ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕРНАРНЫХ СИСТЕМ С УЧЁТОМ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ

АННОТАЦИЯ

Проведено расчётное исследование методом сканирующего калориметра с учётом коэффициента теплоотдачи для определения коэффициента теплопроводности трёхкомпонентных систем кремниевой кислоты, многослойной углеродной нанотрубки и нанопорошка гидразина в интервале температур от 290 до 625К. На основе полученных результатов и закона соответственных состояний выведено эмпирическое уравнение для расчета коэффициента теплопроводности неисследованных опытным путем систем.

ABSTRACT

A computational study was carried out using the scanning calorimeter method, taking into account the heat transfer coefficient to determine the thermal conductivity coefficient of three-component systems of silicic acid, multilayer carbon nanotube and hydrazine nanopowder in the temperature range from 290 to 625K. On the basis of the obtained results and the law of the corresponding states, an empirical equation is derived for calculating the thermal conductivity coefficient of systems that have not been experimentally studied.

Ключевые слова: тернарная система, коэффициент теплопроводности, гидразин, многослойная углеродная нанотрубка, кремниевая кислота, температура, нагревание.

Keywords: ternary system, thermal conductivity, hydrazine, multilayer carbon nanotube, silicic acid, temperature, heating.

Одной из важных теплофизических характеристик является коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м.К), показывающий количество теплоты, проходящее через единицу поверхности в единицу времени при единичном градиенте температуры. Коэффициент теплопроводности зависит от вида среды, структуры вещества, температуры, давления, концентрации и т.д. Наибольшая теплопроводность наблюдается у металлов и сплавов, наименьшая - у газов. Коэффициент теплопроводности неметаллических твердых тел во многом зависит от их плотности, которая, в свою очередь, зависит от пористости. Увеличение пористости вызывает уменьшение плотности и, как следствие, снижение коэффициента теплопроводности [1. c. 75].

Целью исследования является определение коэффициента теплопроводности трёхкомпонентных систем кремниевой кислоты, МСУНТ и нанопорошка гидразина при нагревании.

Для того, чтобы исследовать коэффициент теплопроводности тернарных систем кремниевой кислоты, многослойной углеродной нанотрубки и нанопорошка гидразина экспериментальным способом  относительно порошковых материалов применялась установка сканирующего калориметра, позволяющая проводить измерения при различных температурах. Для определения коэффициента теплопроводности нами были использованы данные удельной теплоёмкости сканирующим калориметром в интервале температур от 290 то 625К и данные характеристики установок [1. c. 75, 2. c. 182]. Экпери-ментальная установка состоит из нагревателя, ячейки с высотой 26,5 мм и диаметром 30мм, соответственно площадью  с компонентами тернарных систем, термопарой, подставки для ячейки и самописца, подключаемого к персональному компьютеру при помощи кабеля USB [2-3].  

Для определения коэффициента теплопроводности в данной работе использовали следующее уравнение [3. с. 170]:

,        Вт/(м.К)                                                                  (1)

где - удельная теплоёмкость тернарных систем , - масса исследуемых образцов, - скорость нагрева,  -высота ячейки,   -площадь поперечного сечения  ячейки и - разность температуры [3. с. 170].

Результат расчета коэффициента теплопроводности по первой концентрации при нагревании приведены в таблице 1. 

Таблица 1.

Коэффициент теплопроводности трехкомпонентных систем кремниевая кислота, МУНТ и нанопорошок гидразина при нагревании

Как видно из таблицы, согласно первому эксперименту в интервале температур от 300 до 612К коэффициент теплопроводности увеличивается на 72%, во втором опыте в интервале температур от 296 до 616К коэффициент теплопроводности увеличивается на 72%, в третьем опыте в интервале температур от 281 до 630К коэффициент теплопроводности увеличивается на 85%. Используя данные таблицы, построим график зависимости коэффициента теплопроводности от температуры.

Рисунок 1. Изменение коэффициента теплопроводности тернарных систем при нагревании. Ряд1- опыт №1; Ряд2- опыт №2; Ряд3- опыт №3

Как видно из таблицы 1, при нагревании смесей: диоксида кремния и многослойных углеродных нанотрубок и нанопорошка гидразина, коэффициент теплопроводности увеличивается с увеличением температуры. Из рисунка 1 следует, что в этом температурном интервале коэффициент теплопроводности указанных материалов линейно возрастает для всех экспериментов.

В заключении можно сказать, что в каждом опыте коэффициент теплопроводности меняется по разному, то есть в первом опыте среднее значение коэффициента теплопроводности , во втором опыте среднее значение коэффициента теплопроводности  и в третьем опыте среднее значение коэффициента теплопроводность будет равна .

Для получения апроксимационной зависимости коэффициента теплопроводности исследуемых тернарных систем и их порошков функциональной зависимости в виде [4, 5]:

,                                                                                        (2)

теплопроводность образцов при температуре Т и Т₁= 454К Вели-чина  Т₁ соответствует середине температурного диапазона, в котором про-изводится измерение коэффициента теплопроводности исследуемых объектов, это способствует максимальному уменьшению разброса опытных данных на графике относительно общей прямой.

Рисунок  2.  Зависимость относительной коэффициента теплопроводности  смесей тернарных систем кремниевой кислоты, МСУНТ и нанопорошка гидразина от относительной температуры  для первой концентрации

На рисунке 2 показан рост относительной теплопроводности образцов с ростом относительной температуры по линейному закону [6,7]. Линии этих фигур описываются выражением:

Рисунка 2 демонстрирует рост относительной коэффициента теплопроводности образцов с увеличением относительной температуры по линейному закону [4. с.186, 5. с. 42]. Прямые этих рисунков описываются как выражение:

                                      (3)

Выражения 3 показывает, что при известном значении  представляется возможным рассчитать коэффициент теплопроводности изучаемых материалов с изменениями температуры, которое связано с добавлением массы нанопорошка гидразина:

                                                                      (4)

Линию, изображенную на рисунке 3, можно описать уравнением:

                          (5)

Рисунок 3. Зависимость коэффициента теплопроводности тернарных систем от массы нанопорошка гидразина

Сопоставляя уравнения (3) с выражениями (5), можно получить следующие уравнения:

    (6)

Расчет коэффициента теплопроводности изучаемых смесей тернарных систем при изменении температуры от 300K до 612К уравнением (6) дает погрешность до 5%.

С помощью уравнения (6) можно вычислить теплопроводность экспе-риментально, где для этого необходимо знать массу нанопорошка гидразина в исследуемых тернарных системах.

Список литературы:

1. Котовский, В.Н. Теплопередача. / Утверждено Редакционно-издательским советом МГТУ ГА  в качестве учебного пособия. – М.: – 2015. – 75с.    
2. Ойматова, Х.Х. Влияние нанопорошка гидразина на изменение удельной теплоемкости тернарных систем / Х.Х. Ойматова, Дж.Ф. Собиров, Ш.Р. Сафаров, З.К. Хусайнов // Материалы Международной конференции на тему “Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах”.-Махачкала.-2019.-С.182-185.
3. Ойматова, Х.Х. Коэффициент теплопроводности тернарных систем с учётом коэффициента теплоотдачи / Х.Х. Ойматова, Ш.Р. Сафаров, М.А. Зарипова, М.М. Сафаров. //Материалы международной научно-практической конференции «Электроэнергетика Таджикистана. Проблемы энергосбе-режения, энергоэффективности и использования возобновляемых источников энергии». МЭИ.- Душанбе. – 2021. -С.170-174.
4. Ойматова, Х.Х. Получение эмпирических уравнений для расчета плотности тернарных систем / Х.Х. Ойматова, Ш.Р. Сафаров, М.А. Зарипова, М.М. Сафаров // Материалы Республиканской научно-практической конференции (с международным участием). «Теплоэнергетика и теплофизические свойства веществ». Душанбе. – 2021. -С.183-187.
5. Ойматова, Х.Х. Расчет коэффициента теплоотдачи тернарных систем кремниевой кислоты, МСУНТ и нанопорошка гидразина при нагревании / Х.Х. Ойматова // Вестник Бохтарского государственного университета имена Носира Хусрава (научный журнал). – Бохтар. - 2021. - №2/3(90). - С.42-46.