毕业论文设计乙醇丙二醇混合物液相导热系数的实验研究文档格式.docx

1、式中：和分别为介质的导热系数和热扩散系数；Tid为热线的理想温升；q为单位长度线热源的加热量；t为加热的时间；r0为热线的半径C = e = 1.718.，为欧拉常数。由式（1）可知，热线的理想温升与加热时间的对数呈线性关系，经过最小二乘法拟合出斜率，即可求出液体的导热系数。1.2 瞬态热线导热系数实验系统整个瞬态热线导热系数实验系统如图1所示，包括实验主体装置、数据采集系统、温度控制与测量系统6。本课题组已使用该装置测量碳酸二甲酯4、二甲醚7、二乙醚、异丙醚、正丁醚8等多种工质的导热系数。图1 瞬态热线实验装置Fig.1 Experiment instrument for hot wire

2、technique. 本文测定的温度范围选为233 K313 K。系统控温采用上海平轩科学仪器有限公司生产的型号为GH-8030的标准恒温槽，其可实现的温度范围为193373 K，温度的均匀性为10 mK。温度测量采用25的标准长杆铂电阻温度计，导热系数温度测量不确定度为10 mK，关于温度测量的详细说明参见文献9，导热系数测量的不确定度为2.0 %10。试验中使用的6种不同配比的二元混合物采用称重法混合而成，称重天平采用METLER TOLEDO ME3002，精度为0.01 g。本实验中，充灌量在80 g左右，二元混合物摩尔配比总不确定度小于0.1 %。2 实验结果与分析在测量乙醇/丙二醇

3、混合物液相导热系数之前，首先用甲苯对本实验系统的可靠性进行了检测。在温度为233313 K的温度范围内测量了常压下的液相甲苯导热系数，使用的甲苯为四川西陇化工有限公司生产的AR级分析纯甲苯试剂，标称纯度不小于99.5 %，蒸发残余不大于0.001 %，含水量为0.03 %，测试结果表明（如表1所示），不同温度下得到的甲苯导热系数与Refprop软件中提供的参考值的误差均小于 2 %，最大偏差 0.84 %，平均绝对偏差为 0.54 %。说明本装置实验结果可靠，可以用于其他液体的导热系数的测量。表 1 甲苯导热系数实验结果Table 1 Experimental data of thermal

4、conductivity of saturated liquid tolueneT/Kexp/Wm-1K-1ref/Wm-1K-1（exp-ref）/ exp/%233.370.14710.14784-0.50253.200.14360.142970.44273.280.13880.137610.84293.110.13270.132070.47312.990.12690.126360.43实验使用的无水乙醇是为国药集团化学试剂有限公司生产的无水乙醇，标称纯度不小于99.7 %。使用的丙二醇是国药集团化学试剂有限公司生产的1,2-丙二醇，标称纯度大于99.0 %。本文在233313 K温度范围

5、内测量了不同摩尔配比的乙醇/丙二醇混合物液相导热系数，实验结果见表2，其中x表示1,2-丙二醇的摩尔分数。表 2 乙醇/丙二醇导热系数实验结果Table 2 Experimental data of thermal conductivity of binary mixtures of ethanol+1,2-propanediolx/%T/K/Wm-1K-1（exp-cal）/cal234.17 0.1835-0.02 0.2002233.95 0.1851 -0.03 253.85 0.1782 0.07 253.46 0.1817 0.08 273.80 0.1723 -0.07 273.

6、05 0.1778 0.02 293.82 0.1666 293.09 0.1740 313.53 0.1607 0.00 313.05 0.1699 0.01 253.370.19830.4003234.52 0.1875 0.03 0.6001234.68 0.1906 -0.05 253.99 0.1853 0.11 254.04 0.1893 273.62 0.1827 -0.01 273.56 0.1877 293.37 0.1802 -0.08 293.26 0.1863 313.43 0.1777 313.21 0.1848 0.8000234.10 0.1944 -0.13 1

7、234.97 0.1995 253.50 0.1934 -0.06 253.42 0.1982 273.60 0.1924 273.30 0.1971 293.10 0.1914 293.22 0.1962 0.05 313.27 0.1953 2.1 实验结果分析计算出相同温度下导热系数实验数据的平均值，拟合成相同摩尔分数下导热系数随温度的变化关系，如图2所示。乙醇/丙二醇混合体系的导热系数值均随着温度的升高而降低，与常见有机物纯质导热系数随温度的变化规律相同。图2 乙醇/丙二醇混合溶液导热系数与温度的关系Fig.2 Thermal conductivity of binary mixtur

8、es of ethanol+1,2-propanediol as function of temperature同理，计算出相同摩尔配比下导热系数实验数据的平均值，拟合成不同温度下导热系数随丙二醇摩尔分数的变化曲线，如图3所示。在相同温度下，乙醇/丙二醇混合溶液的导热系数值随着1,2-丙二醇的摩尔分数增大而增大。在低温区相对于纯组分线性加和值为负偏差，在中温区相对于纯组分线性加和值为正偏差。由此可推断出应存在一个确定的温度，使得混合体系导热系数值随着1,2-丙二醇摩尔分数的增加呈线性变化。图3 乙醇/丙二醇混合溶液导热系数与摩尔分数的关系Fig.3 Thermal conductivity o

9、f binary mixtures of ethanol+1,2-propanediol as function of mole fraction2.2 实验数据的关联因为常压下液体纯质导热系数常拟合成温度的多项式，因此本文将纯质的导热系数拟合为温度T的参数： （3）根据实验数据拟合，可以得到a1,b1,c1和a2,b2,c2，如表3所示。表 3 式（3）中的系数a,b,cTable 3 Coefficients a,b,c of Eq.3 for ethanol and 1,2-propanediolabcethanol-1.479110-7-2.078310-42.403710-11,2-

10、propanediol2.2065-1.73232.2795为了方便工程应用，本文将采用二阶Scheff多项式对乙醇/丙二醇混合溶液的实验数据进行拟合，形式如下 （4）式中m，1，2分别为液体溶液、乙醇和丙二醇的导热系数，W/（mK）；w1，w2分别为乙醇和丙二醇的质量分数，%；12为二元混合体系的影响因子。经过相关研究11，发现混合体系的影响因子12与温度呈线性关系，即： （5）式中T表示混合溶液的温度，K。采用最小二乘法拟合得到式（5）中的系数A12，B12分别为：A=1.913610-1，B=-2.085810-5式（3）（5）可用于温度区间为233313 K的乙醇/丙二醇混合物液相导热

11、系数的计算。实验数据与拟合方程偏差如图4所示。实验值与计算值的最大偏差为0.13 %，平均绝对偏差为0.04 %。图4 乙醇/丙二醇导热系数实验值与计算值的偏差Fig.4 Deviations of experiment values from Eq.（4）2.3 乙醇/丙二醇混合物导热系数的预测液体的导热系数是物质重要的传递性质和热物理性质，从文献中调研可知预测混合物液体导热系数的方法大致可以分为两大类：1、根据纯组分的导热系数进行预测；2、根据纯组分的物性数据（如临界参数、体积分数等）和纯组分的导热系数进行预测。作为对比，本文采用第一类预测方法预测二元体系的导热系数值。根据纯组分的导热系数

12、预测混合物导热系数的方法有：Filippov方程、Jamieson方程，幂律法、童景山方法、陈则韶方法等。（1） Filippov方程12 （6）wi代表组分i的质量分数，i代表i组分的导热系数，m代表混合物的导热系数（i=1为乙醇，i=2为丙二醇），下同。（2） Jamieson方程13 （7）（3） 幂律法14 （8）（4） 童景山法15 （9）（5） 陈则韶法16 （10）实验数据与各种预测模型偏差如图5所示：Eq. Filippov Eq. Jamieson Eq. Power Eq. TongEq. ChenAbsolute Average Deviation Maximum Dev

13、iation图5 实验值与预测值的偏差Fig.5 Deviations of the experiment and the predicted value上述五个预测模型均可以良好的预测乙醇/丙二醇混合物体系的导热系数，预测的最大偏差分别为2.88 %, 2.20 %, 2.04 %, 2.47 %, 2.77 %，平均绝对偏差分别为0.74 %, 0.61 %, 0.57 %, 0.65 %, 0.73 %。其中幂率法的方程形式简单，预测结果与其它方法更为接近实验值，能较好的在工程中应用，值得推荐。但以上模型不足之处在于，均不能预测在不同温度下混合溶液中丙二醇摩尔分数与导热系数的变化趋势。3

14、 结论本文利用瞬态热线导热系数实验系统测量了温度范围为233313 K，摩尔配比为0、0.2002、0.4003、0.6001、0.8000、1的乙醇/丙二醇混合物液相导热系数，其二元混合溶液的导热系数随着温度的升高而降低，随着1,2-丙二醇溶液摩尔分数的增大而增大。应用二阶Scheff多项式，将实验数据拟合为关于温度和摩尔分数的导热系数方程，实验数据与拟合数据的最大偏差和平均绝对偏差分别为0.13 %，0.04 %，导热系数的标准合成不确定度为2.0 %。利用经典的五种混合溶液导热系数预测关系式，对温度区间为233313 K的乙醇/丙二醇混合溶液导热系数进行预测。从预测结果准确性考虑，五种模

15、型均可以良好的预测出混合物体系的导热系数值，但从工程应用及方程形式上，推荐使用幂率法对混合溶液的导热系数进行预测。符号说明aij拟合公式系数C欧拉常数r0热线的半径，m T温度，K Tid热线的理想温升，K t加热的时间，s 介质的热扩散率，m2s-1 介质的导热系数，Wm-1K-1参考文献1 Cao Xingzhong. Technical and Economical Comparsion of Various Secondary RefrigeransJ. Low Temperature and Specialty Gases, 2013, 31（3）:9-12.2 Assael M J

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