МЕТОД И СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЯХ И РАСТВОРАХ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 236.22

метод и средства определения коэффициентов теплопереноса в органических жидкостях и растворах

© 2020 г. мякочин А.С., никитин П.в., Побережский С.Ю., Шкуратенко А.А.

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ) Волоколамское ш., 4, г. Москва, Российская Федерация, 125993, e-mail: mai@mai.ru

В статье представлены метод, средства и разработанный алгоритм экспериментального определения коэффициентов теплопереноса в органических жидкостях и растворах. Актуальность работы определяется проблемой разработки авиационной и ракетно-космической техники нового поколения. В связи с этим усовершенствован импульсный метод определения коэффициентов теплопереноса, построенный на использовании пленочного датчика микронной толщины. Модифицирована схема измерений. Построена математическая модель датчика измерений. Разработаны алгоритмы проведения эксперимента и обработки результатов измерений для определения коэффициентов теплопереноса. Проведен анализ погрешностей эксперимента. Приведены результаты экспериментальных исследований некоторых органических жидкостей. Авторы считают, что материал, изложенный в статье, найдет применение в исследованиях, проводимых в НИИ, конструкторских бюро и образовательных учреждениях, среди научных работников, аспирантов и студентов.

Ключевые слова: тепло физические характеристики, органические жидкости и их растворы, электрорезистор пленочного типа, пленочный датчик температуры, импульс напряжения, термометр сопротивления, режим иррегулярного теплообмена.

DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2020-3-45-55

METHOD AND TOOLS FOR DETERMINING

heat transfer coefficients in organic liquids and solutions

myakochin A.S., Nikitin p.v., poberezhskiy S.Yu., Shkuratenko A.A.

Moscow Aviation Institute (National Research University) (MAI) 4 Volokolamskoe shosse, Moscow, 125993, Russian Federation, e-mail: mai@mai.ru

The paper presents a method, tools and a newly developed algorithm for experimentally determining heat transfer coefficients in organic liquids and solutions. This work is made relevant by the problem of development of a new generation of aerospace technology. In this connection, improvements have been made to the pulse method of determining heat transfer coefficients that is based on the use of a micron-thick film sensor. The measurement setup was modified. A math model was constructed for the measuring sensor. Algorithms were developed for conducting the experiment and processing measurement results to determine heat transfer coefficients. Experimental uncertainties were analyzed. The paper provides results of experimental studies on certain organic liquids. The authors believe that the material presented in the paper will find application in research conducted at research institutions, engineering offices and universities, among researches, postgraduates and students.

Key words: thermal and physical characteristics, organic liquids and their solutions, film-type electrical resistor, thin-film temperature sensor, voltage pulse, resistance thermometer, irregular heat transfer regime.

МЯКОЧИН Александр Сергеевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой 204 МАИ, e-mail: heat204@mai.ru

MYAKOCHIN Aleksandr Sergeevich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Head of Department 204 at MAI, e-mail: heat204@mai.ru

НИКИТИН Петр Васильевич — доктор технических наук, профессор кафедры 204 МАИ, e-mail: petrunecha@gmail.com

NIKITIN Petr Vasilyevich — Doctor of Science (Engineering), Professor of Department 204 at MAI, e-mail: petrunecha@gmail.com

ПОБЕРЕЖСКИЙ Сергей Юрьевич — кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры 801 МАИ, e-mail: ps801801@yandex.ru

POBEREZHSKIY Sergey Yuryevich — Candidate of Science (Engineering), Senior lecturer of Department 801 at MAI, e-mail: ps801801@yandex.ru

ШКУРАТЕНКО Анна Александровна — аспирантка кафедры 204 МАИ, e-mail: shkuratenko.anna@mail.ru

SHKURATENKO Anna Aleksandrovna — Post-graduate of Department 204 at MAI, e-mail: shkuratenko.anna@mail.ru

Введение

Исследование теплофизических характеристик органических жидкостей и растворов является весьма актуальной задачей сегодняшнего дня, поскольку они находят широкое применение в ряде отраслей промышленности и особенно в ракетно-космической технике. Для получения в процессе таких исследований достоверных данных необходимо применять методы и средства, обладающие высокой разрешающей способностью. Анализ возможных методов проведения подобных исследований разными авторами показал, что достоверные результаты по тепло-физическим свойствам жидкостей можно получить только при условии применения метода импульсных измерений.

Способы получения достоверной оперативной информации о теплофизических свойствах различных веществ связаны с использованием кратковременных нестационарных измерений температуры на начальном этапе теплообмена. Процесс реализации теплообмена на этом этапе классифицируется в теории как режим иррегулярного теплообмена. Такой подход дает возможность существенно сократить время регистрации температуры до предельно малых значений. Например, для диэлектрических жидкостей время составляет доли секунды. Поэтому совокупность измерений такого рода получила название — кратковременные измерения в стадии иррегулярного теплового режима [1].

Такой метод получил наименование метода экспресс-диагностики. Метод реализуется путем непосредственного контакта поверхности исследуемой жидкости с зондом. При этом одним из важнейших условий при реализации метода импульсных измерений является то, что измерительный зонд должен обладать малой инерционностью, а также должен совмещать функции источника и приемника теплоты.

В настоящее время метод и средства определения коэффициентов тепло-переноса в органических жидкостях и растворах, предложенные в работе, использованы в учебном процессе МАИ по дисциплине «Жидкостные ракетные двигатели».

Кроме того, нет сомнения, что импульсный метод и разработанные средства проведения экспериментов найдут применение в исследовании свойств новых типов жидких топлив ракетных двигателей, а также теплоносителей в системах обеспечения жизнедеятельности космических аппаратов.

1. математическая модель процесса переноса теплоты в режиме иррегулярного теплообмена

Процесс переноса теплоты в единице объема рассматриваемой системы осуществляется теплопроводностью и описывается основным дифференциальным уравнением нестационарной теплопроводности Фурье-Кирхгофа. Оно является математической моделью анализируемого процесса. В общем случае указанное уравнение имеет следующий вид [2]:

дт

pc-= div(-XgradT) + qV

йт

(1)

где р — плотность тела; с — удельная теплоемкость; X — коэффициент теплопроводности; qY — интенсивность объемных источников или стоков теплоты в теле; Т = Т(х, у, г, т) — функция распределения температуры в объеме тела и во времени.

Проведем далее анализ соотношения (1), используя условия однозначности его решения. Проанализируем случай, когда температурное поле не изменяется в интервале импульса и равномерно по всей поверхности сенсора. При таком условии температурная волна

будет распространяться по нормали к поверхности жидкости и подложки, и задачу нестационарного прогрева сред можно решать в одномерной постановке. В таком случае основное дифференциальное уравнение теплопроводности в форме (1) при отсутствии в системе объемных источников или стоков теплоты принимает следующий вид [3]:

• для исследуемой жидкости:

дТ(у, т) д%(у, т) ^ ° ^ ° -дт— = а 1 ~1Уу2- ПРи Т > ° и У >

• для подложки:

дТ2(у, т) д%(у, т) ^ ° ^ °

2 = а—^-при т > ° и у > °,

дт

ду2

где индексы 1 и 2 представляют параметры жидкости и подложки, соответственно; Т{(у, т) и Т2(у, т) — функции распределения температуры по координате и времени в жидкости и подложке; а1 и а2 — коэффициенты температуропроводности жидкости и материала подложки, при этом градиенты температуры имеют разные знаки.

Тогда уравнение баланса тепловых потоков на поверхности пленки при у = ° можно записать в виде:

х дТ;(0, т) дГ2(0, т)

qw = — - ^ 2

ду

ду

где qw

плотность теплового потока

с поверхности импульсного источника нагрева (пленки) в исследуемую жидкость

д^(0, т) < ° д^2(0, т) < °

и в подложку; —1-< ° и —--< ° —

ду ду

градиенты температуры в жидкости и подложке; Х1 и Х2 — коэффициенты теплопроводности жидкости и материала подложки; т — время реализации процесса переноса теплоты в жидкость и подложку в интервале между импульсами напряжения; у — координата по нормали к поверхностям жидкости и подложки (рис. 1).

В работе [4] приведено решение представленной математической модели для случая режима иррегулярного теплообмена. Получено соотношение изменения во времени температуры пленки Ту=° в плоскости раздела двух сред жидкости и подложки в виде:

=

У=0 ^ (в! + е2) ,

где и в2 — тепловая активность

жидкости и подложки, соответственно; т — время. По определению е = )[ХрС.

2. Алгоритмы проведения эксперимента и обработки результатов измерений

Для реализации метода иррегулярного теплообмена в работе в качестве импульсного источника нагрева и термометра сопротивления использовался электрорезистор в виде металлической пленки толщиной 0,1...0,2 мкм. Такой импульсный источник отличается ничтожно малой инерционной способностью. Одна из возможных схем пленочного источника нагрева представлена на рис. 1. Электропроводящая пленка (чувствительный элемент, сенсор) формируется на поверхности полированного тепло-изолятора-диэлектрика. Эксперимент ставится таким образом, чтобы в ходе эксперимента металлическая пленка контактировала одной поверхностью с исследуемой жидкостью, другой — с поверхностью теплоизолятора, на которой она сформирована.

[ £

с

У

V

Рис. 1. Схема импульсного источника нагрева пленочного типа: 1 — пленочный электрорезистор (чувствительный элемент); 2 — подложка-теплоизолятор; 3 — клеммы подключения электрорезистора к источнику напряжения в системе измерений

При контакте с жидкостью к чувствительному элементу (пленке) импульсом прикладывалось электронапряжение. В результате выделившаяся на сенсоре электрическая мощность мгновенно нагревала пленку до определенной температуры. Указанная мощность рассчитывается по

формуле закона Ома W = Ш = PR.

^ 1 ^ резист

Форма импульса напряжения с интервалом Лт, подводимого к чувствительному элементу (пленке), приведена на рис. 2.

т

Дт <->

Рис. 2. Форма импульсов напряжения U1, прикладываемых к пленочному источнику нагрева в интервале времени Лт

Частота импульсов напряжения — 1 Гц; длительность импульса — 0,5 мс; пауза между импульсами (время остывания сенсора) — 1 с. В паузе между импульсами в системе реализовывалась полная диссипация теплоты, выделившейся за время импульса на сенсоре.

При этом температура исследуемой жидкости, которая устанавливалась между импульсами, регистрировалась этим же сенсором, поскольку в эксперименте терморезистор выполнял одновременно функции источника теплоты и термометра сопротивления.

Соответствующие количественные оценки погрешностей измерения данного метода представлены в работах [1, 5-9].

При разработке алгоритма экспериментов авторы работы исходили из того, что форма и параметры импульсов должны задаваться генератором с высокой точностью. Это обусловлено тем, что импульс напряжения определяет точность эксперимента по определению теплопроводности и тепловой активности исследуемой жидкости. В связи с этим авторы сформулировали требования, которые должен реализовывать генератор импульсов:

• длительность импульса и уровень напряжения должны быть постоянными во всей серии импульсов, задаваемых генератором в ходе эксперимента;

• внутреннее электросопротивление генератора должно быть значительно ниже сопротивления внешней нагрузки;

• схема генератора импульса напряжения должна включать в себя кварцевый резонатор, обеспечивающий стабильность генерируемого импульса; усилитель мощности и делитель частоты;

• рабочая частота генератора импульсов должна составлять 1 МГц.

Величина напряжения разбалансиров-ки мостовой схемы составляла ~°,2 мВ. Эту величину можно отнести к систематической погрешности экспериментальных измерений [9, 1°].

Следует отметить, что при проведении экспериментов проводилось периодическое тестирование схемы измерения. При тестировании на оба входа операционного усилителя подаются одинаковые сигналы [1°].

Кроме того, при определении тепло-физических свойств некоторых органических жидкостей потребовалось использование в эксперименте значительных мощностей импульсов — до 2°° Вт.

Процесс измерений проводился с использованием известной системы мостовой схемы — «нуль-метода» [7, 1°-12]. В системе в плечи сопротивлений включались два датчика с близкими характеристиками. Один датчик (компенсационный) находился в вазелиновом масле, второй — в исследуемой жидкости. При периодической подаче на мост специальным генератором одиночных прямоугольных импульсов напряжения терморезистор кратковременно нагревался. С помощью вариации балластных сопротивлений в мостовой схеме подбирался такой уровень токов в ветвях моста, при котором, несмотря на нагрев терморезистора, напряжение (сигнал) на диагонали моста равнялось нулю. В разработанной системе измерений, регистрации и обработки данных для получения необходимых уровней температур использовался термостат мощностью 1,3 кВт с абсолютной погрешностью °,1 °С.

Схема компенсационной системы представлена на рис. 3.

В результате приложения к измерительной ячейке импульса напряжения и° от генератора зонды Я. и Як нагревались до некоторой температуры, что вызывало изменение их сопротивления. При этом напряжение и

1 1 изм

и (т) =

изм^ /

и* 1

Я,

(Я 1 + Я3 + я10у

Я„

я,

на клеммах А и Б моста также изменялось (рис. 3). Изменение напряжения рассчитывалось с использованием соотношения:

и =и

я,

я„

я + я+я. я + я+я,

1 3 г 2 4 к

яъя.

1 г

- +

я2я

■ +

я + я+я)2 я+я+яку

(2)

+

яъя2

1 г

я25я/

(я + я+Ю3 я+я + яку

+

где Я1, Я2, Я3 — сопротивления плеч моста; 5Я. — отклонения сопротивлений.

Рис. 3. Мостовая схема измерений и регистрации даннъх эксперимента: Я1, Я2, Я3, Я4 — переменные электросопротивления с номиналами 0,01; 0,1; 1,0; 10,0 Ом, соответственно. Измерительный зонд с начальным сопротивлением Я; компенсационный зонд с начальным сопротивлением Я1; А и Б — клеммы

Когда мост в системе предварительно сбалансирован, выполняется условие:

я

я„

я + я+я. я+я+я,

13 г 2 4 к

(3)

В таком случае соотношение (2) преобразуется к следующему виду [1°]:

8 Я, (т) + 5Я (т)

Я,

+

я 1 + я 3 + я0

'8Я(т)У ( 8Я(т

\ я, )

V я 2 ;

+

+

(и - 1)! (Я 1 + Я 3 + Я о)"1

8Я. (т)Т Г 8 Я, ( т)

\ Я, у

V я 2 ;

(4)

При постановке эксперимента должно строго выполняться условие:

5ВД 5Я,(х)

К2

(5)

В этом случае переменный сигнал будет скомпенсирован во времени. В связи с этим условие (5) называют компенсацией переменной составляющей сигнала или просто компенсацией, а выражение (3) — балансом начальных сопротивлений или просто балансом. При этом необходимо отметить, что компенсация выполняется не только

для первых членов разложения (4), но и для всех последующих.

Поскольку функциональная зависимость нарастания температуры зондов должна быть одинаковой, то очевидно, что компенсация может осуществляться только в том случае, когда Ti(т) = ¡Т^т) (здесь k — постоянный коэффициент). В этом случае переменный сигнал будет скомпенсирован во времени.

С учетом проведенного выше анализа в работе получены соотношения для тепловой активности (6) и коэффициента теплопроводности (7) исследуемой жидкости в виде:

г(Т) = [в(Г0)эт + в0(Г0)]

Я( Т)

1 +

2Р(Т + То)

а

Я(То)

ео(Т);

(6)

^(Т) = [^(То)эт + ^о(То)1

ВД)

о^ЭТ

1 +

2Р(Т - То)

а

Я(То)

^о(Т);

(7)

где е0, Х0 — тепловая активность и коэффициент теплопроводности подложки сенсора, соответственно; аир — коэффициенты при линейном и квадратичном членах зависимости сопротивления от температуры зонда.

Соотношения (6) и (7) справедливы при условии, что температура жидкости совпадает с температурой эталонного жидкого раствора. В эксперименте это просто реализуется с использованием компенсационной схемы, показанной на рис. 3.

Представленный выше алгоритм использовался в дальнейшем при обработке экспериментальных данных. На экспериментальном стенде эта обработка проводилась на компьютере с соответствующим программным обеспечением.

В эксперименте при наличии в системе измерений компенсационного датчика путем регулирования его сопротивления R0k (см. рис. 3) выполнялось условие R0k = R4 и R2 = 0. При выполнении этого усло-

вия

V ^о Л

= 0, т. е. q = со^. Покажем это.

По определению

Я2 + Я4

ДЯ,

1ок

ок

\ Чо Л

Я2 + Я4 + Яок Яок

Но так как R0k + R2 = R4, то, преобразовав представленное выше соотношение, получим:

Я2 ДЯок

V Л Я. Яо

(8)

^ ок

Проанализируем далее, в каком случае в эксперименте возможно непостоянство теплового потока в анализируемой системе. Очевидно, если q0 = var, то 5q0/q0 ^ 0. Из соотношения (8) следует, что для

того, чтобы выполнялось условие

V ^о Л

= 0,

необходимо, чтобы R2 = 0 в системе измерений (см. рис. 3). Очевидно, если это условие не будет выполнено, то 5q0/q0 ^ 0, а, следовательно, q0 = var. В таком случае переменный тепловой поток может быть представлен соотношением вида:

qvar = qo +

(9)

Исходя из того, что электросопротивление R = /(Т), соотношение (9) можно также представить в виде:

qv

. = qo +

3

3

где Т(т) — температура декомпенсиро-ванного датчика. В представленной схеме Т(т) изменяется во времени по следующему закону:

Т(т) =

2#0Т°'5

(е1 + 82)

1+—

0

V

4 д{

Экспериментально установлено [2], что относительная величина напряжения «декомпенсации» 5м, которое обусловливает непостоянство теплового потока 5q0 на компенсационном датчике, описывается соотношением:

ЪХ

т

= е -

Х0 + X ЪЕ1

X

Я

(1°)

Используя полученные выше соотношения, преобразуем выражение (1°) к виду

Ъп

2Яп

АК

и 4 Я°к + Я + Щ

п Щ т

----2-актк.

2 К0к + К2 + К4

(11)

Из уравнения (11) следует, что величина погрешности при определении 5м зависит от степени перегрева датчика Тк.

Как уже отмечалось, реализация описанного выше алгоритма проведения эксперимента выполнялась с использованием резистивного элемента (см. рис. 1).

Соответствующие количественные оценки погрешностей измерения представлены в работах [1, 9, 12]. При этом анализ погрешностей проведен с учетом того, что резистивный элемент выполняет две функции источника и приемника тепла (термометра сопротивления).

Применение в экспериментах указанной ранее схемы существенно упростило процедуру измерений и в значительной степени повысило чувствительность и точность эксперимента.

Следует отметить, что компенсационная методика температурных измерений надежная и высокопроизводительная. Например, самая трудоемкая ее часть, обусловленная процессом компенсации, требует небольших затрат времени — порядка одной минуты. При этом регистрация значений сопротивлений

в схеме Я1 и Я°(Т) в момент компенсации переменных сигналов позволяет определить как измеряемую теплофизическую характеристику, так и температуру жидкого раствора в окрестности резистивного элемента.

С целью оценки разрешающей способности компенсационной схемы в работе был проведен специальный анализ, сущность которого заключалась в следующем. Дифференцировались соотношения (6) и (7) по измеряемому в ходе эксперимента сопротивлению Я1. В итоге получены соотношения:

8е е0 + е 8Я1

"Г = е° Г" ' '

ЪХ х0 + X ЪЯ1

X = е° _

(12)

(13)

X Я

где 5Я1 — неопределенность компенсации во временном интервале.

Из выражений (12) и (13) следует, что разрешающая способность компенсационной схемы обусловлена точностью определения электросопротивления Я1. Однако, так как измерение электрического сопротивления в цепях является одним из наиболее точных, можно утверждать, что неопределенность в компенсации, определяющая разрешение по в и X, является, по существу, следствием возможной недостоверности выполнения граничных условий. Кроме того, некоторую неопределенность вносили допущения, принимаемые при решении нелинейного дифференциального уравнения теплопроводности Фурье-Кирхгофа, используемого в математической модели.

Таким образом, материал, изложенный выше, представляет собой алгоритмы проведения эксперимента и обработки результатов измерений.

3. некоторые результаты экспериментальных исследований теплофизических характеристик жидкостей и растворов

3.1. Диэлектрические жидкости.

Основная особенность при исследовании свойств диэлектрических жидкостей выражалась в том, что в ходе эксперимента не происходило шунтирование мостовой компенсационной

схемы. Это значительно упрощало проведение эксперимента.

Перед проведением комплекса измерений осуществлялись тарировка и юстировка измерительного датчика. При этом использовалась эталонная жидкость, например, толуол с известными теплофизическими свойствами. Эксперимент ставился по описанному выше алгоритму.

В табл. 1 приведены полученные в работе данные по тепловой активности некоторых органических жидкостей при температуре Т = 293 К и их отклонение от литературных [12].

Таблица 1

Сравнение экспериментальных и литературных данных

Тип жидкости Тепловая активность е, Дж/м2Кс05

Экспериментальные данные Литературные данные Расхождение, %

Бензин С2-80 420 425 1,19

Бензол С6Н6 6 6 466,34 461 1,15

Гептан С7Н16 444,89 438 1,28

Дибутилфталат С16Н22О4 488 498,25 2,00

Диметиланилин (СН3)2 460 448 2,60

Диметилформамид (СН3)2КС(0)Н 439,30 445 1,36

1,4-диоксан С4Н8О2 524,85 535,5 2,09

Керосин ТУ 10227-86 437,32 450,2 2,90

Незначительное расхождение между экспериментальными и литературными данными указывает на высокую точность измерений.

На рис. 4 в качестве примера представлены графические зависимости теплопроводности некоторых органических жидкостей от изменения температуры.

Представленные на рисунках данные теплопроводности линейно уменьшаются

с увеличением температуры, что полностью соответствует общепринятым представлениям о процессе переноса теплоты теплопроводностью.

Рис. 4. Зависимость теплопроводности жидкостей от температуры: 1 — гептан; 2 — 1,4-диоксан; 3 — диме-тилформамид; 4 — циклогексанон; 5 — тетрахлорметан (четыреххлористый углерод)

3.2. Бинарные растворы. Бинарные растворы составлялись из перечня имеющихся в наличии чистых жидкостей, теплофизические свойства которых известны. Изготовление растворов осуществлялось в соответствии с классификацией Эвелла [4], при этом смешивались жидкости как из одной группы по классификации Эвелла, так и из разных. В качестве примеров на рис. 5 и 6 представлены результаты экспериментальных исследований теплопроводности и тепловой активности е одной из многих исследованных бинарных смесей. Расчет тепловой активности смеси по результатам эксперимента проводился с использованием соотношения:

е = е1(П1) + е2(П2).

0,2 0,4 0,6 0,8 Т,° С

Рис. 5. Зависимость теплопроводности смеси от массовой концентрации составляющих: 1 — смесь н-гексана и этиленгликоля; 2 — смесь н-гексана и циклогексанона; 3 — смесь н-гексана и о-ксилола

Рис. 6. Экспериментальная зависимость тепловой активности от массовой концентрации бинарной системы органической жидкости из н-бутанола (в = 542Дж/(м2Кс0-5)) и н-гексана (в = 451 Дж/(м2Кс05))

3.3. Тройные растворы. Тройной раствор составлялся из перечня имеющихся в наличии чистых растворов с известными теплофизическими свойствами также в соответствии с классификацией Эвелла (по группам). Экспериментальные исследования проводились по ранее изложенному алгоритму.

Расчет коэффициента теплопроводности тройного раствора осуществлялся с использованием обобщенной зависимости в следующем виде [12]:

Храст = Х1с1 + Х2с2 - а'Х1 - Х2 I с1с2.

В качестве примера на рис. 7 представлены зависимости теплопроводности двух тройных растворов из комбинации трех органических жидкостей от изменения массовой концентрации смеси.

Рис. 7. Зависимости теплопроводности двух тройных растворов от массовой концентрации чистых жидкостей:

1 — (толуол - дибутилфталат + н-бутанол); 2 — (толуол -дибутилфталат + керосин)

3.4. Исследование тепло физических свойств фторуглеродов. Фторуглеродные жидкости являются альтернативой вредным для экологии фреонам, поэтому широко применяются в различных отраслях промышленности: в энергетике, электронике и холодильной технике, авиационной и ракетно-космической технике.

В качестве примера в табл. 2 и 3 приведены результаты экспериментальных исследований теплофизических свойств трех типов фторуглеродов. Всего экспериментальному исследованию подверглись более 20 типов фторуглеродов.

Таблица 2

Зависимость теплопроводности (X, Бт/м-К) фторуглеродов от температуры

Название жидкости, химическая формула Температура, °С

20 40 60 80 100

Перфторгексан, C6F14 0,059 0,055 0,051 0,048 0,045

Перфторгептан, C7F16 0,060 0,057 0,054 0,051 0,048

Перфтороктан, C8F18 0,063 0,061 0,058 0,056 0,053

Таблица 3 Зависимость тепловой активности фторуглеродов от температуры

Название жидкости, химическая формула Температура, ° С

20 40 60 80 100

Перфторгексан, C6F14 330 300 280 270 250

Перфторгептан, C7F16 340 320 300 290 280

Перфтороктан, C8F18 350 330 320 310 300

4. Анализ погрешностей определения экспериментальных данных

Погрешности проводимых экспериментальных исследований можно условно разделить на методическую (связанную с методикой проведения исследований); приборную (погрешность приборов, используемых для регистрации измеряемых величин) и инструментальную

(погрешность измерительных зондов). Согласно проведенному в работе анализу относительная погрешность полученных в эксперименте результатов составила ±3-7%, что, несомненно, представляет огромный интерес для специалистов в области теплотехники и теплофизики, а также для разработчиков и проектировщиков теплообменного оборудования и устройств, в основу работы которых положены принципы, базирующиеся на теплофизических свойствах растворов и жидкостей.

Выводы

В результате проведенных исследований были выполнены следующие работы:

• проведен анализ использования иррегулярного режима теплообмена для разработки метода, средства и алгоритма определения коэффициентов теплопереноса в органических жидкостях и растворах;

• усовершенствована схема измерений, что позволило проводить экспериментальные исследования с использованием широкого спектра высокоточных датчиков;

• по результатам проведенных в работе исследований:

- составлен алгоритм проведения экспериментальных исследований коэффициентов теплопереноса в разного рода органических жидкостях и растворах. Показана их дееспособность при проведении конкретных экспериментов с различного рода жидкостями и многочисленными растворами.

- предложен метод и апробированы средства постановки экспериментальных исследований коэффициентов теплопере-носа в органических жидкостях и растворах. Надежность метода подтверждена тестовыми экспериментами;

- проведен анализ погрешностей измерений с использованием модифицированного метода. Установлено, что относительная погрешность полученных экспериментальных данных не превышает ±7%;

• предложенные в работе метод и средства определения коэффициентов теплопереноса в органических жидкостях и растворах использованы в учебном процессе МАИ по дисциплине «Жидкостные ракетные двигатели». Кроме того,

предложенные в работе метод и средства найдут применение при исследовании свойств жидких топлив и теплоносителей ракетных двигателей.

Список литературы

1. Побережский С.Ю. Теплопроводность бинарных растворов органических жидкостей по группам классификации Эвелла [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 4. Режим доступа: http://www. science-education.ru/118-13977 (дата обращения 30.06 2020 г.).

2. Дульнев Г. Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974. 264 с.

3. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975. 935 с.

4. Василевский Д.В. Экспресс-диагностика теплофизических свойств полупрозрачных сред / Дисс.... канд. техн. наук. М.: б.и., 1999. 138 с.

5. Баюков А.В., Зайцев А.А., Гитце-вич А.Б., Мокряков В.В., Петухов В.М. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. М.: Энергоиздат, 1982. 744 с.

6. Побережский С.Ю. Универсальный генератор измерительных импульсов / Деп. в ВИНИТИ 02.06.2014 г. № 152 В2014.

7. Побережский С.Ю. Экспериментальные исследования теплофизических свойств бинарных и тройных растворов органических теплоносителей. М.: МАИ, 2011. 122 с.

8. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. Уч. пос. М.: Логос, 2000. 408 с.

9. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Астрель, 2006. 991 с.

10. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / 2-е изд., испр. Пер. с англ. М. - СПб. -Киев: Изд. дом «Вильямс», 2003. 1104 с.

11. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен. М.: МЭИ, 2005. 500 с.

12. Побережский С.Ю. Исследование теплопроводности тройных растворов органических жидкостей / Деп. в ВИНИТИ 02.06.2014 г. № 151 В2014.

Статья поступила в редакцию 27.01.2020 г. Окончательный вариант — 11.03.2020 г.

Reference

1. Poberezhskii S.Yu. Teploprovodnost' binarnykh rastvorov organicheskikh zhidkostei po gruppam klassifikatsii Evella [Heat conductivity of binary solutions of organic liquids according to Eveil's classification groups], Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya, 2014, no. 4. Available at: http://www.science-education.ru/ 118-13977 (accessed 30.06 2020).

2. Dul'nev G. N., Zarichnyak Yu.P. Teploprovodnost' smesei i kompozitsionnykh materialov [Heat conductivity of mixtures and composite materials], Leningrad, Energiyapubl., 1974. 264p.

3. Zigel' R., Khauell Dzh. Teploobmen izlucheniem [Radiative heat exchange], Moscow, Mir publ., 1975. 935 p.

4. Vasilevskii D.V. Ekspress-diagnostika teplofizicheskikh svoistv poluprozrachnykh sred [Instant diagnostics of heat transfer properties of translucent media], Diss.... kand. tekhn. nauk. Moscow, 1999. 138p.

5. Bayukov A.V., Zaitsev A.A., Gittsevich A.B., Mokryakov V.V., Petukhov V.M. Poluprovodnikovye pribory: diody, tiristory, optoelektronnye pribory [Semiconductor devices: diodes, thyristors, optoelectronic devices], Moscow, Energoizdatpubl., 1982. 744p.

6. Poberezhskii S.Yu. Universal'nyi generator izmeritel'nykh impul'sov [Multipurpose generator of measuring pulses], Dep. v VINITI 02.06.2014, no. 152 V2014.

7. Poberezhskii S.Yu. Eksperimental'nye issledovaniya teplofizicheskikh svoistv binarnykh i troinykh rastvorov organicheskikh teplonositelei [Experimental studies of heat-transfer properties of binary and ternary solutions of or organic heat transfer fluids], Moscow, MAI publ., 2011. 122 p.

8. Sergeev A.G., Krokhin V.V. Metrologiya: Uch. pos. [Metrology Textbook], Moscow, Logos publ., 2000. 408 p.

9. Vygodskii M.Ya. Spravochnik po vysshei matematike [Handbook on higher mathematics], Moscow, Astrel' publ, 2006. 991 p.

10. Sklyar B. Tsifrovaya svyaz'. Teoreticheskie osnovy i prakticheskoe primenenie [Digital communications, Fundamentals and applications]. Moscow - Saint-Petersburg - Kiev, Izd. dom Vil'yamspubl., 2003. 1104p.

11. Tsvetkov F.F., Grigor'ev B.A. Teplomassoobmen [Heat-and-mass transfer], Moscow, MEIpubl., 2005. 500p.

12. Poberezhskii S.Yu. Issledovanie teploprovodnosti troinykh rastvorov organicheskikh zhidkostei [A study of thermal conductivity of ternary solutions of organic liquids]. Dep. v VINITI 02.06.2014, no. 151 V2014.