New technique for measurement of thermal conductivity of liquids.pdf Теплофизические характеристики (ТФХ) жидкостей важны во многих природных и технологических процессах, где происходит теплоперенос с их участием. Для определения ТФХ жидкостей в основном используются три семейства методов и соответствующих конфигураций эксперимента, в которых тестируемое вещество образует плоский горизонтальный слой, цилиндрический слой или окружает горячую проволоку [1-3]. Эти же способы используют и для тестирования наножидкостей [4, 5]. Все они требуют наличия измерительной ячейки определенной конфигурации и имеют те или иные ограничения и недостатки, поэтому разработка новых способов определения ТФХ жидких, геле- и тестообразных сред весьма актуальна. В работе описан простой и удобный экспресс-способ определения теплопроводности таких сред, не требующий отбора пробы и помещения ее в измерительную ячейку. Для отработки этого способа в качестве образцов были использованы: вода дистиллированная, водный раствор глицерина (20, 50, 70%), глицерин (99.5%), масло растительное подсолнечное рафинированное, масло моторное минеральное Лукойл Moto 2T. Измерение теплопроводности жидкости в работе осуществлялось при помощи термозонда (вставка на рис. 1). Он представляет собой металлический стержень с полусферой на конце, которая на время измерения погружается в жидкость. Термозонд содержит термопары и электронагреватель для создания теплового потока. Перед измерением стержень разогревается до равновесного состояния, а затем приводится в контакт с испытуемой жидкостью. После достижения нового равновесного состояния регистрируются температуры Т1 и Т2 на участке стержня известной длины l. Вычисление теплопроводности жидкости производилось на основе измерений теплового потока в стержне и разности температур между погруженной в жидкость полусферой радиуса R и исходной температурой исследуемой жидкости. Характерное время установления стационарного распределения температур в жидкости - порядка R2/af, а в контролируемой части стержня - порядка l2/am, что для используемых материалов и геометрии в обоих случаях составляет порядка 10-30 с (af и am - коэффициенты температуропроводности жидкости и стержня соответственно). Медленные по сравнению с этим интервалом времени изменения температуры нагревателя не оказывают существенного влияния на результаты измерения, так что на временах > 50-100 с состояние системы можно считать квазистационарным. В приближении малой роли конвекции по сравнению с теплопроводностью и бесконечно большой теплопроводности материала полусферы по сравнению с исследуемой жидкостью распространение тепла в ней сферически симметрично. В стационарном режиме связь между тепловым потоком Q1 на границе полусферы и разностью температур ΔT между ее поверхностью Тs и температурой жидкости T0 хорошо известна и записывается в виде Q1 = 2πλfRΔT. В пренебрежении тепловым сопротивлением полусферы ΔT = Т2 - Т0. Тепловой поток измеряли по разности температур T2 - T1, фиксируемой двумя термопарами, расположенными вблизи нижнего конца стержня на расстоянии l друг от друга, так что Q2 = Sλm(T2 - T1)/l, где S, λm и l - известные и не меняющиеся от опыта к опыту величины сечения стержня, его теплопроводности и расстояния между термопарами соответственно. Считая рассеяние тепла на боковой поверхности стержня ниже точки, в которой измеряется T2, и на верхней плоскости полусферы малым, приравниваем Q1 и Q2. Отсюда λf = Sλm(T2 - T1)/2πRlΔT. Следует отметить, что зависимость результата измерения от свойств и геометрии зонда выражается в виде единого и неизменного сомножителя β = Sλm/2πRl, так что λf = β(T2 - T1)/ΔT. Кроме того, паразитный теплоотвод Q3 на участке между измерением градиента температуры и поверхностью контакта с исследуемой жидкостью не меняет вида зависимости, а только коэффициент β, так как Q3 ~ ΔT, как и Q1. При обработке данных, представленных в этой работе, никаких дополнительных поправок и перекалибровок данных не производилось. Для независимого контроля в работе применялся также известный метод медленного монотонного разогрева плоского слоя материала [3] с применением модернизированного прибора ИТ- -400. Модернизация позволила полностью автоматизировать процесс измерения теплопроводности, а также использовать данный прибор для жидких материалов. Исследуемая жидкость размещалась в медной кювете, образуя слой 1-2 мм между дном кюветы и верхним стержнем. В ходе адиабатического разогрева кюветы к слою жидкости подводился тепловой поток, обеспечивающий разогрев жидкого материала со скоростью 0.1 К/c. По известным значениям температур стержня и дна кюветы, а также значениям теплового потока и констант, определенным в ходе калибровки, вычислялась теплопроводность жидкости. На рис. 1 показана временная зависимость теплопроводности воды, раствора глицерина 50%-го и подсолнечного масла в условиях достигнутого теплового равновесия в процессе измерения предложенным в работе экспресс-методом. На рис. 2 показаны значения теплопроводности жидкостей, полученные методами термозонда и медленного монотонного разогрева в плоском слое, и их корреляция со справочными данными. Рис. 1. Зависимость теплопроводности от времени ее измерения до достижения стационарного состояния: 5 - вода, 6 - р-р глицерина 50%, 7 - масло подсолнечное. На вставке показана схема устройства термозонда: 1 - теплоизолирующий материал, 2 - электронагреватель, 3 - металлический стержень, 4 - полусфера, T1 и T2 - термопары Рис. 2. Экспериментальные значения теплопроводности жидкостей λE и их корреляция со справочными данными λR: кружки - метод медленного монотонного разогрева плоского слоя, квадраты - метод термозонда; 1 - масло моторное минеральное Лукойл Moto 2T, 2 - масло подсолнечное, 3 - глицерин, 4 - раствор глицерина 70%, 5 - раствор глицерина 50%, 6 - раствор глицерина 20%, 7 - вода Средняя ошибка измерения методом термозонда составляла ±0.02 Вт/(м∙К), а отклонение от справочных данных и известного времязатратного метода медленного монотонного разогрева в плоском слое не превышает 10%.

Скачать электронную версию публикации