Experimentální ověření fyzikálních vlastností chladicí kapaliny

Experimentální ověření fyzikálních vlastností chladicí kapaliny Košner, Jan1, Krejčí, Vladimír2 1

Ing., Technická 2, 61669 Brno, VUT FSI Odbor termomechaniky a techniky prostředí, [email protected] 2

Ing., Ph.D., [email protected]

Abstrakt: The paper imparts results of experiments that were aimed to determine physical properties of antifreeze (Fridex G Plus) as they varied with temperature. The properties considered were: the liquid density and specific heat, and the temperature ranged from 20 °C to 80 °C. The paper also involves the error analysis.

Klíčová slova: chladicí kapalina, měrná tepelná kapacita, hustota, kalorimetr

Úvod: Chladicí kapaliny je využíváno jako základního prostředku k zajištění optimálních provozních podmínek a kvalitního spalovacího procesu uvnitř spalovacího motoru. Její parametry (hustota a měrná tepelná kapacita) mají zásadní vliv na tepelnou bilanci procesu chlazení motoru. Optimalizace chodu spalovacího motoru si vyžaduje detailní informace o tepelném výkonu odváděném chladičem do okolního prostředí. Informacemi se zde rozumí znalost hmotnostního toku chladicí kapaliny a teplot v důležitých bodech chladicího okruhu. Vzhledem k tomu, že parametry chladicí kapaliny jsou obtížně dostupné, bylo nutno provést měření těchto parametrů.

Metodika měření: Pro měření hustoty chladicí kapaliny byly použity Westphalovy-Mohrovy váhy, jež byly zkalibrovány pro měření hustoty kapaliny v rozsahu od 950 kg/m3 do 1100 kg/m3, což byly předpokládané hodnoty hustoty měřené kapaliny (směs etan-diolu a vody) pro uvažovaný teplotní rozsah 20 °C až 80 °C [1]. Měření Westphalovými-Mohrovými váhami spočívá v určení vztlakové síly působící na těleso známého objemu a hmotnosti v v kapalině neznámé hustoty. Horní teplotní hranice byla omezena 80 °C z důvodu bezpečnosti. Se zvýšenou teplotou dochází k dramatického nárůstu odparu etan-diolu z hladiny v nádobě a roste riziko vznícení par etan-diolu. Tepelná kapacita byla měřena za pomoci kalorimetru „KALORYMETR KL-5“ [2], jež je vybaven sadou teploměrů s přesností 0,01 K, akustickým chronometrem a dvouplášťovou

nádobou minimalizující tepelný tok z kalorimetru do okolí (viz obr.1). Vnitřní nádoba, stejně jako vnější, jsou naplněny vodou, přičemž lze regulovat teplotu vody ve vnějším plášti tak, aby byl minimalizován přenos tepla mezi měřicí, vnitřní nádobou a okolím (vnější nádobou). Obsah vnitřní nádoby lze promíchávat vestavěným míchadlem pro docílení rovnoměrného rozložení teploty náplně uvnitř nádoby.

přesný teploměr vnitřní nádoby

teploměr vnější nádoby

termočlánek pomocné nádobky míchadlo pomocná nádobka se zkoumanou tekutinou vnitřní nádoba

vnější nádoba

Obr. 1: Schematické zobrazení použitého kalorimetru Vlastní měření tepelné kapacity etan-diolu probíhalo následovně. Tekutina byla umístěna do nádobky o známých tepelných vlastnostech. Nádobka byla osazena kalibrovaným termočlánkem ke sledování změn teploty etan-diolu. Nádobka i s náplní byly zahřáty na teplotu 60 °C (popř. 80 °C) a poté byla nádobka přemístěna do kalorimetru. Po umístění do kalorimetru byly sledovány změny teploty ve vnitřní nádobě přístroje, stejně tak jako v nádobce s etandiolem. Tyto změny byly zaznamenávány v časových intervalech 10 s. Po ustálení teploty ve vnitřní nádobě byl experiment ukončen (opakován). Ze známých materiálových vlastností pomocné nádobky, parametrů kalorimetru, času do ustálení teplot a počáteční a koncové teploty vnitřní nádoby kalorimetru byla potom vyhodnocena měrná tepelná kapacita etan-diolu dle vztahu: ced =

K (t s − t k )+ (cn ⋅ mn + c z ⋅ mz + cw ⋅ mw )(t s − ted ) mde (ted − t s )

(1)

kde ced, cn, cz, a cw jsou měrné tepelné kapacity etan-diolu, pomocné polyetylenové nádobky, ocelového závaží v nádobce a vody v závitu nádobky, med, mn, mz, a mw jsou hmotnosti etandiolu, pomocné nádobky, závaží a vody v závitu nádobky, ts, ted a tk jsou teploty náplně kalorimetru po ustálení teplot, etan-diolu před vložením do kalorimetru a náplně kalorimetru před měřením, K je konstanta kalorimetru. Konstanta kalorimetru byla získána testovacím měřením za podmínek, při kterých byla obsahem pomocné nádobky voda, a byla vyhodnocena pro počáteční teploty vody v nádobce 40, 60, 80 a 90 °C. Konstrukce kalorimetru nedovolovala měření v požadovaném rozsahu teplot, a proto bylo provedeno měření pouze v omezeném rozsahu. Takto získaná data byla porovnána s dostupnými daty [1].

Výsledky: Hustota etan-diolu byla vyhodnocována v průběhu ohřevu zkoumaného vzorku z pokojové teploty 20 °C na teplotu 80 °C, vždy v intervalech po 10 K. Váhy použité k měření měly rozlišovací schopnost, a tedy nejistotu měření hustoty, 1 kg. Vlastnímu měření měrné tepelné kapacity etan-diolu předcházelo zjištění konstanty kalorimetru, jelikož tato nebyla známá. Tabulka 1 uvádí střední hodnoty konstanty kalorimetru tak, jak byly naměřeny pro různou počáteční teplotu vody v pomocné nádobce (uváděny jsou průměrné hodnoty opakovaného měření). Pro úplnost je nutno dodat jaké byly uvažované parametry nádobky a v ní použitém závaží pro snadnější potopení nádobky. Měrná tepelná kapacita plastové nádobky z polyetylenu (HDPE) byla převzata z literatury [3,4,5] a měla hodnotu 2000 J/kg/K, přičemž jí byla přiřazena nejistota ±200 J/kg/K. Hmotnost nádobky byla (17,36 ± 0,02) g. Parametry vloženého ocelového závaží byly následné: měrná tepelná kapacita (472 ± 50) J/kg/K a hmotnost (35,55 ± 0,02) g. Hmotnost vody v nádobce byla (126,09 ± 0,02) g a měrná tepelná kapacita byla uvažována jako funkce teploty [1]; s mineralizací vody a obsahem jiných příměsí nebylo uvažováno. Nejistota měrné tepelné kapacity vody byla ±5 J/kg/K. Pro měření teplot bylo použito skleněných rtuťových teploměrů s dělením 0,1 K (teplota vody v nádobce) a 0,01 K (kalorimetr). K těmto parametrům bylo nutno započítat 1,5 g vody, jež byla přenášena v závitu pomocné nádobky z ohřívací lázně, jak bylo zjištěno v průběhu měření. Tabulka 1: Konstanta kalorimetru pro různé počáteční teploty vody v pomocné nádobce

počáteční teplota v nádobce [°C]

40,95

60,40

79,70

89,60

počáteční teplota v kalorimetru [°C]

24,98

21,72

23,00

21,38

konečná teplota kalorimetru [°C]

25,71

23,40

25,52

24,19

11 901,8

12 871,2

12 540,3

13 196,6

263,1

144,4

115,9

131,3

konstanta kalorimetru [J/K] nejistota [J/K]

Pro vyhodnocení měrné tepelné kapacity etan-diolu bylo následně použito konstanty kalorimetru, která byla váženým průměrem konstant pro jednotlivé počáteční teploty v nádobce. Váhou zde byl počet měření provedený pro určité počáteční podmínky. Takto zjištěná konstanta kalorimetru měla hodnotu (12 707,9 ± 163,7) J/K, nejistota určení konstanty kalorimetru byla tedy přibližně 2%. Měrná tepelná kapacita etan-diolu byla vyhodnocena pro počáteční teploty 40 a 60 °C, přičemž většina parametrů měření byla shodných s parametry měření konstanty kalorimetru. Lišila se hmotnost náplně pomocné nádobky, která byla (135,90 ± 0.02) g. Měření bylo pro každou počáteční teplotu zkoumaného media provedeno šestkrát. Následující tabulka 2, podobně jako předchozí, uvádí parametry, za kterých bylo provedeno měření měrné tepelné kapacity etandiolu. Tabulka 2 uvádí střední měrnou tepelnou kapacitu zkoumaného vzorku na teplotním intervalu 23,5 až 59,88 °C a 23,16 až 79,84 °C. Porovnání se středními hodnotami z [1] pro dané intervaly ukázalo, že provedená měření nadhodnocují měrnou tepelnou kapacitu čistého etandiolu o 5,5 % a 5,3 %.

Tabulka 2: Měrná tepelná kapacita etan-diolu pro různé počáteční teploty

počáteční teplota v nádobce [°C]

59,88

79,84

počáteční teplota v kalorimetru [°C]

22,30

21,25

konečná teplota kalorimetru [°C]

23,50

23,16

měrná tepelná kapacita [J/kg/K]

2619,2

2667,3

57,1

51,3

nejistota [J/kg/K]

Obr. 2 Závislost hustoty a měrné tepelné kapacity chladicí kapaliny (etan-diolu) na teplotě Obr. 2 graficky ukazuje výsledky měření včetně nejistot spojených s měřením. Jelikož byla provedena měření pouze pro dvě střední teploty, bylo využito vztahů dostupných v [1] pro odhad teplotní závislosti. K této možnosti bylo přistoupeno poté, co bylo zjištěno, že naměřené hodnoty měrné teplené kapacity se významně nelišily od uvedené literatury (odchylka byla okolo 5 %) a také nejistoty měření nabývaly malých hodnot (viz tabulka 2). Graf tedy zobrazuje data měrné tepelné kapacity z [1] po korekci na onu 5% odchylku. Co se týče hustoty, jsou v grafu zobrazena data tak, jak byla naměřena.

Závěr: Byla provedena měření fyzikálních vlastností chladicí kapaliny založené na etan-diolu. Tato měření ukázala, že ačkoli není přesně známo složení kapaliny, lze ji pro výpočet tepelného výkonu považovat za etan-diol. Vzhledem k tomu, že kalorimetr je otevřenou nádobou spojenou volně s okolím, nebylo možno provést měření za jiného než barometrického tlaku. Konstrukce kalorimetru také nedovolovala provést měření za teplot výrazněji nad 50 °C, co se týče vnitřní náplně kalorimetru. Docházelo by totiž k nadměrnému odparu vody z vnitřní nádoby a tudíž značnému zkreslení výsledků. Nebylo tedy možno provést měření za podmínek souměřitelných

s podmínkami provozními, tj. za tlaku odpovídajícímu provozním podmínkám. Taková měření by vyžadovala speciální techniku, jež na pracovišti nebyla k dispozici.

Literatura [1] PERRY, R.H., GREEN, D.W.: Perry's Chemical Engineers' Handbook. 7. vydání, McGraw-Hill, 1997. 2640 s. ISBN 0-07-049841-5. [2] PAVELEK, M., ŠTĚTINA, J.: Experimentální metody v technice prostředí. Skriptum VUT v Brně, Brno, 1997. [3] Ensinger: Technical Data Sheets [online]. [cit. 2007-08-02]. Dostupný z WWW: . [4] Bossard Group [online]. [cit. 2007-08-02]. Dostupný z WWW: . [5] MATWEB: Material Property Data [online]. [cit. 2007-08-02]. Dostupný z WWW: .