Исследования процесса теплообмена в слоях жидких органических соединений Текст научной статьи по специальности «Физика»

Измерения растворимости химически чистой салициловой кислоты в сверхкритическом диоксиде углерода проведены на изотермах 308 К и 323 К в интервале давлений от 9 до 33 МПа. Эти результаты представлены на рис. 3, где показано также сравнение результатов измерений с имеющимися литературными данными [4], полученными на циркуляционной установке. При среднеквадратической погрешности измерений, оцениваемой нами в 7,8 %, настоящие результаты согласуются с результатами [4] в пределах 9%.

Литература

1. Роберт-НикуМ.Ц. Химия и технология химико-фармацевтических препаратов. М.: Медгиз, 1954. 442 с.

2. МаксудовР.Н., Новиков А.Е., Сабирзянов А.Н., Гумеров Ф.М. // X российская конференция по теплофизическим свойствам веществ. Материалы конференции. Казань: Редакция «Бутлеровские сообщения», 2002. С. 82-85.

3. Циклис Д. С. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях. М.: Химия, 1976. 432 с.

4. Ke J., Mao C., ZhongM., Han B. and Yan H. // J. Supercritical Fluids, 1996. № 9. P 82-87.

© Р. Н. Максудов - канд. техн. наук, докторант каф. теоретических основ теплотехники КГТУ; А. Е. Новиков - инж. той же кафедры; Е. Н. Тремасов - асп. той же кафедры; Ф. М. Гумеров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. теоретических основ теплотехники КГТУ.

УДК 536.22 В. А. Аляев

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА В СЛОЯХ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

В работе представлены результаты комплексного экспериментального и расчетного определения теплофизических и оптических характеристик процесса радиационно-кондуктивного переноса тепла для широкого класса полупрозрачных органических жидкостей.

На современном этапе развития производства ощущается острая необходимость в привлечении высокоэффективных технологий, разработка которых невозможна без широкого использования достижений современной науки. Обеспечение высокой эффективности работы технологического оборудования, в свою очередь, возможно только путем разработки методик проведения экспериментальных исследований и математических моделей для расчета параметров, достаточно полно и адекватно отражающих реальные процессы. В частности, широкое использование жидкостей,

являющихся в большинстве случаев полупрозрачными средами в инфракрасной области спектра, в качестве топлив - в современных летательных аппаратах, в качестве смазочных масел, хладоагентов и теплоносителей - в различном теплообменном оборудовании остро ставит задачу определения максимального количества параметров теплообмена между полупрозрачными средами и стенкой. Такой теплообмен характеризуется наличием кондуктивной и радиационной составляющих.

Существующие в настоящее время результаты экспериментальных и теоретических исследований получены в условиях, существенно отличающихся друг от друга. Следовательно, их нельзя считать достаточными для обобщения и построения последовательного численно-экспериментального механизма определения практически необходимого числа параметров радиационно-кондуктивного переноса тепла в органических веществах. Детально проработанного расчетно-экспериментального механизма в виде законченных теоретических основ, опирающихся на физическую и математическую модели РКПТ, позволяющего, во-первых, теоретически обосновать закономерности изменения характеристик, во-вторых, прогнозировать их изменение в широком диапазоне варьирования параметров процесса РКПТ вплоть до околокритических и критических для любого из органических веществ или состава их смесей, в настоящее время не существует.

Вышеизложенное определяет в качестве наиболее актуальных экспериментальные и теоретические исследования, результаты которых представлены в настоящей работе.

Целью настоящей работы является комплексное экспериментальное и расчетное определение теплофизических и оптических характеристик широкого класса полупрозрачных органических жидкостей, позволяющее модифицировать существующие и создавать новые технологические процессы путем интенсификации процесса теплообмена, усложненного радиационным переносом.

Результаты экспериментальных исследований и теоретических расчетов

Доля радиационной составляющей полного теплового потока при увеличении толщины слоя и температуры вплоть до критических значений возрастает для всех исследованных углеводородов. Отношение полного теплового потока к его кондуктивной составляющей на всем температурном интервале увеличивается при переходе от вещества с большей молекулярной массой к веществу с меньшей молекулярной массой.

Учет радиационного потока при проведении технологических расчетов с подобными исследованным углеводородам теплоносителями в этой области параметров состояния, необходим в связи с установленными фактами сопоставимости радиационного и кондуктивного потоков при околокритических температурах и превалирования первого в закритической области.

Результаты измерения отношения полных потоков тепла к кондуктивным с = Цп1ЛЦк в слоях одинаковой толщины для различных исследуемых углеводородов до околокритических температур при атмосферном давлении показали, что характер зависимости величины с от температуры и толщины слоя имеет аналогичный вид.

Аномальное изменение теплофизических и оптических характеристик веществ, определяющих закономерности РКПТ, в околокритической области для всех исследованных углеводородов приводит к уменьшению интенсивности роста отношения потоков, начиная с температур, на 10.. .15 К ниже критических.

Наряду с экспериментальными исследованиями с получали и расчетным путем. В интервале достоверно известных исходных данных они хорошо согласуются с результатами измерений.

В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что радиационная составляющая коэффициента теплопроводности 1р для большинства гомогологических рядов при одинаковом числе атомов углерода меньше 1р для ряда н-алканов при комнатных температурах.

Измерения с и распределение температуры в плоских слоях исследуемых веществ при околокритических и сверхкритических параметрах состояния показали отсутствие значительного влияния давления в области жидкофазного состояния на радиационную составляющую теплопроводности вплоть до области температур, на 10 К ниже критичеВскзоакйр. итическом состоянии давление сильно влияет как на величину молекулярной теплопроводности, так и на оптическую плотность веществ, что приводит к сильной зависимости с от давления. Доля радиационного переноса в тепловом потоке с ростом температуры продолжает здесь увеличиваться. К росту с приводит также и увеличение давления.

По мере приближения к критическому состоянию с уменьшается.

Исследования при различных толщинах слоя, проведенные с целью измерения параметров РКПТ как можно ближе к критической точке, показали, что с уменьшением толщины слоя интерферограммы становятся устойчивее.

В результате исследования температурных полей жидких полупрозрачных органических соединений установлено присутствие радиационного переноса тепла в большинстве из них. Нелинейность распределения температуры в слое подтверждают интерферограммы температурных полей изученных жидкостей, полученные при настройке на полосы конечной ширины.

Распределения приведенного градиента температуры Р по высоте слоя, построенные на основе интерферограмм и микрофотограмм, показали, что тепловой поток за счет излучения Цр быстро нарастает к центру слоя, далее оба потока Цк и Цр меняются значительно меньше.

Значения эффективных и радиационных тепловых потоков, а также распределение температуры по слою исследуемых жидкостей получены в результате численного решения задачи РКПТ. На основании полученных величин Цэф и Цр построены Р-диаграммы исследуемых веществ.

Распределение температуры имеет аналогичный характер для всех исследованных углеводородов. Рост величины градиента температуры на стенке, наблюдаемый с увеличением температуры, свидетельствует об интенсифицирующем эффекте радиационного переноса в полупрозрачной среде, влияющем на общий процесс переноса тепла. Экспериментальные исследования параметра % в бинарных смесях углеводородов показали, что величина % в смесях не подчиняется правилу аддитивности.

Измерение величины с в зависимости от объемного состава при различных температурах показало, что основной причиной неприемлемости использования аддитивности связано с нелинейной зависимостью доли радиационного переноса от состава. Кроме того, сочетание насыщенности спектров и фоновых излучений приводит в комплексе к ситуации, когда смесь становится менее прозрачной, чем исходные компоненты. Такое соотношение сохраняется во всем рассмотренном интервале температур и справедливо, в том числе, и для сложных смесей углеводородов, к которым относятся реактивные топлива.

Удовлетворительное согласование результатов расчетов по серой аппроксимации среды с результатами измерений как для отдельных веществ, так и для смесей наблюдается до температур, на 30 К ниже критических.

Измерение термодинамических свойств в окрестности критической точки проводилось на примере н-гексана. Исследована зависимость относительной величины радиационной составляющей теплопроводности н-гексана в интервале температур Т = (504,5-517,2) К и давлений Р = (3,1-4,2) МПа. По результатам измерений установлено

уменьшение величины с по мере приближения к критической точке как со стороны жидкости, так и со стороны сверхкритического состояния н-гексана.

С помощью экспериментальных исследований установлено отсутствие влияния давления на изменение радиационной составляющей теплопроводности веществ в докритической области и его наличие в сверхкритической области.

На основании данных экспериментальных исследований, полученных для сверхкритической области, рассчитаны значения абсолютной величины радиационной составляющей теплопроводности н-гексана. Установлено аномальное изменение радиационной составляющей теплопроводности на примере н-гексана в сверхкритической области параметров состояния.

Сопоставление характеристик соотношений, полученных для различных веществ, в том числе и для н-гексана, подтверждает наличие критической универсальности.

Вышеприведенные результаты получены, в основной своей массе, с использованием экспериментального исследовательского аппарата и с помощью уже существующих методик и моделей расчета. Для детализации полученных результатов и возможности определения характеристик процесса РКПТ при любом точечном значении ряда исходных параметров специально разработана математическая модель, применимая как для отдельных углеводородов, так и для исследуемых в настоящей работе смесей.

При построении математической модели рассматривался плоский слой вязкой несжимаемой жидкости заданной толщины и ширины. Рассмотрение уравнений переноса излучения, уравнения энергии, уравнения движения и неразрывности (уравнения Навье Стокса), а также их граничных условий в плоскопараллельном случае и в предположении азимутальной симметрии позволило получить уравнения для расчета основных параметров РКПТ в широкой области параметров состояния.

При постановке обратной задачи по определению коэффициента теплопроводности предполагается, что доступно измерение последовательной смены стационарного распределения температуры по толщине слоя, отличное от линейного в силу наличия радиационной составляющей теплового потока. Перепад температур по толщине слоя предполагается малым, коэффициент молекулярной теплопроводности определяется (рассчитывается) как функция средней по толщине температуры.

Одним из наиболее существенных для численной характеристики процесса РКПТ параметров, определенных расчетным путем, стал коэффициент кондуктивной теплопроводности. Численно-экспериментальный механизм основан на применении разработанной математической модели в части решения обратной задачи определения коэффициента кондуктивной теплопроводности по результатам температурных измерений в плоском слое поглощающей, рассеивающей и излучающей жидкости. Расчет указанного и других параметров производился с помощью специально разработанного пакета программ.

Выводы

В результате комплексного экспериментального и теоретического исследования процесса радиационно-кондуктивного переноса тепла в реальных слоях полупрозрачных органических соединений установлены основные закономерности изменения характеристик процесса в зависимости от природы жидкости, длины углеводородной цепи, толщины слоя жидкости и основных параметров состояния. Исследован широкий класс органических веществ и их смесей, многие из которых детально не исследовались до настоящего времени.

Построена математическая модель процесса теплообмена в реальных слоях жидких органических соединений при повышенных температурах и разработан пакет программ расчета температурных полей и эффективного коэффициента теплопроводности.

Установлены закономерности и рассчитаны значения параметров процесса РКПТ в окрестности критической точки.

Полученные экспериментальные и теоретические результаты могут широко использоваться при расчетах теплообмена в процессе проектирования различных теплообменных устройств, в том числе достаточно сложных, таких как двигатели летательных аппаратов.

Методики проведения экспериментальных исследований и расчетов

Для измерения распределения температуры и интегральных характеристик процесса радиационно-кондуктивного переноса тепла (РКПТ) в исследуемых средах при широком изменении параметров состояния, вплоть до критических и закритических, специально сконструирована и собрана экспериментальная установка [1, 2].

При разработке конструкции измерительного узла выбрана цилиндрическая геометрия, что является одним из основных условий практической реализации модели бесконечно плоского слоя [1]. Нагрев и регулирование температуры осуществлялись с помощью специально разработанного воздушного калорифера и высокоточных регуляторов температуры, что позволило при исследовании РКПТ подойти близко к критическому состоянию вещества и охватить закритическое его состояние.

Измерительный узел состоит из цилиндрического корпуса, выполненного из сплава 12Х18Н10Т, в котором имеются гнезда для установки оптических иллюминаторов. Иллюминаторы выполнены из оптического стекла К-8 с непараллельностью плоскостей не более 1’. Уплотнение их в корпусе осуществляется по образующей комбинированными медно-фторопластовыми уплотнителями. Усилие, необходимое для уплотнения, создается винтами через нажимную втулку, выполненную из ковара. Сборка иллюминаторов в корпусе осуществляется в следующей последовательности: на нижнюю пластину между иллюминаторами устанавливается

плоскопараллельная концевая мера длиной 40 мм, путем наворачивания резьбовых пробок иллюминаторы поджимаются к ней, затем достигается герметизация их в корпусе; после этого концевая мера удаляется. Достигаемая при этом непараллельность взаимного расположения иллюминаторов не более 1.3’. По образующей поверхности корпуса выполнены отверстия с ниппельными уплотнениями, обеспечивающие заполнение измерительного узла исследуемой жидкостью и установку термопарных датчиков из термопарного кабеля КТМС диаметром 1,2 мм с электродами из железа и константана. В верхней, нижней и на боковой поверхностях корпуса имеются глубокие проточки для прокачки по ним термостатирующего агента. Снаружи на обечайке, надетой на корпус и приваренной к нему, закреплен охранный нагреватель корпуса.

Верхняя и нижняя пластины изготовлены из того же материала, что и корпус. Верхняя пластина с термопарными датчиками сменная, что позволяет проводить измерения при различных толщинах слоя (от долей миллиметра до 15 мм). Герметизация пластин в корпусе осуществляется уплотнением «зуб - канавка» с медной прокладкой, хорошо работающим при высоких температурах и давлениях. Усилие, необходимое для уплотнения, создается за счет затяжки гаек шпилечного соединения фланцев. Контактирующие поверхности тщательно притерты для

уменьшения теплового сопротивления. Во фланцах выполнены проточки и каналы, необходимые для симметричной прокачки термостатирующего агента. Конструкция фланцев позволяет использовать в качестве термостатирующего агента не только воздух, но и любой жидкий теплоноситель. Соединение фланцев с трубопроводами осуществляется с помощью ниппельных уплотнений, обеспечивающих герметичность при больших тепловых нагрузках. На фланцы крепятся корпуса охранных нагревателей, в которых спирально уложен нагревательный кабель типа КММС (НХ) диаметром 2 мм.

Измерительный узел в сборе устанавливается на основание вакуумной камеры на шпильках. Подвод жидкости производится через ниппельные уплотнения, вваренные в нижнюю часть основания вакуумной камеры. В той же зоне вварены трубки, на противоположном конце которых закреплены герметичные штепсельные разъемы для подключения измерительного узла к системам регулирования и измерения.

Основные устройства систем, обеспечивающих регистрацию температурных полей, термостатирование, регулирование и измерение температуры, заполнение измерительного узла исследуемой жидкостью и создание давления, вакуумирование камеры, приведены на рис. 1.

Рис. 1 - Структурная схема экспериментальной установки. ИАБ-451 - интерферометр; ЛГ-126 - гелий-неоновый лазер; Р3003 - компаратор напряжения; Ф-30 - цифровой вольтметр; РП-4У , ВРТ-3 - регуляторы температуры; УМ - усилитель мощности; АВП-100/100 - высоковакуумный агрегат; 2НВР-5ДМ; 3НВР-1Д - механические вакуумные насосы; МП-600 - грузопоршневой манометр; Г3 - гидрозатвор

Оптическая система регистрации температурных полей состоит из двухлучевого интерферометра, созданного на базе теневого прибора ИАБ-451, и оптического квантового

генератора ЛГ-126 с длиной волны излучений 1 = 0,6328 мкм (рис. 2).

Система термостатирования измерительного узла включает в себя две подсистемы, первая из которых позволяет поддерживать заданные температуры верхней и нижней пластин и среднюю температуру слоя жидкости, а вторая позволяет уменьшить тепловые потери с поверхности измерительного узла.

Систему измерения абсолютной температуры в слое жидкости образуют ЖК-термопары, компаратор напряжения Р3003 и микровольтметр Ф30.

Система заполнения измерительного узла исследуемой жидкостью и создания давления состоит из грузопоршневого манометра МП-600, мембранного разделителя, гидрозатвора, соединительной и запорной арматуры, механического вакуумного насоса 3НВР-1Д и образцового манометра. Система обеспечивает поддержание избыточного давления в измерительном узле от 0 до 10 МПа с погрешностью не более 2-103 Па.

Эксперимент проводился следующим образом. На регуляторах ВРТ-3 выставлялись необходимые значения температур, и производилось их включение. На компараторах напряжений Р3003, служащих в качестве задатчиков температуры регуляторам РП-4У, задавался некоторый

Рис. 2 - Оптическая схема установки

разбаланс с целью более быстрого выведения измерительного узла на необходимые значения температур. При достижении заданных температур разбалансы убирались, и система охранных нагревателей поддерживала температуры, заданные основными регуляторами ВРТ-3. Включалась система вакуумирования, и при необходимости изменялось давление с помощью грузопоршневого манометра.

По достижении заданной средней температуры слоя жидкости измерительный узел выводился на изотермическое состояние, снималась интерферограмма, по которой определялись фазовые искажения, вносимые непараллельной установкой оптических окон. Затем на регуляторах задавалась разность температур и по достижении стационарного состояния снималась рабочая интерферограмма. При этом контролировалось направление теплового потока через слой исследуемой жидкости с помощью дифференциальных многоспайных термопар, установленных в верхней и нижней пластинах.

Для вывода расчетных соотношений, необходимых при обработке интерферограмм с целью получения параметров РКПТ, использовалось уравнение идеального интерферометра, где принимается, что траектория лучей прямолинейна, а погрешность такого допущения оценивается путем поправок и анализа их влияния на конечный результат.

При настройке интерферометра на полосы конечной ширины определяются фазовые искажения, связанные с непараллельностью установки оптических окон в измерительном узле. Для этого при каждом значении температуры в изотермическом состоянии регистрировалась интерферограмма.

В качестве объектов исследований выбраны: предельные углеводороды (н-гексан, н-гептан, н-октан, н-нонан, н-декан, н-додекан, н-тридекан, н-пентадекан); непредельные углеводороды и циклопарафины (гексен, циклогексан, бензол, толуол, этилбензол); органические соединения, содержащие атомы брома, азота, кислорода (трифтортрихлорэтан, гексиламин, бромистый гексил, дипропиловый эфир, диизопропиловый эфир, дибутиловый эфир, диоктиловый эфир);

карбонильные соединения (энантовый альдегид, амилацетат, капроновая кислота, метилгексилкетон, метилоктилкетон, метилнонилкетон); спирты (этанол, гексиловый спирт); а также смеси предельных углеводородов, вода и ряд реактивных и моторных топлив (РТ, Т-6, ТС-1, А-72, АИ-93, Б-91). Значения показателя преломления исследуемых веществ в зависимости от температуры, давления и частоты излучения определяли с использованием рефрактометра ИРФ-23 и расчетов, производимых с помощью дисперсионного соотношения Коши, формул Лоренц-Лоренца и Луйенжа, уравнения Гартмана [3 - 5].

Инфракрасные спектры исследуемых веществ снимались на различных типах двухлучевых спектрофотометров. Интервал измерения охватывал диапазон волновых чисел от 200 до 4000 см , измерения проводились с использованием стандартных кювет с окнами из КВг, КРБ, Об!, позволяющих измерять поглощение при повышенных температурах и атмосферном давлении. Поглощение в дальней ИК-области измерялось с помощью спектрометра СОМРЬОТ с кюветой из полиэтилена.

Проведение теоретических расчетов опиралось на построение математической модели, включающей следующие основные уравнения с соответствующими граничными условиями для случая плоского слоя и азимутальной симметрии: уравнение переноса излучения, уравнение энергии, уравнения движения и неразрывности (уравнения Навье Стокса).

Литература

1. В.А. Аляев. // Казань, 2003. 19 с. (Препринт / Казан. гос. технол. ун-т).

2. В.А. Аляев. // Казань, 2003. 24 с. (Препринт / Казан. гос. технол. ун-т).

3. Бацанов С. С. // М.: Высшая школа, 1976. 304 с.

4. Россини Ф. Д., Мэйр Б. Дж., Стрэйф А. Дж. // Л.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горнотопливной литературы, 1957. 470 с.

5. Иоффе Б. В. // Л.: Химия, 1983. 350 с.

© В. А. Аляев - канд. техн. наук, проф., проректор по экономической и инновационной политике КГТУ.