автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Исследование тепло-и температуропроводности жидких ароматических углеводородов методом импульсно нагреваемой проволоки при температурах до 600К

На правах рукописи

pre од

ЮЗМУХАМЕТОВ Фарид Дамирович} у

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛО-И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНО НАГРЕВАЕМОЙ ПРОВОЛОКИ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ДО 600К.

Специальность 05.14.05 - теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Казань - 2000

Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор А. А.Тарзиманов кандидат технических наук, с.н.с. Ф.Р.Габитов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.В.Фафурин кандидат технических наук, доцент Ф.Н.Дресвянников

Ведущая организация:Всероссийский научно-исследовательский институт углеводородного сырья (Казань).

Защита диссертации состоится 3 июня.2000 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 063.37.02 в Казанском государственном технологическом университете по адресу:

420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68 (зал заседаний Ученого совета КГТУ, А-330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан ^ мая 2000 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета д.т.н., профессор

г-оего А-о^^Ла. Г\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Широкое использование органических жидкостей в тепло-и массообменном оборудовании различного целевого назначения требует знания их основных теплофизических свойств (ТФС), к числу которых относятся теплопроводность X и температуропроводность а. Кроме практического значения сведения об указанных ТФС являются ценным источником информации для развития общих закономерностей о механизме переноса тепла, что непосредственно связано с фундаментальными проблемами жидкого состояния вещества, которые в настоящее время нельзя считать решенными.

Возрастающий объем исследований ТФС предъявляет повышенные требования к экспериментальным исследованиям. Быстродействующий комплексный метод исследования, которым одновременно измеряются к и а, нестационарный метод кратковременных измерений в стадии иррегулярного теплового режима - метод импульсно нагреваемой проволоки (МИНП), используется для определения ТФС жидких ароматических углеводородов. Ароматические углеводороды занимают одну из ключевых позиций в химической промышленности и служат сырьем для получения важнейших продуктов.

Имеющиеся в справочной литературе данные по А,, а ароматических углеводородов, полученные традиционными стационарными методами, представляют собой эффективные значения, включающие в себя молекулярную А,м и радиационную Хг составляющие. Это обусловлено полупрозрачносгью большинства органических жидкостей для ИК- излучения, к которым относятся и ароматические углеводороды. Эти значения могут отличаться от истинных молекулярных до 20% и более. Только для нескольких веществ в справочниках по ТФС жидкостей даны молекулярные значения теплопроводности. Большим преимуществом МИНП является то, что за время измерения тепловая волна от зонда проникает в среду на очень маленькую глубину. Если эта глубина меньше длины свободного пробега фотона, то зондируется прозрачная

среда и получаемые значения ТФС можно отождествить с молекулярными.

Настоящая работа выполнена в соответствии с Координационными планами НИР АН СССР и НИР РАН по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика 1986-2000 (п.1.9.1.1.2.1.).

Цель работы:

У разработка методики и создание экспериментальной установки по МИНП, позволяющей получать молекулярные данные по А., а жидкостей при давлениях до 30 МПа и температурах до 600К,

> разработка и создание автоматизированной системы измерения А., а на базе персонального компьютера,

> получение экспериментальных данных по молекулярным А,, а жидких ароматических углеводородов,

> оценка величины радиационной составляющей теплопроводности А.г в результатах, полученных традиционными стационарными методами,

> обобщение экспериментальных данных с использованием теории подобия.

Научная новизна. К наиболее существенным научным результатам можно отнести следующее.

□ Разработана методика и создана автоматизированная экспериментальная установка по МИНП для исследования А., а органических жидкостей при температурах до 600К и давлениях до 30 МПа.

□ Измерены А,, а 7 жидких ароматических соединений (бензол, толуол, (о-,п-,м-) ксилолы, этилбензол, изопропилбензол) в области температур до 600К и давлений до 30 МПа. Полученные значения ТФС не искажены радиационным переносом энергии. Для большинства веществ данные по к, а получены впервые.

□ Показано, что полученные экспериментальные данные по А,, а систематически расположены ниже справочных данных и с ростом температуры расхождения увеличиваются до 10-12%. Дано этому факту объяснение, исходя из теории радиационно- кондуктивного теплообмена (РКТ) и расчетов с использованием ИК- спектров поглощения исследованных веществ.

□ На основе закона соответственных состояний получены единые уравнения, описывающие и прогнозирующие А,, а, а также удельную объемную теплоемкость рСр, нескольких классов

жидких органических соединений в широком диапазоне температур.

Практическая ценность Теплофизические свойства жидких ароматических углеводородов, не искаженные радиационным теплопереносом, представляют практическую ценность для научно-исследовательских институтов, проектных организаций и предприятий.

Разработанные методика измерения комплекса ТФС и автоматизированная экспериментальная установка по МИНП могут быть рекомендованы для исследования ТФС, не искаженных радиационным теплопереносом, в широком диапазоне температур и давлений.

Результаты работы введены в банк физико-химических свойств ВНИИУСа (г.Казань) и используются в проектных и исследовательских работах.

Апробация работы. Основные положения и результаты доложены и обсуждены на:

♦ 12 European conference on thermophysical properties (Viena, Austria, 1990 );

♦ 9ой теплофизической конференции СНГ (Махачкала, 1992);

♦ итоговых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Казанского государственного технологического университета в 1989-2000 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ. Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Полный объём диссертации 146 страниц, 98 страниц основного машинописного текста, 31 рисунков, 14 таблиц, 2 страницы приложения. Список литературы включает _80_ источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обосновывается актуальность и практическая значимость работы.

В первой главе рассматриваются теория и возможность практической реализации МИНП для исследования А,, а.

Идеальная модель данного метода представляет собой бесконечный линейный источник радиального теплового потока постоянной мощности, возбуждаемого в момент времени х = 0 и расположенный в неограниченной среде с начальной температурой Т0 .В нашем случае, тонкая платиновая нить (г = 2,5мкм, L=39.2-40.5мм и сопротивлением R0 =228-235 Ом) помещается в

исследуемую среду, являясь одновременно термометром сопротивления и источником радиального теплового потока. В момент времени т > 0 по нити проходит постоянный электрический ток, который вызывает выделение теплоты постоянной мощности с единицы длины . Измерительная ячейка соответствует идеальной модели бесконечного линейного источника тепла постоянной мощности. Температурное поле жидкости изменится в соответствии с уравнением теплопроводности Фурье.

Постановка задачи для идеальной модели линейного источника тепла при т > 0 следующая

ат

— = а дх

д2т 1

+ •

ч дг2 г 8г

(1)

При следующих краевых условиях: при т - 0, Т = Т0 ; при Г —> то, Т Т0 ; при Г - Г0, - 2пГ01(дТ/дт) = .

При использовании в качестве зонда проволоки очень малого радиуса с достаточной степенью точности решение данной модельной задачи может быть записано в виде (Г. Карслоу и Д. Егер. Теплопроводность твердых тел. М.1964):

АТ = Т-Т0 =(я^4*Х).|п(4ат/г02с) (2)

Решая (2) относительно температуры линейного источника тепла для двух моментов времени получают зависимость для определения теплопроводности А, жидкости, в которую погружен источник тепла:

х = 3к НгАо) 4тг ДТ(т)-ДТ(г0) Как видно из уравнения (2), метод позволяет определять температуропроводность среды. Однако точность прямых абсолютных измерений невысока, что связано с необходимостью точного определения радиуса нити, а также наличием ряда неопределенностей, обусловленных при измерении АТ. В дальнейшем будет рассмотрена компенсационная схема относительного определения а.

Уравнение (2) справедливо для бесконечного линейного источника тепла постоянной мощности. Хотя в измерительной ячейке применяются очень тонкие по сравнению с длиной нити платиновые провода (отношение длины к диаметру более 104), были внесены некоторые поправки, учитывающие отклонения от идеальности: на влияние теплоемкости нити, на изменение длины нити с температурой, на излучение с поверхности нити. Сумма всех вводимых поправок в случае измерения А. органических жидкостей линейным зондом 0 5 мкм в наших опытах не превышала 1-2%. В случае же измерении а по компенсационной схеме отпадала необходимость во введении поправок, за исключением поправки на изменение длины нити с температурой.

Практическое решение МИНП включает три основных момента:

а) создание измерительного датчика;

б) нагрев датчика с помощью устройства, генерирующего прямоугольные импульсы напряжения;

в) регистрация изменения температуры (сопротивления

датчика ) во времени AT = f(x).

Для разогрева датчика используется мостовая схема, где датчик R| включается в одно из плеч моста (рис. 1). Питание мостовой схемы осуществляется от источника постоянного тока (кислотные аккумуляторы постоянного тока, общее напряжение -12.6 В, емкость 60 А-ч). Импульсное напряжение заданной длительности формируется оптронно-транзисторным ключей К1. В начальный момент времени схема сбалансирована, т.е. (R1 = R3;R2 + R7 = R5 + R6 + R,). При пропускании тока заданной мощности qL ведется регистрация AT = f(x). Для регистрации разработано и реализовано автоматизированное устройство сбора и обработки информации на базе персонального компьютера. В дальнейшем, исходя из (3), с учетом поправок определяется X .

Для измерения а реализуется компенсационная схема относительных измерений (Рис.1). Отличие от абсолютной схемы измерения состоит в добавочном компенсационном датчике

Rk = R7 (подобен Rj), который предназначен выдавать постоянный сигнал сравнения. Это обеспечивается тем, что во всех измерениях Rk находится в одной среде (н-пентадекан) и при одной Т (в термостате с тающим льдом), а также тем, что сила тока в обоих плечах моста поддерживается неизменной. Это обеспечивается условием R1 + R2+Rk = R3 + R5+R6 + Rj.

Принцип измерений заключается в следующем. Сначала проводится тарировочный эксперимент, т.е. Rj помещается в эталонную жидкость с известными Хэ и аэ, и проводится определение зависимости:

AT,3=f(x) (4)

Далее идет переход к непосредственным измерениям. Теперь Rj помещается в исследуемую жидкость и определяется зависимость:

AT, = f(x) (5)

Далее с учетом основного уравнения (2), находится условие равенства (4) и (5) для моментов времени Т| и xi3> которое может быть представлено в виде:

АТ(т,)-АТ(0) ЛТ(т,3)-АТ(0)

где tgq> = — 4яА,

В результате получаем выражение для определения а(:

= (аэх1э)/х| (7)

Во второй главе: рассматриваются экспериментальная установка (конструкции измерительных ячеек, автоклава, систем термостатирования и поддержания давления), измерительная схема. Изложены методика и анализ погрешностей измерения X и а.

Для исследования X и а жидких ароматических углеводородов была создана экспериментальная установка. Измерительная ячейка, автоклав, системы термостатирования и поддержания давления позволяют проводить измерения до температур

500К (жидкостной с термостатирующей жидкостью ПМС-200), 600К (сухой, воздушный

термостат) и давлений до 30 МПа.

Измерительная схема (рис.1) позволяет проводить измерения X , а при минимальных изменениях в схеме, а автоматизированное устройство сбора и обработки информации, обеспечивает регистрацию импульсов нагрева

длительностью 0.003-0,1 секунд. В течение одного импульса регистрируются 224 значения ДТ = ^т).

Принцип работы экспериментальной установки заключается в измерении и запоминании дискретных значений напряжений разбаланса моста в конкретно-заданные моменты времени с начала подачи импульса напряжения, с последующим вычислением X, а исследуемой среды. Оптрон 30Д101А (в ключе К1) развязывает задающие цепи от мостовой схемы. Резисторы Ш-К4, Кб, 117 - малоиндукгавные магазины согрототений Р 4830/1 класса точности 0.02. Переключатель П позволяет перестраивать схему на измерения X и а .

Длительность импульса 3-100мс задается с клавиатуры персонального компьютера ПК . Импульс формируется программно-собственным кварцевым генератором ПК, и через блок согласования БС подается сигнал на открытие и после истечения необходимого времени - на закрытие огпронного ключа К.1 Напряжение разбаланса мостовой схемы измеряется с помощью двенадцатиразрадного аналого-цифрового преобразователя АЦП Ф4223 класса точности 0.25. Для усиления малою сигнала разбаланса моста и согласования этого сигнала с пределами измерения АЦП ( + 5В) предназначен усилитель-нормализатор У, специально разработанный и изготовленный. Коэффициент усиления усилителя Ку=200-2000 задается ПК. Точное значение коэффициента усиления определяется в автоматическом режиме перед каждым измерением разбаланса моста и силы тока. Компаратор Р 3003 класса точности 0,0005 формирует оперное напряжение, необходимое для определения уточненного

Рис.1. Функциональная схема электрических измерений.

значения коэффициента усиления. Одновременно проверяется дрейф "0-нуля" узтигеля.

При псдаче импульса в диагонали моста возникает сигнал разбаланса , при этом регистрируются 224 значения напряжения разбаланса (соответственно температуры) в течение одного импульса нагрева датчика. В течение второго импульса в те же моменты времени производятся замеры величины силы тока , протекающего через датчик. Измерение тока проводится с помощью АЦП и образцовой катушки сопротивления Н5 марки Р 324 номиналом 1 Ом, включенной в диагональ мостовой схемы. Переключение схемы на измерение силы или напряжения тока производится ключем К2.При измерении а сила тока не измеряется.Как длительность импульса, так и временные интервалы между импульсами формируются программно собственным кварцевым генератором ПК с погрешностью +4 мкс.

Возможна работа автоматизированной системы измерения в циклическом режиме. При этом программно, по команде компьютера оптронным ключём формируется заданное количество импульсов нагрева зонда. С клавиатуры компьютера задавалась длительность пауз между импульсами (5-20с), выбранная из условия, чтобы температурное поле, создам импульсами практически полностью исчезло. После накопления заданного количества измерений автоматически проводилась статистическая обработка результатов замеров.

Приращение сопротивления датчика пересчитывалось в приращение температуры по тарировочной

зависимости.

Предварительно датчик тарировался по образцовому платиновому термометру сопротивления ПТС-10.

Далее определялись А, и а по зависимостям (3), (6), (7), учитывая отклонения измерительной

предыдущим ипульсом, в паузе между

Рис. 2. Сравнение экспериментальных данных по теплопроводности толуола со справочными (на линии насыщения)

ячейки от теоретической модели. Проанализированы погрешности измерений А. и а , которые составляют 1% и 3% соответственно.

В третьей главе анализируется состояние вопроса исследования X, а ароматических углеводородов и приводятся результаты экспериментальных исследований.

С целью проверки надежности экспериментальной установки, правильности методики проведения экспериментов были выполнены измерения А. и а толуола при температуре 293-493К. В справочнике по теплопроводности жидкостей и газов приведен подробный анализ экспериментальных данных различных авторов как по А,м, так и по А.Эф для слоев с толщиной 0.5-0.7 мм. С ростом температуры расхождения по А.Эф увеличиваются до 10 %, а по Хм наблюдается

удовлетворительное согласие в пределах погрешности эксперимента (рис.2). Полученные да согласуются (в пределах погрешности эксперимента) с

результатами других исследователей полученными МИНП и методом периодического нагрева (рис.3).

Для исследований использовались вещества марки чда или хч. Жидкости

предварительно деаэрировались путем вакууммирования. Степень чистоты жидкостей контролировалась по показателю преломления. Во время опытов сила греющего тока была в пределах 4-6 мА, при этом нагрев датчика не превышал 1-2 К.

В диссертации приведены подробные результаты экспериментов. Молекулярная теплопроводность о-ксилола (при Т > 373К), (п-,м-)ксилолов (при Т > 293К), этилбензола (при Т > 473К) и изопропилбензола (при Т > 373К) исследована впервые.

ные по а толуола удовлетворительно

9,5 9 8,5 о 8 7,5 "о 7 « 6,5 6 5,5

О Нефедов ИТлоубаев А Широкова в Автор

420 470 ХД 520

РвсЗ. Сравнение экспериментальных шачспий температуропроводности толуола в зависимости от температуры на .танин насыщенна

Экспериментальные данные по температуропроводности, за исключением данных по толуолу и единичных точек по бензолу, этилбензолу (при Т=293К), получены также впервые. В таблице указана область исследования X, а жидких ароматических углеводородов.

Исследованные вещества. Таблица

ВЕЩЕСТВО Хим. Форм. Свойство Р, МПа т,к

БЕНЗОЛ с«нв X, а Ра 293-493

ТОЛУОЛ С7Н8 Х,а Р5 293-493

О-КСИЛОЛ С8Н<0 Х,а Р5 293-493

М-КСИЛОЛ СеНю Х,а Р5 293-493

П-КСИЛОЛ С8Н« Х,а Р5 293-493

ЭТИЛБЕНЗ. СеНю Х,а р5-30 293-593

изопроп.бенз. С,Н,2 Х,а Р5-зо 293-593

органических

♦ бензол (Мустафаеа) о бензол (автор)

А этилбенэол (Мусгафаев, Ахунов) А этилбенэол (автор)

12

10

Известно, что эффект полупрозрачности жидкостей существенно зависит

от температуры ( А,г ~ Т3 ). Зависимость Хг от давления для жидкостей невелика. Поэтому для большинства веществ измерения проводились в широком диапазоне температур при давлениях близких к давлению насыщения. Преимуществом автоматизации на базе персонального компьютера в теплофизическом является накопления и обработки первичной информации при числе

замеров 10-15 при одних и тех же Р и Т, что уменьшает влияние случайных ошибок на получаемый результат.

современном эксперименте возможность статистической

Я 4

С? 2

Рис. 4. Коррекция А.^ с учетом Хг на линии насыщения.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что во всех случаях наши значения X и а находятся ниже справочных. Если при комнатной температуре эффект переизлучения сравним с погрешностью эксперимента, то при повышенных температурах он достигает значительной величины (10-12%) при температурах близких к 600 К.

В четвертой главе приводится краткий обзор теоретических решений задач радиационно-кондуктивного теплообмена (РКТ), рассматриваются основные радиационные свойства , необходимые для расчетов, выполняется анализ и обобщение результатов измерений.

Как уже отмечалось, наши данные по А., а расположены систематически ниже результатов прежних измерений, полученных традиционными методами (плоского слоя, коаксиальных цилиндров, нагретой нити).

Расчеты радиационной составляющей теплопроводности Хт,

присутствующей в Я,Эф, проводились в селективно-сером

приближении по модели Шоделя. На рис.4, показано, что внесение поправки на радиационный теплоперенос уменьшает расхождения данных, полученных традиционными методами, с нашими результатами с 6-12% до 1-2%.

Расчет Хг для внесения поправок в результаты традиционных методов очень трудоемкая задача. В частности, требуется проведение дополнительных экспериментов по определению спектральных радиационных характеристик исследуемой среды и ограничивающих её поверхностей.

Поэтому для упрощения задачи нами предложена методика пересчета эффективных справочных значений Я.Эф в

молекулярные .

Проведенные исследования показывают, что Хг ~Т3. Исходя из этого Хг рассчитывалось по формуле:

Хг =сТ3 (8)

где постоянная С, индивидуальная для каждого вещества , выбрана на основе значений А,г,.вычисленных по модели Шоделя при Т=293 К.

Располагая опытными данными Адф и рассчитав величину лг по уравнению (8), можно найти значение молекулярной теплопроводности

^ м - ^ эф - г (9)

Отклонение экспериментальных значений 1Г от рассчитанных по предложенной методике не превышает 3% от X.

Для получения обобщающих зависимостей использован закон соответственных состояний. Имеющиеся опытные данные различных авторов по Хм н-алканов, алкенов, ароматических углеводородов (на линии насыщения) были представлены в приведенных координатах.

Как видно из рис.5,6 , опытные точки достаточно хорошо (максимальное отклонение не превышает 3%, среднеквадратичное отклонение 1.5%) укладываются на единую кривую, которая описывается уравнением:

Х/ =1.830 - 1.980х + 0.634т2 (10)

/ Лх=0.б

где т = Т/Ткр^Х^о 5 -теплопроводность при т =0.5.

1,4 1.2 1

0,8 0,6 0,4 0,2

о 1-таксам

ОО-МСИПОЛ

• п-ксилол О 1 -МОИ4.И

ш ГЫХФКМН X и^грмдакам -I- н-гаксадакан и Санэол

и»опропнп6<наол

р этилбаиэол £, мнссилол д 1-октан

А к-додакаи сэ м-татрадвкам « и-октадакан ж толуол

тггт

0,2

0,4

0,6

0,8

Рис.5. Зависимость Х/К-с^ =ДТ/Ткр)

§ 1

? 0

V =

зЬо:

400

-4

Т,К

Рис.6.Отклонение эсперименгаль-иых дшшых 1Э от рассчитанных Хр по х/павнению С10')

Отклонение экспериментальных значений Я,3 от рассчитанных по уравнению (10) для 17 вещества из 3 классов соединений

д,

углеводородов не превышает 3%. Уравнение (10) справедливо в диапазоне 0,4< т <0,85 .

Для описания а и Срр на линии насыщения предложены уравнения

^ = 2.302 - 3.487т + 1.682т2 (11)

1.830 - 1.980х + 0.634т2

аг=о,5

_ X ^?=0,5

СрР = - =

3 ах=0,5

, (12) 2.302-3.487т + 1.682т2

Отклонение экспериментальных значений

температуропроводности ароматических углеводородов и алканов от

уравнения (11) не превышает 3%. Отклонение значений Срр от

уравнения в основном не превышает суммарной погрешности измеренных МИНП значений X и а .

Уравнения (11) и (12) справедливы для ароматических углеводородов, н-алканов при 0,4<т <0,85.

По полученным уравнениям можно рассчитывать молекулярные ТФС еще не исследованных веществ.

В приложении приведены акт внедрения и схемы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработаны теоретические основы измерения а МИНП, защищенные патентом на изобретение.

2. Создана экспериментальная установка по МИНП для исследования X, а жидких органических углеводородов (не искаженных радиационным переносом энергии) при температурах до 600К и давлениях до 30 МПа.

3. Разработано и создано устройство для автоматического измерения X, а (на базе персонального компьютера), защищенное патентом на изобретение.

4. Проведено исследование А., а 7 жидких ароматических соединений в области температур до 600К и давлений до 30 МПа.. Полученные значения ТФС не искажены радиационным переносом энергии.

5. Предложена методика расчета Хг различных веществ для корректировки А.Эф теплопроводности, полученных традиционными методами измерения.

6. С использованием закона соответственных состояний получены единые уравнения, описывающее и прогнозирующее ТФС представителей 3 рядов жидких органических веществ (н-алканы, алкены, ароматические углеводороды) в широком диапазоне температур .

Основное содержание диссертации опубликовано в

следующих работах:

1. Tarzimanov A.A., Gabitov F.R., Sharafutdinov R.A., Yuzmuchametov F.D. On estimation of the radiant component at measurement of liquid thermal conductivities at high temperatures.// Abstracts, 12 European, Conference on Thermophysical properties. 1990. Viena, Austria. Tez. 7.25.

2. Тарзиманов A.A., Габитов Ф.Р., Юзмухаметов Ф.Д. Применение метода кратковременно нагреваемой проволоки для измерения температуропроводности жидкостей и газов. // В сб.: Тепло-и массообмен в химической технологии: Межвуз. сб. Казань. 1991. С. 3-7.

3. Тарзиманов А.А., Габитов Ф.Р., Поникарова И.Н., Юзмухаметов Ф.Д. Применение метода импульсного нагрева для различных теплофизических исследований.// ИФЖ. 1992. Т.63. № 4. С.436-441.

4. Tarzimanov А.А, Gabitov F.R., Yuzmuchametov F.D., Sharafutdinov R.A. On Estimation of the radiant component at measurement of liquid thermal conductivities at high temperatures. // High Temperatures-High Pressures. 1993. V.25. P.67-70.

5. Патент на A.C. № 2139528. РФ, МКИ' G01N25/18. Устройство и способ для измерения теплофизических свойств жидкостей и газов. / Габитов Ф.Р., Юзмухаметов Ф.Д., Тарзиманов А.А., Зайнуллин И.М., Сатгаров И.Р. (РФ).-№98100282; Заявлено 05.01.98; Опубл. 10.10.99, Бюл. № 28.-7с.

6. Юзмухаметов Ф.Д., Габитов Ф.Р. Тепло-и температуропроводность жидких ароматических углеводородов в интервале температур 293-593 К. / Каз. гос. технологический ун-т,-Казань, 2000.-4 с.Деп. в ВИНИТИ 19.01.2000, 111-В00.

—у^^Д .Юзмухаметов

Заказ_Тираж 100 экз.

Офсетная лаборатория КГТУ 420015, Казань, К.Маркса, 68.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ТЕОРИЯ И ОСНОВЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА ИМПУЛЬСНО НАГРЕВАЕМОЙ ПРОВОЛОКИ 1.1 .Теоретическое обоснование МИНП 1.1.1 .Идеальная модель 1.1,2.0тклонение модели от идеальности

1.1.3.Поправка на теплоемкость нити

1.1.4.Влияние внешней стенки

1.1.5.Влияние радиационного переноса тепла

1.1.6.Влияние естественной конвекции 1.1.7 .Оценка концевых эффектов *

1.1.8.Влияние температурной зависимости теплофизических свойств 1,2.Практическая реализация МИНП

1.2.1.Измерение теплопроводности

1.2.2.Измерение температуропроводности

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА 2.1 .Экспериментальная установка 2.1.1 .Измерительные ячейки 2.1.2.Системы термостатирования и поддержания давления 2.1.3 .Измерительная схема 2.2.Методика измерения теплопроводности и температуропроводности

2.3.Оценка погрешности измерений

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

3.1.Состояние вопроса

3.2.Проверка работоспособности установки

3.3.Результаты экспериментального исследования

Глава 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1.Расчетно-теоретическая оценка радиационной составляющей теплопроводности 4.1.1 .Краткий обзор теоретических решений задач радиационно-кондуктивного теплообмена

4.1.2. Степень черноты поверхностей, показатели преломления и коэффициент поглощения ароматических углеводородов

4.1.3.Расчет радиационной составляющей теплопровод^-ности и сравнение с экспериментальными данными

4.1.4.Расчет по имеющимся экспериментальным данным А, эф

Органические жидкости находят широкое применение в теплообменном оборудовании различного целевого назначения. Многообразие тепловых процессов, протекающих в этом оборудовании, делает актуальным исследование основных теплофизических свойств органических жидкостей, к числу которых относятся теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость и тепловая активность. Сведения об указанных теплофизических свойствах являются также ценным источником информации для развития общих закономерностей о механизме переноса тепла, что непосредственно связано с фундаментальными проблемами жидкого состояния вещества, которые в настоящее время нельзя считать решенными.

Когда нет завершенной теории, особое значение приобретают экспериментальные исследования, которые призваны накопить недостающую информацию. Поэтому объективно, что в настоящее время основным источником информации о ТФС веществ в жидком состоянии является эксперимент. Возрастающий объем исследований теплофизических свойств (по данным Международной коммиссии по термодинамике и термохимии ежегодно появляется потребность в данных о свойствах 10-15 тысяч веществ) предъявляет повышенные требования к экспериментальным установкам. Можно выделить ряд важных тенденций: а) создание высокоинформативных экспериментальных установок, позволяющих одновременно измерять комплекс теплофизических свойств; б) использование установок, отличающихся высокой производительностью и простотой измерительных ячеек; в) проведение исследований в условиях недоступных традиционным методам (исследования метастабильных состояний, динамических процессов, свойств новых синтезированных веществ малого объема или коротко живущих веществ и др.).

Большие возможности в этом плане имеет нестационарный метод кратковременных измерений в стадии иррегулярного теплового режима -метод импульсно нагреваемой проволоки (МИНП), который был теоретически обоснован в работах [1,2], и в настоящее время широко используется для исследования теплопроводности жидкостей. В данной работе, для исследования теплофизических свойств ( теплопроводность X и температуропроводность а) жидкостей, разработана автоматизированная экспериментальная установка на базе дальнейшего развития МИНП. Следует отметить, что экспериментальные данные по X и а позволяют получить косвенно-экспериментальные данные по теплоемкости единицы объема рСр =Х1а и тепловой активности 7

В качестве объекта исследования были выбраны углеводороды ароматического ряда, которые занимают одну из ключевых позиций в химической промышленности и служат сырьем для получения важнейших продуктов: искусственных волокн,пластмасс различных каучуков, а также высших сортов автомобильных и реактивных топлив. Очевидно, что этим объясняется болынбй интерес исследователей к экспериментальному изучению теплофизических свойств углеводородов ароматического ряда.

В справочнике [3] приведены анализ и обобщение экспериментальных данных по теплопроводности органических жидкостей, в том числе ароматических углеводородов, в широком диапазоне параметров состояния, однако, в подавляющем большинстве случаев эти данные базируются на экспериментальном материале, полученном стационарными или квазистационарными методами, относящимся к некоторой средней толщине слоя (0,5-0,7 мм) исследуемой жидкости. Эти данные представляют эффективное значение теплопроводности А,Эф, включающие в себя молекулярную А,м и радиационную составляющую теплопроводности Хг, отражающую влияние оптических свойств среды и граничных поверхностей. Расчетно-теоретические и экспериментальные данные показывают, что вклад Хг пропорционален Т , и может доходить до 20% при повышенных температурах. Следовательно учет влияния полупрозрачности особенно актуален для высокотемпературных процессов. 8

Отсутствие сведений о ИК-спектрах поглощения, излучательных характеристиках граничных поверхностей при соответствующих параметрах состояния не позволяют проводить расчеты с необходимой степенью точности. Говоря о Э необходимо отметить, что эта область экспериментальных исследований очень ограничена. Имеются лишь единичные работы в ограниченном диапазоне параметров состояния. Принимая во внимание, что а содержит X, то в методическом плане, сказанное о радиационном эффекте для теплопроводности необходимо учитывать и для температуропроводности. Большим преимуществом МИНП является то, что за время измерения тепловая волна от зонда проникает в среду на очень маленькую глубину. Если эта глубина меньше длины свободного пробега фотона, то зондируется прозрачная среда и получаемые значения X, В можно отождествлять с молекулярными.

Все это подтверждает необходимость экспериментального определения тепло-и температуропроводности жидких ароматических углеводородов на новом методическом уровне.

В соответствии с вышеизложенным в работе поставлены следующие цели:

1 .разработка методики и создание экспериментальной установки для измерения X и 3 органических жидкостей при давлениях до 30 МПа и температурах 293-593 К; 9

2.получение новых экспериментальных данных X и а жидких углеводородов ароматического ряда;

3.оценка величины радиационной составляющей теплопроводности в результатах прежних исследований;

4.обобщение экспериментальных данных с использованием теории подобия и составление таблиц справочных данных.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с Координационными планами НИР АН СССР и РАН на 1986-2000 г.г. по комплексной проблеме «Теплофизика и энергетика» (п. 1.9.1.1.2.1).

Данную работу автор выполнил под руководством заслуженного деятеля науки и техники РТ, д.т.н., профессора Амина Афтаховича Тарзиманова, которому выражает свою глубокую признательность.

Автор также благодарен заведующему лаборатории ПНИЛТ, с.н.с., к.т.н. Фаризану Ракибовичу Габитову.

10

ВЫВОДЫ

1. Разработаны теоретические основы измерения а МИНП, защищенные патентом на изобретение.

2. Создана экспериментальная установка по МИНП для исследования X, а жидких органических углеводородов (не искаженных радиационным переносом энергии) при температурах до 600К и давлениях до 30 МПа.

3. Разработано и создано устройство для автоматического измерения А,, а (на базе персонального компьютера), защищенное патентом на изобретение.

4. Проведено исследование А,, а 7 жидких ароматических соединений в области температур до 600К и давлений до 30 МПа. Полученные значения ТФС не искажены радиационным переносом энергии.

5. Предложена методика расчета Хг различных веществ для корректировки А. эф теплопроводности, полученных традиционными методами измерения.

6. С использованием закона соответственных состояний получены единые уравнения, описывающее и прогнозирующее ТФС представителей 3 рядов жидких органических веществ (алканы, алкены, ароматические углеводороды,) в широком диапазоне температур.

133

1. .Г. Карслоу и Д. Егер. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964.488с.

2. Jaeger J.C. Conduction of heat in an infinite region bounded internally by a circular cilinder of a perfect conducton. Aust. J.Phys., 1956. v.9. №2. p. 167179.

3. Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов A.A., Тоцкий Е.Е. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. М. Энергоатомиздат. 1990. 350 с.

4. Горшков Ю.А., Уманский А.С. Измерение теплопроводности газов. М.Энергоиздат. 1982. 224с.

5. Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. -Л. Энергия, 1973. 143 с.

6. Спирин Г.Г. Методические особенности кратковременных измерений в стадии иррегулярного теплового режима.// ИФЖ. 1980. Т.38. №3.

7. Тарзиманов А.А., Габитов Ф.Р. Шарафутдинов Р.А., Применение метода импульсного нагрева тонкой проволоки для измерения теплопроводности жидкостей и газов.//Тепло и массообмен в химической технологии: Межвуз. сб. Казань: КХТИ. 1985. С.14-17.134

8. Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. Наука. 1968. 720 с.

9. Эккерт Э.Р. и Дрейк P.M. Теория тепло и массообмена. М.: Госэнергоиздат, 1961. 680 с.

10. Knibbe H.G., Raal J.D. Simultaneous Measurement of the Thermal Conductivity and Thermal Diflusivity of Liquids //Int. J. of Thermophys. 1987. V.8. №2.

11. Hedly Y.Y., de Grot Y.Y. and Kestin Y. Thermal conductivity of Gases.// Physic. 1976. № 82. P.392.

12. De Grot Y.Y., Kestin Y., Sookiazian H. Instrument to measure the Thermal conductivity of Gases // Physica. 1974. № 75. P.454-482.

13. Wakeham W.A. Fluid Thermal conductivity measurements by the Transient Hot-Were Technique. // Symposium of Transport properties of Fluids Mixtures: Their measurements, estimation, correlation and use, 10-11 April, 1979.

14. Тарзиманов А.А., Габитов Ф.Р., Юзмухаметов Ф.Д. Применение метода кратковременно нагреваемой проволоки для измерения температуропроводности жидкостей и газов. // В межвузовском сб. Тепло и массообмен в химической технологии. Казань. 1991. С. 3-7.

15. Ф.Д. Юзмухаметов, Ф.А. Габитов. Тепло и температуропроводность жидких ароматических углеводородов в интервале температур 294-593К./Каз.гос.технологический ун-т. - Казань,2000.-4с.Деп. в ВИНИТИ 19,012000,111-В00.

16. Тарзиманов А.А., Шарафутдинов Р.А., Габитов Ф.Р. Радиационная составляющая теплопроводности н-алканов и 1-алкенов при различных температурах и давлениях.// ТВТ. 1994. Т.32. №5. С. 666-670.

17. Tarzimanov А.А, Gabitov F.R., Yuzmuchametov F.D., Sharafytdinov R.A. On Estimation of the Radiant component at measurement of Liquid Thermal Conductivities at High Temperatures. // High Temperatures- High Pressures. 1993. V.25. P.67-70.

18. Тарзиманов А.А., Габитов Ф.Р., Поникарова И.Н., Юзмухаметов Ф.Д. Применение метода импульсного нагрева для различных теплофизических исследований. // ИФЖ. 1992. Т.63. № 4. С.436-441.

19. Тарзиманов А.А., Габитов Ф.Р., Поникарова И.Н. Теплопроводность различных органических жидкостей при высоких температурах // Журнал прикладной химии. 1999. Т.72. Вып. 2. С. 325-327.136

20. Спирин Г.Г. , Глазкова Л.Ю. , Лаушкина Л.А. Влияние излучения на результаты кратковременных измерений теплопроводности органических жидкостей. // В сб. Экспериментальные и теоретические вопросы прикладных физических исследований. М. МАИ. 1985. С. 4549.

21. Салохин В.Ф. , Спирин Г.Г. О влиянии излучения на результаты кратковременных измерений теплопроводности. //ИФЖ. 1978. Т.35. №4. С. 633-637.

22. Menashe J., Wakeham W.A. // Int. J. Heat Mass Transfer. 1982. V. 25. №5. P. 661-673.

23. Nieto de Castro C.A., Li S.F.Y., Maitland G.C., Wakeham W.A. Thermal conductivity of Toluene in the Temperature Range 39-90 С and Pressures up to 100 MPa//Int. Y. Thermophys. 1984. V. 4. №14. P. 311-327.

24. Спирин Г.Г. Кратковременные измерения в стадии иррегулярного теплового режима и диагностика теплофизических свойств диэлектрических веществ и материалов на их основе: Дис.докт. техн. наук. М. ИВТАН. 1986. 390с.

25. Габитов Ф.Р. Применение метода импульсного нагрева для измерения теплофизических свойств жидкостей в потоке.// Вестник Казанского технологического университета. 1999. № 1. С.47-54.137

26. Габитов Ф.Р. Математическая модель теплообмена между импульсно нагреваемой пластиной и потоком вязкой несжимаемой жидкости. Деп. ВИНИТИ, М. 1998. В98. 33 с.

27. Fleter R.D. Measurement and Analysis of the Thermal Conductivity of Gaseous Systems. Ph.D. Thesis, Brown University. 1981.217 p.

28. Шарафутдинов P.A. Молекулярная теплопроводность жидких н-алканов и алкенов при температурах до 650К и давлениях до 50 МПа. Дис. канд. техн. наук. Казань. 1988. 143с.

29. Жаростойкие кабели с магнезиальной изоляцией / В.Ф.Сучков, В.И.Светлова, Э.Э.Филькель. М.,1969.-96с.

30. Спирин Г.Г. Исследование молекулярной теплопроводности органических жидкостей. //ИФЖ. 1980. Т.38. №4. С.656-661.

31. Габулов Д.М. Теплопроводность органических соединений при высоких давлениях. Автореф. дис.канд. техн. наук. Грозный. 1978. 20с.138

32. Расторгуев Ю.Л., Пугач B.B. Исследование теплопроводности ароматических углеводородов при высоких давлениях.// Известия вузов. Нефть и газ. 1970. № 8. С.69-73.

33. Мустафаев P.A. Теплофизические свойства углеводородов при высоких параметрах состояния. М. Энергия. 1980. 296 с.

34. Ахундов Т.С., Гасанова Н.Э. // Известия вузов. Нефть и газ. 1969. №11. с. 67-69.

35. Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов A.A., Тоцкий Е.Е. Теплопроводность жидкостей и газов. М.: Издат. Стандартов. 1978. 472 с.

36. Ильин Б.И., Салохин В.Ф., Спирин Г.Г. Экспериментальное исследование коэффициента теплопроводности слабопоглащающих жидкостей в слоях, прозрачных для ИК излучения // ИФЖ. 1976. Т. 30. № 6, с. 972-978.

37. Кравчун С.Н. Исследование теплофизических свойств жидкостей методом периодического нагрева. Автореф. дис.канд. техн. наук. М. МГУ. 1983. 18с.

38. Потиенко Н.Ф., Цымарный В.А. Теплопроводность бензола при различных температурах и давлениях.// ИФЖ. 1971. Т.20. № 4. С.733-734.139

39. Пугач В.В. Исследование теплопроводности воды и некоторых органических жидкостей при высоких давлениях. Автореф. дис.канд. техн. наук. Одесса. 1970. 20с.

40. Гусейнов К.Д., Мирзоев Б.Н., Гылманов А.А. // ЖФХ. 1976. Т.50. № 8. С.1995-1998.

41. Takizawa S., Murata Н., Nagasima А. II Bull. Y.S.M.E. 1978. V. 21. № 152. P. 273-278.

42. Kashiwagi H., Oishi M., Tanaka J., Kubata H., Makita T. Thermal Conductivity of Fourteen Liquids in the Temperature Rande 298-313 K. // Int. J. Thermophys. 1982. V.3. №2. P.101-116.

43. Li S.F.Y., Maitland G.C., Wakeham W.A. Thermal Conductivity of N-Hexane and N-Octane at Pressures up to 0,64 Gpa in the Temperature Range 34-90°C. //Ber. Bunsenges Phys. Chem. 1984. V.88. № 1. P.32-36.

44. Tanaka Y., Hase Т., Kubota H., Makita Т., Thermal Conductivity of Benzene and Cyclohexane urn des high Pressures. // Ber. Bungenges. Phys. Chem. 1988. V. 92. № 7. P. 770-776.

45. Ramires M.L., Nieto de Castro C.A. // Int. J. Thermophys. 1989. V.10. №5. P.1005-1011

46. Нефедов C.H. Метод исследования комплекса теплофизических свойств жидкостей. Дисс.канд. физ.-мат. наук, М., 1980. 146 с.140

47. Шульга В.М. Компенсационный метод периодического нагрева для измерения тепловых свойств жидкостей в широком интервале температур при давлениях до 1000 МПа. Дис.канд. техн. наук. М. ВНИ Физикотехнических и Радиотехнических Измерений. 1985 179с.

48. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720с.

49. Тлеубаев A.C. Автоматизированные системы измерений7теплофизических систем. Теплопроводность и теплоемкость некоторых фторорганических жидкостей. Автореф. дис.канд. техн. наук. М. МГУ. 1986. 20с.

50. Куюмчев A.A. Теплофизические свойства ряда жидких углеводородов при высоких давлениях до 1000 МПа. Автореф. дис.канд. физ-мат. наук. М.: МГУ. 1989. 23 с.

51. Широкова Е.К. Комплексное исследование теплофизических свойств фторуглеродов и их обобщение на основе теории подобия. Автореф. дис.канд. техн. наук. М. МЭИ. 1989. 20 с.

52. Чичибабин А.Е. Основные начала органической химии. М. Химическая литература. 1963. T.l, Т.2. 1677с.

53. Султанов Ч.И. Экспериментальное исследование изобарной теплоемкости пяти углеводородов ароматического ряда при141температурах 25-420°С и давлениях до 250 бар. Автореф. дис .канд. техн. наук. Баку. (АИНИХ) 1977. 28 с.

54. Янин Г.С. Экспериментальное исследование изобарной теплоемкости органических жижкостей и их смесей. Автореф. дис . .канд. техн. наук. Грозный. ГНИ. 1977. 16 с.57. 57. Зигель Р., Хауэль Д. Теплообмен излучением. М. Наука. 1975. 934с.

55. Адрианов В.Н. Основы радиационного и сложного теплообмена. М. Энергия. 1972. 467 с.

56. Сергеев O.A., Мень A.A. Теплофизические свойства полупрозрачных материалов. М. Изд. Стандартов. 1977. 288 с.

57. Рубцов H.A. Теплообмен излучением в сплошных средах. Новосибирск. Наука. 1984. 277 с.

58. Спэрроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением. Л. Энергия. 1971. 294 с.62.0цисикМ.Н. Сложный теплообмен. М. Изд. Мир. 1976. 616 с.

59. Einstein Т.Н. Radian heat transfer to absorbing gases enclosed betwen parallel flat plates with flowand conduction/ Technical Report. R. 154. 1963. P. 1-23.

60. Polts H. Wärmeletfähigkeit von Flüssigkeiten //Int. Y. Heat Mass Transfer. 1965. V. 8. P.515-527.

61. Polts H. Die wärmeleitfähiqkeit von Flüssigkeiten //Int. Y. Heat Mass Transfer. 1965. V. 8. P. 609-620.142

62. Адрианов В.Н. Тепло- и массоперенос. М. Изд. Наука и техника. 1965. Т. 2. С. 92-102.

63. Филиппов Л.П. Исследование теплопроводности жидкостией. М. Изд. МГУ. 1970. 230 с.

64. Сергеев O.A. Метрологические основы теплофизических измерений. М. Изд. Стандартов. 1972. 156 с.

65. Сулейманова Л.Л. Исследование температурной зависимости радиационной составляющей теплопроводности жидких органических соединений. Дисс. канд. техн. наук. Казань. КХТИ. 1978. 146 с.

66. Сергеев O.A., Мень A.A. Теплофизические свойства полупрозрачных материалов. М. Изд. Стандартов. 1977. С.85.

67. Kohler М/ Einfluss der Strahluing auf dem Wärmetransport durch Flüssigkeitschicht. // Zeitschrift für angewandte Physic. 1965. Bd. 18. № 4, P. 356.

68. Schödel G. Kombineerte Wäimeleitung und Wärmestrahlung in Konvektionsfreien Flüssigkeitsschichten.//Dis. München. 1969. 134 p.

69. Ветошкин В.Н. Радиационно-кондуктивный перенос тепла в моторных и реактивных топливах до температуры 623 К. Дисс. канд. техн. наук. Казань. КХТИ. 1987. 150 с.

70. Большаков Г.Ф. Инфрокрасные спектры аренов. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1989.-230 с.143

71. Мустафаев P.A. Исследование теплопроводности н-декана при высоких температурах и давлениях методом монотонного нагрева/ Изв.вузов. Энергетика.-1972, № 7.-С.92-95.

72. Мустафаев P.A. Теплопроводность высших предельных углеводородов в широкой области температур и давлений/ ИФЖ,- 1973, т.24, № 4,- с.665-668.

73. Тарзиманов A.A., Габитов Ф.Р., Юзмухаметов Ф.Д. Исследование теплопроводности углеводородов и их смесей в широком диапазоне температур.// Отчет НИР КХТИ. Гос.рег.№ 0187.0043355. Казань.1990.83 с.

74. Кравчун С.Н., Филиппов Л.П. О радиационном переносе тепла в углеводородах// Тепло- и массообмен в химической технологии: Межвуз. сборн. Казань, 1985 - с.3-6.

75. Росселанд С. Астрофизика на основе теории атома. М. ОНТИ. 1936. 302 с.

76. Мамедов А.М., Ахундов Т.С. Таблицы теплофизических свойств газов и жидкостей.-М.: Изд-во Стандартов, 1978, вып.5.144