Спектральные коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана при повышенных давлениях и температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

БУДАРИН АНДРЕЙ ПАВЛОВИЧ

СПЕКТРАЛЬНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОГЛОЩЕНИЯ Н-БУТАНА И Н-ГЕКСАНА ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ И

ТЕМПЕРАТУРАХ

01.04.] 4 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2007

003064794

Работа выполнена на кафедре «Вакуумная техника электрофизических установок» Казанского государственного технологического университета

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор Панфилович Казимир Брониславович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гарасевич Станислав Эдуардович

кандидат технических наук, доцент Гребенщиков Леонид Тимофеевич

Ведущая организация'

Всероссийский научно-исследовательский институт углеводородного сырья (г Казань)

Защита диссертации состоится ч<// » 2007г. в /0 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.07|Г02 в Казанском государственном техническом университете им А.Н Туполева по адресу 4201 И, г.Казань, ул. К, Маркса 10, зал заседаний Ученого совета.

Автореферат разослан « У » марта 2007г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им А Н Туполева

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

Каримова А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Переработка углеводородного сырья - приоритетное направление развития экономики России Создание новых технологий, как правило, сопровождается разработкой нового и совершенствованием имеющегося теплообменного оборудования. Его эффективность обеспечивается достоверностью тешюфизических свойств веществ, одними из которых являются оптические характеристики - коэффициенты поглощения и показатели преломления полупрозрачных сред Они необходимы для расчетов радиационного, радиационно-кондуктивного и радиационно-конвективного теплообмена.

В справочной литературе приводятся спектры пропускания (поглощения) большого количества веществ Измерены они при атмосферном или меньшем давлении и »близи комнатной температуры. Такие измерения предназначены для проведения спектрального анализа веществ, даются они в журнальных статьчх и атласах спектров веществ в виде рисунков небольшого формата, использовать которые для тепловых расчетов затруднительно. Не изучено влияние повышенных давлений и температур на спектры органических веществ в газовой, жидкой и закритической областях.

Теорегические методы расчета радиационных и оптических спектральных характеристик многоатомных веществ в газовой и жидкой фазах не разработаны Н-бутан и н-гексая, исследуемые в настоящей работе, широко используются в химической и нефтехимической промышленности, энергетике. Изучение спектров коэффициентов поглощения является актуальной задачей.

Цель работы и задачи исследования. Целыо настоящей диссертационной работы является получение комплекса спектральных коэффициентов поглощения н-бутана и н-гексана в газовйй, жидкой и закритической областях в интервале волновых чисел ог 400 до 4400 см"1.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- Разработка и создание стенда для измерения спектров пропускания веществ в различных фазах,

- Проведение экспериментальных измерений спектров пропускания н-бутана и н-гексана при повышенных давлениях в газовой, жидкой и закритиче-ских областях состояний.

- Анализ и обобщение результатов измерений Научная новизна.

- Впервые измерены спектры поглощения н-бутана и н-гексана в интервале температур 295-460К и давлений от 0,1 до ЮМПа в газовой и жидкой фазах и в закритической области.

- Установлено влияние давления и температуры на спектральные коэффициенты поглощения.

- Показано аномальное изменение коэффициента поглощения вблизи критической температуры

- Установлены обобщающие изотермы массовых спектральных коэффициентов поглощения, значительно сокращающие объем цифровой информации, необходимой для представления спектров. Обобщенные изотермы спектров массовых коэффициентов поглощения позволяют рассчитывать спектральные коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана при давлениях, не охваченных измерениями.

- Получен комплекс массовых спектральных коэффициентов и спектральных коэффициентов поглощения н-бутана и н-гексана, табулированных с шагом по волновому числу 2см"1

- Проведена оценка вклада радиационной составляющей в полный радиаци-онно-кондуктивный поток тепла в плоских слоях н-гексана при 5 МПа (до 15%) и закритической области н-бутана (до 25%)

- Массовые коэффициенты поглощения аппроксимированы уравнениями первой и второй степени по отдельным участкам спектра

Практическая значимость. Результаты работы представлены в виде комплекса табличных значений массовых спектральных и спектральных коэффициентов поглощения н-бутана и н-гексана с шагом по волновому числу 2см"1. Они являются основой.

- Расчета и проектирования геплообменного оборудования химических и нефтехимических производств, в которых используются исследуемые в работе н-бутан и н-гексан.

- Расчета радиационного, радиационно-кондуктивного и радиационно-конвективного теплообмена в различных теплотехнических устройствах.

Автор защищает.

- Комплекс спектров пропускания н-бутана (141 спектр) и н-гексана (116 спектров) в интервале температур 295-460К при давлении до ЮМПа и волновых числах от 400 до 4400см"1 Эксперимент охватывает газовую и жидкую фазы, для н-бутана и закритическую область.

- Обобщенные изотермы массовых спектральных коэффициентов поглощения, значительно сокращающие объем цифровой информации для представления спектров и позволяющие рассчитывать коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана при давлениях, измерения при которых отсутствуют.

- Аномальное изменение спектральных коэффициентов поглощения вблизи критической изотермы.

- Массовые спектральные и спектральные коэффициенты поглощения, табулированные с шагом 2см"1.

- Оценку вклада радиационной составляющей в радиационно-кондуктивном потоке тепла в плоских слоях н-гексана при 5МПа (до 15%) и закритической области н-бутана (до 25%).

Апробация работы и научные публикации. Г1о материалам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, 4 статьи, 1 из них в журнале,

рекомебндуемом по списку ВАК Российской Федерации. Основные положения диссертационной работы докладывались на Республиканской научной конференции «Проблемы энергетики» в г Казани 1998г.; на II Российской национальной конференции по теплообмену в г. Москве 1998г.; на V международной конференции, посвященной 85-летию со дня рождения академика В.В. Кафа-рова в г. Казани 1999г.; в школе - семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках» в г Москве 1999г; на конференции «Тепло- и массообмен в химической технологии», посвященный 80-летию со дня рождения проф. А.Г. Усманова на Всероссийской ежегодной научно-технической конференции в г. Кирове 2001г; на III международном симпозиуме по энергетике, окружающей среде и экономике в г. Казани 2001 г.; на X Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ в Казани 2002г., на V международном форуме по тепло- и массообмену в г. Минске 2004г.; на Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификации тепло-массообменных процессов, промбезопасность и экология» в г. Казани 2005г., на ежегодных научных конференциях Казанского государственного технологического университета в 2001-2007 гг.

Личный вклад. Все основные результаты получены лично автором Использованные материалы других авторов помечены ссылками. В постановке задач и обсуждении результатов принимал участие научный руководитель д.т н., профессор Панфилович К.Б.

Достоверность полученных результатов обеспечивается: 1. Применением аттестованных измерительных средств с оценкой их погрешностей.

2 Согласованностью измеренных спектров пропускания исследуемых веществ при нормальных условиях с имеющимися в литературе. 3, Использованием для регистрации спектров современного точного Фурье-спектрометра PEQK1N ELMER 16PCF4-IR.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 108 страниц машинописного текста и состоит из введения, трех глав основного текста, 38 рисунков, 8 таблиц, 1 приложения и 7 выводов Список литературы включает 91 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены цель и задачи исследований, научная новизна, дается общая характеристика работы

В первой главе проводится анализ исследований, выполненных ранее по радиационным и оптическим характеристикам газов и жидкостей углеводородов и анализ существующих методов расчета радиационных характеристик газов и жидкостей

Анализ исследований показал, что наиболее изученными является н-бутан в газовой фазе при небольших давлениях и повышенных температурах При высоких давлениях до ЮМПа в газовой , жидкой и закритической областях спектральные измерения н-бутана и н-гексана отсутствуют.

Теоретические методы расчета радиационных и оптических характеристик веществ при повышенных давлениях и температурах в газовой и жидкой фазах не разработаны. Параметры спектральных линий, лежащие в основе моделей полос поглощения, определены дня идеально-газового состояния. Соответственно модели полос, основанные на них, справедливы для идеальных газов Проведен анализ существующих моделей полос поглощения и области их применения.

В литературе имеется несколько работ, в которых приводится обработка спектров по 01 дельным полосам поглощения н-бутанз и н-гексана в газовой фазе при давлениях до ОДМПа и температурах до 773К и больших толщинах слоя газа. Представлены эмпирические методы расчета степеней черноты газа.

Показано, что расчет коэффициентов поглощения для многоатомных газов сложен, полосы поглощения перекрыты Отклонение состояния газа от идеального еще более усложняет расчет и требует дополнительной информации о линиях в спектре.

Рассмотрены методы расчета радиационных характеристик жидкостей и механизм уширения полос поглощения жидкостей

Рассмотрен метод расчета оптических характеристик жидкостей. Показатель преломления может быть найден по формуле Крамерса-Кронига при известных коэффициентах поглощения.

Теоретические методы расчета интенсивности, формы и ширины полос поглощения жидких сред к настоящему моменту практически не разработаны Современное состояние теории конденсированных сред не позволяет рассчитывать в аналитической форме зависимость коэффициента поглощения от частоты Коэффициент поглощения может меняться в пределах двух порядков и более и характер его поведения от частоты сложен. Спектры пропускания определяются экспериментально.

Во втоаой главе проведен обзор методов экспериментального измерения спектров пропускания газов и жидкостей Слой газов необходимой толщины создавался или в потоке газов или методом окон Выполнение задач, намеченных в работе, удобно осуществить методом окон.

Основными элементами экспериментального стенда (рис.1) являются: рабочая ячейка, инфракрасный Фурье - спектрометр PEgKIN ELMER 16 PC FT-IR, системы подачи исследуемых веществ, термостатирования и измерения давлений и температуры,

Рабочая ячейка имеет ввод, разделяющийся на два: через один вводится термопара, через другой подается исследуемое вещее гво и вакуумируегся полость ячейки Второй ввод соединен трубопроводами с вакуумным насосом,

ловушкой и термокомпрессором.

Высокие давления в ячейке создавались термокомпрессором. Для очистки от механических примесей и влаги между баллоном и термокомпрессором были установлены фильтры. Заданную температуру в ячейке поддерживали с помощью термостатирующей силиконовой жидкости, которую прокачивали через рубашку ультратермостатом УТ-15.

Температура газа или жидкости измерялась хромель-копелевой термопарой, отградуированной по образцовому термометру сопротивления ТСП-10. ЭДС, развиваемая термопарой, регистрировалась универсальным вольтметром В7-21А.

Давление в системе и рабочей ячейке контролировалось манометрами класса точности 0,4 и 0,16 соответственно

1 - прибор 16РС БТ-Ж, где А и В соответственно источник и приемник ИК - излучения; 2 - рабочая ячейка; 3 - термокомпрессор; 4 - вакуумный насос; 5 -ультратермостат; 6 - универсальный вольтметр; 7 - термопара; 8,9 - манометры, 10 - баллон с газом; 11 -14 - вентили; 15 - фильтры; 16 - ловушка, 17- редуктор; 18 - преобразователь манометрический тепловой ПМТ-2

Корпус измерительной ячейки (рис.2) изготовлен из нержавеющей стали марки Х18Н10Т Слой газа или жидкости, необходимый для эксперимента, создавался методом окон и мог изменяться от 0,00015 до 0,03м.

В качестве материала окон использовался синтетический материал - кристалл КК8-5, область пропускания которого находится в пределах от 0,5 до 40 мкм Толщина исследуемого слоя регулировалась проставками 10, которые устанавливались между кристаллами. Тонкие слои газа создавались разрезными кольцами из нержавеющей фольги, помещенной между окнами Взаимное расположение сменных цилиндров 5, 8 зависело от толщины слоя

Герметичное гь крепления окон обеспечивалась посадкой торцевых по-

А Жидкость в термостат

7 14

Рис 2 Измерительная ячейка

1 - корпус, 2 - нажимная гайка, 3,4 - оптические окна, 6,7 - нажимные цилиндры, 5,8 - цилиндры с отверстием, 9 - кольцо, 10 -кольцо с прорезью, 11,12 -патрубки для подачи и отвода термостатирующей жидкости, 13 - патрубок для ввода термопары и заполнения ячейки, 14 -рубашка, 15 - винты, 16 -уплотнитель, А,В - клей

Жидкость из термостата

верхностей А и В на специальных клей. Для герметизации рабочей полости камеры использовался уплотнитель 16, выполненный из фторопласта 4, который химически не взаимодействует с исследуемыми веществами Поджим кристаллов в ячейке осуществлялся винтами 15

Усилие, необходимое для герметизации кюветы, создавалось нажимной гайкой 2 через промежуточный цилиндр 7 Расстояние между кристаллами при толщинах слоя 0,15 и 0,34 мм контролировалось по интерференционной картине, полученной на спектрофотометре.

Максимальная погрешность измерений показателя поглощения равна 3,74%. Достоверность получаемых на экспериментальном стенде результатов, проверена путем сравнения спектров пропускания. Записан спектр пропускания н-бутана в газовой фазе. Давление и толщина слоя подобраны так, чтобы произведение рЬ совпало с таким дня имеющегося спектра в литературе. Расхождение в полосе поглощения оказалось в пределах погрешности измерения.

В третьей главе проведен анализ влияния давления, температуры и толщины слоя на спектры пропускания Показано, что в газовой фазе для многоатомных молекул н-бутана и н-гексана правило Бера выполняется Линии в полосах перекрыты, давление и толщина слоя в идеально-газовом состоянии одинаково влияют на пропускание.

0,6

0,4

0,2

У:Л /

\ * У / •

1 \

\

900

950

1000

Спектральное пропускание жидких н-бутана и н-гексана изменяется с ростом давление от носительно слабо. Но по мере приближения к критической области зависимость пропускания от давления резко растет (рис. 3) Рассчитаны спектральные коэффициенты поглощения н-бутанаи н-гексана по измеренным спектрам пропускания по формуле Бугера.

ыв ,

РисЗ Пропускать жидкого н-бугана при Т=408К для полосы 962,5см1 1 Р--8,888МПа,2 Р = 4,023МПа, 3 Р=»3,133МПа,4 Р = 2,924МПа

К ~ ■

, м

по спектральному пропусканию О и толщине слоя Ь газа или жидкости

Полный спектр коэффициентов поглощения н-бутана в газовой фазе при температуре 355К для 4-х исследованных давлений (рис 4) показывает, что коэффициенты поглощения являются сложными функциями частоты, полосы поглощения практически перекрыты

Анализ спектральных и интегральных радиационных и спектральных оптических характеристик, полученных при различных условиях эксперимента, показывают, что возможно выделить две характерные причины зависимости их от давления. Первая связана с уширением спектральных линий. Это явление наблюдается как для идеально-газового состояния, так и при отклонении от него Второй аспект влияния давления на радиационные свойства газов связан с отклонением их поведения от идеально-газового. В этих условиях все тепло-физические свойства (теплопроводность, вязкость, теплоемкость и др.) меняют характер зависимости от температуры и давления

Применение массового спектрального коэффициента поглощения

ЬхР _ к

р1 р

позволило получить обобщенные по давлению зависимости спектральных коэффициентов поглощения. Полный спектр коэффициентов поглощения для гати давлений (4 спектра) при 355К (рис 4) можно представить одним спектром массового коэффициента поглощения (рис. 5). При повышении температуры жидкости идет уширение полос с одновременным уменьшением поглощения в центре полосы (рис 6) Участок спектра в увеличенном масштабе дан на рис 7

Рис 4 Спектральный коэффициент поглощения н-бугана (газ) при Т^355К и давлениях 1-0,9622МПа, 2-0,6091МПа, З-О^ОбОМПа, 4« 0,0991МПа о

I I

I

| *

/ I

I \ —г I

400 900 1400 1900 2400 2900 3400 3900

Рис 5 Массовый спекгралвный коэффициент поглощения н-бутаиа (газ) при Т=355К

м2/кг

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 см

Рис 6 Массовый спектральный коэффициент поглощения жидкого н-бугана. 1 Т=295К, 2 Т=386К, 3 Т=408К.

& А

к аУ М \

1V г 3

2000 2100 2200 2300 2400 ®,СМ''

Рис 7 Массовый спектральный коэффициент поглощения жидкого бутана при Т-355К (1=0,15) 1 Р=8,260МПа,,2дР=5,396МПа! 3 Р= 2,532МПа, 4. Р= 1,53ШПа,

II :1! 1 !>,!! 1 | ( ч 1 1 1 1 ¡1 N

! |!: _и 1, [ ' 1 , ¡1 1! 1

А... \А ¡11' 1 1 !'Г 1

1 г ПТУ 1 | и 1; !|1;:| ' 1 Г

' | : II, ¡1 ' |; 11 ! 1 1 I 1 .

°01)1 010 100 Р МП»

Рис 9 Спектральный коэффициент поглощения к-бутана при Т=295К и длине волны 1010см1

N (

\

\ (

N

\

ч , а

V ч

! \

.... 1 1

373 393 433 433 453 т-ь

Рис 10 Массовый спектральный коэффициент по; лощения н-бугана при давлении Р»3,75МПа и волновом числе ш=966 см'

Рис 8 Массовый спектральной коэффициент поглощения жидкого н-бутана, 1 Т=295,2 Т=355,3 Т=386, 4 Т=408К (по леса 1908 см'1)

Массовые спектральные коэффициенты поглощения при Т=сош1 образуют один спектр (рис 6 и 7) для каждой температуры опыта. Изменение температуры существенно влияет на массовые спектральные коэффициенты поглощения, как и на спектральные коэффициенты поглощения и спектры пропускания. С ростом температуры величины <е в центре полос уменьшаются, в крыльях растут, ширина полосы также растет (рис. 8). При фазовом переходе газ-жидкость он растет скачком (рис 9) При смещении в сторону ближе к критической точке величина скачка уменьшается В жидкой фазе значение эе при давлениях до ЮМПа практически не изменяются. Вблизи критической точки наблюдается аномальное изменение спектрального коэффициента поглощения (рис 10) Вблизи критической тем-

пературы он резко снижается, затем за критической температурой достаточно резко растет и при некотором удалении от критической точки снова снижается.

В расчетах радиадионно-ко кдуктивного теплообмена по различным моделям необходимы показатели преломления в инфракрасной области спектра. Показатели преломления жидкостей в зависимости от частоты определялись по формуле Крамерса-Кронига 00 _

2 Г к(х)х , _ к(у)с

----- гчзх, где к = —показатель поглощения.

/ Ч 1 2 С К п(У) = 1 + — I—

П ¿у-1 0Х

4яУ

Спектральные показатели преломления н-гексана, рассчитанные по формуле Крамерса-Кронига, даны на рис 12, а соответствующие спектры поглощения на рис. 11. О"4

V 10"13, с"1

Рис 11 Коэффициент поглощения н-гексана (жидкость), температура 448К

Рис 12 Показатель преломления н-гексана (жидкость), температура 448К

Методом итерации рассчитаны радиационные составляющие потока тепла в плоском слое н-гексана (табл. 1) при давлении 5 МПа и н-бутана (табл. 2) в закритической области

Таблица 1

Радиационная составляющая потока тепла в н-гексане на изобаре

мм т.юч 1 3 5 7 9 11 Хк, Вт/мК

348 0,0032 0,0055 0,0066 0,0072 0,0077 0,0080 0,104

367 0,0038 0,0061 0,0067 0,0071 0,0072 0,0073 0,099

390 0,0045 0,0074 0,0084 0,0090 0,0093 0,0093 0,092

423 0,0056 0,0099 0,0114 0,0121 0,0125 0,0128 0,085

448 0,0064 0,0114 0,0131 0,0138 0,0142 0,0145 0,080

Таблица 2.

Радиационная составляющая потока тепла в н-бутане в закритичесхой

области на изотерме Т=458К, Ь-5мм

Р, МПа Хк, Вт/мК Хт, Вт/мК

3,67 0,045 0,0157

5,00 0,053 0,01657

7,75 0,067 0,01627

Расчеты показывают, что вклад переноса тепла излучением в тонких слоях жидкости может быть существенным При давлении 5 МПа (и-гексан) он увеличивается от нескольких процентов при низких температурах до 15% при 448К В закритической области н-бутана радиационная часть потока тепла при Т=458К может достигать 25%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Показано, что оптические свойства -спектральные коэффициенты поглощения и показатели преломления органических веществ в газовой фазе при повышенных давлениях и температурах, в жидкой фазе и закритических состояния не исследованы. Теоретические методы их расчета не разработаны Единственно надежным источником информации об оптических характеристиках является эксперимент.

2 Разработан и создан экспериментальный стенд и кювета для измерения спектров пропускания газов и жидкостей при повышенных давлениях и температурах

3. Получен комплекс спектров пропускания н-бутана (141 спектр) и н-гексана (И¿спектров) в интервале температур 295-460 К при давлениях до ЮМПа и волновых числах от 400 до 4400см Эксперименты охватывают газовую и жидкую фазы, а для н-бутана и закритическую область.

4. Показано аномальное изменение спектральных коэффициентов поглощения вблизи критической изотермы

5. Установлены обобщенные изотермы массовых спектральных коэффициентов поглощения, значительно сокращающих объем цифровой информации для представления спектров. Обобщенные изотермы спектров массовых коэффициентов поглощения позволяют рассчитывать коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана при давлениях не охваченными измерениями Рассчитаны спектральные коэффициенты поглощения при Р=2МПа на изотерме Т=355К

6 Массовые спектральные и спектральные коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана табулированы с шагом по волновым числам 2см"1 и представлены на сайте www.kstu.ru под названием «Спектральные коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана при давлениях до 10 МПа и температурах до 460К»

7 Проведена оценка вклада радиационной составляющей в полный ра-

диационно-кондуктивный поток тепла в плоских слоях н-гексана при 5 МПа

(до 15%) и закритической области н-бутана (до 25%). <

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХ:

1 Бударин А П Спектральная поглощательная способность гексана при давлениях до 100 бар / А П Бударин, П.И. Бударин // Тезисы республиканской научной конференции «Проблемы энергетики» Казань 1998 - С.52

2 Бударин А П. Тепловое излучение гексана при давлениях до 10 МПа / А.П Бударин, П И Бударин, К Б Панфилович // Тезисы второй российской национальной конференции по теплообмену Москва. 1998 - С .80

3 Бударин А П Спектральная поглощательная способность гексана при давлениях до 10 МПа / А 11 Бударин, П.И Бударин // Тезисы V-й международной конференции, посвященной 85-летию со дня рождения академика Виктора Вячеславовича Кафарова, Казань. 1999. - С. 246-247.

4. Бударин АП Спектральная поглощательная способность бутана при давлениях до 10 МПа / А.П Бударин, К.Б.Панфилович // Тезисы XII-й школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И, Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках», Москва. 1999 - С.68

5. Бударин А.П. Радиационная составляющая коэффициента теплоотдачи в компрессорных установках / А.П. Бударин, П.И. Бударин, Э.Ш.Мамин, Э А Хакимов // Тезисы конференции «Тепло- и массообмен в химической технологии» посвященная 80-летию со дня рождения А.Г Усманова. Казань, 2000. - С. 44-45

6 Бударин А.П Радиационные характеристики гексана / А.П. Бударин, П И. Бударин // Аннотация сообщений. Научная сессия 1-4 февраля Казань. КГТУ.2000 -С. 97

7 Бударин А .П. Спектральные коэффициенты поглощения бутана ! А.П, Бударин, П.И Бударин //Тезисы отчетной научной конференции КГТУ; Казань. 2001 -С 110.

8 Бударин А П Спектральный коэффициент поглощения н-бутана / А Г1. Бударин, П.И Бударин, К Б. Панфилович // Всероссийская ежегодная научно-техническая конференция. Киров. 2001.

9 Бударин А.П. Спектральные коэффициенты поглощения сжатого н-бутана / А П. Бударин, П И. Бударин, К.Б.Панфилович // Депонирован в ВИНИТИ номер гос регистрации 332-В2001 от 08.02.01. - С. 44.

10 Бударин А.П. Спектральные коэффициенты поглощения жидкого н-бутана при давлениях до 10 МПа / А П. Бударин, П И. Бударин, К,Б Панфилович // Депонирован в ВИНИТИ номер гос, регистрации 917-В2001 от 09 04.01 -С 39

1 i Бударин А П Спектральные коэффициента поглощения сжатого н-гексана / А П. Бударин, П.И. Бударин, К.Б. Панфилович // Депонирован в ВИНИТИ номер гос. регистрации 2259-В2002 от 30.12.02. - С. 16.

12. Бударин А.П. Исследование поглощательной способности углеводородов./ А П Бударин, П.И. Бударин, К.Б Панфилович // 3-ий международный симпозиум по энергетике, окружающей среде и экономике Тезисы Казань 1314 сентября 2001. - С. 352-355.

13.Бударин А П. Радиационные характеристики бутана и гексана при повышенных давлениях / А П Бударин, П И Бударин, К Б Панфилович // X российская конференция по теплофизическим свойствам веществ Тезисы Казань. 2002.-С 153-154

14. Бударин А.П. Коэффициенты поглощения бутана и гексана в жидкой фазе. / А П Бударин, П И. Бударин, К Б Панфилович // X российская конференция по теплофизическим свойствам веществ Тезисы Казань 2002-С 155-156

15. Бударин А.П. Оптические характеристики и радиационно-кондуктивный перенос тепла в плоском слое жидких н-бутана и н-гексана при давлениях до 10 МПа / В А. Аляев, А П. Бударин, П И. Бударин, К Б Панфилович // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань 2003; №2. С.172-184

16. Бударин А П. Радиационные спектральные характеристики н-бутана и н-гексана при давлениях до 10 МПа / А П. Бударин, П И Бударин, К Б Панфилович // V Минский международный форум по тепло- и массообмену. г.Минск, тезисы докладов 2004г. С.206-207

17 Бударин А.П Спектральные коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана при повышенных давлениях и температурах./ А.П Бударин, П И. Бударин, Л.З. Шарафеев // Всероссийская студенческая научно-техническая конференция «Интенсификация тепло-массообменных процессов, пром безопасность и экология». Казань, 16-18 мая 2005г. - С. 106-107,

18 Бударин АП Оптические характеристики н-бутана и н-гексана при повышенных давлениях и температурах / А.П Бударин, П И Бударин, К.Б Панфилович // Тезисы отчетной научной конференции КГТУ Казань. 2007 -С. 108

Соискатель ¿íf А.П Бударин

Заказ № 53__(_____1ираж80экз

Офсетная лаборатория Казанского государственного технологического университета 420015, г Казань, ул К Маркса, 68

Основные условные обозначения

Введение

Глава 1. Методы расчета радиационных характеристик газов и жидкостей.

1.1. Методы расчета радиационных характеристик газов.

1.1.1. Спектральная линия.

1.1.2. Теоретические соотношения для расчета теплового излучения газов.

1.1.3. Модели полос поглощения газов.

1.1.4. Эмпирические методы.

1.2. Методы представления радиационных характеристик жидкостей.

1.2.1. Коэффициенты поглощения жидкостей

1.2.2. Показатели преломления жидкостей 26 Выводы.

Глава 2.Экспериментальные методы определения коэффициента поглощения газов. 31 2.1.Экспериментальные установки для измерения радиационных характеристик.

2.1.1 .Кюветы без окон.

2.1.2.Кюветы с окнами из оптических кристаллов. 34 2.2.Экспериментальный стенд для исследования спектрального коэффициента поглощения н-бутана и н-гексана при давлении до

1 ОМПа и температуре до 460К.

2.2.1 .Описание стенда для измерения спектрального 41 коэффициента поглощения.

2.3.Методика проведения эксперимента.

2.4.0ценка погрешности эксперимента.

Выводы.

Глава 3. Результаты измерений и их обсуждение.

3.1. Область параметров, охваченных измерениями

3.2. Спектры пропускания н-бутана и н-гексана

3.3. Спектры коэффициентов поглощения

3.4. Массовый спектральный коэффициент поглощения

3.5. Применение спектральных коэффициентов поглощения к расчету 90 радиационно-кондуктивного теплообмена

Выводы.

Переработка углеводородного сырья - приоритетное направление развития экономики России. Создание новых технологий, как правило, сопровождается разработкой нового и совершенствованием имеющегося теплообменного оборудования. Его эффективность обеспечивается достоверностью теплофизических свойств веществ, одними из которых являются оптические характеристики - коэффициенты поглощения и показатели преломления полупрозрачных сред. Они необходимы для расчетов радиационного, радиационно-кондуктивного и радиационно-конвективного теплообмена.

В настоящее время накоплено большое количество экспериментальных данных по спектрам поглощения различных веществ. Разработан и широко применяется спектральный анализ состава, строения и структуры различных органических и неорганических соединений, смесей, сплавов в твердой, жидкой и газовой фазах и плазме. Результаты их исследований содержаться в многочисленных периодических изданиях и монографиях. Измерены они при атмосферном или меньшем давлении и вблизи комнатной температуры. Такие измерения предназначены для проведения спектрального анализа веществ, даются они в журнальных статьях и атласах спектров в виде рисунков небольшого формата [1-5], использовать которые для тепловых расчетов затруднительно. Имеются отдельные опытные данные и разработаны методы расчета радиационных характеристик водяного пара, оксида и диоксида углерода, сернистого ангидрида и не большого числа алканов и олефинов в идеально - газовом состоянии. Свойства сжатых газов кроме этилена при давлениях до 10 МПа не исследованы. Не изучено влияние повышенных давлений и температур на спектры органических веществ в газовой, жидкой и закритической областях. Теоретические методы расчета радиационных и оптических спектральных характеристик многоатомных веществ в газовой и жидкой фазах не разработаны. Поэтому исследование радиационных характеристик веществ в газовой и жидкой фазах при повышенных давлениях является актуальной задачей как с теоретической, так и с практической точки зрения. В качестве объектов исследования были выбраны н-гексан и н-бутан -широко используемые в химической и нефтехимической промышленности, энергетике. Их радиационные свойства при повышенных давлениях и температурах не исследованы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения и списка используемой литературы.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показано, что оптические свойства - спектральные коэффициенты поглощения и показатели преломления органических веществ в газовой фазе при повышенных давлениях и температурах, в жидкой фазе и закритических состояния не исследованы. Теоретические методы их расчета не разработаны. Единственно надежным источником информации об оптических характеристиках является эксперимент.

2. Разработан и создан экспериментальный стенд и кювета для измерения спектров пропускания газов и жидкостей при повышенных давлениях и температурах.

3. Получен комплекс спектров пропускания н-бутана (141 спектр) и н-гексана (116спектров) в интервале температур 295-460 К при давлениях до ЮМПа и волновых числах от 400 до 4400см-1. Эксперименты охватывают газовую и жидкую фазы, а для н-бутана и закритическую область.

4. Показано аномальное изменение спектральных коэффициентов поглощения вблизи критической изотермы.

5. Установлены обобщенные изотермы массовых спектральных коэффициентов поглощения, значительно сокращающих объем цифровой информации для представления спектров. Обобщенные изотермы спектров массовых коэффициентов поглощения позволяют рассчитывать коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана при давлениях не охваченными измерениями. Рассчитаны спектральные коэффициенты поглощения при Р=2МПа на изотерме Т=355К.

6. Массовые спектральные и спектральные коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана табулированы с шагом по волновым числам 2см"1.

7. Проведена оценка вклада радиационной составляющей в полный радиационно-кондуктивный поток тепла в плоских слоях н-гексана при 5 МПа (до 15%) и закритической области н-бутана (до 25%).

1. Большаков Г.Ф. Инфракрасные спектры насыщенных углеводородов.

2. Новосибирск, Наука, 1986, часть 1, с. 36.

3. Infrared Spectral Data. American Petroleum Institute, Research Project 44,

4. Chemistry Department, Agricultural and Mechanical College of Texas, 1973.

5. Sadtler Research Laboratories. Inc., 3316, Sping Garden St. Philadelphia, Pa. 19104 (215) 382-7800. Anal. Chem. 1974, v. 46, n 10, p. 318.

6. National Research Council Committee on Infrared Absorption Spectra. National

7. Bureau of Standarts, Washington 25, D.C., 1964.

8. American Society for Testing Materials. Race St. Philadelphia 3. Pa, 1916.

9. Зигель P., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975,934 с.

10. Пеннер С.С. Количественная молекулярная спектроскопия и излучательнаяспособность газов. М.: ИЛ, 1963,492с.

11. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. М.-Л.: Госэнергоиздат, 19621, 332с.

12. Хоттель X. Лучистый теплообмен. Глава 4 в кн.: В.Х. Мак-Адамс,

13. Теплопередача. -М.: Металлургиздат, 1961, с. 87-174.

14. Гуди P.M. Атмосферная реакция. М.: Мир, 1966, 522 с.

15. Тьен К.А. Радиационные свойства газов. -В кн.: Успехи теплопередачи. М.: Мир, 1971, с. 280-360.

16. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. М.: Физматгиз, 1962, 892 с.

17. Флайгер У. Строение и динамика молекул.- М.: Мир, 1982. 872 с.

18. Бонд Дж., Уотсон К., Уэлч Д. Физическая теория газовой динамики. М.: Мир, 1968. 556 с.

19. Свердлов Л.М. и др. Колебательные спектры многоатомных молекул. М., 1970, 560 с.

20. Cobleuz W.W. Investigation of Infrared Spectra. Cornegie Institute, Washington, N35, 1905.

21. Burch D.E., Singleton E.B., Williams D. Absorbtion line broademing in the infrared.-Appl.Opt. 1962, v. 1, № 3, p. 359-369.

22. Панфилович К.Б. Ширина дисперсионной спектральной линии, эффективное давление и коэффициент уширения давлениям. ТВТ, 1988, том 36, № 6, с. 955-958.

23. Панфилович К.Б. Ширина дисперсионной спектральной линии и вероятность обмена энергией вращательного движения в молекулярных газах. Деп. №196-ХИ-89 от 09.02.87 ОНИИТЭХИМ, Черкасск, 50 с.

24. Головнев И.Ф., Замураев В.П., Кацнельсон С.С. и др. Радиационный перенос в высокотемпературных газах/ Под ред. Р.И.Солоухина. Москва: Энергоиздат.1984,256 с.

25. Edwards D.K., Balakrishnan A. Thermal radiation у combustion gases. Int. J. Heat Mass Tranf, 1973, v. 16, p. 25-40.

26. Ступоченко E.B., Лосев C.A., Осипов А.И. Релаксационные процессы в ударных волнах. М.: Наука, 1965. 434 с.

27. Edwards D.K., Menard W.A. Correlations for Absorption by methane and Carbon dioxide gases. Appl. optics, 1964, v. 3, N 7, p. 847-852.

28. Edwards D.K., Absorption of radiation by carbon monoxide gas according to the exponential wideband model. Appl, Opt., 1965, v. 4, N 10, p. 1352-1353.

29. Tien C.L., Lowder J.E. A correlation for total band absorp. of radiating gases. -Int. J. Heat Mass Tran., 1966, v. 9, N 7, p. 698-701.

30. Смирнов Б.М., Шляпников Г.В. Перенос инфракрасного излучения в молекулярных газах.- Успехи физических наук. 1980, т. 130, № 3, с. 317-414.

31. Детков С.П., Токманов В.Н. Новая широкополосная модель в расчетах излучения газов. Деп. в ВИНИТИ № 2741-75. Деп. аннотация в ЖПС, т. ХХТУ, вып. 1. Минск, 1976, с. 170-171.

32. R. Koch, S. Wittig and В. Noll The harmonical transmission model. J. Heat Mass Transfer, vol. 34, № 7,1991, p. 1871-1880.

33. Hottel H.C. and Egbert R.B. Transmission from water vapor. American Society of Mechanical Engeneers № 13, 1942, p. 531-568.

34. Eckert E. Messung der Gesamtstrahlung von Wasserdampf und Kohlensaure in Mischung mit nicht strahlenden Gasen bei Temperaturen bis zu 1300 °C-V.D.J. -Forschungscheft 387, Ausgabe В., Bd 8,1937, s. 1-20.

35. Schmidt E. Messung der gesamtstrahlung des Wasserdampfes bei Teperaturen bis 1000° С Farschung auf dem Gebeite des Ingeniers, 1932, Band 3, N 2, s. 57-70.

36. Hottel H.C., Sarofim A.F. Radiative Transfer New York: MC. Graw - Hill Сотр., 1967, p. 519.

37. Hottel H.C., Smith V.Trans. Am. Soc. of Mech. Eng. t. 57, 1935, p. 463.

38. Hottel H.C. and Mangelsdorf Heat Transmission by radiation from non luminous gases. Experimental study of carbon dioxide and water vapor. 1935, p. 517-549.

39. Михеев M.A., Михеева И.М. Основы теплопередачи М.: Энергия, 1973. 320 с.

40. Шорин С.Н. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1964. 490 с.

41. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975.

42. Гурвич A.M., Митор В.В. Излучение дымовых газов. Теплоэнегетика, № 12, 1955.

43. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). М.: Энергия, 1973,295 с.

44. Кесс Р.Д., Лиан М.С. Простая аппроксимация значений степени черноты водяного пара. Труды Амер. об-ва инж.-мех. Серия С, Теплопередача, 1977, с. 154-156.

45. God С. Genanigkeit def Vorfahren zur Ermittlung des Strahlungswame -oustanscher zwischen Gasen und grauen Oberflachen. Archiv fur das Eisenhuttenwesen, 1967, v. 38, helf 2., s. 105-120.

46. Москаленко Н.И., Пушкин B.T., Зеньковский А.Г., Плужинков А.И., Зольков А.И. Спектральные радиационные характеристики газов атмосферы промышленных печей. -В кн.: Тепломассообмен VI, т. 8, - М.; 1980, с. 44-48.

47. Эдварде Д.К., Лучистый теплообмен в объеме с не серой оболочкой,заполненной изотермической газовой смесью двуокиси углерода с азотом. -Труды Амер. об-ва инж. мех. Серия С. Теплопередача, 1962, № 1, с. 3-17.

48. Эквивалентная ширина основных полос поглощения этилена и углекислоты вблизи области фазового перехода газ-жидкость. Дел. №498-ХИ-87 от 7.05.87 ОНИИТЭХИМ г.Черкассы 12 с. Бударин П.И., Алев В.А., Панфилович К.Б.

49. Аляев В.А., Панфилович К.Б. Радиационно-кондуктивный теплообмен в полупрозрачных органических жидкостях. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 2003.- 195 с.

50. Poltz Н. Die warmaleitfahigkeit von flussig-Keiten II. Der strahlungsanteil der effektiven Warmeleitfahig-Keit-Int.J.Heat Mass Transfer.1965. V. 8. N 4.p. 515-521.

51. Филлипов JI.П. Исследование теплопроводности жидкостей. -М.: Изд-во МГУ, 1970.230 с.

52. Сэмпсон Д. Уравнения переноса энергии и количества движения в газах с учетом излучения.- М.:Мир,1969. 204 с.

53. Мень А.А., Сергеев О.А. Лучисто-кондуктивный теплообмен в среде с селективными оптическими свойствами//Теплофизика высоких температур.-1971. Т. 2. N2. с. 333-359.

54. Anderson Е.Е., Viscanta R. Spectral and boundary effects on coupled conducnion-radiation heat transfer through semitransparent solids.-Warme-Und Stoofiibertragung, 1973. V. 6.14 p.

55. Рубцов H.A., СтепненкоП.И., КузнецоваФ.А. Исследование радиационно-кондуктивного переноса тепловой энергии в органических жидкостях// Изв.Сиб. отд. АН СССР. Сер. Техн. наук.-1974. Вып. 1. № 3. с. 53-57.

56. Эрпо Н., Гликсман Л. Экспериментальное и теоретическое исследование совместного переноса тепла излучением и теплопроводностью в расплавленном стекле// Теплопередача.-1972.-Сер.С.- № 2.-С. 109-116.

57. Справочник химика. Том 1. Редакторы С.А.Зениса, Г.А.Семенов. М.-Л.: Госхитмиздат. 1963. 1071 с.

58. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер Г.И., Петров И.П. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука. 1965. 336 с.

59. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия.- М.: Мир, 1982. 327 с.

60. Альперович JI.H. Метод дисперсионных соотношений и его применение для определения оптических характеристик.-Душамбе: Ифрон, 1973. 327 с.

61. Бацанов С.С. Структурная рефрактометрия.-М.: Высшая школа, 1976. 304 с.

62. Бахшиев Н.Г. Спектроскопия межмолекулярного взаимодействия. М.: Наука, 1972.264 с.

63. Bevans J.T., Dunkle R.V., Edwards D.K., Gier J.T., Levenson L.L. and Oppenheim A.K., Apparatur for the determination of the band absorption of gases at elevated pressure and temperatures. J. Optical Society of America, vol 50, № 3 1959, p. 130-136.

64. Эксперсионное исследование излучательной способности С02 при повышенных давлениях. Теплофизика высоких температур. 1971, т. 9, № 4. с. 703-707. Ахунов Н.Х., Усманов А.Г., Панфилович К.Б.

65. Интегральная степень черноты водяного пара при повышенных давлениях. В сб.: Тепло-и массообмен в химической технологии.-Казань, 1983,с. 42-45. Ибатуллин В.И., Панфилович К.Б.

66. Степень черноты бутана. В сб.: Тепло- и массообмен в химической технологии. -Казань, 1975. Васильева Л.М., Ахунов Н.Х., Усманов А.Г., Панфилович К.Б.

67. Penner S.S., Weber D.J,J. Chus, v 19,1951, p. 80.

68. Москаленко Н.И., Мирумянц C.O., Аверьянова A.B., Зотв О.В., Ильин Ю.А. Аппаратура для комплексных исследований характеристик молекулярного поглощения радиации атмосферными газоми. ЖПС, т. XIX, вып. 4, 1973, с. 752-756.

69. Одишария М.А. Экспериментальные исследования ИК-спектра С02 при повышенных давлениях и температурах. Автореф. дис. канд. техн. наук -Ленинград, ЛГМИ, 1972,16 с.

70. Воронков Е.М., Гречушников Г.И., Дистлер И.П. и др. Оптическиематериалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965, с. 127-129.

71. Pierson R.H., Fletcher A.N., Gants Е. St. С. Catalog of infrared spectra for qualitative analyses of gases.//Analytical chemistry, 1956, v.28, p. 1218.

72. ГОСТ 8.207-76 Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений.

73. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974. 108 с.

74. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978.261 с.

75. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. -М.: Мир, 1976. 516 с.

76. Беллами Л. Инфракрасные спектры сложных молекул. М.: ИЛ, 1963.

77. Финкель А.Г. Исследование абсолютных интенсивностей полос поглощения в ИК-спектрах углеводородов различных классов в газовой фазе. Дисс. канд. техн. наук, Саратов 1966,176 с.

78. Залесская Г.А. Влияние температуры и давления на инфракрасные полосы поглощения паров многоатомных молекул.-Дис. канд. физ.-мат. наук. Минск, 1969. 146 с.

79. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М., 1991.

80. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982, 591 с.

81. Ахунов Н.Х. Экспериментальное исследование излучательной способности Авт. Дисс. канд. тех. наук.- Казань, 1976,247 с.

82. Тухватуллин С.Г., Васильева Л.М., Ахунов Н.Х., Усманов А.Г. Экспериментальное исследование теплового излучения некоторых газообразных углеводородов. Теплоэнергетика, 1980, № 4, с. 65-68.

83. Ferrico С.С., Ludwig С.В., Thomson A.L. Total emissivity of hot water vapor.-I high pressure limit. Int. j. Heat Mass Tranf., 1966, v. 9, p. 853-864.

84. Каменщиков B.A., Платинин Ю.А., Николаев B.M., Новицкий Л.А. Радиационные свойства газов при высоких температурах. -М.: Машиностроение, 1971.440 с.

85. Фомин В.В. Периферия полос поглощения как специфический вид проявления межмолекулярного взаимодействия газов. В кн.: Спектральные проявления межмолекулярного взаимодействия газов. Новосибирск: Наука, 1982, с. 5-40.

86. Маляренко A.M., Фомин В.В. Индуцированные столкновениями спектры поглощения простейших молекулярных систем. В кн.: Спектральные проявления межмолекулярных взаимодействий в газах. Новосибирск: Наука, 1982, с. 100-127.

87. Andersen P.W. Phys. Rev., v.76, 647,1949.

88. Lee R.H.C., Happel j. Thermalradiation of methane gas.-J/EC Fundamentals, 1964, v. 3, № 2, p. 167-176.

89. Панфилович К.Б., Бударин П.И. Интегральный коэффициент поглощения этилена вблизи фазовых переходов и в закритической области. Деп. № 368-ХИ-87, ОНИИТЭХИМ, Черкассы, 1987. 29 с.

90. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1972. 670 с.

91. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. M.-JL, 1966. 536 с.

92. Андрианов В.И. Основы радиационного и сложного теплообмен. М.: Энергия, 1972. 463 с.

93. Оцисик М.Н. Сложный теплообмен.- М.: Мир, 1976. 615 с.

94. Сергеев О.А., Мень А.А. Теплофизические свойства полупрозрачных материалов.-М.: Изд-во стандартов, 1977. 288 с.

95. Siegel R., Howell John R. Thermal Radiation Heat Transfer. McGraw-Hill Book Co. New York, 1972.

96. Сперроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением.-Л.: Энергия, 1971. 294 с.