автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка стационарного метода и устройства для определения зависимостей теплопроводности и реологических характеристик неньютоновских жидкостей от скорости сдвига

На правах рукопиби

МОЗГОВА Галина Владимировна

РАЗРАБОТКА СТАЦИОНАРНОГО МЕТОДА И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАВИСИМОСТЕЙ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ОТ СКОРОСТИ СДВИГА

Специальность 05 11 13 - Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□ОЗ160245

Тамбов 2007

003160245

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные системы и приборы» ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Мищенко Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Беляев Павел Серафимович

кандидат технических наук, доцент Штейнбрехер Валерий Васильевич

Ведущая организация ОАО «Корпорация «Росхимзащита»,

г Тамбов

Защита состоится 1 ноября 2007 г в ч мин на заседании диссертациоиного совета Д 212 260 01 при Тамбовском государственном техническом университете по адресу г Тамбов, ул Советская, д. 106

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу 392000, г Тамбов, ул. Советская, д 106, ТГТУ, ученому секретарю

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат размещен на официальном сайте ТГТУ - \v\vw ги

Автореферат разослан Л Р сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Г А.А. Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Изделия, изготовленные из полимерных материалов, находят широкое применение во всех без исключения сферах человеческой деятельности В процессе изготовления таких изделий, на стадиях плавления, перекачивания, смешения, полимерный материал находится в жидком виде При его транспортировании в условиях сдвигового течения происходит ориентирование макромолекул материала преимущественно вдоль направления вектора скорости сдвига, что, в свою очередь, приводит к возникновению анизотропии теплопроводности

Знание зависимости теплопроводности от скорости сдвига в направлении, перпендикулярном сдвигу (далее просто теплопроводности) позволит оптимизировать режимные параметры технологических процессов изготовления изделий из полимерных материалов, что приведет к повышению качества готовых изделий, а, следовательно, повысит их привлекательность в глазах потенциальных потребителей

К настоящему времени известен ряд методов, направленных на определение теплопроводности жидких полимерных материалов при сдвиговом течении Математические модели этих методов обладают рядом недостатков, основные из которых заключаются в том, что в них не учитываются 1) неньютоновское поведение расплавов и растворов полимеров при сдвиговом течении, 2) тепловыделения в сдвиговом потоке вязкой жидкости за счет диссипации механической энергии Известны несколько методов и устройств, частично лишенные указанных недостатков, но длительное время эксперимента не позволяет их использовать для определения свойств жидкостей, подверженных полимеризации, а также другим необратимым структурным превращениям

Исходя из изложенного выше, разработка нового метода и создание устройства для определения зависимостей теплопроводности и реологических характеристик неньютоновских жидкостей от скорости сдвига, лишенного указанных недостатков, является актуальной проблемой

Цель работы заключается в разработке стационарного метода и устройства, обеспечивающих повышение точности измерения теплопроводности (за счет учета в математической модели теплопереноса измеряемых реологических характеристик исследуемой неньютоновской жидкости, а также тепловыделений в сдвиговом потоке вязкой жидкости за счет диссипации механической энергии) и сокращение времени эксперимента при определении зависимостей теплопроводности и реологических характеристик неньютоновских степенных жидкостей от скорости сдвига

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи

1) разработана физическая модель измерительного устройства для измерения зависимостей теплопроводности и реологических характеристик неньютоновской степенной жидкости от скорости сдвига,

2) на основании физической модели разработана математическая модель распределения температурного поля в измерительном устройстве, учитывающая как наличие тепловыделений за счет диссипации механической энергии в сдвиговом потоке исследуемой вязкой жидкости, так и ее реологические свойства,

3) проведен анализ возможных источников возникновения погрешностей из-за допущений, принятых при разработке математической модели теплопереноса в измерительном устройстве, проведена оценка этих погрешностей,

4) разработан порядок проведения измерительных операций для определения как теплопроводности, так и реологических характеристик исследуемых неньютоновских жидкостей,

5) определены конструктивные параметры измерительного устройства и рациональные режимные параметры эксперимента,

6) разработаны и изготовлены измерительное устройство и измерительная установка,

7) проведена экспериментальная оценка погрешностей определения теплопроводности и реологических характеристик неньютоновских жидкостей с использованием разработанного метода и устройства,

8) разработанный метод и устройство использованы для исследования свойств ряда неньютоновских жидкостей, применяются в учебном процессе Тамбовского государственного технического университета, результаты исследования приняты к использованию в ОАО «ТВЕС»

Объектом исследования в данной работе являются процессы переноса тепла в слое неньютоновской жидкости при сдвиговом течении в зазоре между коаксиальными цилиндрами

В качестве предмета исследования рассматривается стационарный метод определения зависимостей теплопроводности и реологических характеристик неньютоновских жидкостей от скорости сдвига

Научная новизна работы заключается в следующем

1) разработана математическая модель распределения температурного поля в слоях измерительного устройства, учитывающая реологические характеристики исследуемой неньютоновской жидкости, находящейся в зазоре между внутренним и внешним коаксиальными цилиндрами измерительного устройства и наличие тепловыделений в потоке исследуемой жидкости за счет диссипации механической энергии вязкого сдвига,

2) разработан стационарный метод и измерительное устройство для определения зависимостей теплопроводности и реологических характеристик неньютоновских жидкостей от скорости сдвига и алгоритм обработки экспериментальных данных,

3) разработана методика выполнения измерений зависимостей теплопроводности и реологических характеристик исследуемых неньютоновских жидкостей от скорости сдвига,

4) получены экспериментальные данные о зависимости теплопроводности от скорости сдвига для следующих неньютоновских жидкостей синтетического каучука «Структурол» при температуре 30 °С в диапазоне скоростей сдвига 0 35 с-1, синтетического каучука «Структурол» с добавками наноуглеродных трубок и волокон при температуре 30 °С в диапазоне скоростей сдвига 0 22 с"1, 10 % водного раствора полиоксиэтиле-на при температуре 30 и 40 °С в диапазоне скоростей сдвига 0 25 с"1

Практическая ценность работы заключается в следующем

1) разработаны алгоритмическое и программное обеспечение для определения зависимости теплопроводности от скорости сдвига для неньютоновских жидкостей, с учетом их реологических характеристик и находящихся в зазоре между вращающимися цилиндрами измерительного устройства,

2) изготовлены измерительное устройство и автоматизированная измерительная установка для определения зависимостей теплопроводности и реологических характеристик исследуемой неньютоновской жидкости от скорости сдвига,

3) метод измерения нашел применение в учебном процессе на кафедре «Автоматизированные системы и приборы» Тамбовского государственного технического университета, результаты исследования приняты к использованию на ОАО «ТВЕС» для выбора рационального температурного режима процесса литья под давлением.

На защиту выносятся:

1 Физическая модель измерительного устройства и математическая модель распределения температуры в слоях измерительного устройства

2 Метод и порядок выполнения измерительных операций при определении зависимости теплопроводности исследуемой неньютоновской жидкости от скорости сдвига

3 Измерительное устройство и автоматизированная измерительная установка для определения зависимости теплопроводности исследуемой неньютоновской жидкости от скорости сдвига

4 Результаты экспериментов по определению зависимостей теплопроводности и реологических характеристик неньютоновских жидкостей от скорости сдвига

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на четвертой международной теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале XXI века» (г Тамбов, 2001 г), Международной научно-технической конференции «Методы и средства технологии получения и обработки измерительной информации» (г Пенза, 2002 г), школе-семинаре молодых ученых «Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции» (г Тамбов, 2003 г.), на пятой международной теплофизической школе «Теплофизические измерения при контро-

ле и управлении качеством» (г. Тамбов, 2004 г), на 9-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, 2004 г ), Всероссийской научной конференции «Научный сервис в сети Интернет» (г Новороссийск, 2004 г), Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments» (Москва, 2005 г), 2-й международной школе-семинаре молодых ученых «Проблемы экономики и менеджмента качества» (г Тамбов, 2006 г ), Шестой Международной теплофизической школе «Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством» (г Тамбов, 2007 г )

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 12 публикациях

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и ряда приложений Общий объем диссертации 155 страниц, включая 139 страниц основного текста, 16 страниц приложения, 30 рисунков, 9 таблиц В конце работы приведен список используемых источников из 106 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные положения, определяющие ее научную новизну и практическую значимость

В первой главе рассмотрены существующие методы и приборы для измерения теплофгаических и реологических свойств жидких неньютоновских материалов Проведен обзор стационарных и нестационарных методов определения теплофизических свойств жидкостей, а также проанализированы достоинства и недостатки методов ламинарного режима Выявлен ряд факторов, приводящих к появлению погрешностей при определении зависимостей теплопроводности и реологических характеристик неньютоновских жидкостей от скорости сдвига в зазоре между коаксиальными цилиндрами измерительного устройства и показаны возможные способы их уменьшения Это позволило сделать вывод о необходимости разработки математической модели переноса тепла при сдвиговом течении неньютоновских жидкостей, учитывающей степенной закон течения и наличие тепловыделений в потоке исследуемой жидкости за счет диссипации механической энергии вязкого сдвига

На основании проведенного анализа литературных источников и патентного поиска, в соответствии с поставленной целью были сформулированы основные задачи дальнейшего исследования

Во второй главе сформулированы теоретические основы стационарного метода для определения зависимостей теплопроводности и реологических характеристик неньютоновских жидкостей, подчиняющихся степенному закону течения, от скорости сдвигового течения

Рис. 1. Физическая модель измерительного устройства

Приведена физическая модель измерительного устройства (ИУ), представляющая собой систему из двух соосных цилиндров Б и Я, в зазоре между которыми находится исследуемая жидкость (рис 1)

Для предотвращения возникновения вихрей Тейлора во вращение приводится наружный цилиндр Н, а тепловой поток направлен от внутреннего цилиндра В, через слой исследуемой жидкости 4, к внешнему Внутренний цилиндр В состоит из нескольких слоев I, 2, 3, теплофизиче-ские свойства которых известны Слой 4 представляет собой исследуемую неньютоновскую жидкость с теплопроводностью Хт Вт/(м К) Во внутреннем цилиндре на подложке 1 размещен слой 2, состоящий из электронагревателя и термопреобразователя сопротивления, защищенных от исследуемой жидкости 4 слоем изоляционного материала 3 Наружный цилиндр Я, обозначенный на рис 1 также позицией 5, приводится во вращение с постоянной угловой скоростью ю Через внутреннюю полость б цилиндра В прокачивается жидкость из термостата с постоянной температурой, что обеспечивает возможность задания граничных условий 1-го рода на внутренней поверхности этого цилиндра

На основании существующих физических принципов, сформулированных в законах сохранения момента количества движения, энергии и массы, получены уравнения, определяющие закономерности течения и теплопередачи в сдвиговом потоке неньютоновской жидкости в измерительном устройстве Для описания поведения исследуемой неньютоновской жидкости при сдвиговом течении было выбрано определяющее уравнение степенной жидкости в виде

ту", (1)

где о^, - напряжение сдвига, Па, т - коэффициент консистенции, Па с", п — индекс течения, для неньютоновских жидкостей п < 1, у - скорость сдвига, с"1

Сформулированы и приняты допущения, позволяющие упростить исходную математическую модель Для уменьшения погрешностей, вызванных принятыми допущениями, проведен анализ источников погрешностей и даны рекомендации по конструированию измерительного устройства и выбору режимных параметров эксперимента

В ходе разработки математической модели поставлена и решена задача о вычислении установившегося профиля скорости сдвигового течения исследуемой неньютоновской жидкости в зазоре между цилиндрами ИУ Распределение окружных скоростей со<р(г) по радиусу г описывается зависимостью

где со — угловая скорость вращения внешнего цилиндра ИУ, с-1, /?4 — внешний радиус внутреннего цилиндра В, м, И5 - внутренний радиус внешнего цилиндра Н, м

Установлено также, что функция распределения компоненты аЛ„(г) тензора касательных напряжений по радиусу в слое исследуемой неньютоновской жидкости определяется зависимостью

С учетом принятых допущений, уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах г, г, <р для слоя исследуемой жидкости имеет вид

где схрх — объемная теплоемкость, Дж/(м3 • К), Т4(г, х) - функция распределения температуры в слое исследуемой жидкости, К, т - время, с, г - радиальная координата, м, Х„ — теплопроводность исследуемой жидкости, Щг) - интенсивность диссипативного источника тепла в слое исследуемой жидкости

(2)

(3)

(4)

б

С учетом внутреннего источника тепла в слое электронагревателя 2 (см рис 1), математическая модель распределения температурного поля в слоях измерительного устройства для стационарного температурного ре-

>0

жима

ГдГДг.п

I dt

: 0, / = 1, 2, 3, 4 примет вид

d_ dr

X

dr

= 0,

. \d(dT;{r) с2р2 г dr I dr

QH

KC2P2

d_ dr

dr 1 d '

= 0,

dT;(r) dr

<r <R2, = 0, R2<r<R3, R3 <r<R4,

cxPx

Ra <r <R*

(6)

cxPx r dr . с граничными условиями

Ti'(Rl) = T0 = const,

d T;(Rl+l) dT^jR,+l) (7)

K dr dT~'

Ti(R5) = T0 = const, / = 1,2,3,

где Г;* (r), T2 (г), T3(r) - функции, определяющие распределение температуры в слоях 1, 2, 3 ИУ, К, (г) - функция распределения температуры в слое исследуемой жидкости, К, А.ь Хъ Х3 — теплопроводности слоев 1, 2, 3 ИУ, Вт/(м К), Х4 = Хгг - теплопроводность исследуемой жидкости, Вт/(м К), с\pi, с2р2, Сзрз - объемная теплоемкость слоев /, 2, 3 ИУ, Дж/(м3 К), Л], R2, R3 - внутренние радиусы слоев 1, 2, 3, м, VH - объем нагревателя ИУ, м3, Qa- электрическая мощность, подаваемая на нагреватель ИУ, Вт

Для нахождения теплопроводности Хгг исследуемой жидкости необходимо прямую краевую задачу (6), (7) преобразовать в обратную, с помощью дополнительного условия, описывающего измеренную среднеин-тегральную температуру Т в слое 2 измерительного устройства

«з

Т =-

Rt — R->

¡T2(r)rdr

(8)

r2

Выразив из уравнений системы (6) функции ТЦг), Т2 (г), Г4(г) и подставив их в граничные условия (7) с учетом зависимости (5) и дополнительного условия (8) общие решения обратной задачи теплопроводности примут вид (9), где —С« константы интегрирования

Измеряя в процессе эксперимента значение среднеинтегральной температуры 7* в слое 2 и подставляя это значение в систему (9), с учетом заранее определенных реологических характеристик тип, определяется теплопроводность Хгг исследуемой неньютоновской жидкости при заданной скорости сдвига

С^Я^ + Сз =0,

С, 1п(Д2) + С2 = + С31п(Д2)+С4,

н 2

Ч V« 2 К2 -------+ — — +

Т =-

УЛ

нл2

я3 -я2

6н щ К 4К2

ел

+ С31п(Л3) + С4 = С51п(/?3) + Сь,

Уа- 2

3 +с3 ~=с5—,

/г,

С51п(Я4) + С6 = ----4 Я

( ,2

л+1 4

1— 1--Я5 " -Д4 "

} (9)

+ С71п(Д4)+С8,

^ = сЛ

О; ~ -

я4 1

Ял

я, " -—

/ 2 2 \"+1 1— 1-я, " -д4 л

+ С71п(Л5) + С8 =0

В третьей главе приведено обоснование выбранной конструкции измерительного устройства (ИУ)

Основу ИУ (рис 2) составляют два коаксиально расположенных цилиндра 1 и 2 Внутренний цилиндр 1 изготовлен из капролона Нижняя часть внутреннего цилиндра выполнена в виде полусферы 5 Такая форма способствует наиболее устойчивому режиму течения неньютоновских жидкостей в зазоре между коаксиальными цилиндрами

Для создания граничных условий первого рода на внутренней поверхности цилиндра 1 (в соответствии с принятой математической моделью), во внутреннем цилиндре предусмотрена полость, через которую постоянно прокачивается теплоноситель из термостата Для подключения шлангов, идущих от термостата, в верхнюю часть внутреннего цилиндра вкручивается пробка с двумя металлическими штуцерами 18

На боковой поверхности рабочей части внутреннего цилиндра 1, расположены проволочные термопреобразователь сопротивления (ТТ1С) 11 и нагреватель 3, намотанные бифилярно виток к витку по спирали и отделенные от исследуемой жидкости защитной гильзой 4 из капролона Выводы от ТПС и электрического нагревателя подключены к разъему 7

Наружный цилиндр 2 изготовлен разъемным Верхняя часть цилиндра 2 (вместе с подшипниками 8, 12, упорным кольцом 13, и внутренним цилиндром 1) отделяется от нижней части К нижней части цилиндра 2 прикреплено основание 10, выполненное из бронзы и имеющее полусферическое углубление

Для термостатирования внешнего цилиндра предусмотрена водяная рубашка 9, образованная стальным цилиндром 14 и боковой поверхностью наружного цилиндра 2 Теплоноситель с заданной температурой постоянно прокачивается насосом термостата в зазор между цилиндрами 14 и 2, создавая водяную рубашку 9. Излишки теплоносителя переливаются в цилиндрический поддон 15 и по резиновому шлангу, надетому на штуцер 16, отводятся обратно в термостат

Разработанное ИУ входит в состав автоматизированной измерительной установки (рис 3)

УМ > ЭПТ БП4

Рис. 3. Измерительная установка для определения зависимостей теплопроводности и реологических характеристик неньютоновских жидкостей от скорости сдвига:

ЖТС - жидкостный термостат, ЭПТ — электродвигатель постоянного тока, УМ - усилитель мощности, ДТ1 - ДТ2 - датчики температуры, ДС — виброчасгготный преобразователь силы, МИС — мостовая измерительная схема,

РС - рычажная система, ТЭН - трубчатый электронагреватель, У - усилитель, БП1 - БП4 - блоки питания, ГП - герконовый преобразователь, ПК - персональный компьютер, оснащенный многофункциональной платой сбора данных (ПСД)

Эксперимент по определению зависимости теплопроводности неньютоновских жидкостей от скорости сдвига на разработанной измерительной установке состоит из двух этапов предварительного и основного

На предварительном этапе определяется поправочная функция

Л/*(у) = ау, учитывающая величину вращающего момента М*, действующего на полусферическое окончание внутреннего цилиндра

Основной этап эксперимента состоит го двух стадий На первой стадии эксперимента по измеренной зависимости касательного напряжения о„р, от скорости сдвига у , путем аппроксимации экспериментальных данных методом наименьших квадратов функцией о^ = ту" определяются

реологические характеристики исследуемой жидкости коэффициент консистенции т и индекс течения п На второй стадии эксперимента задается скорость вращения внешнего цилиндра со, обеспечивающая создание в слое исследуемой жидкости скорости сдвига у После достижения установившегося теплового режима на нагреватель ИУ подают электрическое напряжение и измеряют среднеинтегральную температуру 7'* слоя нагревателя и ТПС Теплопроводность %„■ рассчитывается путем решения системы уравнений (9) с учетом реологических характеристик т и п, определенных на первом этапе эксперимента Изменяя несколько раз скорость сдвига у на величину А у , находят зависимость теплопроводности %гг от скорости сдвига у На стадии определения теплопроводности в измерительном устройстве действуют два источника тепла, первый из которых — электрический нагреватель во внутреннем цилиндре, а второй обусловлен диссипацией энергии вязкого трения при сдвиговом течении неньютоновской жидкости в зазоре между цилиндрами

Разработана методика проведения измерительных операций и приведена ее блок-схема

В четвертой главе проведены расчетная и экспериментальная оценки погрешности измерения теплопроводности на разработанном измерительном устройстве Результаты расчетной оценки зависимости =/(Хгг) приведены на рис 4 Относительная погрешность измерения теплопроводности находится в диапазоне 4 10 % и возрастает с увеличением теплопроводности исследуемой жидкости

Для оценки систематической погрешности измерения теплопроводности на разработанном ИУ был проведен ряд калибровочных экспериментов с жидкостями, теплопроводность которых достаточно хорошо известна дистиллированная вода, этиловый спирт 95 %, глицерин Проведен анализ источников возникновения систематической составляющей погрешности С целью уменьшения погрешности была применена методика калибровки результатов, после которой систематическая погрешность не превышает значения 3 %.

1

ОЛ 0.15 0,2 0.25 0,3 0,35 0,4 0,45 0.5 0,55

Рис. 4, Зависимость относительной погрешности от тепло про водности исследуемой жидкости

В пятой главе представлены результаты экспериментального определения зависимости теплопроводности некоторых веньютоновских жидкостей от скорости жидкости.

Анализ экспериментальных данных, представленных на рис. 5, показывает, что при низких скоростях сдвига наблюдается некоторое уменьшение теплопроводности, которое .может быть объяснено ориентированием макромолекул вдоль направления течения. При больших скоростях сдвига может нарушаться устойчивость течения вследствие появления вторичных течений а слое исследуемого материала, что вызывает увеличение теплопроводности и уменьшение кажущейся вязкости жидкости.

Рис. Экспериментальные данные «о измерению зависимости теплопроводности Х„., Вт/(м * К) от скорости сдвига у, с-1: — синтетический каучук «Структурол»; — V — синтетический каучук «Структурой» с добавками углеродных наноэлементсв

При добавлении углеродных на но элементов наблюдается увеличение теплопроводности суспензии при ¡возрастании скорости сдвига. Это может быть объяснено тем. что на частички углеродных наноэлеметов, находящиеся в сдвиговом потоке, действуют силы, которые вызывают их вращение, и как следствие - появление вторичных течений жидкости. Таким образом, появляется конвективная составляющая теплообмена, вызывающая увеличение кажущейся теплопроводности материала в направлении, перпендикулярном скорости сдвига.

На рис, 6 представлены экспериментальные данные по исследованию зависимости теплопроводности 10 % водного раствора полнокснэтилена от скорости сдвига при разных температурах.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при относительно низких температурах (30 °С) и при низких скоростях сдвига наблюдается незначительное уменьшение тешгопроводноетй и ее увеличение при повышении скорости сдвига. Уменьшение теплопроводности может быть вызвано ориентированием макромолекул вдоль направления течения, а ее повышение - изменением структуры материма,

V» ВтДн ■ К)

0,65____

0,60 0,55 0,50 0,45 0,40

0,35 __

О 5 50 15 20 25 30 35 У <с"'

Рис. 6. Экспериментальные данные по измерению зависимости теплопроводности \п Вт/(м • К) от скорости сдвига у, с"1:

-а— водный раствор полиоксиэтилена 10 % при температуре 30 °С; - * — водный раствор подиоксизтилена 10 % при температуре 40 °С

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Разработана физическая модель ИУ для определения зависимости теплопроводности неньютоновской жидкости от скорости сдвига, представляющая собой систему из двух коаксиальных цилиндров в зазоре, между которыми находится исследуемая жидкость, причем внутренний цилиндр выполнен полым, а внешний цилиндр приводится во вращение

2 Получены зависимость, описывающая распределение окружных скоростей со9 потока по радиусу г, и функция распределения компоненты Стлр(г) тензора напряжений при сдвиговом течении неньютоновской жидкости в измерительном устройстве

3 Выведено уравнение энергии для слоя исследуемой неньютоновской жидкости с правой частью специального вида, учитывающей дисси-пативный источник тепла, возникающий при сдвиговом течении

4 В результате анализа уравнений неразрывности, движения, энергии и принятых допущений сформулирована математическая модель температурного поля в ИУ при сдвиговом течении неньютоновской жидкости, с учетом степенного закона течения В отличие от ранее известных, предложенная математическая модель учитывает реологические характеристики неньютоновской жидкости коэффициент консистенции т и индекс течения п

5. Проведена расчетная оценка погрешности определения теплопроводности неньютоновской жидкости с использованием разработанного стационарного метода и ИУ Подробно рассмотрены все составляющие погрешности косвенного измерения теплопроводности и определен вклад каждой в ее суммарное значение. По результатам расчетной оценки получено предельное значение относительной погрешности Ъугг = 10 %

6 Разработаны и изготовлены измерительное устройство и автоматизированная измерительная установка, позволяющие определять зависимость теплопроводности неньютоновской жидкости от скорости сдвига, с учетом измеряемых реологических характеристик исследуемой жидкости Разработан порядок выполнения измерительных операций при определении зависимости теплопроводности неньютоновской жидкости от скорости сдвига

7 Проведены исследования зависимости теплопроводности от скорости сдвига для следующих неньютоновских жидкостей синтетического каучука «Структурол» при температуре 30 °С в диапазоне скоростей сдвига 0 35 с-1, синтетического каучука «Структурол» с добавками наноугле-родных элементов при температуре 30 °С в диапазоне скоростей сдвига 0 .22 с-1, 10 % водного раствора полиоксиэтилена при температуре 30 и 40 °С в диапазоне скоростей сдвига 0 .25 с"1

Материалы диссертации отражены в следующих публикациях:

1 Проектирование автоматизированной измерительной системы для определения теплофизических характеристик жидких полимерных материалов при сдвиговом течении / С В Мищенко, С В Пономарев, Т Ирвин, А Г Дивин, Г В Банникова* // Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем ИТ ПМПС-2000 тез докл междунар науч-техн конф — Тамбов Изд-воТамб гос техн ун-та, 2000 -148с

2 Дивин, А Г Разработка математической модели устройства для измерения теплофизических характеристик расплавов полимерных материалов в условиях сдвигового течения / А Г Дивин, Г В Банникова* // Труды ТГТУ сб науч ст молодых ученых и студентов - Тамбов Изд-во Тамб гос техн ун-та, 2001 -Вып 9 -184с

3. Измерительное устройство для определения зависимости реологических и теплофизических характеристик жидких полимерных материалов от скорости сдвига / С В Мищенко, С В Пономарев, А Г Дивин, Г В Мозгова // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации тр междунар науч -техн конф (Россия, г Пенза, 22 - 24 окт 2002 г) - Пенза Информационно-издательский центр Пенз гос ун-та, 2002 - 112 с

4 Мозгова, Г В Разработка метрологического обеспечения метода и измерительного устройства для определения теплофизических характеристик полимерных материалов при сдвиговом течении / Г В Мозгова, А Г Дивин // Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции программа, материалы школы-семинара молодых ученых (г Тамбов, 22 - 27 сент 2003 г ) / Тамб гос техн ун-т - Тамбов, 2003 -С 103-104.

5 Нишукова, А Д Методика измерения реологических характеристик ПВХ - пасты /АД Нишукова, Г В Мозгова // Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции программа, материалы школы-семинара молодых ученых (г Тамбов, 22 - 27 сент

2003 г ) / Тамб. гос техн ун-т - Тамбов, 2003 - С 118 - 120

6 Измерительная установка для определения теплофизических и реологических характеристик полимерных материалов при сдвиговом течении / А Г Дивин, С В Мшценко, С В Пономарев, Г В Мозгова // Теп-лофизические измерения при контроле и управлении качеством материалы пятой междунар теплофиз школы * в 2 ч (г Тамбов, 20 - 24 сент

2004 г ) / Тамб гос техн ун-т - Тамбов, 2004 -Ч 1 -298 с

7 Применение новых информационных технологий в дистанционном инженерном образовании и научных исследованиях / С В Мищенко, С В Пономарев, А Г Дивин, А А Чуриков, Г В Мозгова // Научный

* Банникову Г В считать Мозговой Г В в соответствии со свидетельством о заключении брака 1-КС 508979

сервис в сети Интернет тр Всерос науч конф (г Новороссийск, 20 - 25 сент 2004 г ) - M Изд-во МГУ, 2004 - 288 с

8 Измерительная установка для исследования зависимости реологических и теплофизических характеристик жидких полимерных материалов от скорости сдвига / А Г Дивин, Г В Мозгова, С В Ходилин // Состояние и проблемы измерений сб материалов 9-й Всерос науч-техн конф МГТУ им Баумана (Москва, 23 - 25 нояб 2004 г ) - M : Изд-во МГТУ им Баумана, 2004

9 Метод и измерительное устройство для исследования теплофизических характеристик жидких полимерных материалов при сдвиговом течении / С В Мищенко, С В Пономарев, А Г Дивин, Г В Мозгова, С В Ходилин // Вестник Тамбовского государственного технического университета -2005 -Т 11,№1а -С 14-22

10. Использование LAB VIEW при исследовании зависимости реологических и теплофизических характеристик неньютоновских жидкостей от скорости сдвига / С В Мищенко, С В Пономарев, А Г Дивин, Г В Мозгова, С В Ходилин // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments материалы междунар науч-практ конф -М Изд-воРУДН,2005 -С 191-195

11. Дивин, А Г Экспериментальное определение зависимости реологических и теплофизических характеристик неньютоновских жидкостей от скорости сдвига / А Г Дивин, Г В Мозгова, С В Ходилин // Проблемы экономики и менеджмента качества программа и материалы междунар школы-семинара молодых ученых / Тамб гос техн ун-т - Тамбов, 2006 -С 280-282.

12 Информационно измерительная система для определения теплофизических характеристик полимерных материалов / А Г Дивин, С В Пономарев, Г С Баронин, A M Смолин, А Г Ткачев, Д О Завражин, Г В Мозгова // Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством материалы шестой междунар теплофиз школы в 2 ч (г Тамбов, 1-бокт 2007 г)/Тамб гос техн ун-т - Тамбов, 2007 -Ч 2 - С 4-7

Подписано в печать 25 09 2007 Формат 60 х 84/16 0,93 уел печ л Тираж 100 экз Заказ № 588

Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Совеюкая, 106, к 14

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ

1.1 Методы и приборы для определения теплофизических характеристик жидкостей.

1.1.1 Стационарные методы определения теплофизических свойств жидкостей.

1.1.2 Нестационарные методы определения теплофизических свойств жидкостей.

1.1.3 Методы ламинарного режима.

1.2 Методы и приборы для определения реологических характеристик неньютоновских жидкостей.

1.2.1 Капиллярные приборы для исследования реологических характеристик жидкостей.

1.2.2 Ротационные приборы, применяемые для реологических исследований.

1.3 Постановка цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ.

2.1 Физическая модель измерительного устройства.

2.2 Математическая модель температурного поля в измерительном устройстве.

2.2.1 Основные уравнения, описывающие закономерности течения и теплопередачи неньютоновских жидкостей в цилиндрической системе координат.

2.2.2 Выбор реологического уравнения состояния исследуемой неньютоновской жидкости.

2.2.3 Допущения, принятые при составлении математической модели.

2.2.4 Постановка и решение задачи о вычислении установившегося профиля скорости сдвигового течения исследуемой неньютоновской жидкости в зазоре между коаксиальными цилиндрами измерительного устройства.

2.2.5 Вывод уравнения теплового баланса для слоя исследуемой неньютоновской жидкости, подчиняющейся степенному закону течения.

2.2.6 Постановка и решение задачи распределения температурных полей в слоях измерительного устройства в установившемся тепловом режиме.

2.2.7 Анализ источников погрешностей, вызванных принятыми допущениями и рекомендации по конструированию измерительного устройства и выбору режимных параметров эксперимента.

2.2.8 Определение координаты R4, определяющей оптимальную толщину защитного слоя 3 электронагревателя и термопреобразователя в измерительном устройстве 69 Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА.

3.1 Обоснование выбранной конструкции измерительного устройства.

3.2 Конструкция измерительного устройства.

3.3 Измерительная установка.

3.3.1 Подсистема для контроля и измерения угловой скорости вращения наружного цилиндра.

3.3.2 Подсистема для измерения теплопроводности исследуемой неньютоновской жидкости.

3.3.3 Подсистема для измерения реологических характеристик.

3.3.4 Подсистема для поддержания заданных граничных условий 1 рода.

3.3.5 Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса для измерения теплофизических и реологических характеристик неньютоновских жидкостей при сдвиговом течении.

3.4 Порядок измерительных операций при проведении эксперимента.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.

4.1 Предварительная оценка погрешности определения теплопроводности на стадии проектирования и изготовления измерительного устройства.

4.1.1 Оценка абсолютной погрешности АТ* измерения среднеинтегральной температуры.

4.1.2 Оценка погрешности измерения радиусов слоев ИУ.

4.1.3 Оценка погрешности измерения объема VH слоя нагревателя и термопреобразователя сопротивления.

4.1.4 Оценка погрешности измерения мощности нагревателя <2„ измерительного устройства.

4.1.5 Оценка погрешности измерения угловой скорости вращения оз наружного цилиндра.

4.1.6 Оценка погрешности измерения величины касательного напряжения огф и реологических характеристик тип исследуемой неньютоновской жидкости.

4.2 Оценка систематической погрешности по результатам калибровочных измерений.

Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1 Результаты исследования синтетического каучука «Структурол».

5.2 Результаты исследований синтетического каучука «Структурол» с добавками из наноуглеродных наноструктурных элементов.

5.3 Результаты исследований 10 % водного раствора полиоксиэтилена.

Выводы по пятой главе.:.

Пластические массы - широко распространенный конструкционный материал, нашедший применение практически во всех отраслях народного хозяйства. Он обладает рядом преимуществ, по сравнению с другими материалами: относительно дешевое сырье, экономичность переработки, возможность получения материалов с заданными свойствами. Применение полимеров и полимерных композиций позволяет решить актуальную задачу сбережения традиционных материалов - дерева и металлов - для будущих поколений.

В настоящее время в промышленности широко используются синтетические полимеры. Производится большое число полимерных материалов, обладающих огромным разнообразием физических и химических свойств. Их синтез занимает одно из важнейших мест в химической промышленности.

С инженерной точки зрения для промышленности переработки полимеров наряду с аспектами конструирования машин и оборудования, проектирования заводов, важнейшее место занимают вопросы разработки технологических режимов - контроля производства, изучение движения материала в процессе производства и хронометраж отдельных операций, а также улучшение качества готовых продуктов (работы, связанные с оценкой физических и химических свойств материалов и их применения для различных целей).

Полимерные материалы и композиции на их основе - класс высокомолекулярных соединений, которые нельзя отнести ни к твердым телам, ни к жидкостям, ни к аморфным телам. Они могут быть определены как квазикристаллические структуры, обладающие вследствие этого целым рядом специфических свойств. Особенностью большинства полимеров является низкая теплопроводность, высокий коэффициент линейного теплового расширения, текучесть под нагрузкой при повышении температуры, сравнительно низкая термо- и теплостойкость, поэтому вопросы исследования процессов переноса тепла и теплофизических свойств (ТФС) приобретают важное значение.

В результате исследований [1, 2, 6, 12] установлено, что как механические, так и теплофизические характеристики полимерных материалов зависят от той надмолекулярной структуры, которая возникает в материале в результате протекания технологических процессов. Способность переходить в ориентированное состояние с возникновением резкой анизотропии физических свойств материала является одним из главных отличительных свойств полимеров по сравнению с низкомолекулярными веществами.

Возможность такого перехода заключена в основной особенности структуры самих макромолекул - их собственной анизотропии, обусловленной цепным строением, т.е. в существовании преимущественного направления действия межатомных сил - вдоль главных цепей макромолекул. При ориентации полимерной системы локальная анизотропия внутреннего поля проявляется в виде макроскопической анизотропии всех свойств, так как теперь преимущественное направление действия межатомных сил, в котором они на один-два порядка больше, чем силы, действующие в других направлениях, совпадает с осью макроскопической ориентации. Поскольку силы взаимодействия между молекулами в полимерных телах всегда существенно слабее сил химической связи атомов в цепи, макромолекула в любой системе сохраняет свою индивидуальность, а само полимерное тело в той или иной степени обладает анизотропией свойств, присущей отдельной макромолекуле. Действительно, в ориентированных полимерах наблюдается анизотропия механических и теплофизических свойств, а также таких свойств, как диэлектрическая проницаемость и электрическая проводимость [2,4].

Ориентация растворов и расплавов полимеров осуществляется путем одновременного развития деформации двух видов: обратимой высокоэластической и необратимой деформации течения. Эти явления имеют место при транспортировке растворов и расплавов полимеров по каналам и капиллярам. Полагают, что теплопроводность X и коэффициент температуропроводности а при этом превращаются в тензоры [5, б, 12]

К к к? агг azv

А = К к к А = ап агг "г? » к к ач* V aw> где к,.,, агг - компоненты тензоров теплопроводности и температуропроводности, определяющие перенос тепла в направлении перпендикулярном оси сдвигового течения;

Kz, а22 - компоненты тензоров теплопроводности и температуре проводности, определяющие перенос тепла в направлении нормали к оси сдвигового течения; яфф - компоненты тензоров, определяющие перенос тепла в направлении течения; г, Кср, V> arV <V ~ внедиагональные компоненты тензоров теплопроводности и температуропроводности.

Значение теплопроводности твердых термопластов возрастает в направлении ориентации в 5-10 раз по сравнению с теплопроводностью неориентированного образца и снижается на 20-30% в направлении, перпендикулярном ориентации [3]. Аналогичное явление наблюдается и в сдвиговых потоках жидких полимеров [5, 9, 56].

При течении полимерного материала в каналах и капиллярах происходит диссипативный разогрев потока жидкости, причем интенсивность тепловыделений зависит как от реологических характеристик полимера, так и от скорости сдвигового течения [2, 5, 6, 12]. Повышение температуры может быть весьма значительным при средних и высоких скоростях сдвига. При выборе режимных параметров технологических процессов переработки полимеров необходимо учитывать анизотропию теплофизических коэффициентов и интенсивность источника тепла вследствие диссипативного разогрева. Это особенно важно при процессах переработки материалов, подверженных термодеструкции. Знание температурного поля в канале, при течении в нем жидкого полимера, позволит повысить эффективность производства полимерных изделий.

В традиционных теплофизических методах [8] предполагается, что образец исследуемой жидкости должен находится в неподвижном «квазитвердом» состоянии. В этих методах теплофизические коэффициенты получены для неподвижных изотропных образцов. Между тем, выше было отмечено, что сдвиговая деформация превращает теплопроводность и температуропроводность в тензоры.

Наиболее подходящими методами измерения теплофизических характеристик движущихся потоков технологических жидкостей являются методы ламинарного режима [5, 9, 47, 48, 58, 67, 69, 70, 74]. Они позволяют определять теплофизические свойства жидкостей при сдвиговом течении, учитывают анизотропию теплофизических характеристик жидкого полимера. Основоположниками этих методов являются немецкий ученый JI. Грэтц [75] и российские ученые B.C. Яблонский и М.П. Шумилов.

Разработанные в последнее время методы ламинарного течения наиболее полно описаны в работах [5, 47, 58]. Авторами рассмотрены теоретические основы методов измерения ТФХ при ламинарном напорном течении жидкости в трубке, при безнапорном сдвиговом течении исследуемой жидкости в зазоре между коаксиальными цилиндрами измерительного устройства. Показано, что погрешность определения теплопроводности этими методами не превышает 5.7%. При составлении математической модели теплопереноса в разработанном измерительном устройстве, авторами был принят закон течения жидкости в виде а = т-у, где а - касательные напряжения, возникающие в потоке жидкости при сдвиговом течении, у - скорость сдвига, т - вязкость исследуемой жидкости. Однако большинство растворов и расплавов полимерных материалов относятся к классу неньютоновских жидкостей, течение которых нельзя описать принятым законом, поэтому в случае применения данного метода для определения ТФХ ньютоновских жидкостей, возникают дополнительные погрешности. Также к недостаткам разработанных методов можно отнести значительную длительность эксперимента, что не позволяет исследовать зависимость теплофизических характеристик от скорости сдвига для материалов, подверженных фазовым и структурным превращениям на воздухе, например латексов.

Знание параметров зависимости теплофизических и реологических характеристик полимеров от скорости сдвига имеет большое значение при математическом моделировании процессов теплопереноса, имеющих место при переработке полимерных материалов, так как позволяет увеличить эффективность этих процессов. А также имеет фундаментальное значение в познании закономерностей теплопереноса в материалах с макромолекулярной структурой.

1. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ

Выводы по 5 главе.

В пятой главе приведены и проанализированы результаты экспериментального исследования зависимости теплопроводности от скорости сдвига для следующих неньютоновских жидкостей: синтетического каучука «Структурол» при температуре 30 °С в диапазоне скоростей сдвига от 0 до 35 с'1; синтетического каучука «Структурол» с добавками наноуглеродных элементов при температуре 30 °С в диапазоне скоростей сдвига от 0 до 22 с"1; 10% водного раствора полиоксиэтилена при температуре 30 и 40 в диапазоне скоростей сдвига от 0 до 25 с"1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании анализа известных методов определения теплофизических характеристик жидкостей установлено, что наиболее подходящими для исследования зависимости ТФХ жидкостей от скорости сдвига являются методы ламинарного режима и основанные на них измерительные устройства. Установлена необходимость в разработке новой математической модели распределения температурного поля при сдвиговом течении неньютоновской жидкости в зазоре между коаксиальными цилиндрами, учитывающей наличие в слое исследуемой жидкости источника тепла, возникающего при диссипации механической энергии вязкого трения жидкости, подчиняющейся степенному закону.

2. Разработана физическая модель измерительного усройства для определения зависимости теплопроводности неньютоновской жидкости от скорости сдвига, представляющая собой систему из двух коаксиальных цилиндров, причем внешний цилиндр приводится во вращение, в зазоре между которыми находится исследуемая жидкость. В результате анализа уравнений неразрывности, движения, энергии и принятых допущений сформулирована уточненная математическая модель температурного поля в измерительном устройстве при сдвиговом течении неньютоновской жидкости, с учетом степенного закона течения. В отличие от ранее известных, предложенная математическая модель учитывает реологические характеристики неньютоновской жидкости: коэффициент консистенции т и индекс течения п. Получено уравнение, описывающее распределение окружных скоростей шф потока по радиусу г и функция распределения компоненты <тГф(г) тензора напряжений при сдвиговом течении неньютоновской жидкости в измерительном устройстве. Выведено уравнение теплопроводности для слоя исследуемой неньютоновской жидкости с правой частью специального вида, учитывающей диссипативный источник тепла, возникающий при сдвиговом течении.

3. На основании проведенного анализа источников погрешностей, возникающих за счет принятых допущений, даны рекомендации по конструированию измерительного устройства, позволяющие минимизировать возможные методические погрешности.

4. Проведена расчетная оценка предельной погрешности определения теплопроводности неньютоновской жидкости с использованием разработанного стационарного метода и ИУ. Подробно рассмотрены все составляющие погрешности косвенного измерения теплопроводности и определен вклад каждой в её суммарное значение. Рассмотрены и оценены методические составляющие общей погрешности измерения теплопроводности. По результатам расчетной оценки получено предельное значение погрешности

ЬХГГ= Ю%.

5. Разработаны и изготовлены измерительное устройство и автоматизированная измерительная установка, позволяющие определять зависимость теплопроводности неньютоновской жидкости от скорости сдвига, с учетом измеряемых реологических характеристик исследуемой жидкости. Разработан порядок измерительных операций при определении зависимости теплопроводности неньютоновской жидкости от скорости сдвига.

6. На основании результатов экспериментальных исследований жидкостей с хорошо известными теплофизическими свойствами, таких, как дистиллированная вода, спирт этиловый 95%, глицерин были получены поправочные коэффициенты, позволяющие получить значение систематической погрешности не превышающее 3 %.

7. Проведены исследования зависимости теплопроводности от скорости сдвига для следующих неньютоновских жидкостей: синтетического каучука «Структурол» при температуре 30 °С в диапазоне скоростей сдвига от 0 до 35 с'1; синтетического каучука «Структурол» с добавками наноуглеродных элементов при температуре 30 °С в диапазоне скоростей сдвига от 0 до 22 с'1; 10% водного раствора полиоксиэтилена при температуре 30 и 40 °С в диапазоне скоростей сдвига от 0 до 22 с"1.

8. Разработанный стационарный метод и измерительная установка нашли применение в научно-исследовательской работе при выполнении проекта РФФИ № 05-08-01515а «Экспериментальное исследование теплофизических и реологических характеристик неньютоновских жидкостей в условиях сдвигового течения», результаты исследования приняты к использованию в ОАО «ТВЕС» для выбора рационального температурного режима процесса литья под давлением изделий из: Полистирола УПМ, АБС, Полиэтилена высокого и низкого давления, Полиамида, Полиформальдегида для весоизмерительной техники, а также применяются в учебном процессе Тамбовского государственного технического университета на кафедре «Автоматизированные системы и приборы» при выполнении лабораторных работ по курсам «Методы и средства измерений испытаний и контроля» студентами специальности 200503 «Стандартизация и сертификация», «Методы и средства диагностирования и контроля» студентами специальности 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств», «Методы и приборы контроля качества» студентами магистратуры программ 200400.15 «Всеобщее управление качеством» и 200500.10 «Метрологическое обеспечение контроля качества свойств и состава веществ, материалов и изделий» а также при выполнении магистерских диссертаций по программе 200500.10.

1. Харитонов, В.В. Теплофизика полимеров и полимерных композиций / В.В. Харитонов -Мн.: Выш. школа, 1983.-162 е., ил.

2. Ориентационные явления в растворах и расплавах полимеров / Под ред. А.Я. Малкина и С.П. Пашкова-М.: Химия, 1980.-280с., ил.

3. Сабсай, О.Ю. Технологические свойства термопластов (обзор) / О.Ю. Сабсай, Н.М. Чалая. Пластические массы, 1992. №1.

4. Современные физические методы исследования полимеров/ Под ред. Г.Л. Слонимского -М.: Химия, 1982.-256 е., ил.

5. Пономарев, С.В. Методы и устройства для измерения эффективных теплофизических характеристик потоков технологических жидкостей: Учеб. пособ. для вузов / Пономарев С.В., Мищенко С.В. Тамбов: ТГТУ, 1997. 248 с.

6. Тадмор, 3. Теоретические основы переработки полимеров / Тадмор 3., Гогос К. Пер. с англ. Под ред. Р.В. Торнера. М., Химия, 1984.

7. Щукин, В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил / Щукин В.К. М.: «Машиностроение», 1970 - 332 с.

8. Цедерберг, Н.В. Теплопроводность газов и жидкостей / Цедерберг Н.В. -М.: Госэнергоиздат, 1963.-468 с.

9. Фройштетер, Г.Б. Реологические и теплофизические свойства пластичных смазок / Фройштетер Г.Б., Трилиский К.К., Ищук Ю.Л., Ступак П.М.; Под ред. Г.В. Виноградова-М.: Химия, 1980 г. 176 е., ил.

10. Белкин, И.М. Ротационные приборы / Белкин И.М., Виноградов Г.В., Леонов А.И. М., Машиностроение, 1968.

11. Малкин, А .Я. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения / Малкин А.Я., Чалых А.Е. М.: Химия, 1979. -304 е., ил.

12. Мак-Келви, Д.М. Переработка полимеров: пер. с англ. / Д.М. Мак-Келви; Под ред. Г.В. Виноградова, С.И. Гдалина, А.И. Леонова, А.Я. Малкина. -М., Химия, 1965. -444с., ил.

13. Власов, В.В. Теплофизические измерения. Справочное пособие по методам расчета полей, характеристик тепломассопереноса и автоматизации измерений / Власов В.В. и др. Тамбов, 1975. - 256 с.

14. Власов, В.В. Методы и устройства неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов массивных тел / Власов В.В., Шаталов Ю.С., Зотов Е.Н. и др. // Измерительная техника, 1980, № 6. С. 42-45.

15. Власов, В.В. Неразрушающий контроль зависящих от температуры коэффициентов тепло- и температуропроводности / Власов В.В., Шаталов Ю.С., Чуриков А.А., Зотов Е.Н. // Промышленная теплотехника, 1981, Т. 3, №3.-С. 43-52.

16. Шашков, А.Г. Методы определения теплопроводности и температуропроводности / Шашков А.Г., Волохов Е.М., Абраменко Т.Н., Козлов В.П. -М.: Энергия, 1973 336 с.

17. Мищенко, С.В. Исследование теплофизических характеристик полимерных материалов, химически реагирующих в процессе их термической переработки / Мищенко С.В. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук М., 1975 г.

18. Вязкоупругая релаксация в полимерах / Под ред. А.Я. Малкина.- М.: Издательство «Мир», 1974.

19. Малкин, А.Я. Реология в технологии полимеров (Основные закономерности течения полимеров).- М.: Знание, 1985. -32 с.

20. Годовский, Ю.К. Теплофизические методы исследования полимеров М., «Химия», 1976.

21. Карслоу, Г.С. Теплопроводность твердых тел / Карелоу Г.С., Егер Д. М.: Наука, 1964. 487 с.

22. Крутоголов, В.Д. Ротационные вискозиметры / Крутоголов В.Д., Кулаков М.В.-М.: Машиностроение, 1984.

23. Лыков, А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 600 с.

24. Лодж, А.С. Эластичные жидкости. Введение в реологию конечнодеформируемых полимеров: пер. с англ. / Лодж А.С. М.: Наука, 1964.-464 с.

25. Воларович, М. П. Новая модель ротационного вискозиметра / Воларович М. П. // «Заводская лаборатория». 1945, № 9.

26. Miesowicz, М. //Nature. 1935. V. 136. Р. 261.

27. Гуткин, A.M. Расчет константы ротационного вискозиметра, с учетом влияния полусферы на распределение скоростей в цилиндре / Гуткин A.M. // «Журнал технической физики» 1946. №12.

28. Торнер, Р.В. Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов) / Торнер Р.В. М., «Химия», 1977. 464 с.

29. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов / Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.А., Тоцкий Е.Е- М.: Энергоатомиздат, 1990 352 с.

30. Теплофизические свойства полимеров. Справочник. /Под ред. Липатова Ю.С. К.: «Наук, думка», 1977. -244 с.

31. Петухов, Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах / Петухов Б.С. -М.: Энергия, 1967. -411 с.

32. J.L. den Otter, Rheol. Acta, 10, 200 (1971).

33. А.С. 1223110 СССР, МКИ кл. G01 п 25/18. Способ определения температуропроводности жидкости / Пономарев С.В., Епифанов Л.И., Шуваев Э.А. и др.// Б.И. №13.-1986. -4 с.

34. А.С. 817562 СССР, МКИ кл. G01 N 25/18. Устройство для анализа движущейся жидкости / Т.Ф. Коваленко, Д.В. Беляев, С.Г. Андрианов, А.Д. Кузьмин // Б.И. № 12.- 1981 .-2 с.

35. А.С. №1495697 СССР, МКИ, кл. G01 N 25/18. Способ измерения температуропроводности жидкости / Пистун Е.П., Рогоцкий Я.Т., Васильковский И.С. // Б.И. №27.-1989.-4 с.

36. J. J. Picot, G.I. Goobie, and G.S. MawHinney Shear-Induced Anisotropy in Thermal Conductivity of a Polyethilene Melt // Polymer Engineering and Science, FebRuare, 1982, Vol. 22, No 3,154-157

37. A.C. 2631779 СССР, МКИ, кл. G01 N 25/18. Устройство для измерения коэффициента теплопроводности жидкостей / В.Д. Морозков // Б.И. №31-1980.-4 с.

38. Клевлеев, В.М. Метрология, стандартизация и сертификация / Клевлеев В.М., Кузнецова И.А., Попов Ю.П. М.: Форум: Инфра-М, 2003. -256 с.

39. История метрологии, стандартизации, сертификации и управления качеством: Учебное пособие / Сост. С.В. Мищенко, С.В. Пономарев, Е.С. Пономарева, Р.Н. Евлахин, Г.В. Мозгова. Тамбов : Тамбовск. гос. техн. ун-т, 2003. - 94 с.

40. Крылова, Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ ДАНА, 2000.

41. Fuilin Gui and Thomas F. Irvine Jr. Theretical and Experimental Study Of The Falling Cylinder Viscosimeter // Int. Jour Heat & Mass Transfer, 37(Suppliment) PP. 41-50 (1994).

42. Сергеев, А.Г. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебное пособие / Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. М.: Логос, 2001.

43. Лебедев, А.Н. Вероятностные методы в инженерных задачах: Справочник / Лебедев А.Н., Куприянов М.С., Недосекин Д.Д., Чернявский Е.А. СПб.: Энергоатомиздат, 2000 - 333 с.

44. Термостат водяной 1ТЖ-0-03. Паспорт 2Т2.998.038 ПС

45. Источник питания постоянного тока Б5-48. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 3.233.011-01 ТО

46. Щ300 прибор комбинированный цифровой. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 3.349.033 ТО. Альбом 1.

47. Ponomarev, S. V. Measurements of Thermophysical Properties by Laminar Flow Methods / S. V. Ponomarev, S. V. Mishchenko, T. F. Irvine. New-York: Begell House Inc., 2001. - 274 p

48. Mischenko, S.V. An Automated System for the Investigation of the Thermophysical Properties of Liquids in Shear Flow / MLchenko S.V., Ponomarev S.V., Divin A.G. // High Temperatures-High Pressures, 1995.-Vol.26.-№.3. -pp.287-298.

49. Черпаков, П.В. Теория регулярного теплообмена. М.: Энергия, 1975224 с.

50. Смольский, Б.М. Реодинамика и теплообмен нелинейно вязкопластичных материалов / Смольский Б.М., Шульман З.П., Гориславец В.М. Минск: Наука и техника, 1970 -446 с.

51. A. A Cocci, JR. and J. J. Picot Rate of Strain Effect on the Thermal Conductivity of a Polymer Liquid // Engineering and Science, 1973, Vol. 13, No. 5, P. 337-341.

52. Sehyun Shin, Sung-Hyuk Lee, Thermal conductivity of suspensions in shear flow Fields. International Journal of Heat and Mass Transfer 43 (2000) 42754284.

53. Lee, D.Y. Shear rate dependent thermal conductivity measurements of non-Newtonian Fluids / D.Y. Lee, T.F. Irvine // Experimental Thermal and Fluid Science 15 (1997) 16-24.

54. Wallace, D. J., Moreland, C., & Picot, J. J. C. (1985). Shear dependence of thermal conductivity in polyethylene melts. Polymer Engineering and Science, 25, 70-74.

55. B.H.A.A. van den Brule. The non isothermal elastic dumbbell: a model for the thermal conductivity of a polymer solution // Rheol. Acta 29,416-422.

56. B.H.A.A. van den Brule. Anisotropic conduction of heat caused by molecular orientation in a flowing polymeric liquid // Reol. Acta 29, 175- 181

57. B.H.A.A. van den Brule and S.B. G. O'Brien Anisotropic conduction of heat in a flowing material // Reol. Acta 29, 580 587

58. Пономарев, С.В. Обзор методов и устройств для измерения теплофизических свойств жидкостей при ламинарном режиме течения / Пономарев С.В., Дивин А.Г.; Деп. ВИНИТИ 26.07.90 г., №4265-В90.-43 с.

59. Чередниченко, Г.И. Физико-химические и теплофизические свойства смазочных материалов / Чередниченко Г.И., Фройштетер Г.Б., Ступак П.М. -Л.: Химия, 1986.-224 с.

60. Tavman, I. Н. An apparatus for measuring the thermal conductivity the thermal conductivity and viscosity of polymers under shearing strain / Tavman I. H. // Meas. Sci. Technol. 8 (1997) 287-292.

61. Sean Xu Qi Lin, X. Dong Chen, Pratish Bandopadhayay. Shear rate dependent thermal conductivity measurement of two fruit juice concentrates. // Journal of Food Engineering 57 (2003), 217-224.

62. Пономарев, С.В. Анализ источников систематических и случайных погрешностей при измерении теплофизических свойств жидкостейметодом ламинарного режима // Новейшие исследования в области теплофизических свойств. Тамбов, 1988 - С. 110.

63. Пономарев, С.В. Метод идентификации теплофизических свойств жидкости / Пономарев С.В., Мищенко С.В., Дивин А.Г. // Термодинамика и теплофизические свойства веществ. Сб. научн. Тр. №206- М.: МЭИ, 1989. -С.59-63.

64. Пономарев, С.В. К вопросу о вычислении теплофизических свойств жидкости / Пономарев С.В., Дивин А.Г. // Теплофизика релаксирующих систем. Тамбов, 1990. - С.65-66.

65. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Корн Г., Корн Т.; М.: Наука, 1973. -832 с.

66. Пономарев, С.В. Методика введения поправки в результаты измерения теплофизических свойств / Пономарев С.В., Дивин А.Г., Романов Р.В., Щербаков А.В. //1 научная конференция ТГТУ. Тамбов: изд. ТГТУ, 1994. -С. 60-61.

67. Пономарев, С.В. Методы и средства измерения теплофизических свойств жидкостей при ламинарном течении / Пономарев С.В., Мищенко С.В., Дивин А.Г. // Теплофизическая конференция СНГ. Махачкала, 24-28 июня 1992 г. Махачкала, 1992.-С. 58.

68. Дивин, А.Г. Выбор рациональных технологических режимов экструзионного формования изделий из полимерных материалов: дис. канд. техн. наук : 05.17.18. : защищена 13.10.95 / Дивин Александр Георгиевич. Тамбов, 1995. - 150 с.

69. Яворский, Б.М. Справочное руководство по физике / Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. М.: Наука, 1989.-576 с.

70. Атамалян, Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб.пособие для студ. втузов / Атамалян Э.Г. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1989.-384с.: ил.

71. Кузнецов, В.А. Основы метрологии: Учеб. пособие / Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. М.: Издательство стандартов, 1995 - 280с.

72. Пономарев, С.В. Методы и устройства для измерения эффективных теплофизических характеристик потоков технологических жидкостей / Пономарев Сергей Васильевич; Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук М., 1995.- 32 с.

73. Graetz L. Uber die Warmeleitungsfahigkeit von Flussigkeiten // Ann. Der Physik und Chemie. 1883. -Bd. XVIII. -s. 79-94.

74. Graetz L. Uber die Warmeleitungsfahigkeit von Flussigkeiten // Ann. Der Physik und Chemie. 1885. -Bd. XXV. -s. 337-359.

75. Шумилов, П.П. Исследование передачи тепла при движении нефтей и других жидкостей и газов по трубам / Шумилов П.П., Яблонский B.C. // Нефтяное хозяйство. -1929.-Т. 16. -№5. -С. 683-705.

76. Дивин, А.Г. Разработка математической модели устройства для измерения теплофизических характеристик расплавов полимерных материалов в условиях сдвигового течения / Дивин А.Г., Банникова Г.В. // Труды ТГТУ:

77. Сборник научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 9. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2001.-184 с.

78. Мищенко, С.В. Применение новых информационных технологий в дистанционном инженерном образовании и научных исследованиях /

79. Мищенко С.В., Пономарев С.В., Дивин А.Г., Чуриков А.А., Мозгова Г.В. // Научный сервис в сети Интернет: Труды Всероссийской научной конференции (20-25 сентября 2004 г., г. Новороссийск). -М.: Изд-во МГУ, 2004.-288 с.

80. Пономарев, С.В. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений: Монография. В 2 кн./ С.В. Пономарев, С.В. Мищенко, А.Г. Дивин. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2006. - Кн. 1. - 204с.

81. Пономарев, С.В. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений: Монография. В 2 кн. / С.В. Пономарев, С.В. Мищенко, А.Г. Дивин. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2006. - Кн. 2. - 216с.

82. Сергеев, О.А. Метрологические основы теплофизических измерений / Сергеев О.А.; Изд-во стандартов, 1972 154 с.

83. Мищенко, С.В. Анализ и синтез измерительных систем / Мищенко С.В., Цветков Э.И., Чернышов В.Н. Тамбов: ТГТУ, 1995. -238 с.

84. Козлов, В.П. Микропроцессоры в теплофизических измерениях: Обзор информации / Козлов В.П., Станкевич А.В. // Белорусский НИИНТИ -Минск, 1986.-44 с.

85. Евдокимов, Ю.К. Lab VIEW для инженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде Lab VIEW / Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. М.: ДМК Пресс, 2007. -400 с.

86. Цветков, Э.И. Процессорные измерительные средства / Цветков Э.И. Л.: Энергоатомиздат Ленингр. отд-ние, 1989. - 224 с.

87. Арутюнов, Б.А. Теория и применение алгоритмических измерений / Арутюнов Б.А. М.: Энергоатомиздат, 1990. -256 с.

88. Самарский, А.А. Введение в численные методы / Самарский А.А. М.: Лань, 2005. -288 с.

89. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др.; под ред. Е.М. Душина. 6-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат Ленингр. отд-ние, 1987. - 480 е.: ил.

90. Автоматизация измерений, контроля и испытаний: учебное пособие/ С.В. Мищенко, А'.Г. Дивин, В.М. Жилкин, С.В. Пономарев, А.Д. Свириденко. -Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. -116 с.101. www.ipc2u.ru

91. Дворецкий, С.И. Математическое моделирование и оптимизация технологических процессов: Учеб. пособие / С.И. Дворецкий, А.В, Майстренко -Тамбов: Изд-во Тамб, гос. техн. ун-та, 2000. -60 с.

92. Герасимов, Б.И. Микропроцессорные аналитические приборы / Герасимов Б.И., Глинкин Е.И. -М.: Машиностроение, 1989.

93. Глинкин, Е.И. Схемотехника БИС. Автоматические интерфейсы ввода-вывода. Метод. Указ. / Тамб. гос. техн. ун-т, 1997. -72 с.

94. Брюханов, В.А. Методы повышения точности измерений в промышленности. М.: Изд-во стандартов, 1991.-108 с.

95. РМГ 62-2003. Обеспечение эффективности измерений при управлении технологическими процессами. Оценивание погрешности измерений при ограниченной исходной информации. Введ. 2005-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2003.

96. Программа для вычисления коэффициента теплопроводности Хгг

97. Задание значений радиусов R1, R2, R3, R4, R5 измерительного устройства, мм R1 := 0.008 R2 := 0.022 R3 := 0.0223 R4 := 0.025 R5 := 0.027

98. Задание коэффициентов теплопроводности слоев внутреннего цилиндра измерительного устройства, Вт/(м*К)

99. XI := 0.2 Х2 := 200 ХЗ := 0.23

100. Задание начальных приближений для коэффициентов интегрирования С1-С8 и коэф.Х/т CI := 1 С2:= 1 С3:=1 С4:= 1 С5:=1 С6:=1 С7:= 1 С8 1 X := 1

101. Задание реологических характеристик тип, вычисленных на первом этапе эксперимента и угловой скорости вращения со внешнего цилиндрап := 0.8 m 30 ю := 1

102. Введение измеренной среднеинтегральной температуры, град; напряжения U, подающегося на нагреватель, В1. Т: =2.3 U := 44.2

103. О := -расчет мощности электрического нагревателя, Вт 10171. Q= 1.921

104. V := (ю2 л-0.108-расчет объема электрического нафевателя

105. Дополнительные переменные:

106. R11 := ln(Rl) R21 := ln(R2) R31 := ln(R3) R41 ln(R4) R51 := ln(R5) R5R4 ln(R5 R4) a := m----—f--Г1. R5 "-R4 n)a =-1.59 x 10 4

107. Решение обратной задачи теплопроводности, записанной в виде системы уравнений (2.40) TOL = 1 х 10" 3 CTOL := 1 Given1. C1-R11 + С2 = 0О

108. C1-R21 + С2 C3 R21 - С4 =---—4 V-A21. XI Х2 -Q-R21. С1---СЗ--- ——1. R2 R2 V'21. СЗ

109. R31 0.5)-R32 - (R21 - 0.5) R222 2 R3-R21. С4 = Т +

110. Q-(R34 R24) 8-X2-V-(R32 - R22)

111. Расчет коэффициентов С1-С4 Ml := Find(Cl,C2,C3,C4)

112. C1:=M10 C2:=Mlj C3:=M12 С4:=М131. Givenт?з О

113. C3 R31 + C4-C5R31 С6 =---—4 V-X21. R3 R3 2 V

114. Расчет коэффициентов С5,С6 M2 := Find(C5,C6)1. С6 := M2j1. Given1. C7-R41 + С8+ U)a-21. R4 " .fi + 11. C5R41 + C61. C7R51 + C8 + {k)azl2 R5 ;0nff -31.507 Y\

115. M3 := Find(c7,c8,\) = -102.422 ! 5.633 I

116. C7:=M3Q C8.-M3, X := M32 X1. X Xrr = 0.178

117. C3-ln(gl) + С4- функция, описывающая температуру в третьем слое ИУ,град

118. Т2(0.0223) = 2.3 значение температуры на границе R2 и R372(0.022) = 2.3f — 1

119. T4(g3):= —-a- --g3 " + R4 + C71n(g3) + С8 функция, описывающая температуру1. Хгг V21. S3Jв слое жидкости, град

120. Т4(0.025) = 1.119 Т4(0.027) =-1.057i х 10~ 15 значение температуры на границе R4 и R5

121. Изменение температуры по слоям измерительного устройстваг, mm

122. Расчет инструментальной погрешности измерения среднеинтегральной температуры.

123. Сопротивления мостовой измерительной схемы, Ом; R1 := 18? R2:= 220 R3:= 21.24

124. Погрешности измерения сопротивлений мостовой измерительной схемы, Ом: абсолютные: AR1 := 0.024 AR2:= 0.021 AR3:= 0.003

125. Сопротивление медного термопреобразователя сопротивления, Ом яо := 18.41. При температуре tO, град

126. Погрешность измерения напряжения на выходе МИС, В:1. Функция преобразования:

127. Ю := 25 AR0 := 0.0035 AtO := 0.02 а := 0.00426 Upit := 0.5 AUpit := 0.00035 U:= 0.0031. AU:= U-0.00035

128. T(U,Upit,R0,Rl,R2,R3,t0) :=1. R11. RO-cc1. U R2 + ■1. Upit R2 + R37f