Определения теплоемкости жидкости при их течении.

Попытка измерения теплопроводности непосредственно в потоке

по методу ламинарного режима была сделана Гретцем, Нуссельтом

[18, 22], а также Шумиловым и Яблонским [21]. Суть метода, анализ и

критика применяемого авторами метода ламинарного режима приве-

дены в книге Н.Ф. Цедерберга [43]. В результате принятых допущений

погрешность измерения теплопроводности исследуемых жидкостей

оказалась недопустимо высокой. Этот метод получил дальнейшее разви-

тие в Тамбовском институте химического машиностроения (с 1993 г.

переименованного в Тамбовский государственный технический универ-

ситет). Здесь при непосредственном участии проф. С.В. Пономарева

были разработаны измерительные устройства трех типов, реализую-

щие методы ламинарного режима [14 – 17, 24 – 36, 50].

Устройства первого типа предназначены для измерения коэффи-

циента температуропроводности a и комплексного реотеплофизиче-

ского параметра m. a, представляющего собой произведение коэффици-

ента динамической вязкости m на коэффициент температуропроводно-

сти a, при ламинарном течении жидкости в трубе с постоянной темпе-

ратурой стенки [24, 25, 51, 52, 53].

В качестве примера можно привести измерительное устройство,

описанное в авторском свидетельстве № 817562 [53]. Изобретение от-

носится к области теплофизических измерений и может быть исполь-

зовано для определения концентраций и теплофизических характери-

стик жидких сред. Для измерений используют дифференциальный

проточный калориметр. Устанавливают исходное значение сигнала

измерителя разности тепловых потоков между ячейками и тепловы-

равнивающим блоком при пропускании через ячейки калориметра ис-

следуемой жидкости и жидкости сравнения с равными расходами. За-

тем подводят к ячейкам равные тепловые мощности и измеряют рас-

ход в одной из ячеек, так чтобы значение сигнала измерителя разности

тепловых потоков вновь достигло исходного. По соотношению расхо-

дов и теплоемкости жидкости сравнения рассчитывают искомую вели-

чину. К недостаткам данного метода следует отнести то, что авторы не

учитывают количество тепла, выделяющееся вследствие диссипации

энергии при течении жидкости через ячейки калориметра. Данное уст-

ройство не может быть использовано для анализа теплофизических

характеристик высоковязких и неньютоновских жидкостей.

Способ определения температуропроводности жидкости описан в

авторском свидетельстве № 1495697 [54]. Используется сравнитель-

ный способ измерений. Исследуемая жидкость и жидкость сравнения с

равными исходными температурами пропускаются с постоянными и

равными расходами через теплообменные каналы. Температура стенок

теплообменных каналов задается равной для обеих жидкостей. Выби-

рают сечение жидкости с равными избыточными температурами. Их

удаления от начала теплообменных участков обратно пропорциональ-

ны температуропроводности жидкостей. Расчетная формула имеет вид

где а – температуропроводность исследуемой жидкости; а э – температу-

ропроводность жидкости сравнения; l э – расстояние от начала участка

теплообмена до сечения, в котором контролируется температура жидко-

сти сравнения; lх – расстояние от начала участка теплообмена до сече-

ния, в котором контролируется температура исследуемой жидкости.

Активная фаза измерений теплофизических характеристик по дан-

ному методу осуществляется в стационарном режиме. Для стабилизации

температурного режима между измерениями необходимо время. Это

приводит к увеличению длительности эксперимента и понижает произ-

водительность измерений. Также к недостаткам данного метода следует

отнести узкий диапазон температур (300…330 К), в котором проводятся

измерения теплофизических характеристик.

Устройства второго типа используются для измерения коэффици-

ента температуропроводности a, теплопроводности l, объемной тепло-

емкости c r и комплексного параметра m. a при ламинарном течении

жидкости в трубе, стенку которой обогревают равномерно распределен-

ным источником тепловой энергии (источником равномерно распреде-

ленного теплового потока) [27, 55 – 57].

В работе [59] приведены описание измерительного устройства

и результаты экспериментального исследования зависимости тепло-

проводности жидкостей на основе силикона от скорости сдвига в диа-

пазоне 0…300 с–1.

Измерительное устройство состояло из стеклянной трубки 4

(рис. 1.3), в которую через изоляторы 5 в направлении, совпадающем с

осью трубки, вставлен тонкий проволочный нагреватель, состоящий из

трех последовательно включенных участков 2 и 3. Участки 2 представ-

ляли собой проволочки из константана и выполняли функции охран-

ных нагревателей, а участок 3 был выполнен из никелевой проволоки

радиусом r 1 и являлся одновременно и нагревателем и термо-

преобразователем сопротивления. С помощью выводов 1 нагреватель

был включен в мостовую измерительную схему.

Метод измерения основан на зависимости температуры нагревае-

мой током проволочки из никеля 3 от теплопроводности омывающей

ее жидкости.

Математическая модель температурного поля в трубке 4 была за-

писана, исходя из следующих допущений [59]:

1) течение в трубке ламинарное;

2) поток однородный и устойчивый;

3) вязкость и теплопроводность

являются константами;

4) жидкость несжимаема;

5) скорости течения в направлени-

ях, не совпадающих с осью трубки, рав-

ны нулю;

6) вторая производная температу-

ры по координате вдоль оси трубы равна

нулю.

В итоге температурное поле в

трубке было предложено описать сле-

дующими дифференциальными уравне-

ниями [59]:

где r, cp – плотность и удельная теплоемкость жидкости; l – ее тепло-

проводность; r – радиальная координата; T – температура; m – динами-

ческая вязкость жидкости; v z – скорость потока жидкости в направлении

оси трубки; А – объемная плотность тепловыделений в нагревателе.

Результаты эксперимента свидетельствовали об увеличении теп-

лопроводности исследуемой жидкости (полиметилсилоксана) с увели-

чением скорости сдвига. Это могло быть вызвано нарушением режима

ламинарного течения в трубке. В то же время используемая модель

температурного поля в трубке не учитывала неньютоновские свойства

жидкости, текущей внутри трубки.

Другим методом исследования теплофизических свойств жидко-

стей при их течении в цилиндрических каналах является метод перио-

дического нагрева в автоматизированном варианте, реализованный

Л.П. Филипповым с сотрудниками [60]. Ранее этот метод успешно ис-

пользовался для определения теплофизических свойств жидкостей в

неподвижном состоянии. Его сущность состоит в регистрации колеба-

ний температуры зонда в виде тонкой проволоки (или фольги), вызы-

ваемых переменным током. Амплитуда и фаза колебаний температуры

зонда зависят от теплофизических свойств жидкости, в которую он

погружен (от ее теплопроводности и объемной теплоемкости).

Дата добавления: 2015-11-16