Научная статья на тему 'Теплофизические свойства водного раствора моноэтиленгликоля'

Теплофизические свойства водного раствора моноэтиленгликоля Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
320
94
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Булаев С. А., Зарипов З. И., Мухамедзянов Г. Х.

В теплопроводящем калориметре Кальве измерены значения коэффициентов изобарной теплоемкости, температуропроводности и теплового расширения 50% водного раствора моноэтиленгликоля при температурах 298-363 К и давлениях до 196 МПа.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Теплофизические свойства водного раствора моноэтиленгликоля»

4. Laville G. Etalonnage experimental du microcalorimetriu Calvet. C. R. Acad. Sc. 1955. T.240. №10. Р.1195-1197.

5. Tanaka S. //Thermochimica Acta. 1983. V.61. Р.147-159.

6. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.. Высшая школа, 1967.

7. Платунов Е.С., Буровой С.Е., Куренин В.В., Петров Г. С. Теплофизические измерения и приборы. Л.: Машиностроение, 1986. 256с.

8. Зарипов З.И.. Мухамедзянов Г.Х. // Тепло- и массообмен в химической технологии: Межвуз. сб./ КХТИ. Казань, 1981. С. 25-27.

9. Бурцев С.А., Зарипов З.И., Мухамедзянов Г.Х. Деп. в ВИНИТИ. 2000. № 2400-В00.

10. Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П,. Тарзиманов А.А,. Тоцкий Е.Е. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 352с.

© З. И. Зарипов - канд. техн. наук, докторант каф. вакуумной техники электрофизических установок КГТУ.

УДК 536.632+536.412

С. А. Булаев, З. И. Зарипов, Г. Х. Мухамедзянов

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНОГО РАСТВОРА МОНОЭТИЛЕНГЛИКОЛЯ

В теплопроводящем калориметре Кальве измерены значения коэффициентов изобарной теплоемкости, температуропроводности и теплового расширения 50% водного раствора моноэтиленгликоля при температурах 298-363 К и давлениях до 196МПа.

Данная работа является продолжением серии исследований теплофизических свойств жидкостей и посвящена изучению свойств водных растворов полиэтиленгликолей. Анализ литературных данных показал, что теплофизические свойства водных растворов полиэтиленгликолей изучены только при атмосферном давлении [1-3] и температурах от 273,15 до 373,15 К, за исключением [4]. Исходя из этого были сформулированы задачи по изучению комплекса теплофизических свойств водных растворов полиэтиленгликолей в широкой

области изменения параметров состояния. В качестве объекта исследования выбран 50% раствор моноэтиленгликоля

(МЭГ) в воде (П020=1.3865,

Р425=1065 кг/м3).

Исследования выполнены на вновь созданной экспериментальной установке (рис.1), реализующей метод теплопроводящего калориметра [5], с автоматическим сбором и обработкой информации и предназначенной для комплексных измерений изобарной теплоемкости Ср температуропроводности а, теплопроводности 1, теплового расширения а и изотермической сжимаемости Ьт в интервале температур 173-363 К и давлений до 196 МПа. Основное отличие этой установки от [6] заключается в конструкции микрокалориметра.

Микрокалориметр (рис.2) является основным узлом установки и состоит из массивного алюминиевого блока 1 с конусами 5 и 6. В центре блока расположен микрокалори-метрический элемент 2. На боковой поверхности микрокалориметра 1 нарезаны канавки, куда уложен изолированный нагреватель 3 с сопротивлением 33 Ом. Для охлаждения и поддержания постоянной температуры используется криостат 4 проточного типа, выполненный с микрокалориметром как единое целое. В корпусе блока высверлено отверстие, в котором располагается платиновый термометр сопротивления 7, измеряющий абсолютную температуру эксперимента с точностью до ± 0.01К. Кроме того, для контроля градиента температур по высоте блока на его боковой поверхности находятся три медьконстантано-вые термопары 10. Алюминиевый блок с конусами и тепловыми экранами 11, изготовленными из полированной нержавеющей стали толщиной 0,8 мм, помещен в вакуумную камеру 12, в которой поддерживается разряжение 10 Па.

Микрокалориметрический элемент 2 представляет собой датчик теплового потока (450-спайная дифференциальная хромель-копелевая термопара), собранный в алюминиевом конусе. Конструкция элемента аналогична [7], при этом в качестве изоляции использована оксидная пленка толщиной 20 мкм. Измерительная ячейка 8 с исследуемой жидкостью с помощью капилляра 9 соединяется с системой давления.

Система создания, измерения и поддержания давления аналогична системе, приведенной в работе [6,7].

Термостатирование в интервале температур от 173 до 273 К осуществляется прокачкой жидкого азота через трубки криостата с использованием вакуумного насоса 3НВР-1Д. Требуемая температура поддерживается регулированием потока жидкого азота с помощью игольчатого натекателя. При более высоких температурах прокачка те-

3 2 1 4

Рис. 1 - Экспериментальная установка:

1 - измерительный узел; 2 - сосуд Дьюара; 3 -система заполнения, создания и измерения давления; 4 - блок сбора и обработки данных

плоносителя (тосол 0Ж-40 или вода) через криостат осуществляется ультратермостатом Ц-10. Для ускорения выхода на температуру используется нагреватель 3.

Сигнал разбаланса дифференциальных термопар, подключенных к мостовой схеме, снимается с диагонали моста, усиливается и подается на вход измерительного комплекса на базе 1ВМ РС Реийиш с аналого-цифровым преобразователем РСЬ-7Ш.

Сущность методов измерения заключается в косвенном определении теплофизических свойств по значениям тепловых потоков, которые исходят от ячеек и действуют на термоэлектрические батареи, расположенные в микрокалоримет-рических элементах. При измерениях комплекса Ср и а тепловой поток создается за счет поверхностного нагрева термоэлектрической батареи эффектом Пельтье, при измерениях а и вт - давлением, приложенным к исследуемой жидкости.

Расчетные формулы и методики измерения изобарной теплоемкости и температуропроводности, коэффициентов теплового расширения и изотермической сжимаемости аналогичны [6,8].

Для проверки работоспособности установки по методике [8] были проведены контрольные измерения комплекса свойств (изобарной теплоемкости и температуропроводно-20 3 20

сти) н-гексана (р4 =659.1 кг/м и По =1.3749) при интервале температур 265-298 К и давлениях до 147 МПа (табл. 1). Результаты измерения Ср согласуются с данными [6,9] в пределах 3-4%. Отклонения температуропроводности а от экспериментальных [10] и расчетных данных, полученных из значений р [9], Ср [9], Л [11,13], не превышают суммарной ошибки расчета.

Доверительные границы общей погрешности измерения (Р=0,95) составляют для изобарной теплоемкости ±1.8%, температуропроводности ±2.9%.

Рис. 2 - Схема микрокалориметра:

1 - алюминиевый блок; 2 - микрока-лориметрический элемент; 3 - нагреватель; 4 - криостат; 5, 6 -конусы; 7 -термометр; 8 - измерительная ячейка; 9 - капилляр; 10 - термопары; 11 - тепловые экраны; 12 - вакуумная камера

Таблица 1 - Сравнение изобарной теплоемкости Ср и температуропроводности а н-гексана при различных температурах Т и давлениях Р

Р, МПа Ср, кДж/(кпК) 3 о4 О ® о_ 0. 5:1° а-108, м2/с со Ж чД а 01 1 .5( ■

Автор Литературные данные Автор Литературные данные

Т=298.15 К

0.098 2.251 2.267[6] -0.70 8.12 7.95 [10] 0.53

49 2.153 2.120[6] 2.50 9.49 9.80* -3.23

98 2.081 2.043[6] 2.96 10.50 10.88* -3.59

147 2.013 1.995[6] 1.99 11.55 11.49* 0.53

Т=279.42 К

0.098 2.198 2.218[9] -0.92 8.61 8.38[10] 2.72

8.70* -1.06

49 2.151 2.212[9] .8 2. - 9.74 9.70* 0.43

98 2.077 2.212[9] -2.91 10.39

147 2.033 2.214[9] -7.98 11.43

Т=264.4 К

0.098 2.148 2.162[9] -0.6% 8.83 8.93* -1.23

8.717[10] 1.27

49 2.109 2.099[9] -0.5% 9.87 9.96* -0.96%

98 2.030 2.078[9] -2.37% 10.88

147 1.999 2.071[9] -3.57% 11.53

*-Расчетные данные.

Результаты исследований

Результаты измерения теплофизических и термических свойств 50% водного раствора моноэтиленгликоля приведены в табл. 2,3.

Таблица 2 - Сравнение экспериментальных и расчетных значений теплоемкости и температуропроводности 50% водного раствора моноэтиленгликоля при атмосферном давлении

Т, К Ср, кДж/(кг К) (СР-СРлит)/ СРх100% а*107, м2/с (а- алит)/а х100%

Автор Литературные данные Автор Расчетные данные

298 3.323 3.355[2] -0.96 1.082 1.106 -2.22

3.314[3] 0.28

323 3.475 3.452[2] 0.66 1.107 1.127 -1.8

3.464[3] 0.31

348 3.552 3.569[2,3] -0.47 1.126 1.124 0.18

363 3.598 3.615 [2,3] -0.48 1.142 1.162 -1.75

Таблица 3 -Экспериментальные и расчетные значения калорических и термических свойств 50% водного раствора моноэтиленгликоля в зависимости от температуры и давления

Р, МПа Ср , кДж кг-1 •К-1 а107 , 2 -1 мс ар-104 , К1 Ср , кДж кг-1 •К-1 а-107 , 2 -1 мс ар-104 , К-1

Т =298.15 Т =323.15

0.098 3.323 1.082 5.15 3.475 1.107 6.43

49 3.279 1.148 4.34 3.403 1.190 4.76

98 3.169 1.232 4.15 3.322 1.265 4.58

147 3.138 1.281 4.09 3.245 1.334 4.32

196 3.110 1.324 3.99 3.236 1.370 4.23

Т =348.15 Т =363.15

0.098 3.552 1.126 7.48 3.598 1.142 8.08

49 3.451 1.230 5.30 3.541 1.200 5.61

98 3.393 1.300 5.01 3.447 1.285 5.22

147 3.340 1.362 4.73 3.391 1.350 5.03

196 3.281 1.421 4.60 3.346 1.406 4.70

Полученные значения изобарной теплоемкости Ср при атмосферном давлении (табл.2) согласуются с данными [2,3] в пределах суммарной ошибки измерений. Наибольшие отклонения получены при температуре 298 К. Отклонения температуропроводности а от расчетных, полученных из р, Ср, Л [1-3], лежат в пределах 2.2%. Сравнения с литературными данными теплофизических и термических свойств водного раствора МЭГ при давлениях Р>0.098 МПа не проведено из-за отсутствия в литературе экспериментальных значений.

Используя ранее полученные соотношения [12,13] для обобщения экспериментальных данных по теплофизическим свойствам органических жидкостей, получили единые зависимости для Ср и а (рис.3) в виде:

Ср (Р,Т) = Ср (Р0,Т )(1 + АД^/Я) (1)

а (Р, Т) = а (Р 0, Т )(1 + В Д Эт/Я), (2)

где ДЭт =— | т) ^Р - изотермическое изменение энтропии в интервале давлений Ро Р

от атмосферного Ро до Р и температуре Т, кДж/(кг-К); Ср(Р,Т) и Ср(Ро,Т) - изобарная теплоемкость соответственно при давлении Р и Ро и температуре Т, кДж/(кг-К); а(Р,Т) и а(Ро, Т) - температуропроводность соответственно при давлении Р и Ро и температуре Т, м2/с; Я - газовая постоянная, кДж/(кг-К); А и В -константы уравнений. При расчете ДЭу были использованы полученные значения коэффициента теплового расширения ар-.

Рис. 1 - Относительное изменение изобарной теплоемкости (а) и температуропроводности (б) 50% водного раствора МЭГ в зависимости от Дву при давлениях Р=0.098 (1), 49 (2), 98 (3), 147 (4), 196 (5) МПа

Погрешности расчета по выражениям (1-2) сопоставимы с погрешностью измерения и не превышают ±2.5 %. Для определения теплоемкости Ср(Р,Т) и а(Р,Т) необходимо располагать данными по теплоемкости, температуропроводности при атмосферном давлении Ср(Ро,Т), а(Ро ,Т), значениями удельного объема v= f(P,T) или коэффициента теплового расширения ap= f(P,T). Уравнения (1,2) можно использовать для расчета и прогнозирования теплоемкости и температупроводности водного раствора моноэтиленгликоля.

Литература

1. Богачева И. С, Земдиханов К.Б., Мухамедзянов Г.Х., Садыков А.Х., Усманов А.Г. // ЖФХ. 1980. Т.54. №6. С.1468.

2. Негорючие теплоносители и гидравлические жидкости: Справочное руководство / Под ред. А.М.Сухотина. Л.: Химия, 1979.-360с.

3. Nan Z,. Liu B., Tan Z. // J. Chem. Thermodynamics. 2002. V.34. P.915-926.

4. Расторгуев Ю.Л., Сафронов Г.А., Ганиев Ю.А., Григорьев Б.А. // Теплофизические свойства веществ и материалов. М.: Изд-во стандартов, 1984. Вып. 21. С.77-98.

5. Кальве Э, Прат А. Микрокалориметрия. М.,: 1963. 447 с.

6. Зарипов З.И., Бурцев С.А., Гаврилов А.В., Мухамедзянов Г.Х. //Теоретические основы химической технологии, 2002. Т.36. № 4. С.439.

7. Зарипов З.И., Мухамедзянов Г.Х. // Тепло-и массообмен в химической технологии: Межвуз. сб. науч. тр. / КХТИ. Казань, 1981.С.25.

8. Зарипов З.И., Бурцев С.А., Гаврилов А.В, Булаев С.А., Мухамедзянов Г.Х. // Вестник Казанского технол. ун-та. 2002. №1-2. С.208.

9. Randzio S.L., Grolier J.-P., Quint J.R., Eatough D.J., Lewis E.A.,Hansen L.D. // Jnt. J. Thermophys. 1994. V.15. № 3. P.415-441.

10. Watanabe H., Seong D.J. // Jnt. J. Thermophys. 2002. V.23. № 2. P.337-356.

11. Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.А., Тоцкий Е.Е. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат. 1990. 352с.

12. Зарипов З.И. Экспериментальные исследования изобарной теплоемкости полиэтилен- и поли-пропиленгликолей в интервале температур от 298К до 363К и давлениях до 150 МПа. Дис. ... канд. техн. наук /КХТИ. Казань, 1985. 120 с.

13. Мухамедзянов Г.Х. Теплопроводность жидких органических соединений. Дис. ...д-ра. техн. наук. КХТИ / Казань, 1974. 510 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

© С. А. Булаев - асп. каф. вакуумной техники электрофизических установок КГТУ; З. И. Зарипов -канд. техн. наук, докторант той же кафедры; Г. Х. Мухамедзянов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.