CC BY
5УДК 536.77:547.442
ИССЛЕДОВАНИЕ (р, р, Т) СВОЙСТВ ТЕРМАЛЬНОЙ ВОДЫ "ПАЛЧЫК-ОБА" ХАМАЗСКОГО РАЙОНА АЗЕРБАЙДЖАНА.
БАШИРОВ МАХИР МЕДЖНУН ОГЛЫ,
д.т.н., профессор кафедры инженерной механики, Бакинский Инженерный Университет,
г. Баку, Азербайджан
НАБИЕВ НОФЕЛ ДЮНЯМАЛЫ ОГЛЫ,
к.т.н., старший преподаватель кафедры энергоэффективности и технологии зеленой энергетики, Азербайджанский Технический Университет, г. Баку, Азербайджан
ГАМИДОВА РЕНА ФАХРАДДИН КЫЗЫ,
к.т.н., старший преподаватель кафедры энергоэффективности и технологии зеленой энергетики, Азербайджанский Технический Университет, г. Баку, Азербайджан
Аннотация. Экспериментальная лабораторная установка, в которой исследуются (p,p,T) свойства термальной воды «Палчык-Оба» Хачмазского района Азербайджана, акклиматизирована при постоянной температуре Т=293,15 К. Результаты, полученные для водного раствора воды, толуола и NaCl (m=2,96661 моль,кг'1), были сравнены с литературными данными приведенными в различных источниках. Полученные результаты представлены графически на рисунках.
Ключевые слова: плотность, давление, температура, термальные воды.
В мире существуют различные геотермальные технологии с разным уровнем развития, которые широко используются в системах центрального отопления, теплицах и других приложениях. Надежной считается и технология производства электроэнергии из гидротермальных резервуаров с естественной высокой проницаемостью. В настоящее время большинство действующих в мире геотермальных электростанций основаны на использование сухого пара или «флеш» системах (одинарных, двойных и тройных), использующие источники горячей воды с температурой выше 180°C для. Кроме того, разрабатываются новые переходные технологии, такие как "Enhanced Geothermal Systems (EGS)" .
В Азербайджанской Республике в этом направлении ведутся важные работы. С 1950 года и по настоящее время работы всех исследователей Азербайджана содержат много разнообразных и ценных сведений об источниках минеральных вод в различных районах республики. Также многие вопросы, касающиеся их формирования и генезиса, еще недостаточно проработаны и нуждаются в более глубоком изучении. Это зависит от решения проблемы поиска и рационального использования гидроминеральных ресурсов. В гидрохимическом и гидродинамическом подходах еще не исследовано зона перехода от слабоминерализованных вод к соленым водам, более интересная с точки зрения выявления разных типов минеральных вод.
Температура минеральных вод Азербайджана колеблется в интервалах 4-650С. Это относится только к природным источникам воды. В то же время в Азербайджане из недр земли добывается вода с температурой 950С.
Зная и учитывая заданные требования, был проведен обширный обзор наиболее известных экспериментальных устройств, получивших широкое освещение в литературе. Для измерения плотности при высоких параметрах состояния чаще применяют пьезометр постоянного объема, плотномер с вибрационной трубкой и гидростатические методы измерения. Поэтому мы будем в основном анализировать эти три метода.
Принцип работы прибора, определяющего (р, р,Т) зависимости жидкостей методом вибрационной трубки плотномера основан на зависимости периода колебаний U-образной трубки от массы трубки. Эта масса состоит из суммы массы трубки и массы жидкости, залитой в эту трубку. Непосредственно измерить массу жидкости в трубке и самой трубке очень сложно, поэтому массу исследуемой жидкости можно измерить с помощью вибрирующей трубки и метода измерения вибрации. Подробный анализ этого экспериментального метода, теории метода и проведение экспериментальных работ будет объяснены ниже.
Экспериментальная установка, определяющая (p,p,T) зависимости жидкостей гидростатических методом обеспечивает высокую точность измерений, несмотря на относительно простой метод калибровки и проведения экспериментов.
Экспериментальная установка состоит из следующих основных частей: аналитические весы типа "ВЛА-200г-М"; электронная система слежения; ртутная отжимная емкость; система создания, поддерживания и измерения температуры и давления; система заполнения (ячейка) установки жидкостью. Электронная система слежения, являющаяся одним из основных частей прибора, служит для приведения системы подвеса измерительного прибора в положение измерения с помощью электромагнитной цепи.
Измерительное устройство является основной частью экспериментальной установки. Он состоит из головки, подвесной системы и измерительной ячейки, в которой находится жидкость.
Метод гидростатического взвешивания позволяет вычислить плотность жидкостей на основании действие архимедовой силы на подвешенную систему.
Определяя (p, р, T) зависимости жидкостей методом пьезометра постоянного объема, прибор измеряет плотность в самых разнообразных параметрах состояния, включая жидкие, паровые, докритические и закритические фазы, а также двухфазные состояния. Метод пьезометра постоянного объема позволяет получать экспериментальные данные по изотермам, изобарам и изохорам, что позволяет наблюдать степень внутреннего согласования, полученную в отдельных сечениях экспериментального материала. Используя современное оборудование и технические возможности, можно получить экспериментальные результаты Др/р=(0,03^0,10)% с высокой степенью точности даже при простом эксперименте. В этом методе важным элементом устройства является толстостенный пьезометр, тепловое расширение которого из-за давления и температуры следует рассчитывать очень тщательно.
После анализа перечисленных выше методов для измерения плотности геотермальных вод был выбран метод плотномера с вибрирующей трубкой. Поскольку этот метод имеет самую высокую точность экспериментов, все этапы создания и измерения температуры и давления автоматизированы; здесь очень важную роль играет установление и поддержание параметров состояния, в частности постоянного значения температуры. Эксперименты проводились с использованием двух приборов этого метода - плотномера DMA HPM для измерения (p, р, Т)зависимости и плотномера DMA 4500 для измерения плотности при атмосферном давлении.
Поскольку в методе с вибрирующей трубкой требуется калибровка как минимум с двумя веществами, в качестве основных калибровочных материалов для этой цели были выбраны вода и водные растворы NaCl, метанол, этанол и толуол. Процесс калибровки был проанализирован. После того, как прибор был откалиброван, калибровочные элементы были повторно измерены, и была проанализирована средняя погрешность сравнений. В ряде случаев опыты проводили 4-5 раз при одних и тех же температурах и проверяли работоспособность прибора в разное время, независимо от разницы наполнения и эксперимента. В лаборатории, в которой проводятся эксперименты, поддерживается постоянная температура Т=293,15 К. Сравнение результатов, полученных для водного раствора воды, толуола и NaCl (т=2,96661моль*кг-1) с данными, приведенными в литературе, показано на рисунках 1, 2 и 3.
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Как видно из приведенных ниже рисунков, разница между вновь полученными данными плотности и данными из литературы не превышает расчетных погрешностей измерений в этом приборе. Бидистиллированная вода была получена на различных лабораторных установках. NaCl, метанол и другие реагенты были закуплены у Merck (Германия). Для всех измерений были получены близкие друг к другу результаты с небольшой погрешностью. Все это свидетельствует о высокой точности созданной экспериментальной установки.
После проведения проверочных опытов (p, р, T) зависимостей воды, NaCl, метанола, этанола и толуола, были определены (p, р, T) зависимости термальных вод Хачмазского района (Палчык-Оба) Азербайджана методом вибрационной трубки при высоких давлениях и различных температурах.
0,03
0,02
0,01
^ 0,00
н
I -0,01 0
1 -0,02
-0,03
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
р/МПа
Рисунок. 1. Зависимость измеренной плотности воды от давления при интервале температур Т=(278,15-468,15) К и сравнение с литературными данными IAPWS 95. 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 а 0.10 0.00 -0. 10 -0.20 -0.30 -0.40 -0.50 -0.60 -0.70
£ й * t i Т8 ■ Л
«Ь Л Л А -
л Л л Л
лд л
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
p /МПа
Рисунок. 2. Зависимость измеренной плотности толуола от давления при интервале температур Т=(278,15-468,15) К и сравнение с литературными данными (данные до 2000 г.).
Рисунок. 3. Зависимость плотности водного раствора NaCl (m=2,96661 моль%кг ) от давления, измеренная при Т=(278,15-468,15) К, и разница между данными в различной литературе (данные до 2000 г.).
Измеренная плотность геотермального энергоисточника «Палчык-оба» Хачмазского района Азербайджана также была измерена с точностью 0,01% при атмосферном давлении (точнее при высоких давлениях) на приборе DMA 5000M. Этот прибор обеспечивает точные измерения при температурах до Т=363,15 К.
Полученные экспериментальные параметры (p, р, T) приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Экспериментальные значения плотности термальной воды «Палчик-Оба» Хачмазского _района Азербайджана при различных давлениях и температурах._
Р
МПа
Р
кг-
м
T К
Р
МПа
Р
кг ■
м
T К
0.786
5.073
9.995
15.101
20.015
25.229
30.097
34.985
40.100
0.958
5.188
10.057
15.089
19.951
24.990
30.037
35.041
1007.87 1010.03
1012.29 1014.85 1017.13 1019.49 1021.72 1023.84 1026.15 1006.68 1008.94 1011.10
1013.30 1015.39 1017.63 1019.82 1021.84
278.21
278.22
278.23 278.22 278.22
278.22 278.21 278.21
278.20
288.24
288.25 288.24
288.23
288.21 288.20 288.18 288.17
0.870
5.123
10.042
15.187
19.978
25.227
30.096
35.090
40.068
0.924
5.001
10.005
15.203
19.997
25.004
29.989
35.207
993.27
995.18
997.23
999.45
1001.35
1003.53
1005.53
1007.48
1009.26
984.42
986.26
988.47
990.72
992.75
994.83
996.85
998.92
327 327 327 327 327 327 327 327 327 343 343 343 343 343 343 343 343
.11 .12 .13 .14 .15 .16 .16 .17 .18 .14 .15 .16 .15 .15 .15 .16 .15
40.010 1023.96 288.15 39.992 1000.77 343.15
1.035 1004.46 298.24 1.012 975.14 358.15
5.147 1006.43 298.24 5.065 977.00 358.16
10.054 1008.49 298.23 10.025 979.23 358.15
14.991 1010.66 298.23 15.047 981.47 358.14
20.021 1012.83 298.22 20.035 983.65 358.15
25.061 1014.86 298.21 25.621 986.05 358.15
30.128 1016.85 298.21 30.058 987.93 358.16
35.104 1018.86 298.20 35.106 990.03 358.15
40.035 1020.88 298.17 39.985 992.03 358.15
0.845 999.55 313.15 1.326 965.17 373.12
5.021 1001.38 313.16 5.108 967.06 373.12
10.002 1003.52 313.14 10.166 969.29 373.15
15.203 1005.72 313.15 15.004 971.40 373.18
19.996 1007.70 313.15 20.071 973.63 373.18
25.025 1009.74 313.16 25.167 975.87 373.18
29.994 1011.72 313.14 30.106 978.06 373.16
35.024 1013.68 313.15 35.011 980.08 373.17
39.995 1015.57 313.15 40.022 982.21 373.16
Рисунок 4. Давление (р) термальной воды «Палчык-оба» Хачмазского района Азербайджана в зависимости от плотности (р).Зависимость, рассчитанная по формулам 1-2: ♦, 278,15 К; ■, 288,16 К; ▲ , 298,17 К; •, 313,18 К; ◊, 328,18 К;^, 343,15 К; А, 354,27 К; о, 372,96 К.
Полученные результаты записываются следующим уравнением состояния:
р = А р2 + В р8 + С р12 (1)
Доказано, что при увеличении третьего предела уравнения Ахундова-Иманова погрешность описания экспериментальных данных уменьшается до Др/р=±(0,001^0,003)%. Коэффициенты А(Т), В(Т) и С(Т) зависят от температуры в полиномиальной форме:
3 2 2
A(T) = B(T) = ^TbiT1, C(T) = ^Г (2)
i=1 i=0 i=0
Значения коэффициентов aij, bij и cij в уравнении (2) приведены в таблице 2.
Таблица 2.
a1= -5.96906137647 b0= 7660.5225241 c0= -5397.473667514
a2= 0.03060188658 b1= -49.491673 c1= 35.409651677
a3= -0.4800227471 10-4 b2= 0.0829263 c2= -0.0575229913
Уравнение (1) с учетом значений коэффициентов A(T), В(Т) и С(Т) позволяет записать экспериментальные значения (p, р, T) зависимостей термальной воды «Палчык-оба» со средней погрешностью 0,007 %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Azarbaycan Respublikasinda Alternativ va Barpa olunan olunan enerji manbalarindan istifada olunmasi üzra Dövlat poqrami (Azarbaycan Respublikasi Prezidentinin 2004-cü il 21 oktyabr tarixli 462 №-li sarancami ila tasdiq edilmi§dir).
2.N.D.Nabiev, M.M.Bashirov, J.T.Safarov, A.N.Shahverdiyev, E.P.Hassel Thermodynamic properties of geothermal energy resources (Khachmaz Sabir-Oba) of Azerbaijan. Journal of Chemical and Engineering data, Vol. 54,No.6, 2009.
3. N.D.Nabiyev "Azarbaycanin Xa9maz rayonunun geotermal enerji resurslarinin istilik-fiziki xassa-larinin tadqiqi". Texnika üzra falsafa doktoru alimlik daracasi almaq ü9ün taqdim edilmi§ disserta-siya, Baki, 2011, 177 sah.
4.Nabiyev N.D., Bashirov M.M., Safarov J.T., Shahverdiyev A.N., Hassel E.P. (p,p,T) properties of the Palchig-Oba and Mukhtadir geothermal resources of Azerbaijan / Abstracts of the XVII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, June 29-July 3, 2009, Kazan, Russian Federation, p. 355.
5. Nabiyev N.D., Jannataliyev R.M., Safarov J.T., Bashirov M.M., Nocke J., Shahverdiyev A.N., Hassel E. Thermodynamic properties of geothermal energy resources of the Khachmaz region of Azerbaijan / VDI "Thermodynamik-Kolloquium", 24.-26.September 2008, Universität Erlangen-Nürnberg, Germany.
6.Tabak J. Solar and Geothermal Energy (Energy and the Environment), Facts on File; 1stedition, Sonlight Christian-M, 2009, 206 p.
7. Ramazanov K. Azerbaijan's geothermal energy potential // IGA News, 1994, vol. 16, p. 5.
8. Wagner W., Pruß A. The IAPWS formulation 1995 for the thermodynamic properties of ordinary water substance for general and scientific use //Journal of Physical Chemistry Reference Data, 2002, vol. 31, p. 387-535.
9.Yokoyama O., Uematsu M. Thermodynamic properties of {xCH3OH+(1-x)H2O} with x = (1.0000, 0.8005, 0.4002, and 0.3034) in the temperature range from 320 K to 420 K at pressures to 200 MPa // The Journal of Chemical Thermodynamics, 2003, vol.35, p. 813-823.
