ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ , ЭНЕРГЕТИКА

ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 536.22
В. А. Аляев, В. К. Панфилович
ОПТИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ Н-ОКТАНА, Н- НОНАНА И Н-ДЕКАНА
Разработана высоко-температурная ячейка
органических жидкостей до температур 550К.
для
записи
спектров
Многие органические жидкости полупрозрачны в инфракрасной области.
Теплообмен между ними и ограждающими поверхностями при отсутствии конвекции
осуществляется двумя качественно разными механизмами – теплопроводностью и
излучением. Вклад радиационного потока тепла в полный радиационно-кондуктивный
поток определяется оптическими постоянными жидкости (коэффициентом поглощения и
показателем преломления, радиационными характеристиками (степенью черноты,
поглощательной
способностью)
и
индикатрисой
рассеяния
ограничивающих
поверхностей. Радиационные характеристики твердых тел достаточно хорошо изучены и
собраны в справочных изданиях [1-2].
Спектры органических жидкостей измеряются, как правило, при комнатной
температуре. Предназначены они для спектрального анализа и приводятся в справочной
литературе в виде рисунков малого формата. Пользоваться ими для численных расчетов
затруднительно.
Спектрофотометры, выпускаемые промышленностью, снабжаются ячейками для
записи спектров при температуре до 100°С. Измерения спектров органических жидкостей
при более высоких температурах носят отрывочный характер. В современной химической,
нефтехимической и других отраслях промышленности встречаются задачи радиационнокондуктивного теплообмена при температурах до 500К и выше.
Одной из проблем, связанных с радиационно-кондуктивным теплообменом, является
нахождение кондуктивной (молекулярной) составляющей коэффициента теплопроводности.
Особенно это важно при высоких температурах, когда доля радиационного переноса тепла в
полном радиационно-кондуктивном потоке может достигать десятков процентов [3].
Спектры поглощения и соответственно оптические постоянные жидкостей
существенно зависят от температуры. Нами разработана высоко-температурная ячейка для
записи спектров до температур 550К (рис. 1).
Корпус ячейки выполнен из нержавеющей стали в виде цилиндра. Внутри него
установлены и уплотнены плоские окна из синтетического кристалла KRS–5. Такие окна
пропускают излучение в интервале длин волн от 0,7 до 38 мкм. Слой жидкости
необходимой толщины λ создается разрезным кольцом из нержавеющей фольги,
установленным между кристаллами. Расстояние между окнами контролируется по
интерференционной картине, получаемой на спектрофотометре.
84
4
1
3
2
Рис. 1 - Схема высокотемпературной ячейки: 1- корпус; 2 – окна из кристаллов
KRS; 3 – ТЭН; 4 – термопара
Нагрев ячейки осуществляется ТЭНом, намотанным на корпус. Нагреватель
питается стабилизированным током промышленной частоты. Плавное регулирование
напряжения, подаваемого на ТЭН, производится двумя автотрансформаторами. Первый
включается в сеть, а выход из него служит источником питания второго.
Температура жидкости измеряется медь - константановыми термопарами. Две
прижаты к поверхности кристаллов вне поля видения спектрофотометра, одна вставлена в
радиальный канал напротив разреза в кольце, создающем слой жидкости между окнами.
Кроме того, для контроля температуры было установлено по две термопары по длине
ячейки с обеих сторон от слоя жидкости.
Изготовлены две идентичные ячейки, которые закреплены в штатных держателях
спектрофотометра. Запись спектров проводится по двухлучевой схеме. Перед замерами
одна из ячеек заполняется исследуемой жидкостью. Она устанавливается в рабочем
канале, вторая (пустая) – в канале сравнения. Включается нагрев. После достижения в
обеих ячейках заданной температуры и выдержке при ней 5-10 мин записывается спектр.
Спектры поглощения жидкости выводятся на компьютер. По закону БугераЛамберта просчитываются коэффициенты поглощения. Их величина для н-октана, ннонана и н-декана при 425К представлены на рис.2, 4 и 6.
85
Рис. 2 - Спектральная зависимость коэффициента поглощения н- декана
Рис. 3 - Спектральная зависимость показателя преломления н –декана
86
Рис. 4 - Спектральная зависимость коэффициента поглощения н-нонана
Рис. 5 - Спектральная зависимость показателя преломления н- нонана
87
Рис. 6 - Спектральная зависимость коэффициента поглощения н- октана
Рис. 7 - Спектральная зависимость показателя преломления н-октана
88
Расчет другой оптической константы – показателя преломления - выполнен по
универсальным соотношениям Крамера - Кронига. Точный расчет по ним показателя
преломления возможен, если коэффициенты поглощения известны в интервале длин волн
от 0 до ∞. Приближенная методика численного интегрирования соотношений КрамераКронига при наличии коэффициентов поглощения в ограниченном интервале длин волн,
приведена в [3]. Показатели преломления н-октана, н-нонана и н-декана даны на рис. 3, 5 и
7. Полученные коэффициенты поглощения и показатели преломления позволяют
рассчитывать радиационно-кондуктивный перенос тепла в неподвижных слоях этих
жидкостей, а также находить радиационную и соответственно кондуктивную
составляющие эффективного коэффициента теплопроводности.
Литература
1. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник/ Под ред. А.Е. Шейндлина. М.: Энергия, 1974. -472 с.
2. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжов Л.Н.
Теплообмен излучением. – М.:
Энергоатомиздат. 1991. – 432 с.
3. Аляев В.А., Панфилович К.Б. Радиационно-кондуктивный теплообмен
в
полупрозрачных органических жидкостях. – Казань: Изд-во КГУ, 2003. -195 с.
 В. А. Аляев – д-р хим. наук, проректор по экономике и инновациям КГТУ; В. К.
Панфилович – д-р хим. наук, проф. каф. вакуумной техники КГТУ.
89