ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 2, с. 313-320
МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИЗМЕРЕНИЙ
УДК 536.632 + 536.412
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГАЛОГЕНЗАМЕЩЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ТЕПЛОПРОВОДЯЩЕМ КАЛОРИМЕТРЕ
© 2004 г. 3. И. Зарипов, С. А. Бурцев, А. В. Гаврилов, Г. X. Мухамедзянов
Казанский государственный технологический университет Поступила в редакцию 26.07.2002 г.
В теплопроводящем калориметре измерены значения коэффициентов теплового расширения и сжимаемости, изобарной теплоемкости и температуропроводности трех бромзамещенных предельных углеводородов бромистого бутила, бромистого гексила, бромистого гептила при температуре 298-363 К в диапазоне давления 0.098-147 МПа. Проведено сравнение экспериментальных данных по изобарной теплоемкости с результатами расчета. Предложены обобщенные зависимости для определения теплоемкости и температуропроводности.
ВВЕДЕНИЕ
Данная работа является продолжением серии измерений теплофизических свойств органических соединений [1-6] и посвящена экспериментальному исследованию калорических и термических свойств отдельных представителей бромзамещенных предельных углеводородов СпН2п + 1Вг. Из всех свойств для этих жидкостей наиболее изучены коэффициенты теплопроводности X и изобарная теплоемкость СР. Результаты измерений, приведенные в [7-9], ограничены атмосферным давлением. Практически отсутствуют сведения по X и СР, температуропроводности а, коэффициентам теплового расширения а и изотермической сжимаемости РТ при высоких давлениях и температурах Т > 323 К. Полную информацию о вышеперечисленных свойствах могут дать исследования уравнения состояния по Р-У-Т-данным. Задача облегчается при известных значениях а и РТ, которые позволяют установить связь термических коэффициентов с теплофизическими свойствами и получить значения всех термодинамических величин. С этой целью были выполнены исследования комплекса свойств: СР, а, а и РТ для бромистого бутила, бромистого гексила и бромистого гептила в широком интервале изменения
температур и давлений, основные физико-химические свойства которых приведены в табл. 1.
Экспериментальная часть. Исследования выполнены на модернизированной установке [5, 6], реализующей метод теплопроводящего калориметра с автоматическим сбором и обработкой информации (рис. 1), в которой основные узлы остались без изменений. Отличие данной экспериментальной установки от [2] заключается в другой конструкции микрокалориметра и микрокалориметрических элементов (рис. 2) [5], а также в возможности одновременного измерения комплекса значений СР и а, а и РТ в измерительных ячейках, подобных [2] и размещенных в разных микрокалориметрических элементах. Оба микрокалориметрических элемента являются измерительными, их ячейки заполняются исследуемой жидкостью. Один служит для измерения теплоемкости и температуропроводности, другой предназначен для измерения коэффициента теплового расширения и сжимаемости. Дифференциальные термобатареи микрокалориметрических элементов включены в разные мостовые схемы. Такая схема включения дифференциальных термобатарей позволяет использовать их одновременно в качестве нагревателей. Сигнал разбаланса термопар снимается с диагонали моста, усиливается и пода-
Таблица 1. Основные физико-химические свойства бромзамещенных предельных углеводородов
Вещество Показатель 20 преломления п0 Плотность 20 , 3 р4 , кг/м3 Исследованный интервал параметров
Т, К Р, МПа
Бромистый бутил 1.4388 1277.6 298-363 0.098-147
Бромистый гексил 1.4461 1171.2 298-363 0.098-147
Бромистый гептил 1.4501 1137.6 298-363 0.098-147
Рис. 1. Экспериментальная установка: 1 - микрокалориметр; 2 - система термостатирования; 3 - система заполнения, создания и измерения давления; 4 - блок регулирования температуры и обработки данных.
Рис. 2. Микрокалориметр: 1 - медный блок, 2 - микрокалориметрические элементы, 3 - конус, 4 - термопара, 5 - нагреватель, 6 - термостатирующая оболочка, 7 - крышка, 8 - экраны, 9 - крышки экранные.
9
1
2
4
3
9
ется на вход измерительного комплекса на базе IBM PC Pentium с аналого-цифровым преобразователем PCL-711S.
Суть методов измерения заключается в косвенном определении теплофизических свойств по значениям тепловых потоков, поступающих от ячеек и воздействующих на термоэлектрические батареи, расположенные в микрокалориметрических элементах. При измерениях CP и а тепловой поток создается за счет поверхностного нагрева термоэлектрической батареи эффектом Пель-тье, а при измерениях а и 0т - давлением, приложенным к исследуемой жидкости.
Методика измерений изобарной теплоемкости и температуропроводности. Расчетная формула для определения теплоемкости CP и температуропроводности а имеет вид [2, 4, 10]
Cp —
C'Pm' Qx - Q C'Pm' - C'Pm"
mx
Q"- Q
mx
a —
■K.wR4l
"16Q7'
(i) (2)
Здесь С'Р, С'Р, СР - соответственно изобарные теплоемкости эталонных и исследуемых жидкостей, кДж /(кгК); ш', т", тх - массы эталонных и исследуемых жидкостей, кг; Q', Q", Qx - площади термограмм, пропорциональные тепловым потокам, полученные для различных масс эталонных и исследуемой жидкостей; а - температуропроводность исследуемой жидкости; Я - внутренний радиус измерительной ячейки; м> и I - соответственно удельная тепловая мощность единицы объема и длина измерительной ячейки с исследуемой жидкостью.
Определение теплоемкости по (1) требует проведения измерений эталонной жидкости с двумя различными массами т' и ш" и массой тх исследуемой жидкости. В данной работе в качестве эталонной жидкости выбрана дистиллированная вода. Формула (1) применялась для определения теплоемкости жидкостей при атмосферном давлении в интервале температур от 298 К до 363 К. Расчет температуропроводности по (2) не вызывает никаких затруднений. При исследованиях в области высоких давлений используется относительный вариант измерений со следующими формулами:
QpmP
C P — Cp ,
P Ро Qpn mp
a p — a p
Rp }2Pp
Qp
'QpnVrpJ Pp,
(3)
(4)
где CP, СР0; ^ шР0; ^ Qp0; ^ аР0; Pp, Рр0 ; ^
ЯРо - соответственно изобарные теплоемкости,
массы, площади термограмм, температуропроводности, плотности исследуемой жидкости, внутренние радиусы измерительной ячейки при давлении Р и атмосферном давлении Р0. Площади термограмм QP, QPt¡, входящие в (3) и (4), получены для одной и той же жидкости при давлении Р и Р0. Используя методику измерения теплоемкости [2, 4], возможно определить температуропроводность по (4).
Способ одновременного измерения изобарной теплоемкости и температуропроводности был опробован на эталонной жидкости - воде (= 1.3329,
Р2? = 997.1 кг/м3) при Р < 100 МПа и температурах 298 К, 323 К и 348 К. В табл. 2 приведено сравнение полученных результатов по СР и а с данными [11]. Значения температуропроводности алит рассчитаны по справочным данным X, СР и р [11]. Расхождения по изобарной теплоемкости не превышают ±1%, по температуропроводности ±1.2% во всем интервале изменения температур и давлений. Доверительные границы общей погрешности измерения (Р = 0.95) изобарной теплоемкости и температуропроводности менее 2%.
Методика измерения коэффициента теплового расширения и сжимаемости. Расчетная формула метода измерения коэффициента теплового расширения а имеет вид [12]
а—
VApT + аг'
(5)
где а и аг - коэффициент теплового расширения исследуемой жидкости и материала ячейки, 1/К; д = Q/(XkyС)- количество теплоты, Вт с; Q -площадь под кривой термограммы, В с; X - чувствительность термобатареи, В/Вт; куС - коэффициент усиления; V - объем жидкости в ячейке, м3; АР - избыточное давление, Па; Т - температура, К.
Расчетная формула для определения коэффициента изотермической сжимаемости РТ, полученная из уравнения состояния в дифференциальной форме (дУ/дР)Т = -(ЭУ/ЭТ)Р/(ЭР/ЭТ)У, с учетом (5) имеет вид
Рт
= q AT V (Ap )2 T
A T аг Ap
(6)
где АТ - максимальный перепад температуры в жидкости, К.
Расчет коэффициента теплового расширения по (5) и коэффициента изотермической сжимаемости по (6) требует проведения калибровочных опытов по рекомендациям [10, 12] для определения чувствительности термобатареи. Объем из-
Таблица 2. Сравнение изобарной теплоемкости Ср и температуропроводности а воды при различных температурах и давлениях
Р, МПа Ср, кДж/(кг К) (Ср - Ср )/Ср х 100% Г .тлит г а х 107, м2/с (а - алит)/а х 100%
автор [11] автор [11]
Т = 298 К
0.098 4.183 4.180 0.07 1.457 1.459 -0.11
39.2 4.119 4.080 0.95 1.503 1.511 -0.5
98 3.963 3.981 -0.45 1.597 1.578 1.19
Т = 323 К
0.098 4.175 4.174 0.02 1.563 1.557 0.38
49 4.067 4.082 -0.37 1.625 1.618 0.43
68.6 4.025 4.053 -0.69 1.657 1.642 0.91
98 3.991 4.011 -0.50 1.679 1.671 0.12
Т = 348 К
0.098 4.192 4.191 0.02 1.632 1.633 -0.07
49 4.130 4.099 0.75 1.690 1.696 -0.36
98 4.014 4.026 -0.29 1.768 1.751 0.95
мерительной ячейки при атмосферном давлении и температуре 298 К определяется тарировкой по эталонной жидкости (воде). Влияние температуры и давления на объем ячейки учитывается соответствующими поправками. Значения кУс, АР, Т, входящие в (5), (6), измеряются в эксперименте. Количество тепла q, разность температур АТ определяются из полученной термограммы. Следовательно, для нахождения значений коэффициен-
а х 103, К-1
Рис. 3. Сравнение экспериментальных значений коэффициента теплового расширения н-бутилового спирта (сплошные линии) с данными [13] при различных температурах и давлениях: 1 - Т = 298 К, 2 - Т = 323 К, 3 -Т = 348 К, 4 - Т = 363 К.
та изотермической сжимаемости достаточно применить методику измерения а [2], поскольку величины, входящие в (5), (6), могут быть получены из одной и той же термограммы.
Результаты контрольных измерений а и вТ н-бу-
тилового спирта (п = 1.3995, р45 = 809.5 кг/м3), приведенные на рис. 3, 4, в исследованном интервале параметров хорошо согласуются с данными работ [13, 14]. Расхождения в среднем не превышают ±2%, что лежит в пределах суммарной ошибки измерений. Доверительные границы об-
вт х 109, Па-1
Рис. 4. Сравнение экспериментальных значений коэффициента сжимаемости н-бутилового спирта (сплошные линии) с данными [14] при различных
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.