Тепловое расширение хладоносителей

М.Л.  Галкин

Тепловое расширение хладоносителей

Методические указания к выполнению лабораторной работы 

Московский государственный технический университет 

имени Н.Э. Баумана

УДК 621.56
ББК 31.392
          Г16

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/57/book1655.html

Факультет «Энергомашиностроение»
Кафедра «Холодильная, криогенная техника,

системы кондиционирования и жизнеобеспечения»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом 

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Рецензенты:
д-р техн. наук профессор О.В. Волкова

д-р техн. наук профессор В.Б. Сапожников

Галкин, М. Л.

Тепловое расширение хладоносителей. Методические указания 

к выполнению лабораторной работы / М. Л. Галкин. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 13, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4682-7

Рассмотрены способы применения законов молекулярно-кинети-

ческой теории на примере теории объемного расширения жидкостей, 
а также методы и средства проведения экспериментальных теплофизических 
измерений и теплофизических исследований динамики, 
надежности, трения во вторичном контуре систем холодоснабжения 
на примере метода определения коэффициента объемного расширения 
хладоносителей разных видов и различной концентрации в интервале 
температур от –40 до +90 °C.

Для студентов МГТУ им. Н. Э. Баумана, изучающих дисциплину 

«Рабочие вещества в холодильной технике».

УДК 621.56
ББК 31.392

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

 
© Оформление. Издательство

ISBN 978-5-7038-4682-7 
     МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

Г16

Предисловие

Цель пособия — дать представление об основных зако-

нах фундаментальных и общетехнических наук, научить студентов 
применять законы молекулярно-кинетической теории 
на примере теории объемного расширения жидкостей, а также  
ознакомить с методами и средствами проведения теплофизических 
измерений в экспериментальной практике теплофизических 
исследований динамики, надежности, трения во вторичном контуре 
систем холодоснабжения на примере метода определения 
коэффициента объемного расширения хладоносителей разных 
видов и различной концентрации в интервале температур от –40 
до +90 °C.
Пособие включает в себя: введение, в котором приведены ос-

новные термины, дано описание явлений и процессов в аспекте 
изучаемой специальности; краткие теоретические сведения; правила 
техники безопасности; описание лабораторного оборудования; 
порядок выполнения лабораторной работы; содержание отчета; 
контрольные вопросы и список литературы.

После изучения материала пособия и выполнения лаборатор-

ной работы студенты должны: знать, понимать и использовать 
законы термодинамики и естественных наук и особенности их 
применения при решении профессиональных вопросов, например, 
для повышения энергоэффективности, прочности, устойчивости, 
надежности холодильной техники; применять знания экспериментальных 
методик определения теплофизических свойств 
рабочих веществ; владеть опытом практической работы с рабочими 
веществами холодильной техники, применять и обосновывать 
методы контроля свойств и состава рабочих веществ холодильной, 
криогенной техники и систем жизнеобеспечения; владеть познавательными 
компетенциями для эффективного поиска, восприятия 
и анализа научно-технической информации по технологии исследований, 
а также методами и алгоритмами обработки и анализа 
результатов экспериментов.

Введение

Физические свойства хладоносителей, как и любых жидкостей, 
характеризуются температурным расширением, сжимаемостью, 
упругостью, испаряемостью и вязкостью.

Температурное расширение — это свойство жидкости изменять 
свой объем при изменении температуры. Температурное расширение 
хладоносителей при нагреве учитывается в расчете объема 
расширительных баков, являющихся обязательным элементом 
систем охлаждения (отопления), с целью компенсации теплового 
расширения хладоносителя при оттаивании системы и предотвращения 
сброса хладоносителя через клапан давления. Используют 
расширительные баки открытого (аккумулятор холода, гидроком-
пенсатор) и закрытого (гидроаккумулятор, экспанзомат) типов. 
Рассчитывают объем баков с учетом массы и плотности хладоно-
сителя, а также коэффициента объемного расширения.

Сжимаемость жидкостей — это способность жидких, твердых 

и газообразных тел под действием внешнего давления изменять 
свой объем обратимым образом.
Упругостью жидкостей называется способность жидкости принимать 
свой прежний объем после снятия внешней нагрузки.

Испаряемость жидкостей зависит от природы компонен-

тов жидкостей, от температуры и давления. Снижение давления 
в жидкости и/или повышение ее температуры увеличивают подвижность 
молекул в жидкости; как следствие, повышается упругость 
паров и жидкость закипает. Под упругостью паров понимают 
парциальное (частичное) давление насыщенных паров рн.п жидкости 
над ее поверхностью в газовой (воздушной) среде, при котором 
пары испарения и конденсации взаимно уравновешены: р = рн.п.
Основным компонентом хладоносителей часто является вода. 
Вода содержит растворенный кислород. При нормальных атмосферном 
давлении и температуре концентрация кислорода в воде 
составляет около 2 % объема. Растворимость кислорода в воде 
с повышением температуры уменьшается. При повышении температуры 
и понижении давления, когда р < рн.п, в жидкости начинают 

выделяться пузырьки воздуха, что приводит к кавитации. Негативное 
воздействие кавитации на холодильную технику проявляется 
в виде кавитационной эрозии.
Процесс кавитации уменьшает пропускную способность тру-

бопроводов, снижает расход, теплоемкость и теплопроводность 
хладоносителя и КПД циркуляционных насосов. Кавитационная 
эрозия в холодильной технике приводит преимущественно к разрушению 
рабочих колес и улиток циркуляционных насосов.

Вязкость жидкостей — это свойство жидкостей оказывать сопротивление 
перемещению слоев жидкости друг относительно друга.

Краткие теоретические сведения

В жидкостях тепловое движение молекул (атомов и ионов) со-

стоит из негармонических тепловых колебаний молекул около положений 
равновесия и хаотических перескоков молекул из одного 
положения равновесия в другое.

Перескоки молекул связаны с силами межмолекулярного вза- 

имодействия (в основном с силой Ван-дер-Ваальса) и температурой. 
Повышение температуры приводит к увеличению энергии колебаний, 
при определенных значениях достаточной для преодоления 
межмолекулярных связей отдельными молекулами. В результате 
этого выстраивается новое распределение молекул по энергиям, 
изменяются окружение молекул и центр их колебаний. Совершив 
перескок, молекула жидкости оказывается среди новых молекул, 
выстроенных уже в другом порядке. 

Временной отрезок перехода системы частиц в термодинамическое 
равновесие называется временем релаксации. Иными 
словами, время релаксации — это время колебаний молекул 
около одного определенного положения равновесия. При 
комнатной температуре время релаксации для молекул воды 
составляет в среднем 10–11 с, время одного колебания — 10–12…
...10–13 с.
С увеличением температуры амплитуда колебаний возрастает, 
частота столкновений молекул повышается. Энергия передается 
по цепи соударяющихся молекул путем упругих и неупругих взаимодействий, 
т. е. кинетическая энергия одной молекулы переходит 
в потенциальную энергию другой. С повышением температуры 
время релаксации уменьшается.

Расстояние между молекулами в жидкостях равно приблизительно 
диаметру молекулы, что обеспечивает так называемый 
ближний порядок в расположении ближайших соседей данной 
молекулы. Этот порядок изменяется с учетом энергетического потенциала 
по мере удаления одной молекулы от другой и обусловлен 
характером зависимости сил взаимодействия между молекулами 
от расстояния между ними. 

Энергия притяжения молекул пропорциональна r –6, а энергия 
отталкивания — r –12, где r — расстояние между молекулами.  
Это приводит к тому, что при возрастании амплитуды колебаний 
молекул в результате нагрева жидкости сокращается межмолекулярное 
расстояние. Как следствие, возрастают силы отталкивания 
между молекулами, увеличивается среднее расстояние между 
ними и растет объем жидкости при ее нагреве.
Тепловое расширение жидкостей характеризуется коэффициентом 
объемного расширения β, равным относительному изменению 
объема при изменении температуры на один градус:

 
β =
−
−
(
)

V
V
V
t
t

t
0

0
0

,  
(1)

где Vt — объем жидкости при температуре t; V0 — первоначальный 
объем жидкости при температуре t0.

Из формулы (1) следует, что объем жидкости Vt при температуре 
t 

 
V
V
t
t =
+
(
)
0 1 β∆ .  
(2)

Изменение объема жидкости вследствие теплового движения 
молекул приводит к флуктуациям плотности, которая связана 
с объемом соотношением ρ = m/Vt. С учетом формулы (2) нетрудно 
вывести зависимость плотности от коэффициента объемного 
расширения:

 
ρ
ρ
β
t
t
= +

0
1
∆ .  
(3)

В табл. 1 приведены значения коэффициента объемного рас-

ширения жидких веществ и водных растворов в зависимости 
от температуры.

Для большинства жидкостей коэффициент объемного расши-

рения растет с повышением температуры и уменьшается с повышением 
давления. Исключение составляет вода в интервале температуры 
от 0 до +3,98 °C вследствие асимметричного строения 
молекулы воды.

Таблица 1 

Коэффициент объемного расширения жидких веществ  

и водных растворов в зависимости от температуры

Вещество

β · 10–3 ˚C–1 при температуре, ˚C

–20
0
20
40
60
80
100
120

Азотная кислота, 
50 %
–
0,84
0,88
0,92
0,97
1,03
1,09
–

Аммиак жидкий
1,84
2,15
2,42
2,80
3,20
4,30
6,20
14,5

Ацетон
1,31
1,35
1,43
1,52
1,62
1,88
2,00
2,12

Бутиловый спирт
0,83
0,85
0,88
0,91
0,94
0,98
1,03
1,09

Вода
–
–0,06
0,21
0,39
0,53
0,63
0,75
0,86

Дихлорэтан
1,07
1,11
1,16
1,21
1,26
1,31
1,37
1,44

Диэтиловый эфир
1,45
1,51
1,63
1,76
1,85
2,16
2,60
3,10

Изопропиловый 
спирт
0,98
1,01
1,05
1,08
1,12
1,16
1,20
1,27

Кальция хлорид, 
25 %
0,35
0,35
0,39
0,43
0,46
0,49
0,51
0,55

Метиловый спирт
1,09
1,14
1,19
1,27
1,30
1,42
1,61
1,81

Натрия хлорид, 20 % 
–
0,36
0,41
0,46
0,50
0,54
0,58
0,62

Нитробензол
–
0,81
0,82
0,84
0,86
0,88
0,89
0,91

Сероуглерод
1,13
1,14
1,19
1,28
1,41
1,60
1,84
2,05

Соляная кислота, 
30 %
–
0,52
0,52
0,51
0,50
0,52
0,56
0,60

Этиловый спирт
1,18
1,05
1,08
1,13
1,22
1,33
1,44
1,87

Жидкие, в частности многокомпонентные, хладоносители 
имеют сложный, нелинейный характер зависимости коэффициента 
объемного расширения, особенно вблизи температуры фазового 
перехода.

В табл. 2 приведены значения плотности водных растворов 

пропиленгликоля при различной температуре.

Таблица 2

Плотность водных растворов пропиленгликоля  

при различной температуре

Темпера-

тура, 
°С 

Плотность водных растворов (г/см 3) пропиленгликоля  
при концентрации,  %

10 
20 
30 
40 
50 
60 
70 
80 
90 
100 

10 
1,008 1,018 1,030 1,038 1,044 1,049 1,051 1,051 1,049 1,044 

15 
1,008 1,017 1,026 1,034 1,042 1,046 1,048 1,048 1,045 1,040 

20 
1,006 1,015 1,023 1,032 1,039 1,042 1,044 1,044 1,041 1,037 

25 
1,004 1,012 1,020 1,027 1,032 1,037 1,040 1,040 1,037 1,033

Следует обратить внимание на то, что зависимость плотности 

от температуры только водного раствора пропиленгликоля носит 
экстремальный характер (см. табл. 2). Например, растворы с температурой 
tнач.кр = –60 оС и tнач.кр = –40 °C имеют одинаковое значение 
плотности 1,041 г/см 3 при +20 °C.

Правила техники безопасности

При выполнении лабораторной работы необходимо соблюдать 
правила техники безопасности, приведенные ниже.
1. Категорически запрещается без разрешения преподавателя 

и лаборанта работать на приборах и установках.

2. Категорически запрещается: пробовать вещества на вкус; 

нюхать вещества у горлышек склянок, поджигать их; при растворении 
веществ в пробирке зажимать отверстие пальцем.

3. По окончании лабораторной работы студенты обязаны: 

выключить питание электроприборов, очистить приборы в порядке, 
описанном в инструкции к прибору (находится в лаборатории 
кафедры), вымыть использованную посуду, закрыть водопроводные 
краны, убрать свое рабочее место, сдать лаборанту чистые приборы, 
посуду и реактивы, тщательно вымыть руки с мылом, получить 
разрешение преподавателя покинуть лабораторию.

Описание лабораторного оборудования

Для выполнения лабораторной работы используются: термо-

метр со шкалой от 0 до +150 оС; термометр со шкалой до –65 оС; 
стеклянная колба объемом 0,2 л; измерительная трубка длиной 
25 см; термостат; лабораторная комбинированная баня; колба коническая; 
морозильный ларь до –65 оС; стеклянные палочки.

На рисунке показана установка 
для определения изменения 
объема хладоносителя 
в диапазоне температуры от  
–40 до +90 °C. Исследуемый 
хладоноситель наливают в стеклянную 
колбу 3 через одну из 
заливных горловин 7. Излишки 
хладоносителя вытекают 
через заливную горловину. Коэффициентом 

термического 
расширения колбы можно пренебречь. 
Колбу ставят на нагреватель 
2, интенсивность нагрева 
регулируют в интервале  
20...90 °C термостатом 1.
Диаметр 
измерительной 
трубки 6 составляет 10 мм, что 
позволяет пренебречь гравитацией, 
силами поверхностного 
натяжения и капиллярным эффектом. 
Температуру измеряют 
термометром 5.

Общий вид лабораторной установки:

1 — термостат; 2 — нагреватель; 3 — 
колба; 4 — уплотнительная резина; 5 — 
термометр; 6 — измерительная трубка; 
7 — заливные горловины колбы