CC BY
15
УДК 53.01,53.08,538.9
Л. О. Плигускин, И. В. Кузнецова, И. И. Гильмутдинов, И. М. Гильмутдинов, А. Н. Сабирзянов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР В ПРОЦЕССЕ ИСТЕЧЕНИЯ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО
ФЛЮИДНОГО РАСТВОРА, РАСШИРЯЮЩЕГОСЯ ЧЕРЕЗ СОПЛО МИКРОННЫХ КАНАЛОВ
Ключевые слова: свободная струя, температура, сверхкритический флюид.
Получены снимки теплового поля чистого диоксида углерода и с частицами антрацена. В опытах измерялись давление в насытителе 15-35 МПа (P), температура устройства расширения 313-353 К (T), а остальные параметры оставались постоянными, что позволило определить влияние конкретного термодинамического параметра на тепловое поле свободной струи. Проведён анализ снимков теплового поля и получены термограммы.
Keywords: free jet, temperature, supercritical fluid.
Take pictures of the thermal field of pure carbon dioxide and particles of anthracene. In experiments measured saturating pressure 15-35 MPa (P), the temperature of the expansion unit 313-353 K (T), while the other parameters remain constant, which allowed to determine the impact of specific thermodynamic parameter in the thermal field of the free jet. The analysis of images obtained by the thermal field and thermal image .
Введение
Измельчение твердых веществ широко распространено в современной промышленности, а в частности сверхкритические методы измельчения. Одним из самых энергосберегающих сверхкритических методов получения частиц микронных и субмикронных размеров является метод быстрого расширения сверхкритического раствора (RESS). Распределение по размеру ультрадисперсных порошков, образующихся при быстром расширении сверхкритических растворов (метод RESS) зависит от термодинамических условий в экстракционной ячейке, а также от геометрии расширительного устройства. В целях удовлетворения технических характеристик продукта и улучшения контроля процесса, необходимо фундаментальное понимание зародышеобразования, конденсации и коагуляции частиц.
В работе [1], моделировали динамику роста частиц в результате гомогенной нуклеации, конденсации и коагуляции в дозвуковом расширении сверхкритического флюида внутри цилиндрического капилляра. Расчеты показывают, что дозвуковой RESS является очень эффективным методом для получения частиц в диапазоне диаметров 10-50 нм. Процесс формирования частиц характеризуется замедленной нуклеацией частиц, осаждением сравнительно небольшой доли от общей массы растворенных веществ, и узким распределением по размерам. Для того, чтобы объяснить и описать количественно рост частиц, найденные в реальных экспериментах RESS. [2] В данной работе исследован процесс быстрого расширения сверхкритических растворов методом RESS, а в частности тепловое поле свободной струи сверхкритических флюидных растворов.
Экспериментальная часть
В настоящей работе в качестве исследуемых веществ используются антрацен и чистый диоксид углерода. В качестве растворителя используется диоксид углерода (ГОСТ 8050-85). Опыты
проводились на усовершенствованной лабораторной установке RESS-100-2 Base фирмы Thar Technologies Inc. (США). Описание установки приведено в работе [3].
На начальной стадии данного исследования, для того чтобы найти распределение температуры в свободном потоке сверхкритического (далее СК) диоксида углерода, был использован метод термической визуализации. Измерения
осуществлялись в нагретом потоке чистого СО2. Для проведения измерений был использован тепловизор Fluke Ti-25 (свидетельство о поверке № 207/13-2561). Нижний предел измерений тепловизора 243К. Непосредственно под соплом вдоль потока установлена металлическая пластинка с выбранной толщиной металла 0,5 мм. СК СО2, а так же смесь антрацена и СК СО2, которые расширяются в окружающую среду, через сопло с микронным каналом и далее попадая на пластину, изменяют её температурное поле. Эти изменения улавливает и определяет тепловизор.
При дальнейшем исследовании температурного поля в струе расширяющегося потока чистого углекислого газа мы использовали систему из хромель-копелевой термопары. Изменяя местоположение термопары вдоль оси её распространения, измеряется температура в самых холодных точках расширяющегося потока. При использовании термопары, было подтверждено, что температура в центре сопла составляла 213 К.
Далее мы добавили к чистому диоксиду углерода антрацен и провели идентичные опыты для этой смеси. Для того, чтобы в дальнейшем проанализировать и сравнить полученные результаты с чистым диоксидом углерода и с примесью антрацена.
При дальнейшей обработки данных использовалась программа IRsoft для профессионального анализа термограмм. Проставляя температуры по всей длине струи, через определённые промежутки, мы получили графики
зависимости изменения температуры струи от длины струи.
Результаты
Термодинамические параметры эксперимента показаны таблице 1, графики с чистым диоксидом углерода представлены в работе [3].
Таблица 1 - Условия проведения процесса КЕ88
№ Тем-ра. насытите -ля, К Тем-ра. СОПЛ ОБ ого устрой ства.: К Даялен -не б снстем-е, МП а. ЬБ КЕМ
1. 20
2. 323 343 25
3. 30
4. 35 2000/150
5. 313
6. 323
7. 323 333 25
3. 343
9. 353
Результаты, которые мы получили благодаря тепловизору, в экспериментах № 1-9 для СК СО2 с примесью антрацена при параметрах эксперимента
помогли
построить профили температур вдоль оси x.
На рисунке 1 показана зависимость изменения температуры потока вдоль направления его распространения при изменении давления опыта. На рисунке 2 показана зависимость изменения температуры потока вдоль направления его распространения от изменения температуры соплового устройства.
290 285 280 275 270 265 260 255 250 245 240
P=20МПа
P=25МПа
P=30МПа
P=35МПа
100
Рис. 1 - Зависимость изменения температуры потока СО2 с частицами антрацена при изменении давлений эксперимента
290 285 280 275 270 265 260 255 250 245 240
T=313K T=323K T=333K T=343K T=353K
0
50
100
x,мм
Рис. 2 - Зависимость изменения температуры потока СО2 с частицами антрацена при изменении температуры соплового устройства
На графиках зависимости температуры потока от температуры соплового устройства мы видим асимптотически приближающиеся друг к другу линии изменения температур струи. На графике зависимости температуры свободной струи от давления в экстракционной ячейке с увеличением давления мы наблюдаем снижение температуры струи.
Далее на рис. 3 и рис. 4 мы выборочно сравнили графики изменения температуры струи при разных давлениях и температурах соплового устройства с частицами антрацена и чистым диоксидом углерода.
295 290 285 280 275 270 265 260 255 250 245 240
0
50
100
150
333K с антр. 333K без антр. 353 с антр. 353 без антр.
x,мм
Рис. 3 - Зависимость изменения температуры свободной струи СО2 с частицами антрацена и чистого СО2 при изменении температуры соплового устройства
На графике зависимости температуры потока от температуры соплового устройства (рис.3) мы видим, что линии температур приближаются друг к другу. Исходя из данного наблюдения, мы можем сделать вывод, что изменение температуры соплового устройства незначительно влияет на изменение теплового поля свободной струи.
\,мм
0
T,K
295 290 285 280 275 270 265 260 255 250 245 240
30МПа с антр. 30МПа без антр. 20МПа без антр. 20МПа с антр.
1 х,мм 150
Рис. 4 - Зависимость изменения температуры свободной струи С02 c частицами антрацена при изменении давлений процесса
На графике зависимости температуры свободной струи от давления в экстракционной ячейке (рис. 4) с увеличением давления мы наблюдаем, снижение температуры струи. При добавлении к чистому диоксиду углерода частиц антрацена свободная струя начинает быстрее нагреваться в окружающей среде по оси удаления от соплового устройства, что соответственно влияет на изменение её теплового поля.
Вывод
В этой статье были выполнены эксперименты по измерению теплового поля свободной струи СК СО2, а так же смеси антрацена и СК СО2. Установлено, что антрацен влияет на тепловое поле струи, вследствие чего, она быстрее нагревается.
Проанализировав температурное поле потока, мы сможем найти размеры боковых ударных волн и диска Маха, исходя из различных значений температур, меняющихся скачками. В дальнейшем работа будет посвящена разработке полной математической модели, включающей
температурные поля из этой статьи и данные по зародышеобразованию.
Благодарность
Работа выполнена в рамках договора №14-08-31319\15 от 05.05.2015 с федеральным государственным бюджетным учреждением «Российский фонд фундаментальны исследований».
Литература
1. Mathematical modeling of nucleation and growth of particles formed by the rapidlexpansion of a supercritical solution under subsonic conditions/ Markus Webe r2 / Lynn M. Russell / Pablo G. Debenedetti // 2 The 3 Journal of Supercritical Fluids. -2010. 1-2 Vol. 3C-23, 4Num 51. - P.627 - 32
2. Кузнецова И.В. Гидродинамика и зародышеобразование в канале и свободной струе в процессе быстрого расширения сверхкритического раствора / И.В. Кузнецова, И.И. Гильмутдинов, И.М. Гильмутдинов, А.А. Мухамадеев, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казан. технол. ун-таЖ№1, 111-118 (2012).
3. Плигускин Л.О. Влияние температурных полей в процессе быстрого расширения сверхкритического флюидного раствора из микронных сопловых каналов на зародышеобразование и рост частиц / Т. Т. Мустаев, Л. О. Плигускин, И. В. Кузнецова, И. И. Гильмутдинов, И. М. Гильмутдинов, А. Н. Сабирзянов // Вестник Казанского технологического университета, №21, 128-130 (2014).
© Л. О. Плигускин - студент каф. теоретических основ теплотехники, leonid.pliguskin@gmail.com; И. В. Кузнецова - доцент каф. теоретических основ теплотехники, irina301086@gmail.com; И. И. Гильмутдинов - доцент той же кафедры, ilnur1988@inbox.ru; И. М. Гильмутдинов - доцент той же кафедры, gilmutdinov@kstu.ru; А. Н. Сабирзянов - д-р техн. наук, проф., той же кафедры, sabirz@kstu.ru.
© L. O. Pliguskin - student cafes. the theoretical foundations of heat engineering, leonid.pliguskin@gmail.com; I.V. Kuznetsova -associate cafes. the theoretical foundations of heat engineering KNRTU , irina301086@gmail.com; I.I. Gilmutdinov - associate professor of the same department; ilnur1988@inbox.ru; I. M. Gilmutdinov - associate professor of the same department, gilmutdinov@kstu.ru; A. N. Sabirzyanov - Dr. Sc. Sciences, prof., the same department, sabirz@kstu.ru.
