Экспериментально-теоретическое исследование радиационно-кондуктивного теплообмена в цилиндрических коаксиальных слоях полупрозрачных органических жидкостей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Экспериментально-теоретическое исследование Радиационно-кондуктивного теплообмена в цилиндрических коаксиальных слоях полупрозрачных органических жидкостей

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Панфилович Владислав Казимирович

Казань, 2007

Работа выполнена на кафедре «Вакуумная техника электрофизических установок» Казанского государственного технологического университета.

Научный руководитель:доктор технических наук, профессор

Аляев Валерий Алексеевич

Официальные оппоненты:доктор технических наук, профессор

Тарасевич Станислав Эдуардович

кандидат технических наук, доцент

Гребенщиков Леонид Тимофеевич

Ведущая организация:ОАО Волжский научно-исследовательский институт углеводородного сырья (г.Казань)

Защита диссертации состоится «14» ноября 2007г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г.Казань, ул. К. Маркса 10, зал заседаний Ученого совета.

Автореферат разослан «12» октября 2007г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцентКаримова А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Органические жидкости находят широкое применение в промышленности. Это сырьё и продукты химической и нефтехимической промышленности, топливо и смазочные материалы в авиации и автомобильном транспорте и др.

Многие органические жидкости в той или иной степени полупрозрачны в инфракрасной области. Теплообмен между такими жидкостями и ограждающими поверхностями при отсутствии конвекции осуществляется молекулярной (кондуктивной) теплопроводностью и излучением. Соотношение между молекулярными потоками тепла и потоками тепла, передаваемыми излучением, зависит от оптических постоянных (коэффициента поглощения и показателя преломления) жидкости и радиационных характеристик (степень черноты, поглощательная способность) и индикатрисы рассеяния ограничивающих поверхностей.

Вклад радиационного потока в полный радиационно-кондуктивный поток также существенно зависит от температуры жидкости и геометрического фактора - толщины слоя. Доля радиационного потока может достигать нескольких десятков процентов.

Поле температур в слое жидкости формируется под влиянием кондуктивных и радиационных потоков тепла. Количественные оценки сложного радиационно-кондуктивного теплообмена во многом сдерживаются отсутствием данных по молекулярным коэффициентам теплопроводности и оптическим характеристикам органических жидкостей.

Одной из проблем, связанных с радиационно-кондуктивным теплообменом, является нахождение молекулярной составляющей коэффициента теплопроводности. Особенно это важно при высоких температурах, когда доля радиационного переноса тепла значительна.

Большинство данных по коэффициентам теплопроводности, приводимых в справочной литературе, являются эффективными, содержащими как молекулярную, так и радиационную составляющие. Справочные данные по коэффициентам теплопроводности получены в основном методом нагретой нити.

Спектры органических жидкостей измеряются, как правило, при комнатной температуре. Предназначены они для спектрального анализа и приводятся в справочной литературе в виде рисунков малого формата. Пользоваться ими для численных расчетов затруднительно.

В современной химической, нефтехимической и других отраслях промышленности встречаются задачи радиационно-кондуктивного теплообмена при температурах до 500К и выше. Результаты экспериментальных и численных исследований, имеющиеся в литературе, получены в существенно отличающихся друг от друга условиях, что не позволяет использовать их для разработки численно-экспериментального метода определения необходимого числа параметров радиационно-кондуктивного переноса тепла в жидкостях. В работах научной теплофизической школы Казанского государственного технологического университета проведено комплексное исследование радиационно-кондуктивного переноса тепла в жидкостях. Выполнено измерение молекулярной теплопроводности жидкостей. Проведены экспериментально-теоретические исследования радиационно-кондуктивного переноса тепла в плоских слоях полупрозрачных жидкостей в селективной постановке.

Аналогичные исследования радиационно-кондуктивного теплообмена в цилиндрических коаксиальных слоях жидкостей в селективной постановке отсутствуют.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной задачи экспериментально-теоретического исследования радиационно-кондуктивного переноса тепла (анализ распределений температур и радиационных потоков тепла, расчет молекулярной и радиационной составляющих коэффициента теплопроводности) в селективной постановке в цилиндрических коаксиальных слоях поглощающих и излучающих жидкостей.

Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы - разработка в селективной постановке экспериментально-теоретической математической модели и численного метода расчета радиационно-кондуктивного теплообмена в цилиндрических коаксиальных слоях полупрозрачных органических жидкостей. Исследование распределения температур и радиационных потоков тепла в слоях полупрозрачных органических жидкостей. Расчет коэффициентов молекулярной и радиационной теплопроводности исследованных жидкостей.

Поставленная цель достигается решением следующих задачи:

- разработка стенда и измерение спектров пропускания исследуемых жидкостей, расчет коэффициентов поглощения и показателей преломления;

- разработка экспериментально-теоретической математической модели теплообмена в цилиндрических слоях органических жидкостей, позволяющей анализировать закономерности радиационно-кондуктивного теплообмена, а также численное моделирование распределения температур, радиационных потоков, коэффициентов молекулярной и радиационной теплопроводности жидкостей, разработка алгоритма для их расчета.

Научная новизна.

- измерены спектры пропускания н-октана, бензола, толуола, этилбензола, мета-ксилола, изопропилбензола, ацетона, метилбутилкетона и метиламилкетона, рассчитаны коэффициенты поглощения в широком интервале температур от комнатной до температуры кипения; 1-гексена при давлениях до ~10 МПа в интервале температур от 345К ло 440К;

- впервые определены показатели преломления этих жидкостей;

- разработана экспериментально-теоретическая модель теплообмена в цилиндрических слоях полупрозрачных жидкостей в селективной постановке;

- установлен характер распределения температур и радиационных потоков тепла в цилиндрических коаксиальных слоях полупрозрачных жидкостей;

- проведен расчет коэффициентов радиационной и молекулярной теплопроводности исследованных жидкостей.

Практическая значимость. Результаты работы, представленные в виде экспериментально-теоретической модели, позволяющей рассчитывать распределение температур, радиационную и молекулярную составляющие полного потока тепла в цилиндрических слоях органических жидкостей в широких интервалах изменения температур, служат для: расчета и проектирования теплообменного оборудования нефтехимических производств, в которых используются исследуемые в работе жидкости.

- расчета радиационного и радиационно-кондуктивного теплообмена в различных теплотехнических устройствах;

- снижения энергозатрат при использовании теплообменного оборудования, где нагреваемыми или охлаждаемыми средами являются полупрозрачные органические жидкости.

Автор защищает:

- результаты экспериментальных исследований спектров пропускания и оптические характеристики (спектральные коэффициенты поглощения и показатели преломления) десяти органических жидкостей: н-октана, 1-гексена, бензола, толуола, этилбензола, мета-ксилола, изопропилбензола, ацетона, метилбутилкетона и метиламилкетона;

- экспериментально-теоретическую математическую модель переноса тепла в цилиндрических слоях полупрозрачных органических жидкостей в селективной постановке, позволяющую установить закономерности переноса тепла и проводить расчеты радиационно-кондуктивного теплообмена в селективной постановке;

- методы и алгоритмы численно-экспериментального определения коэффициентов радиационной и молекулярной теплопроводности, распределения температур и радиационных потоков в цилиндрических коаксиальных слоях полупрозрачных органических жидкостей в рамках селективной модели на основе имеющихся данных по результатам измерений эффективного коэффициента теплопроводности. Комплекс коэффициентов молекулярной и радиационной теплопроводности исследованных жидкостей.

Апробация работы и научные публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, 5 статей, 3 из них в журнале, рекомендуемом по списку ВАК Российской Федерации. Основные положения диссертационной работы докладывались на XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (г.Санкт-Петербург-2005 г.); на VII Всероссийском семинаре «Сеточные методы для краевых задач и приложения» (г.Казани-2007г.); на ежегодных научных конференциях Казанского государственного технологического университета в 2004-2007 гг.

Личный вклад. Все основные результаты получены лично автором. Использованные материалы других авторов помечены ссылками. В постановке задач и обсуждении результатов принимал участие научный руководитель д.т.н., профессор Аляев В.А.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

1. Корректными измерениями с использованием высокоточных приборов.

2. Согласованностью измеренных спектров пропускания с имеющимися в литературе.

3. Применением в процессе вывода расчетных зависимостей фундаментальных физических и математических понятий и методов.

4. Экспериментальной проверкой экспериментально-теоретической модели теплообмена в цилиндрических слоях жидкостей.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 171 страницу машинописного текста и состоит из введения, трех глав основного текста, 57 рисунков, 12 таблиц, приложения и выводов. Список литературы включает 102 наименования.

Основное СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

спектр пропускание преломление теплообмен

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены цель и задачи исследований, научная новизна, дается общая характеристика работы.

В первой главе приводятся математические модели радиационно-кондуктивного переноса тепла. Даны дифференциальные уравнения переноса энергии и радиационного теплообмена в присутствии поглощающей и излучающей жидкости. Рассмотрены их решения в сером приближении и для плоского слоя в селективной постановке. Приведены способы представления коэффициентов поглощения в сером приближении для оптически тонких и оптически толстых сред и среднеинтегральный по спектру коэффициент поглощения. Рассмотрены результаты расчета распределения температур в плоском слое и влияние радиационных потоков тепла на поле температур. Приведены результаты расчетов распределения потоков тепла по плоскому слою. Анализируются численные расчеты радиационно-кондуктивного теплообмена в плоском слое при использовании селекетивных оптических констант жидкости. Показано, что применение оптичечких констант в сером приближении приводит к значительным ошибкам в расчетах радиационных потоков тепла. Показано, что численные расчеты распределения температур и радиационных составляющих коэффициента теплопроводности при радиационно-кондуктивном теплообмене в селективной постановке для органических жидкостей проведены для плоских систем. Рассмотрены результаты экспериментальных исследований радиационно-кондуктивного теплообмена в жидкостях применительно к исследованиям коэффициентов молекулярной теплопроводности жидкостей. Для коэффициентов радиационной теплопроводности предложена приближенная формула

л_r = 16/3 уn²BT³ (1)(1.28)

где у - постоянная излучения абсолютно черного тела; n - средний показатель преломления., В - эмпирические константы для каждой из трех выделенных групп жидкостей.

Показано, что в литературе приведены коэффициенты молекулярной теплопроводности для ограниченного числа органических жидкостей.

Во второй главе дано описание экспериментальной установки и методики измерений. Спектры пропускания записывались на инфракрасном спектрофотометре SPEKORD M80 (спектральный диапазон 4000…200 см^-1; точность индикации: волновое число - 0,1 см^-1; пропускание - 0,01% в интервале 0,00-99,99%; экстинкции 0,0001% до 0,9999; 0,001 в интервале 1,000-1,999; 0,01 в интервале 2,00-2,99; 0,1 в интервале 3,0-3,9). Штатные кюветы спектрофотометра рассчитаны для применения до 100°С. В такой конструкции трудно обеспечить постоянную температуру слоя жидкости по радиусу кюветы и нельзя проводить измерения при температуре выше 100С.

В экспериментальном стенде (рис.1) кювета, заполненная исследуемой жидкостью, установлена в рабочем канале, пустая - в канале сравнения.

Высокотемпературная ячейка (рис. 2а) изготовлена из нержавеющей стали. Корпус ячейки - цилиндр длиной 180 мм. В центре установлены окна из синтетического кристалла KRS-5. Его коэффициент поглощения в интервале длин волн до ~30 мкм близок к нулю. Между кристаллами установлено кольцо из фольги. Толщина кольца задает толщину слоя исследуемой жидкости.

Перед заполнением жидкостью система вакуумировалась. Повышение давления в ячейке обеспечивал тепрмокомпрессор. Создание и поддержание температуры осуществлялось нагревателем (ТЭНом). Температура жидкости в ячейке измерялась медь-константановыми термопарами.



Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 - высокотемпературная измерительная ячейка; 2 спектрофотометр «Specord M80»; 3- термопары; 4 - переключатель термопар; 5- вольтметр цифровой Ф-30; 6- лабораторные автотрансформаторы; 7- стабилизаторы напряжения С-0,9; 8 - термокомпрессор; 9- вакуумный насос; 10- ловушка; 11- тепловой вакуумметр; 12- заливное устройство; 13- манометр; 14- краны; 15- компьютер для оцифровки и обработки спектров

В предварительных опытах были измерены температуры окон и внутренней поверхности корпуса ячейки (рис. 2б). Применение длинного корпуса, прогреваемого по всей длине, позволило снизить перепад температур по радиусу окон и по длине ячейки при температуре 450 К до 0,66 градуса.

Рис. 2. а) Измерительная ячейка. 1- корпус; 2- окна; 3- кольцо из нержавеющей стали; 4- нагреватель. б) - Схема измерений температур в ячейке, цифрами отмечено расположение термопар



Рис.3. Коэффициенты поглощения и показатель преломления метилбутилкетона. Т=373,3К

Спектры пропускания жидкости записаны при одинаковых температурах ячеек с шагом 4 см^-1 и выведены на компьютер. По ним с тем же шагом найдены спектральные коэффициенты поглощения и по приближенной методике Крамерса-Кронига определены показатели преломления.

Измерены и обработаны спектры пропускания в области жидкого состояния при атмосферном давлении н-октана, бензола, толуола, этилбензола, мета-ксилола (диметилбензола), изопропилбензола, ацетона, метилбутилкетона, метиламилкетона и 1-гексена при повышенных давлениях.

В третьей главе разработана экспериментально-теоретическая математическая модель и предложен метод численного расчета параметров радиационно-кондуктивного теплообмена в цилиндрических коаксиальных слоях поглощающих и излучающих органических жидкостей.

Предложен численный метод определения плотности радиационного потока при заданном распределении температуры в слое полупрозрачной поглощающей и излучающей среды, заполняющей пространство между двумя бесконечными коаксиальными цилиндрами радиусами .

Предполагается, что поле температур и интенсивность излучения обладают осевой симметрией, поверхности цилиндров диффузно излучающие и зеркально отражающие. Уравнение для интенсивности излучения вдоль направления записывается в виде

. (2)

Здесь - интенсивность излучения, - коэффициент поглощения,

есть функция Планка, n - показатель преломления, h - постоянная Планка, c₀ - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана, - частота излучения, - температура среды.

Плотность радиационного потока находится методом прямого моделирования (близкий подход использовался А.А. Менем). Непосредственным следствием уравнение (2) является соотношение:

,

где - интенсивность излучения в точке в направлении , - расстояние между точками , - угол между направлением и плоскостью . Зависимость участвующих здесь величин от частоты не указывается. Аналогично

,

где - яркость внутренней цилиндрической поверхности, - отражательная способность, - температура поверхности внутреннего цилиндра, - расстояние между точками . Второе слагаемое в правой части равенства соответствует радиации, отраженной от поверхности внутреннего цилиндра в направлении точки . Точно так же

,

Рис. 4

где индекс 2 соответствует наружному цилиндру. В результате оказывается

, где (3)

,, , .

В случае, когда , т. е. точка лежит на наружном цилиндре (см. рис. 4), имеем:

,(4)

где , , . Равенства (3), (4) позволяют подсчитать интенсивность излучения, поступающего в точку слева. Интенсивность излучения, поступающего справа, подсчитывается аналогично. Тогда плотность теплового потока есть

Здесь - интервал излучаемых частот - интенсивность излучения, приходящего слева и справа в точку , - элемент площади поверхности единичной сферы. Таким образом, определение величины сводится к вычислению интегралов . После замены переменной они принимают вид с гладкой функцией , что дает возможность использовать интерполяционную квадрату с сингулярным весом .

Затем конструируется численный метод, решения задачи о радиационно-кондуктивном теплообмене в цилиндрическом слое поглощающей и излучающей среды. Если считать заданными коэффициент молекулярной теплопроводности , суммарный тепловой поток и температуру внутреннего цилиндра то

.

Это соотношение - нелинейное интегральное уравнение относительно функции . Для его решения применялся метод типа простой итерации:

, (5)

где k - номер итерации, - итерационный параметр.

Далее описывается итерационный метод решения обратной задачи об определении коэффициента молекулярной теплопроводности. Предполагается, что в результате эксперимента оказываются известными следующие величины: Q - полный тепловой поток через ячейку, - температура внутреннего цилиндра, - температура внешнего цилиндра, а также спектральные зависимости коэффициента поглощения, показателя преломления жидкости, отражательных способностей поверхностей цилиндров. Предполагается, также, что перепад температур настолько мал, что искомый коэффициент молекулярной теплопроводности _к можно считать постоянным по толщине слоя. При выполнении этих условий получаем уравнение , решение которого находилось итерационным методом:

где строилось при помощи метода (5). Как правило, требуется не более четырех итераций для отыскания значения _к с точностью порядка 0.01%.

Проведен численный анализ распределения температур в цилиндрических слоях полупрозрачных органических жидкостей в зависимости от величины слоя, оптических характеристик поверхностей цилиндров и перепада температур в слое ?Т. Среда принималась селективной.

Радиационный потока тепла искажает логарифмическое распределение температуры в цилиндрическом слое. Избыточная температура Т_L -Т_r (Т_r -температур жидкости при отсутствии радиационного потока тепла) существенно несимметрична (рис.5). При одинаковых отражательных способностях поверхностей R₁ и R₂ (рис.5а), величина Т_L-Т_r меняют знак около r/r₁ равных 1,6 - 2. Сильный перекос отражательных способностей поверхностей приводит к резкому изменению вида распределения избыточных температур по слою жидкости.

Распределение температуры в цилиндрическом слое при относительно большой толщине r₂/r₁=10 имеет существенно другой характер (рис. 5б).

Рис 5. Влияние радиационных характеристик поверхностей на распределение избыточной температуры в цилиндрическом слое метилбутилкетона.Т=373,3К; ?Т=5К. а - r₂/r₁=2,5 , б - r₂/r₁=10

Характер поведения Т_L-Т_r для разных ?Т при одном r₂/r₁ сохраняется, но изменяется амплитуда отклонений величин Т_L-Т_r.

Распределение температур в цилиндрических коаксиальных слоях жидкостей при радиационно-кондуктивном теплообмене в селективной постановке исследовано впервые.

Проведена численная оценка влияния серых приближений и селективного представления коэффициентов поглощения на распределение радиационного потока тепла в цилиндрических слоях. Спектральный коэффициент отражения R₁ принят для неполированной платины, отражения R₂ для стекла марки КИ. Линии результирующих радиационных потоков теплового излучения q_r не симметричны (рис.6а). Распределение q_r для тонкого цилиндрического слоя (r₁ = 10 мм , д = 1мм) (рис.6б) приближается к симметричному как для плоского слоя, что подтверждает надежность разработанной методики.

В полосах поглощения жидкость может быть оптически толстой, в промежутках между ними-оптически тонкой. При расчетах радиационно-кондуктивного теплообмена в цилиндрических слоях (также как и в плоских) полупрозрачных жидкостей использование серых приближений может привести к большим погрешностям.

Рис.6. Результирующий радиационный поток тепла в цилиндрическом слое метилбутилкетона. Т=373,3 К. а) д/r₁=4,32; б) R₁=R₂=0,75; д/r=0,1

Экспериментально-теоретический расчет коэффициента молекулярной теплопроводности поглощающих и излучающих жидкостей. Эффективные коэффициенты теплопроводности м-ксилола и 1-гексена взяты из справочника*, остальных жидкостей, измеренных методом нагретой нити (d₁=0,097 мм, d₂=0,936 мм) - из работы***.

В реальных процессах радиационно-кондуктивного теплообмена нагреватель платиновая проволока ~ 0,1 мм. Материал внешней стенки обычно стекло. В расчетах приняты селективные отражательные способности неполированной платины и кварцевого стекла марки КИ.

Рассчитанные коэффициенты теплопроводности даны в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

№	Т, К	,	,	r103,	%
н-Октан
1	296,2	0,1275	0,1267	0,8	0,6463
2	341,2	0,1139	0,1125	1,4	1,2015
Бензол
3	298,15	0,1442	0,1431	1,1	0,769
4	323,15	0,1355	0,1341	1,4	1,119
5	335,15	0,1318	0,1302	1,6	1,229
6	349,15	0,1268	0,12506	1,74	1,359
Толуол
7	294,35	0,1344	0,1334	1,0	0,750
8	323,05	0,1261	0,1247	1,4	1,123
9	347,75	0,1189	0,1172	1,7	1,451
10	369,45	0,1126	0,1106	2,0	1,808
11	377	0,1104	0,1083	2,1	1,939
Этилбензол
12	330,75	0,1221	0,1207	1,4	0,160
13	322,95	0,1241	0,12284	1,26	1,141
14	375,15	0,1108	0,1088	2,0	1,838
15	391,05	0,1068	0,10463	2,17	2,201
16	395,05	0,1058	0,1033	2,3	2,420
мета-Ксилол
17	303,65	0,1291	0,12812	0,98	0,7597
18	319,55	0,1251	0,1240	1,1	0,9014
19	365,95	0,1135	0,1117	1,8	1,5843
20	397,45	0,1056	0,1032	2,4	2,2349
Изопропилбензол
21	304,65	0,1205	0,1195	1,0	0,876
22	316,65	0,1179	0,11672	1,18	1,115
23	349,05	0,1108	0,1092	1,6	1,465
24	376,55	0,1047	0,1026	2,1	2,144
25	394,65	0,1008	0,0983	2,5	2,752
26	424,65	0,0942	0,0912	3,0	3,289
Ацетон
27	295,65	0,1601	0,1589	1,2	0,755
28	318,65	0,1520	0,1506	1,4	0,930
Метилбутилкетон
29	297,05	0,1396	0,1384	1,2	0,867
30	313,35	0,1356	0,1343	1,3	0,968
31	321,65	0,1336	0,1322	1,4	1,059
32	338,05	0,1297	0,1280	1,7	1,328
33	356,45	0,1252	0,1233	1,9	1,541
34	373,15	0,1212	0,1190	2,2	1,849
Метиламилкетон
35	296,65	0,1376	0,1365	1,1	0,806
36	303,55	0,1360	0,1347	1,3	0,965
37	314,95	0,1333	0,1319	1,4	1,061
38	341,55	0,1270	0,1254	1,6	1,276
39	366,75	0,1211	0,1190	2,1	1,765
40	392,85	0,1150	0,1123	2,7	2,404

Таблица 2 (1-гексен).

№	Р, МПа	,	,	r103,	%
Т = 345,95 К
1 2 3	7,554 3,925 1,473	0,1121 0,1105 0,1094	0,1103 0,1087 0,1077	1,8 1,8 1,7	1,632 1,656 1,578
Т = 375,45 К
4 5	8,534 3,925	0,1083 0,1060	0,1062 0,1039	2,1 2,1	1,977 2,021
Т = 387,65 К
6 7	8,063 3,943	0,1033 0,1009	0,1007 0,0983	2,6 2,6	2,582 2,645
Т = 420,65 К
8 9 10 11	9,436 3,865 1,472 1,217	0,0974 0,0934 0,0915 0,0913	0,0941 0,0901 0,0882 0,0880	3,3 3,3 3,3 3,3	3,507 3,663 3,741 3,750
Т = 440,49 К
12 13	8,848 3,905	0,0922 0,0878	0,0881 0,0840	4,1 3,8	4,654 4,524

В табл. 1 и 2 величина

Экспериментальные коэффициенты молекулярной теплопроводности н-октана, 1-гексена и исследованных ароматических углеводородов приведены в справочнике* и работе**. Погрешность измерений коэффициентов молекулярной теплопроводности по** составляет 2-3%. Результаты наших расчетов _к совпадают с экспериментальными данными в пределах погрешности измерений (рис. 7 - 9)

Рассчитанные _к н-октана на ~ 0,8% ниже данных** и на ~1% выше данных*, а этилбензола выше на 0,9% данных** (рис. 7). Расчет для бензола дает величины _к выше данных работы* и работы** на 1,5%. Коэффициенты молекулярной теплопроводности толуола (рис.8) выше экспериментальных по работе** и справочнику*. на 1%-1,5%.

Эффективные коэффициенты теплопроводности толуола измерены (Геллер В.З., Парамонов И.А., Татевосов Г. Д.,1973г.) для нескольких толщин и затем экстраполированы на нулевую толщину слоя для получения приближенного коэффициентов молекулярной теплопроводности. Они оказались несколько выше измеренных в работе** и ниже рассчитанных нами (рис.8).

Рассчитанные _к изопропилбензола ниже экспериментальных** на ~1,5% (рис.9), для м-ксилола расчет превышает эксперимент на 0,9%-2.5%. Экспериментальные коэффициенты молекулярной теплопроводности 1-гексена по данным** ниже рассчитанных.

Коэффициенты радиационной теплопроводности жидкостей найдены как разность = _эфф - _к. Они образуют группы по гомологическим рядам (рис. 10- 12).

Алкан н-октан имеет минимальную величину .

Кетоны (ацетон, метилбутилкетон, метиламилкетон) представляют вторую группу. Рассчитанные кетонов образуют практически одну растущую с температурой зависимость со слабым расслоением в направлении ацетон - метиламилкетон (рис.10а).

Коэффициенты радиационной теплопроводности 1-гексена, рассчитанные при давлениях до 10 МПа, практически не зависят от давления (табл. 2). Эти результаты согласуются с исследованиями Кравчуна С.Н. (МГУ, 1983 г.).



Рис.7. Коэффициенты молекулярной теплопроводности.

Автор: 1- бензол; 2- этилбензол; 3- н-октан; экспериментальные результаты - точки

В работе** для 1-гексена и других жидкостей также примерно постоянен при каждой температуре и разных давлениях.

Ароматические углеводороды - бензол и его гомологи толуол и этилбензол представляют следующую группу жидкостей. Их коэффициенты радиационной теплопроводности также образуют набор слаборасслаивающихся линий в направлении бензол-этилбензол (рис. 11).

Коэффициенты радиационной теплопроводности ароматических углеводородов мета-ксилола и изопропилбензола показаны на рис.10б.

Зависимости от температуры коэффициентов радиационной теплопроводности на рис.10 - 11 близки к линейным. Угловой коэффициент d/dT кетонов и 1-гексена равен ~3, мета-ксилола и изопропилбензола равен ~3,4, бензолов ~1. Изменение исследованных жидкостей с температурой не всегда соответствует формуле (1). Она применима для ограниченного числа жидкостей там, где ее справедливость установлена на основе данных по коэффициентам радиационной теплопроводности.

Рис.10 Коэффициенты радиационной теплопроводности: а) ацетона (1), 1-гексена (2), метилбутилкетона и метиламилкетона (3), н-октана (4); б) мета-ксилола и изопропилбензола

Рис.11. Коэффициенты радиационной теплопроводности бензола, толуола и этилбензола

Коэффициенты радиационной теплопроводности исследованных членов гомологического ряда можно использовать для прогнозирования соседей по гомологическому ряду.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Дан обзор приближенных и точных методов расчета радиационно-кондуктивного переноса тепла. Рассмотрены способы задания оптических свойств полупрозрачных сред и граничных поверхностей. Показано, что точное решение задач радиационно-кондуктивного теплообмена достигается при использовании спектральных оптических характеристик жидкостей. Такие решения выполнены в основном для плоских систем.

2. Разработан стенд и измерены спектры поглощения жидких органических соединений: н-октана, 1-гексена, бензола, толуола, этилбензола, мета-ксилола, пропилбензола, ацетона, метилбутилкетона и метиламилкетона в интервалах температур от комнатной до нормальной температуры кипения. Рассчитаны их спектральные коэффициенты поглощения и по приближенной методике Крамерса-Кронига определены показатели преломления.

3. Разработан новый экспериментально-теоретический математический метод расчета радиационно-кондуктивного переноса тепла в цилиндрических слоях полупрозрачных органических жидкостей. Проведен численный анализ влияния основных параметров, характеризующих процесс радиационно-кондуктивного теплообмена, на распределение избыточных температур и радиационных потоков в цилиндрических коаксиальных слоях поглощающих и излучающих органических жидкостей в селективном.

4. Разработанный экспериментально-теоретический метод, основанный на предложенном в диссертации способе определения распределения температур в цилиндрическом слое полупрозрачной жидкости, использован для расчета молекулярных коэффициентов теплопроводности полупрозрачных органических жидкостей по литературным эффективным коэффициентам теплопроводности, полученным методом нагретой нити, и оптическим характеристикам полупрозрачных органических жидкостей. Сравнение с имеющимися данными показало их хорошее совпадение.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

Научные статьи, опубликованные в изданиях, определенных ВАК:

1. В.К. Панфилович. Об одном методе определения коэффициента кондуктивной теплопроводности поглощающей и излучающей жидкости / В.А. Аляев, М.М. Карчевский, В.К. Панфилович // Авиационная техника. Известия высших учебных заведений. 2005г. №1 с. 42-45.

2. В.К. Панфилович. Исследование параметра радиационно-кондуктив-ного переноса тепла в тонких слоях н-гексана / В.К. Панфилович, С.Н. Михайлова, В.А. Аляев // Вестник Каз. технол. университета. Казань, 2001, №1, с. 12-14.

3. В.К. Панфилович. Оптические постоянные н-октана, н-нонана и н-декана / В.А. Аляев, В.К. Панфилович // Вестник Каз. технол. университета. Казань, 2005, №2, ч.II с. 84-85

Работы опубликованные в других изданиях

4. В.К. Панфилович. Исследование радиационно-кондуктивного переноса теплоты / В.К. Панфилович, С.Н. Михайлова, В.А. Аляев // Тезисы конференции «Тепло- и массообмен в химической технологии» посвященная 80-летию со дня рождения А.Г. Усманова. Казань, 2000.

5. В.К. Панфилович. Метод вычисления коэффициента кондуктивной теплопроводности полупрозрачных жидкостей / В.А. Аляев, М.М. Карчевский, В.К. Панфилович // XVIII Международная научная конференция. Математические методы в технике и технологиях. Сборник трудов. 2005г. Том 4.

6. В.К. Панфилович. Расчет коэффициентов молекулярной теплопроводности полупрозрачных жидкостей / В.К. Панфилович, В.А. Аляев // Материалы XI-й Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ. С-Петербург. 2005г. с. 63

7. В.К. Панфилович. Коэффициенты поглощения и показатели преломления некоторых полупрозрачных органических жидкостей / В.К. Панфилович, В.А. Аляев // Материалы XI-й Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ. С-Петербург. 2005г. с. 64.

8. В.К. Панфилович. Численное моделирование радиационно-кондуктивного теплообмена в цилиндрических слоях полупрозрачной среды / М.М. Карчевский, В.К. Панфилович // Материалы VII Всероссийского семинара «Сеточные методы для краевых задач и приложения». Казань. 2007 г. с. 126-131.

Размещено на Allbest.ru

...