Диссертация (Теплофизические свойства органических жидкостей), страница 10

Бинарные растворыПри исследовании бинарных растворов, требуемый раствор составлялся изперечня имеющихся в наличии чистых растворов, теплофизические свойствакоторых рассмотрены в предыдущем параграфе. Отметим, что смешиваниерастворов осуществлялось в соответствии с классификацией Эвелла. Для того, чтобы отразить всю полноту и научную значимость представленного исследования, входе эксперимента смешивались жидкости как из одной группы, так и жидкостииз совершенно разных групп. [52]3.2.1 Экспериментальные исследования.Методикаэкспериментальныхисследованиябылааналогичнаисследованию чистых жидкостей. Результаты отдельных опытов приведены нарисунках 14-18. Полный перечень изученных смесей приведен в приложении 2.65На рисунке 14 приведён график изменения теплопроводности бинарногораствора органических жидкостей Этиленгликоль ÷ н-Гексан, в зависимости отразличной объёмной концентрации смеси [53,54].

Из графика видно, чтополученная экспериментальным путём зависимость имеет линейный вид. Графикзависимости монотонно изменяется, отклонение от линейности не наблюдается.Рисунок 14. График зависимости теплопроводности от концентрации смесиЭтиленгликоль ÷ н-Гексан.На рисунке 15. показан график зависимости теплопроводности отконцентрации смеси Толуол ÷ Четырёххлористый углерод. В результате этогоэксперимента установлено, что изменение теплопроводности данного раствораорганических жидкостей при различной объёмной концентрации смеси носит нелинейный характер.

Объясняется такое поведение функциональной зависимоститем, что компоненты полученного раствора имеют достаточно различныеисходные значения теплопроводности.Для эксперимента жидкие растворы были взяты в следующих пропорциях:толуола, имеющего большую теплопроводность, 92 – 94% и четырёххлористогоуглерода 6 – 8%, у которого теплопроводность меньше. В толуол, которыйявлялся основой смеси, четырёххлористый углерод добавлялся постепенно.

При66этом теплопроводность смеси на начальном этапе росла, а затем резко начиналападать.Рисунок 15. Теплопроводности смеси Толуол ÷ Четырёххлористый углерод.На рисунке 16. представлен график зависимости теплопроводности отконцентрации смеси Толуола, относящегося к пятой классификационной группе сЭтиленгликоем из 1 группы и Дибутилфталатом или Циклогексаноном взятых изтретьей группы.1 - Толуол ÷ Этиленгликоль, 2 - Толуол ÷ Дибутилфталат3 - Толуол ÷ ЦиклогексанонРисунок 16.

График зависимости теплопроводности от концентрации смеси67График носит нелинейный, монотонно возрастающий характер. Для смесейсоставленных из одного класса, линия 2 и 3, наблюдаются незначительныенелинейныеотклоненияпротивоположнойнаправленности.ПрисменеДибутилфтолата на этиленгликоль характер концентрационной зависимостиизменяется, нелинейность более выражена.Для выяснения роли чистого компонента на теплопроводность смеси мызаменили Толуол на, н-Гексан жидкость относящуюся к этому же классу, рисунок17.1 - н-Гексан ÷ Этиленгликоль, 2- н-Гексан ÷ Циклогексанон,3 - н-Гексан ÷ о-КсилолРисунок 17.

Теплопроводности смеси н-Гексана с жидкостями из 1 итретьей классификационной групп.Концентрационная зависимость н-Гексана от Этиленгликоля монотонновозростает, отклонения от линейности не наблюдается. Для смеси н-Гексана сЦиклогексаноном и о-Ксилолом характер остался прежним, нелинейность слабовыражена.68При замене одного из компонентов раствора, например толуола или нГексана, на компонент из другой группы классификации Эвелла – Этиленгликоль,относящегося к первой группе, характер кривых меняется на диаметральнопротивоположный, становиться монотонно убывающим, рисунок 18.1- Этиленгликоль ÷ Диметилформамид, 2 - Этиленгликоль ÷ Бензол,3 - Этиленгликоль ÷ ТетрахлорметанРисунок 18. График зависимости теплопроводности от концентрации смеси:Смесь, состоящая из Этиленгликоля и Диметилформамида (линия 1),относящегося к третьей классификационной группе, или Тетрахлорметана (линия3), принадлежащего четвертой группе, линейно уменьшается с уменьшениемконцентрацииЭтиленгликоля,являющегосяжидкостьюизпервойклассификационной группы.

Бензол, жидкость из четвертой группы, иЭтиленгликоля, то наблюдается существенное отклонение от линейности (линия2).Из графиков представленных на рисунках 14 – 18 видно, что данныезависимости имеют сложный характер. Такая зависимость теплопроводностисмеси от концентрациипо нашему предположению связана с изменениемпоказателей отвечающих за теплоперенос, конкретной бинарной системы.693.2.2. Тепловая активностьВ основе измерения тепловой активности лежит модельная задача, вкоторой металлическая плёнка пренебрежимо малой толщины контактирует сполуограниченными средами. Не смотря на то, что при формулировке краевойнестационарной задачи теплопроводности тепловая активность не фигурирует,(   , λ – теплопроводность, Дж/(м·К·с); ρ – плотность кг/м3; с - удельнаястеплоёмкость Дж/(кг·К)) она является важной характеристикой, определяющейтеплоперенос на поверхности взаимодействующих тел, между которымипроисходит нестационарный теплообмен.

[55].Метод кратковременных измерений тепловой активности в стадиииррегулярного теплового режима [7,11,56] позволяет уверенно различатьтепловые активности жидкостей на уровне 0,1%. Данный метод был использовандля исследования тепловой активности бинарных растворов. Литературныеданные по концентрационной зависимости тепловой активности отсутствуют.

Длямалых значений времени нагрева (10-3с) можно пренебречь конечностью шириныи длины плёнки и рассмотреть задачу как одномерную.Используемые при измерениях датчики имели следующие характеристики:толщина слоя никеля 0,1-0,12 мкм, ширина резистивной полоски – 1,5 мм, еёдлина 50 мм, длина импульсов составляла 0,5 мс, частота их подачи 1 Гц.

В пауземеждуимпульсамипроисходилапочтиполнаядиссипацияэнергии,выделившееся за время импульса.На рисунке 19. представлена одна из экспериментальных зависимостейтепловой активности бинарной системы, состоящей из н-Бутанола и н-Гексана:точки – эксперимент, прямая – аддитивная схема расчёта, кривая – соотношение,предложенное в данной работе. [57]Аддитивная схема расчёта тепловой активности представляет соотношение:  1  n1    2  n2 Реально, тепловая активность раствора соответствует соотношению:(3.1)70  1  n1    2  n2     n1  ,(3.2)где   n1  - слагаемое, определяющее отклонение от линейности. Величина  n1  определяется из эксперимента и достигает своего максимума при n1  0,5 ,достигает 4% при погрешности в 0,61%.Аналитически предлагается искатьвеличину   n1  в виде:  n1   k   2  1  n1n2 .Параметр(3.3)k определялся в экспериментеРисунок 19.

Тепловая активности бинарной системы н-Бутанола и нГексана от концентрацииВ экспериментах исследовались растворы, составленных из жидкостейсоответствующих разным группам по классификации Эвелла.71По результатам исследований рекомендовано следующее соотношение длярасчёта тепловой активности бинарных растворов органических жидкостей: [58]  1  n1    2  n2   k  1   2  n1n2 .(3.5)Данные оценки показывают, что полученное соотношение (3.5) достаточноточно передаёт концентрационную зависимость тепловой активности бинарныхрастворов органических жидкостей.3.2.3.

Расчет теплопроводности органических жидкостейВ практике теплофизического эксперимента существуют два основныхподхода к изучению теплопроводности бинарных органических растворов:аналитическийиэкспериментальный.В даннойработерассматриваетсякомплексный (комбинированный) подход для прогнозирования теплофизическихсвойств (ТФС) различных растворов. Наиболее известные методы расчётакоэффициента теплопроводности были описаны в работе Рида Р. и Шервуд Т.[59].В настоящей работе представлен классический метод расчёта коэффициентатеплопроводности для бинарных жидких растворов органических жидкостей. Порезультатамэкспериментальныхисследованийпредложенаэмпирическаяформула для каждой из групп по классификации Эвелла [60,61].Реализация модельной задачи (2.1) выполнялась с помощью платиновойнити, которая имеет предельно малый радиус, чтобы можно было пренебречь еготеплоёмкостью. Соответствующие количественные оценки были представлены в[34].

Используя выражение (2.3), запишем изменение приращения температурыисточника между моментами времени t и t0 :Tt  T0 t ln   .2  1  2   t0 ql(3.6)Соотношение (3.6) позволяет определить теплопроводность исследуемоговещества 1 по известной теплопроводности 2эталонного вещества иприращениям температуры в различные моменты времени.72Непосредственная процедура измерения была аналогичной, что и длячистых жидкостей.

Начинается она с компенсации на эталонном веществе(толуол). Измерительный зонд при комнатной температуре T0 вводят в контакт столуолом, теплопроводность которого ЭТ T0  известна. При периодическойподаченасхемупрямоугольныхимпульсовнапряжения,изменениемсопротивлений R1 - R4 добиваются как баланса на начальные сопротивления, таки компенсации переменных сигналов.

Частота подачи импульсов выбирается изусловия, чтобы в паузе между ними происходила практически полная диссипацияподводимой энергии. Когда U(t)=0, баланс проведен, при этом регистрируютсязначения R1эт T0  и Riэт T0  .Затем измерительный зонд вводится в контакт с исследуемым веществом.При температуре Т повторяется процедура полного баланса мостовой схемы ирегистрируются значения R1 T  и Ri T  .Соотношение для расчёта теплопроводности исследуемого вещества имеетвид:Ri  t   Ri  t1 U 02 1tg.,t16 l tgln(3.7)t1Здесь λ – теплопроводность исследуемого раствора, Вт/(м∙К); α – коэффициенттемпературного сопротивления материала резистивного элемента датчика(использовалась платина ГОСТ 13498-2010, α=0,00385 °С-1 как в термометрахсопротивления по ГОСТ 8.625-2006), °С-1; U0- подаваемое на мост напряжение сгенератора импульсов, В; l – длина нити датчика, м; Ri  t  - сопротивлениеизмерительного датчика в момент времени t , Ом; Ri  t0  - сопротивлениеизмерительного датчика в момент времени t1 , Ом.

Величина tgφ определялась длянескольких моментов времени: t =20 мс, t1 =25, 30, 35, 40, 50 мс. Максимальныйнагрев РЭ в конце импульса не превышал 1°С. Основными источникам73погрешностей являются: аппаратурные ошибки, связанные с измерением tg иметодические погрешности, описанные в [34].Используемые при измерениях датчики имели следующие характеристики:радиус нити 5 мкм, длина 50 мм, частота их подачи 1 Гц.