CC BY
47
УДК 626.12:632.22
М. М. Сафаров, Н. Б. Давлатов, Иман Бахром Маниш, М. А. Зарипова, Т. Р. Тиллоева
ВЛИЯНИЕ ФУЛЛЕРЕНА С60, С70, НАНО КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ МЕДИ НА ИЗМЕНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОГО ГИДРАЗИНА В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ
Ключевые слова: теплопроводность, плотность, температуропроводность, гидразин, температура и давления.
Экспериментальными методами исследованы теплопроводность, плотность, температуропроводность гидразина в широком интервале температур и давления. Установлена взаимосвязь между теплофизическими свойствами и массого концентрации нано частицы. На основе экспериментальных данных и закон соответственных состояния получен ряд эмпирических уравнения.
Keywords: heat conductivity, temperature conductivity, density, hydrazine, temperature and pressures.
Experimental methods were used to investigate the thermal conductivity, density, thermal diffusivity of hydrazine in a wide range of temperatures and pressures. The correlation between thermal properties and massage concentration of nano particles. Based on the experimental data and the law of corresponding states received a number of empirical equations.
Введение
В 50-70 годы прошлого века зарубежом и бывшем Советском Союзе бурно развевался метод регуляр-ного теплового режима первого и второго рода. В бывшем Советском Союзе основоположником дан-ного метода был Г.М.Кондратьев, Г.Н. Дульнев (теория), А.Г.Шашков, И.Ф.Голубьев, К.Д. Гусейнов и др. (эксперимент). Данный метод многими авторами успешно был использован для исследо-вания теплофизических свойств твердых тел, сыпучих и волокнистых материалов, жидкостей, растворов в широком интервале параметров состоя-ния. Во многих случаях выявленные возможности метода и полученные с его помощью результаты являются уникальными. Надо отметит, что метод очень прост, погрешность измерения ТФС веществ относительно меньше, повторяемость результатов велика. С помощью данного метода можно измерят ТФС жидкостей и растворов при различных температурах и давлениях. В связи с этим для измерения температуропроводности материалов на основе субмикро- и нанокристаллических (СМК и НК) структур нами использован данный метод. Общая относительная погрешность измерения
температуро-проводности нанокристаллической меди при доверительной вероятности а= 0,95 равна 3.5%. из-мерения теплопроводности оценивается в жидкой фазе 0,9-1,5%, в паровой фазе-1,6-3,2 % и вблизи критической точки в области с резким изменением Х- в 3,5 - 4,6 % [1].
Цель настоящей работы - исследование теплопроводности и температуропроводности чистого жидкого гидразина и с добавкой фуллерена С60 от 0,1 до 1 г и нанокристаллической меди фазо-вого равновесия критической области. В качества объекта исследования был взят жидкий гидразин марки (х. ч).
Объект исследования
Получаемые в настоящее время новые материалы на основе субмикро-и нанокристаллических (СМК и НК) структур обладают значительным отличием физических свойств от своих крупнокристаллических аналогов. Измерение теплофизических свойств (ТФС) таких матери-алов традиционными теплофизическими мето-дами затруднительно ввиду малости объектов исследования и неоднородности их свойств по объему. Разрабатываемые нами методы лазерной диагностики позволяют проводить измерения ТФС таких малоразмерных объектов с локальностью до 10мкм. В настоящей работе представлены результаты исследования температуропроводности и коэффициента линейного температурного расширения СМК и НК меди, полученной сильной пластической деформацией при сдвиге под давлением в наковальнях Бриджмена. Медь является хорошим модельным металлом (экспериментальных установках ИТ-Х-400, ИТ-Ср-400 используется в качества эталона) для изучения физических свойств наноматериалов благодаря своей высокой пластичности, а также ввиду того, что при значительных деформациях, е — 6 — 8 (степень истинной деформации), сохраняет исходную решеточную структуру. Образцы нанокристаллической медь были изготовлены в научном центре „Нанотехнологии" г. Тегеран (Иран) по японской технологии получения наноматериалов. Средний размер нанокристаллической меди имел диаметр й = 50нм температуру и давление (для коллоидного раствора). Свойства применяемых в технологических процессах индивидуальных веществ и их смесей определяются не только природой и содержанием компонентов в смеси, но и условием протекания процесса. Получение надежных экспериментальных данных о теплофизических свойствах гидразина и их коллоидных растворов
(гидразин +фуллерен С60) является важной практической задачей, обеспечивающей дальнейшее развитие прогресса.
Экспериментальная часть и результаты измерения
Устройство и способ комплексного определения теплофизических свойств жидкостей (рисунок 1).Устройство для комплексного определения теплофизических свойств жидкости состоит из акалориметра с полостью для исследуемой жидкости, в которой помещена тонкостенная металлическая трубка с маломощным нихромовым нагревателем и спаем хромель-алюме-левой термопары, сосуда Дьюара и электро-измерительного прибора. Способ для комплекс-ного определения теплофизических свойств жидкости заключается в том, что исследуемую жидкость помещают в акалориметр, нагревают, измеряют разность температур между тонкостенной металлической трубкой и корпусом акалориметра, рассчитывают темп охлаждения. Способ позволяет за один опыт определить теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость исследуемых жидкостей.
Рис. 1 - Схема установки для комплексного определения теплофизических свойств растворов: - акалориметр; прижимной сосуд; грузопоршневой манометр; нановольтметр или гальванометр; дифференциальная термопара
Для измерение теплопроводности исследуемых образцов при высоких температурах и давлениях приминали экспериментальную установку по методу цилиндрического бикалориметра регулярного теплового режим а [2,58]. Схемы установки показано на рисунке 1.Установка в основном состоит из цилиндрического бикалориметра, прижимного сосуда высокого давления (13), грузопорщенного манометра МП-2500 (16) и электроизмерительных приборов. При измерении температуры опыта нами
использована дифференциальная хромель-алюмелевая термопара диаметром 0,15мм с потенциометром Р 37-1, класс точности 0,001. Холодный спай дифференциальной термопары помешается в сосуд Дьюара со льдом. С помощью этой термопары и гальванометром типе М 17/4 регистрировалось также изменение температуры опыта во время эксперимента, которая не превышала 0,02 К. Для измерения перепада температуры на границах исследуемого слоя использовалась также хромель-алюмелевая термопара, горячий спай которой находится в отверстии в измерительном цилиндре (2), а холодный спай в отверстии (7) внешнего цилиндра, концы которого соединяются с гальванометром типа М 17/2.Внутренний нагреватель и горячий спай измерительный термопары находились в бикалориметра при атмосферном давлении и полностью изолированы от исследуемой среды.Для создания перепада температур на границах исследуемого слоя использовался внутренний нагреватель из нихромовой проволоки диаметром 0,15 мм, вмонтированный в измерительный цилиндре, который питался от сети через понижающий трансформатор. Отверстия, высверленные в измерительном цилиндре, для размещения нагревателя и горячего спая измерительной термопары имели минимальные диаметры, чтобы наличие их не могло существенно влиять на равномерность температурного поля ядра. Для исключения электрического контакта термопара и внутренний нагреватель были изолированы от корпуса бикалориметра с помощью стеклоткани, пропитанной клеем БФ-2. Перепад температуры на граница и исследуемого слоя составлял 1,31-0,65 К, которые соответствовали 320 и 160 давлениям шкалы гальванометра. Толщина исследуемого слоя и величина перепада температур на границе исследуемого слоя выбрались с таким расчетом, чтобы в опытах отсутствовала конвекция. Центровка цилиндров проводилась микроскопом типа МИР-2. Величина зазора между внешним и внутренним цилиндрами определилась двумя методами: непосредственным измерением диаметра цилиндров и измерением микроскопом. Диаметр внутреннего цилиндра определялся микрометром типа МК с ценой деления 0,01 мм в трех различных симметричных местах, как по окружности цилиндра, так и по его длине. Внутренний диаметр наружного цилиндра измерялся индикатором часового типа (индикатор-внутромер), цена деления основной шкалы составляет 0,01 мм. Для уменьшение потери тепла излучением поверхность цилиндров была полирована и хромирована. При опытах прибор располагается вертикально. Для измерения при повышенных и высоких температурах прибор снабжен электропечью, состоящий из трех частей (10,12,14). Электропечь имеет цилиндрическую форму с наружным диаметром 180 мм и внутренним 110 мм. Вблизи внутренней поверхности этой печи имеется электронагреватель в виде спирали из нихромовой проволоки диаметром 1 мм. В качестве изоляции использован асбест. Электропечь, изготовленная
таким способом, способствует быстрому повышению температуры бикалориметра. Электропечь с внешней стороны и с торцов изолировалась. Питание электропечи осуществлялось через стабилизатор напряжения. Напряжение измерялось вольтметром. Отсутствие температурного градиента по высоте бикалориметра контролировалось дифференциальными термопарами с гальванометром типа ГСП-47. Прижимной сосуд высокого давления (13)изготовлен из нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т. Размеры прижимного сосуда следующие: внешний и внутренний диаметры соответственно 100 и 28 мм, длина 300 мм. Коммуникации основных узлов установки производились стальными трубками диаметром 6 и 3 мм. В прижимном сосуде в качества разделителя использован полиэтиленовый мешочек (14). Давление на полиэтиленовый мешочек создавалось глицерином (15) с помощью грузопоршневого манометра МП-2500 (16). Давление опытов измерялось грузопоршневым манометром МП-2500 и образцовым манометром типа М0-600.
Для проверки правильности постановки экспериментов контрольные измерения были проведены с атмосферным воздухом и толуолом. Теплопроводность воздуха при атмосферном давлении измерялась в интервале температур от 293 К до 573 К. Установка также проверялась на воспроизводимость воздуха измерялась в разное время и при различных толщинах исследуемого слоя. Экспериментальные значения теплопроводности воздуха для одной серии измерений графически приведены на рисунке 2. На этом графике также показаны данные [5,7,8]. Как видно, получение экспериментальные данные по теплопроводности воздуха хорошо совпадает с данными [5,7,8,11,13] во всем диапазоне температур.
Рис. 2 - Сравнение экспериментальных значений теплопроводности воздуха с данными [5,7,8]: о -данные [5,7,8]; • - наши данные
Как видно из рисунке 2, полученные данные для воздуха в приделах погрешности опыта хорошо соответствуют данным, приведенным в [5,7].
Расчеты показали, что максимальная общая относительная погрешность экспериментальных значений теплопроводности не превышает 4,2%. Убедившись, что установка качественно и количественно воспроизводит значения теплопроводности воздуха и толуола в зависимости от температуры и давления, мы приступили к измере-
нию теплопроводности исследуемых объектов. Данные по теплопроводности помимо самостоятельной научной и практической ценности, связанной с изучением фазовых переходов, критических явлений ассоциированных соединений, являются критерием оценки точности термодинамических уравнений состояния и показателем внутренней согласованности данных о различных калорических и термических свойствах во всех состояниях, реализуемых экспериментом гомогенном, гетерогенном, метастабильном. Температуропроводность НК меди исследовалась методам лазерной термомодуляционной эллипсометрии в определенном диапазоне температур (от температуры жидкого азота до 300К, а также в зависи-мости от степени деформации и размера микрокристаллитов, на образцах, имеющих форму диска диаметром 15 мм и толщиной 200мкм). Коэффициент линейного термического расширения (КТР) определялся модифицированным оптическим плечевым методом по величине прогиба тонких (~200 мкм) пластин нанокристаллической меди в зависимости от исходной степени деформации ( ) образца, вблизи комнатной температуры. Экспериментально показано, что
температуропроводность и коэффициент линейного расширения НК меди на 15 процентов отличаются от металла с крупнокристаллической структурой.
Обработка экспериментальных данных
Для обработки экспериментальных данных по температурапроводности и КТР, на основе закона соответствующих состояний нами были использованы уравнения в следующем виде [9,10-13]:
- - , (1)
- - , (2) где, а- температуропроводность, — при различных температурах Т, К и давлениях Р, МПа; а1-при Т = 314 К и Р= 0,121 МПа.
На основе экспериментальных данных и выражениях (1) и (2) нами получены эмпиричес-кие уравнения, которые связывают между температуропроводность и концентрацию нанокристаллической меди.
Обобщением исследования
теплопроводности исследуемых образцов в широком интервале параметров состояния выявлены закономерности в поведении к в различных областях диаграммы состояния, на кривой фазового равновесия и в окрестности критической точки. Для измерения
теплопроводности (Х) коллоидной жидкости (гидразин +фуллерен С60) при различных температу-рах и давлениях нами использован метод цилиндрического бикалориметра регулярного теплового режима первого рода [1]. Данная установка нами была автоматизирована. Особое внимание было обращено на заполнение бикалориметра веществом. После того, как из бикалориметра был полностью откачен воздух вакуумным насосам, вентиль тройника перекрывался и бикалориметр
заполнялся коллоидным гидразином, игольчатым вентилем перекрывался капилляр заполнения, что обеспечивало полную герметичность. Масса исследуемого вещества в бикалориметре определялась по разнице взвешивания контейнера до и после заправки на аналитических весах ВЛА-200 ГМ с точность 0.01г. Данные по кривой сосущест-вования жидкого коллоидного гидразина были аппроксимированы с учетом современной теории и использованием новейшей информационной технологии (компьютер, и программы к ним), т.е компьютерные моделирования.
При обработке результатов эксперимента основными задачами являются проверка адекватности используемой для описания математической модели, определения параметров модели и их доверительных интервалов [1]. Характер изменения теплопроводности колоидного жидкого гидразина (как у жидких простых эфиров- наши исследования [1]) показал, что она имеет Х- образную закономерность. Известно, что на основе экспериментальных данных по теплофизическим свойствам (теплопроводность, плотность, теплоемкость) можно рассчитать коэффициент активности компонентов (жидкий гидразин и фуллерен С60). Кроме того для определения теплопроводности исследуемых систем нами использовано уравнение типа Тейта. Данное уравнения также описывает исходные значения по другим параметрам (как плотности, вязкости и теплопроводности) жидкостей и растворов. Уравнения типа Тейта обладает хорошим экстраполяционным качеством по давле-нию (до 600МПа).
Литература
1. М.М. Сафаров, Теплофизические свойства простых эфиров и водных растворов гидразина и фенил-гидразина в зависимости от температуры и давления. Диссер.....докт.техн. наук, Душанбе,-1993.495с.
2. Ш.А. Аминов, Теплофизические, электрофизические и термодинамические свойства системы "вода+ герметик (пентапласт-1161)" в зависимости от температуры и давления. Ш.А. Аминов. Автореф. дисс.
канд. тенх. наук, ФГБОУ ВПО "Казанский национальный исследовательский технический университет" имени А.Н.Туполева-КАИ ", Казань, 2014.-20с.
3. М.М. Анакулов, Влияние углеродных нанотрубок на изменение теплофизических и электрофизических свойств водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз) и воды. // М.М. Анакулов/ Автореф. дисс. канд. тенх. наук, ФГБОУ ВПО "Казанский национальный исследовательский технический университет" имени А.Н.Туполева- КАИ ", Казань, 2014.-20с.
4. Х.А. Зоиров, Влияние некоторых наноструктурных оксидов металлов на изменение теплофизических, термодинамических и диффузионных свойств гидра-зингидрата.//Х.А.Зоиров./Автореф. дисс. канд. тенх. наук, ФГБОУ ВПО "Казанский национальный исследовательский технический университет" имени А.-Н.-Туполева-КАИ ", Казань, 2014.-20с.
5. Н.Б.Варгафтик, Л.П. Филиппов, А.А.Тарзиманов, Юрчак Р.П. Теплопроводность газов и жидкостей. М.: Изд-во стандартов. 1970.-175 с.
6. Я.И. Френкель, Кинетическая теория жидкостей. -Л.: Наука, 1975.-692 с.
7. Л.Т.Фукс, В.Н. Шмандина. Известия вузов. Энергетика. 2, 124-126 (1970).
8. Л.П. Филлипов, Вестник МГУ. 3, 2, 43-50 (1960).
9. Т.Р. Билалов, Ф.М. Гумеров, Ф.Р. Габитов, И.Р. Шарафутдинов, Е.В. Тяпкин, Х.Э. Харлампиди, Г.И. Федров. Вестник Казанского технологического университета, 1, 221-224 (2008).
10. Ф.Р. Габитов, А.А. Тарзиманов, Р.Х. Шингарев, Ф.Д. Юзмухамедов. Вестник Казанского технологического университета, 1, 188-192 (2004).
11. Дж. А. Зарипов, М. М. Сафаров, Т. Ш. Сангов. Вестн. Таджик. нац. ун-та. 5, 231-237 (2011).
12. Дж. А. Зарипов, М. М. Сафаров. Математическое моде-лирование теплообмена в системе «Солнечных коллекторов» с учетом теплофизических свойств теплоносителей/Материалы Республик.науч .-техн. конф. «Перспективы энергетики Таджикистана», Душанбе, 23 декабря 2011. - Душанбе, 2011. C.19-24.
13. M. M. Safarov. Thermodynamic Investigation of Phase Formation Processes in the Systems La0.6Sr0.4MnO3-x and Gd-Sb/'Eighteenth symposium on thermo physical properties, Boulder, CO, USA, June 24-29, 2012: аbstract. -USA, 2012. - P. 301.
© М. М. Сафаров - д-р техн. наук, профессор, исполнительный директор филиала НИУ МЭИ в г. Душанбе, mahmad1@list.ru; Н. Б. Давлатов - аспирант кафедры "Теплотехники и теплотехнические оборудования" ТТУ им. акад. М.С. Осими, najibullo1007@mail.ru; Иман Бахроми Маниш - аспирант кафедры "Теплотехники и теплотехнические оборудования" ТТУ им. академика М.С.Осими, sen@yandex.ru; М. А. Зарипова - канд. техн.наук, профессор, доцент кафедры "Теплотехники и теплотехнические оборудования" ТТУ им. Акад.М.С.Осими, mohirai69@list.ru; Т. Р. Тиллоева - аспирант кафедры "Теплотехники и теплотехнические оборудования" ТТУ им. академика М.С.Осими, tahmina87@mail.ru.
© M.M. Safarov, - doctor of technical Sciences, Professor, Executive Director of the branch of the MEI, in Dushanbe, mahmad1@list.ru; N. B. Davlatov - postgraduate student of the Department ofand Heat Engineering heat engineering equipment" TTU after named M.S. Osimi, E-mail:najibullo1007@mail.ru; Iman, Bahromi Manish - postgraduate student of the Department of Heat engineering and heat engineering equipment" TTU after academician M.S. Osimi, sen@yandex.ru; M. A. Zaripova - Professor of the Department of Heat engineering and heat engineering equipment" TTU after named academician M.S. Osimi, mohirai69@list.ru; T. R. Tilloeva - postgraduate of the Department of Heat engineering and heat engineering equipment" TTU after named academician M.S. Osimi, tahmina87@mail.ru.
