Диссертация (Теплофизические свойства органических жидкостей), страница 9

Наиболее важными, из которых являютсяследующие:–высокая чувствительность измерительной схемы, которая обусловленаиспользованием высокого опорного напряжения порядка: ~100В. При этомследует отметить, что высокая чувствительность измерительной схемы, всочетаниисвозможностьюхорошейкомпенсации,позволяетустранитьнегативное воздействие подложки, удельный вклад которой в общий теплообмендостаточно значительный.– возможность измерения с малым количеством исследуемого веществапорядка (~10–2см3), когда жидкий раствор заполняет зазор между покровнымстеклом и подложкой датчика.Если рассматривать применение узких резистивных элементов, которыеразмещаются на подложках с метрологической точки зрения, то, как и впредыдущем случае, общая погрешность измерений будет иметь две причины, аименно: – аппаратурные искажения и несовершенство используемой в расчетахматематической модели – идеализации.Поэтому с точки зрения методики проведения измерений наиболее важноезначение имеет выбор оптимальной длительности измерения.

Так, например, врассматриваемом случае этот выбор определяется, в основном, следующимифакторами:конечной–небесконечномалой,ширинойисточника,ограниченностью его длины, а также его собственной теплоёмкостью.Анализ(2.17)показывает,чтовыбордлительностиизмерения,соответствующей переходу к цилиндрической симметрии температурного поляопределяется следующим выражением:124 F0 ln4 F0,(2.47)где F0 = at/l2, l – это ширина источника, а – коэффициент температуроводностиматериала подложки, η – относительная погрешность измерения, котораяобусловлена конечностью ширины источника.57Так при использовании резистивной дорожки шириной l = 5·10-6 м, котораяразмещена на стеклянной подложке, и длительности измерения t = 5·10-2 с,рассматриваемая погрешность составляет менее 0,1%.В итоге можно показать, что погрешность за счёт пренебреженияограниченностью длины источника составляет менее 0,4%, при длительностиизмерения 5 ·10-2 с, для датчика, который имеет резистивную дорожку длиной 2см, а шириной 5 мкм.Погрешность за счёт пренебрежения собственной теплоёмкостью источникасоставляет не более 0,1% – это можно показать, для рассматриваемого вышедатчика, у которого материал напыления – никель.58Глава 3.

Экспериментальные исследования теплофизических характеристикжидкостей3.1. Диэлектрические жидкостиВ работе исследовались диэлектрические жидкости, так как они являютсяне токопроводящими, в результате чего не происходило шунтирование мостовойкомпенсационной схемы и не допускалось закорачивание измерительногорезистивногоэлемента–датчика.Входеизмерениятеплофизическиххарактеристик, один измерительный датчик погружался в различные исследуемыесреды: жидкую – раствор, пластичную – парафин. А второй, компенсационныйдатчик,помещалсявсосудстолуоломилимашинныммасломитермостатировался при нуле градусов Цельсия. Важно отметить, что передпроведением очередного комплекса измерений, осуществлялась торировка июстировка измерительного датчика, по хорошо известной и изученной эталоннойжидкости - толуол.Особое место в ходе проведения научных исследований занималиэксперименты по изучению тепловых свойств и теплофизических характеристиктаких веществ, как: бензин, керосин и гептан, которые находят своё применениев качестве топлива двигательных установок различных авиационно-техническихи ракетно-космических систем.Измерения проводились посредством периодической подачи импульсныхсигналов с частотой 0,5÷1 Гц при динамическом нагреве датчика.

Температурныйдиапазон исследования 20÷100 ºС, время проведения исследования одногопараметра в указанном температурном диапазоне составляло приблизительно 15минут. Это время, за которое формировался массив экспериментальных точек вколичестве 6–8 штук.В таблице 2 приведены полученные данные по тепловой активностиисследованных нами органических жидкостей, при температуре t = 20˚С, и ихотклонение от литературных.59Таблица 2. Тепловая активность органических жидкостей(при t = 20˚ С)№Название жидкости,п/пхимическаяформула [49,50]Тепловая активность - ε, Дж/м2Кс1/2Экспериментальные Литературные Расхождение,данныеданные [51]%1Бензин С2-804204251.192Бензол C6H6466,344611,153Гептан С7Н16444,894381,284Дибутилфталат488498,2524604482,6439,304451,36С16Н22О45ДиметиланилинС6Н5N (СН3)26Диметилформамид(CH3)2NC(O)H71,4-диоксан С4Н8О2524,85535,52,098Керосин437,32450,22,9ТУ 10227-869н-Бутанол C4H9OH557,405422,710н-Гексан С6Н14443,854511,811о-Ксилол С8Н10374,533822,1(1,2-диметилбензол)12Циклогексан С6Н12408,41419,22,613Циклогексанон С6Н12476,56488,72,814Толуол С7Н8454,21446,71,79Небольшие расхождения между экспериментальными и литературнымиданными, определяют не высокий процент погрешности измерений, что позволяетс высокой долей вероятности говорить о достаточно высокой точности и качестве60результатов, получаемых в ходе экспериментов, а также сделать заключение овполне адекватной работе лабораторной установки и достоверности получаемыхна ней данных.В таблице 3 приведён подробный перечень теплофизических характеристикразличных органических жидкостей (приt = 20 0С), [51] в соответствии склассификацией по группам Эвелла, которая приводится ниже см.

(таблицу 4.).Таблица 3. Теплофизические характеристики органических жидкостей(при t = 20 ˚С)Название вещества, химическаягруппаформула [49,50]Тепло-Тепловаяпроводностьактивностьλ, Вт/(м*К)ε, Дж/м2Кс1/2(2.16)1234Бензол20,14746120,14844820,15854220,14454120,204757,720,158561320,168435С6Н6ДиметиланилинС6H5N(CH3)2н-БутанолС4Н9ОНИзопропиловый спирт(пропанол-2)CH3CH(OH)CH3Метиловый спиртCH3OHПропиловый спирт(1-пропанол)C3H7OHЭтанолC2H5OH611234Дибутилфталат C16H22О430,139498,25Диметилформамид30,19344530,13438230,142488,740,142337,340,135458,740,10834740,118413,650,11742550,12943850,161535,5Керосин ТУ 10227-8650,118450,2н-Гексан50,12545150,139446,750,124419,2(СН3)2NC(O)Hо-Ксилол (1,2-диметилбензол)С8Н10ЦиклогексанонС6Н12ДихлорметанCH2Cl21,1-Дихлорэтэн4C2H2Cl21,2-ДихлорэтанC2H4Cl2Тетрахлорметан(четырёххлористый углерод)СCl4ХлороформCHCl3БензинС2-80ГептанС7Н161,4-Диоксан С4Н8О2(диэтилен-диоксид)С6Н14ТолуолС7Н8ЦиклогексанС6Н1262Таблица 4.

Классификация жидких растворов по ЭвеллуКлассХарактеристика соединенийПример1молекулы связаны водороднойЭтиленгликоль С4Н8О2связьюДистиллированная вода Н2Омолекулы содержат активныйБензол C6H6водород и донор электроновДиметиланилин С6Н5N (СН3)2(кислород, азот, фтор)н-Бутанол C4H9OHмолекулы имеют донорДибутилфталат С16Н22О4электронов,Диметилформамидно в них отсутствует(CH3)2NC(O)Hактивный водородо-Ксилол С8Н1023(1,2-диметилбензол)Циклогексанон С6Н124молекулы содержат активныйТетрахлорметан CCl4водород и не содержат(четырёххлористый углерод)донора электронов5молекулы без водородных связейБензин С2-80Гептан С7Н161,4-диоксан С4Н8О2Керосин ТУ 10227-86н-Гексан С6Н14Толуол С7Н8Циклогексан С6Н12На рисунке 13 представлены графики зависимости теплопроводности рядаорганических жидкостей от изменения температуры.

Полные исследованияотражены в приложении 1. Отметим также, что представленные графическиезависимости, объединены и сгруппированы в соответствии с классификацией63жидкостей по Эвеллу (см. таблицу 4). На основании этой таблицы жидкиерастворы делятся на пять классов.Рисунок 13. Зависимость теплопроводности жидкости от температурыТак на рисунке 13 представлена зависимость н-Бутанала, линия 2, ужидкостей этого класса молекулы содержат активный водород и донор электрон,в свою очередь Диметилформамид, линия 1, жидкость относящаяся к третьейгруппе, у которых молекулы имеют донор электрон, но в них отсутствуетактивный водород.

В Тетрахлолметане, линия 4, в молекулах присутствуетактивный водород и нет донорного электрона. И на конец, зависимостью Гептанаот температуры, линия 3, представлен последний класс данной классификациижидкостей, у которых молекулы без водородных связей.Экспериментальныеданныеотмеченыточками,линия–этоапраксимационная зависимость, полученная методом наименьших квадратов.Точки, обозначенные , взяты из справочной литературы [51].Как мы видим, коэффициент теплопроводности линейно уменьшается сувеличениемтемпературы,чтополностьюсоответствуетобщепринятым64представлением о переносе тепла теплопроводностью.

Характер зависимостисвязан с влиянием физических свойств исследуемых жидкостей. Для разныхклассов угол наклона различен. Следует отметить, что погрешность составляет неболее 2%. Так же мы видим, что наши экспериментальные данные хорошосогласуются с литературными значениями. Все это позволяет сделать заключениео достоверности результатов исследований по теплофизическим свойстваморганических жидкостей, проводимых по разработанным нами методикам исозданном экспериментальном стенде.Необходимо также отметить, что высокий технологический уровеньэкспериментальной установки, грамотные конструкторские и техническиерешения, (ещё на этапе проектной разработки), правильный выбор современнойэлементной базы, надёжность изготовления, как отдельных схем и узлов, так икачественная сборка установки в целом, всё это даёт возможности с высокойточностью при минимальных затратах времени регистрировать и воспроизводитьрезультаты проводимых измерений.3.2.