимо атомов и молекул земной атмосферы свои собственные атомы и вакансии и их комплексы, находящиеся в термическом равновесии с поверхностью наночастиц. Большое значение в связи с этим приобретают исследования процессов тепло- и массопе-реноса в объеме наноматериалов, несомненно имеющие свои ярко выраженные особенности, связанные с малыми размерами нанообъектов: наночастиц, нано-объектов пустоты и чрезвычайно развитой поверхности раздела между наноча-стицами материала и нанообъектами «пустоты».
Вследствие чрезвычайно высоких скоростей диффузионных процессов в наноматериалах, несомненно имеют место самозалечивание механических и радиационных нарушений твердотельного каркаса наночастиц в процессе эксплуатации. Эти высказанные соображения на качественном уровне соображения в свою очередь могут быть подкреплены элементарными расчетами, основанными на расчетах с использованием простейших синергетических моделей. Так, например, в работе [98] автор подробно показывает механизм получения наноматериа 16 лов на основе кремния. Автор используя вышеупомянутые модели показывает, что как и для случая обычных образцов кремния, концентрациям С1 собственных междоузельных атомов кремния (1) и концентрациям Сv вакансии (V) в атмосфере собственных дефектов кремния возможно присуще наличие бистабильных состояний, переход между которыми может быть описан квазихимическими реакциями Шлегеля. Наличие таких бистабильных состояний дает возможность при определенных условиях (создание ловушек, например, бивакансий Св v в процессе эксплуатации и облучения) осознанно контролировать наличие собственных междоузельных атомов в кремнии. В связи с этим, в рамках синергетического подхода автор [98] выдвинул гипотезу о высоких эксплуатационных характеристиках наноматериалов, объясняющая на основе синергетических подходов высокие эксплуатационные характеристики наноматериалов на основе кремния (например, слои гибкого кремния нанометровых размеров). Здесь ловушками собственных междоузельных атомов кремния и вакансий является поверхность гибкого кремния. В объеме наноматериала, как уже упоминалось, в качестве ловушек собственных междоузельных атомов и вакансий могут служить интерфейсы, поры, пустоты, вакансии и т.д. нанометровых размеров. Причем, суммарная концентрация СпД ловушек нанообъектов в наноматериалах велика. Поэтому в наноматери-алах, повидимому, реализуется преимущественно случай СпД C (Cp к рr критическое значение Св v, при котором наблюдаются переходы, Cд -» 0 , Сv -» 0 , так что Cl =0, Cv =0). Это возможно предохраняет наноматериалы от образования дислокацией и РО, источником которых могут служить собственные междо-узельные атомы и вакансии, образующиеся в процессе работы наноматериала (особенно в экстремальных условиях), что и объясняет его высокие эксплуатационные свойства (например, механические, тепло физические и радиационные свойства) по сравнению со свойствами обычных материалов.
Экспериментальная установка для измерения температуропроводности теплоносителей в зависимости от давления
В настоящее время известно свыше 60 работ, посвященных измерению теплопроводности воды. Обзор основных экспериментальных работ приведен в работах Барата и Нетлетона [2], Пауэлла [17], в книгах Варгафтика Н.Б. и др. [57,58], Александрова, Трехтенгерца [48]. Поэтому остановимся лишь на некоторых работах последних лет.
В последние годы по теплопроводности воды получены новые результаты в работах Ле Нейндра с соавторами [12], Расторгуева с сотрудниками [102], Ка-стелли и Станли [6], Минамиями, Яты [13] (метод коаксиальных цилиндров), Тар-зиманова и Лазового [121] (метод нагретой проволоки), Таказивы, Начашимы, Танишиты [33] (нестационарный метод нагретой проволоки), Амирханова с сотрудниками [49] и Сироты, Латунина, Беляевой [117] (метод плоского слоя) и Спирина [119] (импульсный метод), которые перечислены в таблице 1.4.
Как известно, на VI Международной конференции (1963 г.) по свойствам водяного пара был тщательно рассмотрен весь накопленный экспериментальный материал по теплопроводности воды и водяного пара. На основании наиболее надежных экспериментальных данных были составлены международные скелетные таблицы (МСТ-1964) теплопроводности воды и водяного пара для диапазона Т = 273-973 К и Р = 0,1-50 МПа. Анализ экспериментальных данных о теплопроводности воды и водяного пара на VIIIМеждународной конференции (1974 г.) показал [122,9], что в некоторых областях необходимо внести изменения в МСТ-1964.
Сравнение новых данных о теплопроводности воды (МСТ-1974) показывает, что на кривой насыщения имеет место хорошее согласие результатов у различных авторов; в подавляющем большинстве случаев в диапазоне Т= 274-473 К отклонения не превышают 1%, а при Т 473 К – 2%. Причем, в области Т 373 К и Р =0,1 МПа большинство надежных точек расположено несколько ниже, чем в МСТ-1964. Как показано в [58], в диапазоне Т = 273-473К для значений теплопроводности воды может быть установлен допуск ± 1%. В этом интервале температур рекомендуется использовать воду как образцовое вещество для гра 22 дуировки приборов по измерению теплопроводности. Рекомендованные значения теплопроводности воды в [58] приведены в таблице 1.4.
Известно, что теплопроводность жидкостей с повышением температуры уменьшается. Как видно из таблицы 1.6. теплопроводность воды с увеличением температуры растет. Возрастание теплопроводности происходит от точки плавления до температуры 413 К, а затем, пройдя через пологий максимум, уменьшается вплоть до критической температуры.
Аномальное температурное поведение теплопроводности воды несомненно связано с ее специфической структурой. Несмотря на свою высокую теплопроводность по сравнению с другими жидкостями, вода обладает малой теплопроводностью по сравнению с ее твердым состоянием. Теплопроводность льда в точке плавления равна 2,26 Вт/(м. К), что в 4 раза больше, чем у воды.
Таким образом, при плавлении происходит уменьшение теплопроводности на 75%. При исследовании теплопроводности воды остается в стороне важный вопрос влияния радиационного переноса тепла при повышенных температурах, которое может приводить к систематической погрешности измеренных значений теплопроводности. Из работ Фритца и Польтца [18] и Польтца [19,62,93] следует, что вода обладает большой поглощающей способностью и при Т = 293 К влияние собственного излучения пренебрежимо мало. По расчетам [59] влияние излучения может составить 0,2% при Т=473 К и толщине слоя воды 0,5 мм.
Теплопроводность водных растворов органических жидкостей, электролитов, кислот и др. экспериментально и теоретически исследована в работах [79,55,124,97,73,131,7,14,8,81,53]. Таблица 1.5. Основные экспериментальные работы по теплопроводности воды
Пальмер [14] предположил, что особый механизм переноса, присущий воде, возникает в том случае, когда молекулы способны образовывать друг с другом водородные связи. Наличие водородных связей сказывается на теплопроводность по двум причинам: они способствуют образованию цепочек в направлении температурного градиента и создают дополнительный перенос тепла вдоль цепочки за счет обрыва связи на одном конце и восстановления его на другом. Известно, что водородные связи в жидкости зависят от температуры и с повышением температуры они уменьшаются, а число оборванных связей увеличивается. При наличии температурного градиента связи должны рваться при более высоких температурах, забирая тепло, и восстанавливаться при более низких, отдавая его. Поскольку при этом все время образуются изменяющиеся цепи молекул, ориентированные в направлении теплового потока, то вдоль цепи передается энергия водородной связи. Пальмер высказывает предположение, что этим связеобразованием может быть объяснена не только высокая теплопроводность гидроксильных соединений, но и положительный температурный коэффициент теплопроводности воды. Далее Пальмер оценивает, что количество тепла, переносящееся в воде водородными связями, составляет 80%. Положительной чертой построения Пальмера является то, что в нем предполагается наличие второго, дополнительного к обычному, механизма переноса тепла в гидроксильных жидкостях, в том числе и в воде. Однако предложенный Пальмером механизм вряд ли позволяет объяснить возрастание теплопроводности воды с температурой.
С повышением температуры число оборванных водородных связей увеличивается. Вместе с тем уменьшается теплопроводность почти всех гидроксильных жидкостей. Из построения Пальмера никак не следует увеличение теплопроводности воды.
Убывание теплопроводности раствора в зависимости от концентрации можно объяснить на основании представления Пальмера [14] и Эйкена [8] об особой роли водородных связей в теплопроводности воды.
Согласно этим представлениям, передача тепла от одной молекулы к другой облегчает в том случае, когда между молекулами появляется дополнительная сила взаимодействия в виде водородной связи. В неискаженной структуре льда каждая молекула устанавливает две водородные связи с двумя другими (из четырёх, являющихся ее ближайшими соседями), и две молекулы устанавливают с данной еще по одной связи. Поэтому каждая молекула связана четырьмя связями с окружающими ее молекулами (но число связей в два раза больше числа молекул).
Основные электрофизические свойства исследуемых теплоносителей (во-да+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + сажа, вода+ углеродные нанотрубки, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + углеродные нанотрубки)
В первой главе проведен обзор и анализ основных результатов теоретических и экспериментальных исследований, посвященных теплофизическим свойствам теплоносителей под воздействием давления и температуры.
На основе сформулированной ранее цели и с учетом проведенного анализа работ по тематике исследования определим круг задач исследования: 1. Проведение анализа основных свойств исследуемых объектов. 2. Экспериментальное определение теплофизических свойств теплоносителей (вода + графит, водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз)+графит, водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз)+сажа, вода + углеродные нанотрубки, вод ный раствор этиленгликоля 65 (антифриз)+углеродные нанотрубки) в зависимо сти от давления при комнатной температуре; 2.1. Расчет теплоемкости исследуемых объектов в зависимости от давления при комнатной температуре; 2.2. Экспериментальное определение зависимости теплопроводности исследуе мых объектов от давления при комнатной температуре; 2.3. Экспериментальное определение температуропроводности исследуемых объ ектов в зависимости от давления при комнатной температуре; 3. Экспериментальное определение электрофизических свойств теплоносителей в зависимости от температуры при атмосферном давлении; 3.1. Экспериментальное определение электропроводности исследуемых объектов в зависимости от температуры при атмосферном давлении; 3.2. Определение зависимости диэлектрической проницаемости исследуемых объектов от давления при комнатной температуре; 3.3. Расчет теплоемкости исследуемых объектов в зависимости от температуры при атмосферном давлении; 3.4. На основании полученных экспериментальных данных и существующих решений других авторов создание новых и усовершенствование существующих технических решений с использованием водный раствор этиленгликоля 65 (анти-фриз)+сажи, водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз)+графитного порошока, водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз)+углеродных нанотрубок, воды + графитного порошка и воды + углеродной нанотрубки в качестве активной среды. Таблица 2.1. Объекты исследования
Экспериментальная установка для измерения температуропроводности теплоносителей в зависимости от давления.
Метод основан на быстром локальном нагреве поверхности образца лазерным импульсом, при этом измеряется температура образца и поглощенная им энергия [89,34].
Перечень методов измерения температуропроводности приведен в [78]. В настоящее время примерно 75 % данных по температуропроводности получено методом лазерной вспышки [113].
Экспериментальная установка собрано сотрудниками кафедры «Теплотехника и теплотехнические оборудования» Таджикского технического университета имени академика М.С. Осими.
С помощью этой экспериментальной установки измерена температуропроводность системы «трансформаторное масло - магнитные порошки» соискателем Джураевым Д.С., системы «гидразингидрат - окиси металлов» соискателем Зои-ровым Х.А. и получен малый патент Республики Таджикистан №TJ 230 (соавторы: Сафаров М.М., Джураев Д.С., Зоиров Х.А. и др.) [112].
Представленное устройство (рисунок 2.1), в основном состоит из лабораторного автотрансформатора (ЛАТР), тонометра, реостата, амперметра, катушки, лазерной установки типа ЛГН-109, микровольтнаноамперметра типа Ф136, термопары и измерительной ячейки. Тонометр (5) (система для создания внешнего давления): модель АТ-12; диаметр тонометра 5 см; со стандартной манжетой (50 х 14 см); с увеличенной манжетой (60 х17 см); предел измерения от 0 до 300 мм. рт. ст.
Переносной транзисторный микровольтнаноамперметр типа Ф136 (4) предназначен для усиления и измерения малых постоянных токов и напряжений. Он может быть использован в качестве нуль индикатора в различных измерительных цепях. Отсчетное устройство двухшкальное, узкопрофильное со световым указателем. Длина шкалы 118 мм. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока. Хромель-алюмелевые дифференциальные термопары (3) изготовлены из проволоки диаметром 0,39 мм. Ячейка (2) изготовлена из полиэтиленового материала толщиной 0.27мм в форме призмы, размеры которой 30x5x15 мм. Амперметр (6) Э8030-М1ТУ, класс точности 0.5%, предел измерения до 1А, номинальная частота -50 Гц.
Обработка экспериментальных даддных по теплоемкости теплоносителей (системы вода+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+сажа, вода+ углеродные нанотрубки, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+углеродные нанотрубки) в зависимости от концентрации нанодобавок
По графикам рисунков 5.6. и 5.8. видно, что с повышением температуры теплоемкость и теплопроводность теплоносителя увеличивается. С повышением температуры должны повышаться эффективность водонагревателей так как КПД коллектора прямо пропорционален температур теплоносителя при выходе и входе в коллектор, 1т- интенсивность солнечной радиации, Ас- площадь коллектора.
По таблицам 3.4., 3.8., 3.12., 3.16., и 3.20. видно, что различные теплоносители с концентрациями порошков, т.е. графитного порошка, сажи и углеродных нанотрубок влияет на теплофизические свойства теплоносителей.
Полученные экспериментальные данные показывают зависимость тепло физических свойств от давления, т.е. теплофизические свойства жидкостей зависят не только от температуры, но и от давления. Данные которые получены с помощью программы «Thermophysical», имеют зависимость только от температуры.
Для оптимизации тепловых процессов теплоносителей для солнечных коллекторов были проведены ряд экспериментов и расчетов. Для повышения эффективности солнечных водонагревателей теплофизические и оптические свойства теплоносителей, такие, как теплоемкость, плотность, теплопроводность, температуропроводность, коэффициент поглощения, отражения и коэффициент пропускания играют важнейшую роль.
Выбор теплоносителей для каждого типа солнечных водонагревателей в зимний и летний период имеет свои особенности. Например: для летнего периода можно применять в качестве теплоносителя воду, так как ее теплоемкость относительно выше других теплоносителей, но в зимний период, не стоит в качестве теплоносителя применять воду из-за ее замерзания.
В солнечных тепловых системах четыре фундаментальных явления, относящихся к радиационным особенностям материалов, представляют большой интерес [15]: Прохождение солнечных лучей через прозрачный материал; Отражение от поверхности прозрачного материала и поглотителя; Поглощение солнечной радиации на поверхности; Эмиссия от поверхности. С точки зрения распределения энергии над поверхностью тела можно рассматривать три основных коэффициента распределения энергии:
При вычислениях радиационной энергии, поступающей от солнца на непрозрачные поверхности, необходимо иметь информацию о двух величинах: поглощающая способность и излучаемость [15].
В свою очередь, оптические характеристики теплоносителей играют свою роль на повышение эффективности водонагревателей открытого типа с прозрачными стеклянными покрытиями [103]. Для этого были проведены опыты с различными поглотителями. В этих опытах были использованы исследуемые теплоносители. Площадь зеркала теплоносителя в данном эксперименте составляла 3,63см2 и объем теплоносителя 15,97см3. Результаты опыта представлены в таблице 5.1. Эти значения представляют интерес для солнечных коллекторов открытого типа, схема которых приведена в первой главе (рисунок 1.5). Таблица 5.1. Зависимость температуры теплоносителей от времени
Зависимость температуры теплоносителей от времени; Т1- вода; Т2-водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз); Т3- 0,4%. сажа + водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз); Т4- 0,4%. графитного порошка + водный раствор эти-ленгликоля 65 (антифриз); Т5- 0,4%. графитного порошка + вода.
С помощью этой таблицы и графика можно характеризовать оптические характеристики теплоносителей. Добавка в теплоноситель графитного порошка или сажи приводит к изменению его цвета. Цвет теплоносителя для выбранного коллектора имеет свой характер оказания влияния на изменение его эффективности в зимний и летний сезоны. Этот фактор показывает, что эти теплоносители за короткое время больше поглощают солнечную радиацию, т.е. у них хорошая по-глощательная способность, чем у других.
В настоящее время во всем мире наблюдается повышенный интерес к использованию в различных отраслях экономики нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Ведется бурная дискуссия о выборе путей развития энергетики. Это связано, прежде всего, с растущей необходимостью охраны окружающей среды [35].
Движущей силой этого процесса являются происходящие изменения в энер гетической политике стран со структурной перестройкой топливно энергетического комплекса, связанной с экологической ситуацией, складываю щейся в настоящее время как переходом на энергосберегающие и ресурсосбере гающие технологии в энергетике, так и в промышленности и в жилищно гражданском комплексе [15].
Приближающаяся угроза топливного “голода”, а также загрязнение окружающей среды и тот факт, что прирост потребности в энергии значительно опережает прирост ее производства, вынуждает многие страны с новых позиций обратить внимание на энергию солнечных лучей, ветра, текущей воды, тепла земных недр, то есть на энергию, большая часть которой растворяется в пространстве, не принося ни вреда, ни пользы [35].
В настоящее время на производство тепла и электричества расходуется ежегодно количество тепла, эквивалентное примерно 1000 трлн. баррелей нефти, сжигание которых сильно засоряет атмосферу Земли. Основным направлением развития теплоэнергетического хозяйства городов и поселений городского типа является централизованное теплоснабжение и особенно в его наиболее эффективной форме - теплофикация.
В системах теплоснабжения практически не применяются тепловые насосы, позволяющие эффективно использовать низко потенциальные вторичные энергетические ресурсы и природное тепло (грунта, воды, воздуха). В покрытии общего теплопотребления весьма небольшую долю составляют нетрадиционные источники энергии.
В городах, снабжаемых теплом от ТЭЦ и котельных, работающих на угле (в том числе, на низкосортных его сортах), неуклонный рост тепловых нагрузок приводит к загрязнению воздушного бассейна и ухудшению экологической остановки. Преимущества эксплуатации солнечных установок: существенное уменьшение затрат на отопление и горячую воду; уменьшение эксплуатационных затрат; . увеличение срока службы вспомогательной отопительной системы. Солнечные водонагреватели позволяют решить вопросы: . автономного горячего водоснабжения;
Одна из целей данной работы включает в себя повышение эффективности солнечных двухконтурных коллекторов открытого типа. Повышение эффективности коллекторов позволяет применять их в теплоснабжении городов.
Данная работа включает теплофизические и оптические характеристики теплоносителей, от которых зависит эффективность солнечных коллекторов. Для повышения эффективности коллекторов для данных систем теплоносителей выбрана двухконтурная система с коллектором открытого типа (рисунок 1.3). Такие типы коллекторов можно эксплуатировать в условиях Таджикистана. Чтобы по 100 высить эффективность коллектора, было проведен ряд экспериментов. Эксперименты показали, что для повышения эффективности коллектора нужно обратить внимание на оптические характеристики данных теплоносителей. Чтобы улучшить оптические характеристики теплоносителей в данной работе были исследованы системы теплоносителей с концентрацией графитного порошка и сажи (водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз) + графит, вода + графит, водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз) + сажа). Теплоносителя в коллекторах с добавкой графита и сажи на водной растворе этиленгликоле 65 (антифриз) показали высокое значение эффективности, так как быстрее нагревались.
