На правах рукописи

АНАКУЛОВ МУЗАФФАР МАМАДАЛИЕВИЧ

Влияние углеродных нанотрубок на изменение теплофизических и

электрофизических свойств водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)

и воды

Специальность 01.04.14- теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Душанбе –2014

Работа выполнена на кафедре «Теплотехника и теплотехническое оборудование»

Таджикского технического университета имени академика М.С. Осими.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Сафаров Махмадали Махмадиевич

Официальные оппоненты:

- Сабирзянов Айдар Назимович - д.т.н., профессор кафедры «Теоретические основы теплотехники», начальник центра внедрения разработок в промышленности федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет», (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»).

- Тонконог Владимир Григорьевич – к.т.н., доцент кафедры «Теплотехника и энергетические машиностроения», федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет» имени А.Н. Туполева – КАИ «КНИТУ – КАИ».

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Российский Государственный профессионально – педагогический университет», Екатеринбург, ул. Машиностроителей, 11.

Защита диссертации состоится «24» сентября 2014 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д212. 079. 02., на базе ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева КАИ» по адресу Республика Татарстан г.Казань ул.

К.Маркса 10.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева КАИ» по адресу Республика Татарстан г.Казань ул. К.Маркса 10.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева КАИ»

Автореферат диссертации размещен на официальных сайтах _ Автореферат разослан «_» _ 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета Каримова А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы заключается в том, что для расчета тепло- и массообмена в различных процессах, а также составления уравнений состояния и подробных таблиц по свойствам чистых жидкостей и растворов необходимы данные по теплофизическим свойствам теплоносителей. Данная работа посвящена исследованиям теплофизических и электрофизических свойств водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а и воды с различными концентрациями сажи, графитного порошка и углеродных нанотрубок.

Отсутствие в литературе данных по теплофизическим свойствам данных объектов в зависимости от температуры и давления затрудняет рациональное их использование в теплообменных аппаратах (солнечных двухконтурных коллекторах).

Исследование теплофизических свойств водного раствора этиленгликоля (антифриз)-а и воды с добавлением углеродных нанонтрубок, сажи и графита в зависимости от давления, а также исследование электрофизических свойств водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а и воды с добавками углеродных нанотрубок, сажи и графита в зависимости от температуры позволяет определить рациональное использование теплоносителей в теплообменных аппаратах.

Диссертационная работа выполнена по плану координации научноисследовательских работ на кафедре «Теплотехника и теплотехнические оборудования» Таджикского технического университета им. акад. М.С. Осими в 2008гг. по теме: «Влияние наноматериалов на изменение теплофизических свойств этиленгликоля».

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность полученных результатов подтверждаются их соответствием с большим количеством известных данных, полученных в результате независимых исследований с использованием других физико-химических методов анализа.

Цель данной работы -повысить эффективность солнечных коллекторов открытого типа путем изменения теплофизических свойств (теплоемкость, температуропроводность, теплопроводность и плотность) теплоносителей в зависимости от давления и их оптических характеристик.

-исследовать теплофизические и электрофизические свойства системы теплоносителей в зависимости от давления и температуры.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. приготовление объектов для исследования;

2. разработка и создание экспериментальной установки (для измерения теплопроводности и температуропроводности), работающей методом лазерной вспышки;

3. разработка и создание экспериментальной установки (для измерения электропроводности), работающей методом плоского конденсатора;

4. получение экспериментальных значений теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности, плотности, электропроводности теплоносителей в зависимости от давления и температуры;

5. получение аппроксимационных зависимостей, устанавливающих взаимосвязь теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности, плотности, электропроводности и диэлектрической проницаемости исследуемых растворов от давления, температуры и особенностей структуры исследуемых теплоносителей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые экспериментально изучены теплопроводность, температуропроводность, удельная теплоемкость, электропроводность и диэлектрическая проницаемость воды и водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а с концентрациями сажи, графитного порошка и нанотрубок в зависимости от давления и температуры;

- разработаны и созданы экспериментальные установки для измерения теплопроводности, температуропроводности (по методу лазерной вспышки), электропроводности и диэлектрической проницаемости (по методу динамического конденсатора);

- получены экспериментальные данные по теплофизическим и электрофизическим свойствам теплоносителей водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а и воды с различной концентрацией сажи, графита и нанотрубок от 0,2% до 0,4% в интервале давлений (0,101-0,141) МПа и в интервале температуры от (283,15-358,15) К.

- проведен анализ процесса теплопереноса и на его основе разработана методика расчета теплопроводности исследуемых объектов, используемых в качестве теплоносителя;

- предложены эмпирические зависимости, описывающие теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость, электропроводность воды и водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а от концентрации сажи, графитного порошка, нанотрубок, давления и температуры;

- предложена новая конструкция солнечного водонагревательного коллектора и рассчитана его эффективность с использованием новых теплоносителей;

-оптимизированы тепловые процессы теплоносителей для солнечных водонагревательных коллекторов.

Практическая значимость работы:

1. полученные экспериментальные данные могут использоваться при расчете солнечных водонагревательных коллекторов открытого типа.

2. полученные эмпирические уравнения и методика расчета теплопроводности объектов могут использоваться для инженерных расчетов солнечных коллекторов.

3. получен акт внедрения от ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ» в г. Душанбе и ТТУ имени академика М.С. Осими, г. Душанбе.

Методологии и методы исследования – для выполнения диссертационной работы использован метод лазерной вспышки (теплопроводность и температуропроводность), плоского конденсатора (электропроводность), пикнометрический метод (плотность), численные методы, компьютерное моделирование (программа Thermophysical), метод наименьших квадратов (микрокалькулятор МК61 и компьютерная программа Exell).

На защиту выносятся:

1. результаты экспериментального исследования теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности, плотности и электропроводности теплоносителей (вода + графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + графит, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + сажа, вода + углеродные нанотрубки, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) + углеродные нанотрубки);

2. аппроксимационные зависимости для расчета теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности исследуемых теплоносителей в зависимости от интервалов давления от (0,101 – 0,141) МПа;

3. эмпирические уравнения для расчета электропроводности исследуемых теплоносителей в зависимости от температуры при интервале от (283,15– 358,15)К;

4. получены патенты РТ по темам: «Экспериментальная установка для измерения электропроводности теплоносителей в зависимости от температуры» Патент РТ (Патент РТ № TJ 371) и «Устройства для измерения диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков» Патент РТ. TJ 210;

5. результаты оптимизации тепловых процессов теплоносителей в солнечных водонагревательных установках (СВНУ).

Результаты исследования внедрены:

1. Полученные аппроксимационные зависимости по теплофизическим и электрофизическим свойствам растворов используются для инженерных расчетов при проектировании солнечных коллекторов.

2. Составлены подробные таблицы теплофизических и электрофизических характеристик системы водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)-а – вода – наноматериалы в интервале температур (283,15-358,15) К, давлений (0,101 – 0,141) МПа, которые могут быть использованы проектными организациями в различных технологических процессах.

3. Собранная аппаратура для измерения температуропроводности, теплопроводности и электропроводности систем, (водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз) – вода – наноматериалы) используются в научных и учебных лабораториях кафедры «Теплотехника и теплотехнические оборудования» Таджикского технического университета им. академика М.С. Осими преподавателями при выполнении диссертационных работ и студентами при выполнении дипломных, курсовых и лабораторных работ.

4. Приведенная новая модель солнечного коллектора может использоваться при конструировании солнечных коллекторов в промышленности и в исследовательских институтах.

Личный вклад автора состоит из постановки задач, выбора методов и разработки алгоритмов решения поставленных при выполнении работы задач, установления основных закономерностей протекающих тепло- и электрофизических процессов для расматриваемых теплоносителей, проведения экспериментальных исследований в реальных производственных условиях, получения данных по теплофизическим (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость, плотность) и электрофизическим (электропроводность, удельная сопротивления) свойствам, обработки и анализа полученных результатов, разработки рекомендаций для повышения энергоэффективности солнечных двухконтурных коллекторов, формулировки основных выводов диссертационной работы.

Все результаты диссертационной работы получены автором лично под руководством научного руководителя.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 3-я Международная научнопрактическая конференция СЭТТ-2008, Москва-Тамбов (2008г); 6-я школа семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова Казань, Россия 16-18 сентябрь 2008г; International conference. Warszawa, Poland, 2008y; 18 th European conference on thermophysical properties. France, 2008y; 18 Thermodynamic Water Solutions, Berlin, 2008y; Республиканская научно-практическая конференция Актуальные проблемы технологического образования высших, средних специальных и средних учебных заведениях Душанбе-2009г.; 17-th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, Colorado USA, June 21-26, 2009y; Abstracts book. 30th ITCC and 18 th ITES 2009. Pittsburg. USA (2009y); 30-International Thermal Conductivity Conference and 18 International; Thermal Expansion Symposium.

Pittsburg, Pennsylvania USA, August 29 –September 2, 2009y; Республиканкая научно-практическая конференция Состояние и будущей энергетики Таджикистана Душанбе-2009г.; Республиканской научно-практической конференции Физика конденсированных сред (28-29 апреля 2009), Душанбе-2010г.; 16th International conference thermodynamics properties materials, 23-26 Iune Budapest, 2009y.; международного научно-технического семинара. Актуальные проблемы и термовлажностная обработка материалов к 100-ю А.В. Лыкова, 11-13 мая 2010 г. Воронеж (2010г.); 7 – я школа-семинар молодых ученых и специалистов им. академика В.

Е. Алемасова Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении, Каань, 15-17 сентября 2010г.; 7 –я Международная теплофизическая школа Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг Ч. 1, Тамбов, 20-25 сентябрь 2010г.; республиканская научно-практическая конференция, посвященная 90 летию М.С. Осими «Академик М.С. Осими и развитие культуры» 20 ноября 2010г.; 31-th Thermal conductivity conference, 19-th International Thermal expansions symposium, Iune 26-30, 2011, Saguenay, Quebec, Canada (2011y);

Международная конференция «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах Махачкала,21-23 ноября 2010г.; Республиканская конференция посвященная 70-летию Зидулло Нуриддинова, ТГПУ им. С.

Айни, Душанбе, 24-25 декабря 2010г.; Республиканская научная конференция Проблемы современной координационной химии, посвященная 60-летию члена корреспондента АН Республики Таджикистана, доктора химических наук, профессора Аминджонова А.А.; 13 Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ (с международным участием), Новосибирск-28 июня-1 июля 2011г.; 9-я Международная научно-техническая конференция. Материалы и технологии 21 века. Пенза-март 2011г.; 4 Международная научно-практическая конференция Современные энергосберегающие тепловые технологии, СЭТТ-2011, Т.2, Москва-2011г.; 19 European Conference son Thermophysical Properties, August 28-September1, 2011, Thessaloniki, Greece (2011y); Республиканская научнопрактическая конференция Перспективы энергетики Таджикистана, 23 декабря 2011г.; 18-th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, Colorado USA, June 21-26, 2012у.; 8-ая Международная теплофизическая школа, Посвященная 60летию Сафарова М.М. 8-13 октября 2012, Душанбе-Тамбов (2012г); Труды 8 –ой школы семинара молодых ученых и специалистов им. академика РАН В.Е. Алемасова. 2012. Казань (2012г); 2- Всероссийская школа-семинар молодых ученых, посвященная 55-литию создания Института физики и 105- летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР Х.И. Амирханова, Махачкала, 2012г.

По результатам работы опубликовано 1 монография, 30 статей (из них 5 рекомендуемых ВАК РФ), 25 тезисов докладов и получено 2 патента Республики Таджикистан.

Структура и объм работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка литературы (136 наименований). Содержание работы изложено на 117 страницах (приложения 52 страница), включая таблиц и 76 рисунков.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации работы. Сформулированы результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор по теплофизическим особенностям теплоносителей, теплофизические и электрофизические свойства теплоносителей и конструкция солнечного водонагревательного коллектора открытого типа.

Приведены основные характеристики углеродных нанотрубок (Taunit), полученные учеными из г. Тамбов (ТГТУ). Приведены также основные теплофизические и электрофизические свойства этиленгликоля и воды в зависимости от температуры на линии насыщении.

Для использования теплоносителей приведена версия солнечного коллектора открытого типа. Солнечный коллектор состоит из верхнего стеклянного покрытия и нижнего зеркального покрытия, пространство между которыми заполнено теплоносителем. Между стеклом и зеркальным покрытием L=1см. После зеркального покрытия наложена тепловая изоляция. Потери тепла в таких типах коллекторов происходит только с боков коллектора. Зеркальное покрытие снизу теплоносителя наложено с целью отражения пропущенных лучей от теплоносителя, после отражения зеркальным покрытием лучи снова поглощаются теплоносителем.

В таких типах солнечных коллекторов можно использовать светлые теплоносители. Если в данном коллекторе используется прозрачный теплоноситель, то он пропускает большую часть солнечного луча, и оптическая эффективность коллектора уменьшается. Если в коллекторах используется более черный теплоноситель, то поглощательная способность и оптический КПД коллектора увеличиваются.

Во второй главе приводятся описания и схемы экспериментальных установок для исследования теплофизических и электрофизических свойств теплоносителей в зависимости от давления и температуры.

Представленное устройство состоит из лабораторного автотрансформатора (ЛАТР), тонометра, реостата, амперметра, катушки, лазерной установки типа ЛГНмикровольтнаноамперметра типа Ф136, термопары и измерительной ячейки.

Для измерения теплопроводности и температуропроводности теплоносителей в зависимости от давления использован метод лазерной вспышки.

Метод основан на быстром локальном нагреве поверхности образца лазерным импульсом, при этом измеряется температура образца и поглощенная им энергия.

Для решения задачи в наших условиях приведена схема ячейки (рисунок 1), которая состоит из двух тонких прозрачных стекол и промежуточного слоя исследуемого раствора между ними. Поверхность левой стороны ячейки нагревается мощным лазерным импульсом. Теплообмен с правой стороны ячейки с окружающей средой отсутствует. Температура в месте контакта исследуемого слоя и правого прозрачного стекла измеряется термопарой.

Решения данной задачи сводится к решению нестационарного уравнения теплопроводности (1) с граничными и временным условиями (2) – (3).

Рисунок 1. Схематическое представление задачи при х=0 задан тепловой поток при l=0 условие предельной тепловой изоляции;

при =0 задается условие равномерной, постоянной по толщине слоя температуры Точность решения задачи обосновывается значением теплового потока в граничном условии (2). Согласно авторам метода* при реализации всех модификаций импульсных методов эта величина, как правило, принимается бесконечно большой, но однако в реальных экспериментах достижение таких параметров теплового потока не представляется возможным. При реализации рассматриваемого метода обычно выбирают тепловой поток средней мощности. В этом случае для повышения точности метода стараются уменьшить толщину исследуемого образца. В наших условиях выбранная толщина слоя составила 0,005м.

Температуропроводность в этом случае определяется по формуле*:

где, l–толщина образца, 0.5 - время достижения на тыльной поверхности температуры, равной половине ее максимального значения.

Принцип работы и состав установки для измерения теплопроводности исследуемых образцов в зависимости от давления аналогичен установке для измерения температуропроводности в зависимости от давления.

Отличие установки в том, что при проведении эксперимента по определению, после нагрева испытуемого образца с помощью лазерной установки производится отключение лазерной установки и наблюдается самопроизвольное охлаждение образца. Время охлаждения образца фиксируется двухстрелочным секундомером типа С -11-1Б. По шкале зеркального микровольтнаноамперметра отмечается время прохождения светового зайчика между двумя определенными значениями шкалы микровольтнаноамперметра.

Расчет теплопроводности производится по формуле:

где С р - теплоемкость испытуемого образца; m - темп регулярного охлаждения;

А- коэффициент формы определяется следующим уравнением :

Темп регулярного охлаждения определяется по формуле:

где, 1 и 2 —разность температур между теплообменивающимися поверхностями вначале — 1 и в конце —2 отсчета; N1 и N2 та же разность температур, выраженная числом делений шкалы микровольтнаноамперметра.

Наиболее простым решением измерения теплофизических характеристик является метод лазерного вспышки, сущность которого состоит в поглощении в тонком слое фронтальной поверхности образца импульса лучистой энергии и в фиксировании времени и температуры тыльной стороны образца. Теплофизические характеристики образцов по измеренной информации в экспериментах могут быть рассчитаны по уравнениям (4) и (5).

Для проверки достоверности экспериментальных результатов были исследованы на разработанной экспериментальной установке теплофизические характеристики хорошо исследованных другими экспериментаторами таких жидкостей как толуол и дистиллированная вода. Результаты сопоставления представлены в таблице 1. Из таблицы видно что экспериментальная установка и метод расчета характеристик дают корректные результаты.

_ * - Кузнецов Г.В. Об условиях применения импульсных методов определения теплофизических характеристик конструкционных материалов / В.Г. Кузнецов, М.Д. Кац // Известия Томского политехнического университета – 2008. Т. 312. №4. С10-13.

Для исследования электропроводности теплоносителей использован метод плоского конденсатора.

Устройство для определения электрофизических свойств электролитов в зависимости от давления и температуры (рисунок 2), полиэтиленовую объектом соединяют с тонометром (5) и электродами (1). Подавая напряжение лабораторным автотрансформатором(5) (ЛАТР) с помощью амперметра Рисунок 2. Схема от 0,101 до 0,141 МПа. Измерительная схема техниустройства для опречески реализуются в самом измерительном зонде.

деления электрофизиДля контрольной проверки эксперименческих свойств электальной установки в качестве эталона измерена тролитов в зависимодиэлектрическая проницаемость дистиллировансти от давления.

ной воды и толуола, результаты измерений которых приведены также в таблице 1.

Сравнение литературных данных и результатов контрольных измерений Необходимая информация для количественной оценки погрешности температуропроводности содержится в таблице 2.

Исходные данные для количественной оценки доверительной границы погрешности результатов измерений температуропроводности по методу лазерной вспышки Толщина измерительной ячейки, l, м Погрешность измерение толщина измерительной ячейки. - (штангенциркулем), l, м Половина времени достижения температуры на тыльной поверхности образца, 0,5, сек Погрешность измерение времени достижения температуры на тыльной поверхности образца (секундомером),, сек 5. Доверительная граница погрешности измерений температуропроводности в относительной форме при =0,95, % Методическая погрешность, % Инструментальная погрешность, % Общая относительная погрешность измерения теплопроводности по методу лазерной вспышки, % Необходимая информация для количественной оценки погрешности электропроводности содержится в таблице 3.

Исходные данные для количественной оценки доверительной границы погрешности результатов измерений электропроводности по методу плоского конденсатора 1 Расстояние между пластиной, l, м 3 Погрешность измерение расстояний между пластиной и площа-. - ди пластины конденсатора (штангенциркуль), l,м 4 Электропроводность контрольного образца (дистиллированная вода),, См.м- 5 Погрешность измерения электропроводности контрольного образца (дистиллированная вода) при комнатной температуры, % Доверительная граница погрешности измерений температуропроводности в относительной форме при =0,95, % 8 Инструментальные погрешности измерения электропроводности (вольтметр), % 9 Инструментальные погрешности измерения электропроводности (миллиамперметр), % 10 Общая относительная погрешность измерения теплопроводности по методу плоского конденсатора, % В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования теплопроводности и температуропроводности системы водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз) + сажа, водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз) + графитного порошка, водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз) + нанотрубка, вода + графитного порошка и вода + нанотрубка в зависимости от давления (0,101 – 0,141)МПа и электропроводности выше перечисленных систем в зависимости от температуры (283,15 – 358,15)К. Исследовано теплоемкость и плотность объектов в зависимости от концентрации нанодобавок при нормальных условиях. Результаты измерении представлены в таблицах 4-13.

Температуропроводность ( 10, м /с) исследуемого теплоносителя системы (вода + графит) в зависимости от давления и концентрации графитного порошка.

Теплопроводность ( 10, Вт/(м К)) теплоносителя системы (вода + графит) в зависимости от давления и концентрации графитного порошка 0.2 0,600 0,629 0,6612 0,6968 0,7365 0,7769 0, 0.3 0,4622 0,4792 0,4766 0,51755 0,5391 0,5625 0, 0.35 0,4175 0,4314 0,4463 0,4623 0,4794 0,4978 0, 0.4 0,3788 0,3902 0,4042 0,4153 0,429 0,4437 0, Температуропроводность ( 10, м /с) исследуемого теплоносителя системы (водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз) + графит) в зависимости от давления и концентрации графитного порошка Теплопроводность ( 10, Вт/(м К)) теплоносителя системы (водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз) + графит) в зависимости от давлении и концентрации графитного порошка Температуропроводность ( 10, м /с) исследуемого теплоносителя системы (водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз) + сажа) в зависимости от давления и концентрации сажи Теплопроводность ( 10, Вт/(м К)) теплоносителя системы (водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз) + сажа) в зависимости от давления и концентрации сажи Температуропроводность ( 10, м /с) исследуемого теплоносителя системы (вода + углеродные нанотрубки) в зависимости от давления и концентрации нанотрубки Теплопроводность ( 10, Вт/(м.К)) теплоносителя системы (вода + углеродные нанотрубки) в зависимости от давления и концентрации нанотрубки Температуропроводность ( 10, м /с) исследуемого теплоносителя системы (водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз) + углеродные нанотрубки) в зависимости от давления и концентрации нанотрубки Теплопроводность( 10, Вт/(м К)) теплоносителя системы (водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз)+ углеродные нанотрубки) в зависимости от давления и концентрации нанотрубки Как видно из таблиц 4, 6, 8, 10 и 12 с увеличением концентрации наноматериалов температуропроводность системы уменьшается, а с увеличением давления температуропроводность системы увеличивается. Таблицы 5, 7, 9, 11 и 13 показывают, что увеличение концентрации наноматериалов также приводит к уменьшению теплопроводности системы, а увеличение давления приводит к увеличению теплопроводности системы.

Пикнометрическим методом исследована плотность объектов в зависимости от концентрации нанодобавок которые приведены в таблице 14.

Плотность (, кг/м ) исследуемых теплоноситей в зависимости от концентрации нанодобавок Из таблицы 14 видно что увеличение концентрации графитного порошка в воде уменьшает плотность воды.

На основе экспериментальных данных по температуропроводности, теплопроводности и плотности рассчитана удельная теплоемкость системы в зависимости от концентрации нанодобавок:

где, - теплопроводность образца, Вт/(м.К); a- температуропроводность, м2/с; плотность образца, кг/м3.

Результаты расчета теплоемкости образцов приведены в таблице 15.

Теплоемкость (ср, Дж/(кг К)) исследуемого теплоносителя вода + графит в зависимости от давления и концентрации графитного порошка +графит твор эти- раствор леродный этиленглиленгликоль + этиленгли- нанотрубок коль+углеродны Далее приведены электрофизические свойства исследуемых теплоносителей. Расчет электропроводности исследуемых теплоносителей производилься по формуле;

где, - удельное сопротивления исследуемого теплоносителя.

Результаты экспериментов по электропроводности системы водного раствора этиленгликоля 65 (антифриз)+углеродные нанотрубки приведены в таблицах 16.

Электропроводность (, См м ) теплоносителя (водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз)+ углеродные нанотрубки) в зависимости от температуры и концентрации углеродных нанотрубок Таблица 16 показывает, что увеличение температуры и концентрации нанодобавок приводит к увеличению электропроводности систем.

В четвертой главе проведен анализ и обобщение экспериментальных данных по теплофизическим и электрофизическим свойствам исследуемых растворов.

Получены эмпирические уравнения исследуемых объектов в зависимости от давления, температуры и концентрации наноматериалов. Для обобщения экспериментальных данных по теплофизическим и электрофизическим свойствам системы в зависимости от давления и температуры использованы следующие функциональные зависимости:

где, и – температуропроводность и теплопроводность испытуемого образца в зависимости от давления; а * и * - температуропроводность и теплопроводность образцов при Р*=0,121 МПа; Р- давление, при которой проводится измерение; электропроводность испытуемого образца в зависимости от температуры; электропроводность образцов при Т =318,15К; Т- температура, при которой проводится измерение.

На основе экспериментальных данных и выражений (10-12) для некоторых систем (вода+графит) теплоносителей получен ряд графиков (рисунки 3-5).

Рисунок 3. График зависимости Аппроксимационные зависимости этих линий имеют вид:

где, а *, * - являются функциями массы порошка, т.е.

Соотношения (16)-(18) для исследуемых теплоносителей с данными интервалами имеют вид;

Подставляя выражения (19)-(21) в (13)-(15) получаем следующие зависимости, с помощью которых можно рассчитать температуропроводность и теплопроводность теплоносителей в интервале давлений (0,101-0,141)МПа и электропроводность теплоносителей в интервале температуры (283,15 – 358,15)К с погрешностью 2-3%:

Уравнения (10-12) и (16-18) также приведены для систем водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+ сажа, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+ графитный порошок, вода + нанотрубок, водный раствор этиленгликоль 65 (антифриз)+ нанотрубок в зависимости интервалов давлений от (0,101 – 0,141)Мпа, интервалов температур (283,15 – 358,15)К и концентрации нанодобавок (0,2В пятой главе приведена зависимость эффективности работы солнечных коллекторов с учетом теплоемкости теплоносителей, теоретически рассчитана эффективность солнечного коллектора открытого типа с учетом теплофизических свойств системы теплоносителя водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз)+графитный порошок, приведены оптические свойства некоторых теплоносителей которые влияют на эффективность коллектора открытого типа.

Для вычисления эффективности солнечных коллекторов применяем соотношение;

где, -КПД коллектора, ср- удельная теплоемкость теплоносителя, (То-Тi) разность температур теплоносителя при выходе и входе в коллекторе, Iт- интенсивность солнечной радиации, Ас- площадь коллектора.

При данном вычислении разность температур, интенсивность солнечной радиации, расход теплоносителя и размер коллектора принимаются постоянными, т.е.

системы (водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз)+графит) в зависимости концентрации Рисунок 6. Зависимость КПД солнечного коллектора от концентрации графитного порошка стеклянными покрытиями. Для этого были проведены опыты с различными поглотителями. В этих опытах были использованы исследуемые теплоносители. Площадь зеркала теплоносителя в данном эксперименте составляла 3,63см2 и объем теплоносителя 15,97см3. Результаты опытов показаны на рисунке 8. Эти значения представляют интерес для солнечных коллекторов открытого типа, схема которых приведена в рисунке 7.

С помощью этого графика можно характеризовать оптические характеристики теплоносителей. Концентрация графитного порошка или сажи приводит к изменению его цвета. Цвет теплоносителя для выбранного коллектора имеет свой характер влияния на изменение его эффективности. Этот фактор показывает, что теплоносители с добавками за короткое время больше поглощают солнечную радиацию, т.е. у них более высокая поглощательная способность.

ВЫВОДЫ

1. Созданы экспериментальные установки для измерения температуропроводности и электропроводности теплоносителей в зависимости от давления методом лазерной вспышки и экспериментальная установка для измерения электропроводности в зависимости от температуры - методом плоского конденсатора.

2. Впервые получены экспериментальные данные по теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности и электропроводности системы (вода-сажаграфита-углеродные нанотрубки) и (водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз)-сажа-графит-углеродные нанотрубки) в интервале давления Р= 0,101 – 0,141 МПа и температуры Т=283 – 358К.

3. Показано, что теплопроводность и температуропроводность исследуемых теплоносителей при заданной температуре с ростом давления и концентрации нанодобавок увеличиваются.

4. Показано, что с ростом температуры и концентрации нанодобавок электропроводность увеличивается.

5. При обработке и обобщении экспериментальных данных получены аппроксимационные зависимости, устанавливающие взаимосвязь между теплофизическими свойствами от давления, плотности и электрофизическими свойствами теплоносителей от температуры и концентрации нанодобавки.

6. Предложена и исследована новая конструкция солнечного коллектора открытого типа.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ

В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Работы, опубликованные в изданиях, рекомендуемых ВАК 1. Анакулов М.М. Теплофизические и термодинамические свойства двухкомпонентных катализаторов принимаемых в нанотехнологии (статья) / М.М. Анакулов, Э.Ш. Тауров, М.М. Сафаров, Ш.М. Назиров // Вестник Таджикского национального университета, (научный журнал) Душанбе, Сино. – 2011. - №3(67). - С.16-23.

2. Анакулов М.М. Использование теплофизических и оптических свойств системы «водный раствор этиленгликоля 65 (антифриз) + графитовый порошок» для расчета эффективности солнечных коллекторов /М.М. Анакулов, М.М. Сафаров, Дж.А. Зарипов, Ш.М. Назиров // Измерительная техника. –2012 – № 6, (55) – С.681-686.

3. Anaqulov M.M. The use of the thermal and optical properties of an antifreeze +graphite powder system to calculate the efficiency of solar collectors/ M.M. Anaqulov, M.M. Safarov, J. A. Zaripov, Sh.M. Nazirov e.t. // Measurement Techniques. – 2012. – № 6 (55). – Р.681-686.

4. Анакулов М.М. Влияние углеродных нанотрубок на изменение температуропроводности воды / М.М. Анакулов, М.М. Сафаров, М.А. Зарипова // Вестник Таджикского государственного педагогического университета им. С. Айни, Душанбе. – 2012. – №2(45) - С.14-17.

5.Анакулов М.М. Измерение температурапроводности прозрачных композиционных материалов методом лазерной вспышки / М.М. Анакулов, Д.С. Джураев, Ш.З. Нажмудинов, С.М. Сияхаков и др. // Вестник педагогического университета.

- 2009. - №3 (35). - С. 128-129.

1. Анакулов М.М. Влияние наноматериалов на изменение свойств теплоносителей / М.М. Анакулов, М.М. Сафаров, М.А. Зарипова // Монография. Берлин: Издво «LAP LAMBERT Academic Publishing GMDH & Co. KG». – 2011 - 128с.

Публикации в трудах международных конференций:

1. Анакулов М.М. Теплофизические свойства системы антифриз + графитный порошок при различных температурах и давлениях / М.М.Анакулов, М.М. Сафаров, Ш.М. Назиров, Дж.А. Зарипов, М.А. Зарипова // Сб. трудов Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах Махачкала. - 2010.- С.243-246.

2. Анакулов М.М. Прогнозирование и оптимизация эффективности солнечных коллекторов открытого типа с учетом теплоемкости теплоносителей и климатических условий Республики Таджикистан / М.М. Анакулов, М.М. Сафаров, Дж.А.

Зарипов, Ш.М. Назиров, М.А. Зарипова, С.А. Тагоев // Сб. трудов Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах Махачкала,21-23 ноября. - 2010. - С.387-390.

3. Анакулов М.М. Термодинамические свойства системы антифризнанопористые материалы / М.М. Анакулов, М.М. Сафаров, Ш.М. Назиров, М.А.

Зарипова // Тезиси докладов 13 Российская конференция по теплофизическим свойствам везеств (с международным участием), Новосибирск- 28 июня - 1 июля.

- 2011. - С.88- 4. Анакулов М.М. Влияние наноматериалов на изменение удельной изобарной теплоемкости теплоносителей / М.М. Анакулов, М.М. Сафаров, Х.А. Зоиров, Ш.А.

Аминов, М.А. Зарипова, С.А. Тагоев, Ш.З. Нажмудинов, Ш.М. Назиров, Дж.А.

Зарипов, Т.Р. Тиллоева // Сборник статьей 9-я Международная научно-техническая конференция. Материалы и технологии 21 века. Пенза-март. - 2011. - С.127-130.

5. Anaqulov M.M. Thermal conductivity and specific heat capacity measurements on of Newtonian fluids in a sheat field / M.M. Safarov, M.M. Anaqulov, Sh.M. Nazirov, Sh.A. Aminov, D.S. Juraev // International conference. Warshawa. Poland, - 2008.

6. Anaqulov M.M. Influence of Nanomaterials on the Exchange of Thermal Conductivity in Water / M.M. Safarov, Sh.A. Aminov, M.M. Anaqulov, G.N. Nematov, Sh.M.

Nazirov, D.A. Sharifov // Conference book. 30-Internatinal Thermal Conductivity Conference and 18 International; Thermal Expansion Symposium. Pittsburg, Pennsylvania USA, August 29 –September 2 – 2009. - Р. 25.

7. Anaqulov M.M. Thermodynamics properties binary and ternary of systems (polyethylenglicoly, water and hydrazine) in dependence temperature and pressures (Abstracts)/ M.M. Safarov, Sh.Z. Najmudinov, M.A. Zaripova, M.M. Anaqulov, J.A. Zaripov // Conference book,16 th International conference thermodinamics properties materials,23-26 Iune Budapest. - 2009. - Р.234- 8. Анакулов М.М. Влияние сажи и полимерных наноматериалов на изменение теплопроводности растворов этиленгликоля и диэтиленгликоля / М.М. Сафаров, М.А. Зарипова, Ш.З. Нажмудинов, М.М. Анакулов, Дж.А. Зарипов, Ш.М. Назиров // Материалы 7 Международная теплофизическая школа Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услугЧ.1,Тамбов, 20-25 сентябрь. – 2010. С.151- 9. Anaqulov M.M. Thermodynamics properties ternary systems (ethylene glycol+water+graphite) in dependence pressures / M.M. Anaqulov, M.M. Safarov, M.A.

Zaripova, Sh.Z. Najmidinov, J.A. Zaripov, Sh.M. Nazirov, S.A. Tagoev // Program and Extended abstracts, of 31-th Thermal conductivity conference, 19-th International Thermal expansions symposium, Saguenay, Quebec, Canada, Iune 26-30.–2011.- Р.22.

10. Anaqulov M.M. Low Carbon Cementing Materials Advences in Concrete for Highway Trancportation / M.M. Safarov, H.A. Zoirov, M.A. Zaripova, M.M. Anaqulov, A.A. Toshov // 8-th International Conference: Concrete in the low Carbon Era, Dundee,UK,9-11 July. – 2012.

11. Anaqulov M.M. Low Carbon Cementing Materials Adven-ces in Concrete for Highway Trancportation / M.M. Safarov, H.A. Zoirov, M.A. Zaripova, M.M. Anaqulov, A.A.Toshov // 8-th International Conference: Concrete in the low Carbon Era, Dundee,UK,9-11 July. – 2012. - Р.14.

1. Анакулов М.М. Оптимизация процесса теплопереноса в солнечных коллекторах открытого типа с учетом изминения теплофизических и оптических свойств теплоносителей / М.М. Анакулов, М.М. Сафаров, М.А. Зарипова, Ш.М. Назиров, Дж.А. Зарипов //Материалы докладов 7 школа-семинар молодых ученых и специалистов академика В. Е. Алемассова Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении, Казань,15-17 сентября. – 2010. - С.120-123.

2. Анакулов.М.М. Влияние графитного порошка на изменение теплофизических свойств антифриза / М.М. Анакулов, М.М. Сафаров, Дж.А. Зарипов, Ш.М. Назиров, М.А. Зарипова // Материалы республиканской научно-практической конференции посвященной 90-летию М.С. Осими «Академик М.С. Осими и развитие культуры» 20 ноября - 2010. - С. 131- 3. Анакулов М.М. Теплофизические свойства системы нанотрубки + антифриз / М.М. Анакулов, М.М. Сафаров, Ш.М. Назиров, М.М. Зарипова // Науч. методич.

конф. посвящ.70-летии Зидулло Нуриддинова, ТГПУ им.С.Айни, Душанбе. С.136-143.

4. Anaqulov M.M. Electroconductivity and heat conductivity of binary and ternary systems at the temperature and pressure / M.M. Safarov, Sh.Z. Najmudinov, N.U.

Tagoeva, S.S. Bobiev, S.K. Davlatshoev, M.S. Mahmadiev, M.M. Anaqulov, Sh.M.

Nazirov, M.A. Zaripova // 18 th European conference on thermophysical properties.

France. - 2008. - p.305-306.

5. Anaqulov M.M. Influence of nanomatireals on canges in density of aqueous ethyleneglycol solutions / M.M. Safarov, Sh.Z. Najmidinov, M.M. Anaqulov, Sh.M. Nazirov // 17-th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, Colorado USA, June 21-26. - 2009, - Р.304.

6. Anaqulov M.M. Influence of nanomaterials on the exchange of thermal conductivity in water / M.M. Safarov, Sh.A. Aminov, M.M. Anaqulov, G.N. Nematov, Sh.M. Nazirov, D.A. Shariphov // Abstracts book.30th ITCC and 18 th ITES Pittsburg. USA. - 2009.

- Р.25.

7. Анакулов М.М. Влияние нанокремииевого порошка на измение теплоемкости антифриза и воды / М.М. Сафаров, Ш.А. Аминов, Ш.З. Нажмудинов, М.А. Зарипова, М.М. Анакулов, Ш.М. Назиров, Х.А. Зоиров, Т.Р. Тиллоева // Материалы Республиканcкой научно-практической конференции Состояние и будущее энергетики Таджикистана Душанбе. – 2009. - C.126-128.

8. Анакулов М.М. Применение одностенные углеродные нанотрубки и их получение / М.М. Сафаров, Г.Н. Неъматов, А. Неъматов, М.М. Анакулов // Материалы Республиканкой научно-практической конференции Физика конденсированных сред (28-29 апреля 2009), Душанбе. – 2010. C.70-72.

9. Anaqulov M.M. Entalpy and entropy ternary systems (ethylengligoly +water+grafit) / M.M. Safarov, Sh.M. Nazirov, M.M. Anaqulov, M.A. Zaripova, Sh.Z. Najmudinov, J.A. Zaripov // Book of abstracts,19 European Conference on Thermophysical Properties, August28-September1, Thessaloniki, Greece. - 2011. - P. 10. Anaqulov M.M. Optimism effective of solar collector at the calculation heat capacity transfer fluids / M.M. Safarov, M.M. Anaqulov, J.A J.A. Zaripov, Sh.Z. Najmudinov, M.A. Zaripova, S.A. Tagoev // Book of abstracts,19 European Conference on Thermophysical Properties, August 28 - September1, Thessaloniki, Greece. – 2011. - P.286.

11. Анакулов М.М. Взаимосвязь между калорическими и темодинамическими свойствами воды и некоторых органических растворов / М.М. Сафаров, Ш.А.

Аминов, М.А. Зарипова, У.Т. Ходжаева, Х.А. Зоиров, М.М. Анакулов, Т.Ш. Сангов // Материалы республиканской научно-практической конференции Перспективы энергетики Таджикистана, 23 декабря. - 2011. - C.16- 12. Анакулов М.М. Математическое моделирование теплообмена в системе «солнечных коллекторов» с учетом теплофизических свойств теплоносителей/ М.М. Сафаров, М.М. Анакулов, Дж.А. Зарипов, Ш.М. Назиров, М.А. Зарипова, Ш.А. Аминов // Материалы республиканской научно-практической конферен-ции Перспективы энергетики Таджикистана23 декабря. - 2011. - С.19- 13. Anaqulov M.M. Influence carbon nanotubse to excheng thermal conductivity water / M.M. Sаfarov, M.A. Zaripova, Sh.Z. Najmudinov, T.R. Tilloeva, Kh.S. Sodikov //18th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, Colorado USA, June 24-29. – 2012..

14. Анакулов М.М. Влияние графитных нанотрубок на изменение плотности гидразингидрата / Х.А. Зоиров, М.А. Зарипова, М.М. Сафаров и др. // Таджикского национального университета – 2011 C.178-179.

1. Анакулов М.М. Способ измерения диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков. Патент Республики Таджикистан / М.М. Анакулов, М.М. Сафаров, С.К. Давлатшоев, М.А. Зарипова, М.С. Махмадиев, Т.Р. Тиллоева, Х.А. Зоиров // Малый патент ТJ 210, заявлено 26.12.2008, заявка № 0800268, зарегистрировано в Гос. реестре изобретений РТ от 19. 02. 2009 г., № 27/00 27/22. Государственное патентное ведомство Респ. Таджикистан.

2. Анакулов М.М. Устройство для определения электрофизических свойств электролитов в зависимости от давления / М.М. Анакулов, М.М. Сафаров, С.К.

Давлатшоев, Д.С. Джураев, М.А. Зерипова, Ш.З. Нажмудинов, С.А. Тагоев, Т.Р.

Тиллоева, Х.А. Зоиров, Дж.А. Зарипов // Малый патент ТJ 371, заявлено 23. 06.

2010, заявка № 1000487, зарегистрировано в Гос. реестре изобретений РТ от 23.

08. 2010 г., № 27/00. Государственное патентное ведомство Респ. Таджикистан.

Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая.