Исследование тепло-и температуропроводности жидких ароматических углеводородов методом импульсно нагреваемой проволоки при температурах до 600К тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.05, кандидат технических наук Юзмухаметов, Фарид Дамирович

• Юзмухаметов, Фарид Дамирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юзмухаметов, Фарид Дамирович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование тепло-и температуропроводности жидких ароматических углеводородов методом импульсно нагреваемой проволоки при температурах до 600К»

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

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы теплотехники», Юзмухаметов, Фарид Дамирович

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юзмухаметов, Фарид Дамирович, 2000 год

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