Теплофизические свойства жидкого воздуха и его компонентов - Вассерман А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Относительный метод плоского горизонтального слоя, предложенный Христиансеном еще в конце прошлого века [227, 228], в дальнейшем неоднократно применялся для определения теплопроводности. В частности, Л. П. Филиппов [229] создал установку для измерения теплопроводности газов и жидкостей в интервале температур 0—300° С при давлениях до 100 кГ/см2. Толщина слоя исследуемого вещества в установке составляла 0,4 мм, что препятствовало возникновению конвективного теплообмена. Для уменьшения утечек тепла с боковых поверхностей измерительной камеры были применены охранные кольцевые нагреватели. В качестве образцового вещества использовалось стекло толщиной 5 мм. Максимальная погрешность измерения теплопроводности оценивается автором [229] равной 3%.
Оригинальным является оптический вариант метода плоского горизонтального слоя, заключающийся в том, что градиент температур в слое исследуемой жидкости определяется непосредственно, оптическим путем, на основании зависимости показателя преломления жидкости от температуры. Количество тепла, прошедшее через слой жидкости, измеряется калориметрическим способом. Этот метод был развит в работах В. П. Фрон-тасьева [230—232] для измерения теплопроводности как отдельных жидкостей, так и жидких бинарных смесей. Результаты, полученные в работах [231, 232] для воды и многих органических жидкостей, достаточно надежны.
204
Другим весьма распространенным методом измерения теплопроводности является метод коаксиальных цилиндров, сущность которого состоит в следующем. Если имеется цилиндрическая труба из материала с коэффициентом теплопроводности К и ее внутренняя и наружная поверхности поддерживаются при температурах и t2 соответственно (^1 > /2), то согласно закону Фурье количество тепла, проходящее при установившемся режиме через стенку трубы за единицу времени,
Q = ^y-V1-12)9 (131)
г1
где T1 — внутренний радиус трубы; г2 — внешний радиус; / — длина.
Поместив между двумя коаксиальными цилиндрами исследуемое вещество, через которое проходит установившийся тепловой поток из внутреннего цилиндра, можно определить коэффициент теплопроводности по формуле
2я/ (*і — *2)
(132)
Метод коаксиальных цилиндров, аналогично методу плоского горизонтального слоя, называется абсолютным, если в опыте измеряются все величины, входящие в формулу, по которой рассчитывается теплопроводность.
Формула (132) может быть представлена и в виде
K = Aj-Q-J-, (133)
где А — постоянная установки, определяемая при помощи вещества с известной теплопроводностью. Использование найденного таким образом значения А является отличительной чертой относительного метода.
Метод коаксиальных цилиндров был впервые применен Стефаном [233] и Винкельманом [234]. Недостатком метода является утечка тепла с торцов измерительных цилиндров. Для предотвращения этого устанавливаются охранные нагреватели и вводится контроль за температурными полями. При создании установок, работающих по этому методу, вызывает также затруднения обеспечение соосности цилиндров. Кроме того, необходимы такие условия эксперимента, при которых в слое исследуемого вещества не возникает конвективного теплообмена (что особенно существенно при проведении опытов в критической области).
Установки, в которых использован метод коаксиальных цилиндров, успешно применяются в практике теплофизического эксперимента. Так, Н. Б. Варгафтик и С. В. Смирнова [235] построили установку для измерения теплопроводности азота и водяного пара абсолютным методом. Для жидкостей обыкновенно применялась относительная модификация метода, развитая в работах Л. П. Филиппова [236], Н. В. Цедерберга и Д. Л. Тимрота [237], Риделя [238] и др. Погрешность измерения теплопроводности в работах [236, 237] оценивается равной 2—3%.
Принципиальные основы метода коаксиальных цилиндров используются и в методе нагретой проволоки. В установках внутренний цилиндр заменен проволокой небольшого диаметра, которая используется одновременно как нагреватель и как термометр сопротивления. Исследуемое вещество помещается между проволокой и наружным цилиндром, диаметр которого уменьшен с целью исключения конвективного теплообмена. Метод нагретой проволоки, аналогично предыдущим, также может быть
205
абсолютным или относительным, при этом коэффициент теплопроводности рассчитывается по формуле (132) или (133).
Метод нагретой проволоки, предложенный Шлеермахером [239], в настоящее время стал одним из наиболее апробированных методов измерения теплопроводности жидкостей и газов. Для жидкостей его применили в своих работах Д. Л. Тимрот и Н. Б. Варгафтик [240], Е. П. Боровик и соавторы [241], А. К. Абас-заде [242], Н. В. Цедерберг и Д. Л. Тимрот [243] и ряд других отечественных и зарубежных исследователей. При использовании этого метода необходимо тщательно калибровать капилляр измерительной трубки, обеспечивать соосность проволоки и трубки, а в экспериментах под давлением уделять особое внимание предотвращению конвективного теплообмена.
Значительно позднее упомянутых выше стационарных методов определения коэффициента теплопроводности был предложен метод регулярного режима, являющийся нестационарным. Г. М. Кондратьев [244, 245] создал теорию регулярного режима, основанную на том, что в процессе охлаждения тела относительная скорость изменения температуры в единицу времени при таком режиме является постоянной и одинаковой во всех точках. Первоначально Г. М. Кондратьев на основании этой теории предложил методы измерения коэффициента теплопроводности твердых тел, а в дальнейшем [246] и жидкостей.
