CC BY
26
© Ш.З. Нажмудинов, М.М. Сафаров, 2008
УДК 536. 21
Ш.З. Нажмудинов, М.М. Сафаров
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ ГИДРОФИЦИРОВАННЫХ ГОРНЫХ МАШИН В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ, ДАВЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРАЦИИ ГИДРАЗИНА
Современные условия дефицита энергетических и материальных ресурсов предъявляют все возрастающие требования к повешению эффективности проектируемых гидрофицированных горных машин, технологических процессов, аппаратов и др. оборудования (ГМ) применяемых при выполнении определенных горных работ. Наиболее полно эта проблема решается с применением систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих сформировать, сравнить и оценить большое количество вариантов проектных решений. При этом в САПР широко используют математические модели процессов теплопереноса протекающих в потоках рабочих жидкостей (РЖ) гидросистем ГМ, при изотермических условиях. Краевые задачи при этом, является определение параметров эффективности теплофизических свойств (ТФС: теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость и т.д.) потоков РЖ. Потоки РЖ в большинстве случаев представляют собой дисперсные системы (суспензии, эмульсии или жидкостно-газовые смеси), эффективные значения ТФС которых могут быть измерены только в процессе течения. При остановке течения происходит разделение РЖ на их компо-
ненты. При этом, твердые частицы суспензий выпадают в осадок, эмульсии расслаиваются, мелкие пузырьки газов выделяются из жидкостногазовых смесей.
Применения в современном производстве точных и энергоемких технологий требует знания комплекса ТФС многих веществ в широком интервале изменения параметров состояния.
Органические жидкости и их гало-гензамещенные в технологических процессах занимают особое место.
Из множества методов исследования ТФС упомянутых веществ нами выбран акустический, как обладающий высокой точностью, технологичностью, являющийся неразрушающим и позволяющих использовать цифровую и вычислительную технику. Для проведения исследований нами разработан и введен в эксплуатацию акустический зонт, работающий как акустический пьезометр и позволяющий проводить оперативные измерения скорости и поглощения ультразвуковых волн, плотность и изобарную теплоемкость в агрессивных жидких средах в широком интервале температур и давлении до 500МПа.
Располагая оперативной информацией о плотности, скорости ультразвука и изобарной теплоемкости ве-
щества, представляется возможным рассчитать упругие и калорические свойства исследуемой среды в зависимости от температуры и давления, а также прогнозировать поведение агрессивной среди в технологическом процессе.
Знания ТФС альтернативных РЖ горных машин является важным условием их внедрения в промышленность. В настоящее время наибольший практический интерес представляют такие РЖ, содержащие некоторые количества гидразина. Имеющиеся в литературе информация об их термодинамических свойствах ограничена и подчас противоречива.
С использованием разработанных на кафедре Теплотехники и теплотехнического оборудования Таджикского технического университета им. академика М.С. Осими методов прогнозирования давления насыщенных паров, плотности жидкости и пара на линии насыщения, поверхностного натяжения и теплоты испарения, изотермической сжимаемости и изобарной теплоемкости, выполнен термодинамический расчет имеющиеся в литературе информации о теплофизических свойствах рассматриваемых РЖ.
Феноменологической основой методов прогнозирования теплофизических свойств, является применение основных принципов скейлинга и универсальных соотношений амплитуд, характеризующих индивидуальные свойства веществ. Для этого, нами использована система малоконстантных термодинамически согласованных уравнений, которые могут описывать ТФС с погрешностью сопоставимой с экспериментальной в широком интервале параметров состояния. Подробно рассмотрены методические вопросы, связанные с анализом погрешности прогнозиро-
вания термических свойств в зависимости от объема выборки экспериментальных данных и точности исходной информации.
Гидразин или его смесь с гидра-зингидратами, предназначенные для использования в качестве унитарного топлива, подвергались мгновенному разложению при контакте с катализаторами, состоящими из рения, молибдена, железа, никеля, серебра, иридия или рутения, нанесенных на высокопористые носители окислов алюминия, тория или цинка [1].
Растворы гидразина с рабочей жидкостью готовились путем смешения исходного концентрированного гидразина с РЖ. Предварительно определялась концентрация исходного гидразина по результатам измерения его плотности пикнометрическим способом.
Для этих целей был изготовлен пикнометр объемом около 150см с капилляром диаметром 0,5 мм. Объем пикнометра определяется с точностью ± 0,005 % путем многократного определения количества рабочей жидкости, заполняющей его при температуре 20 °С. При этих определениях пикнометр заполнялся РЖ и термостатировался с точностью ±0,01 %, при температуре 20 0С в термостате ТС-24. При заполнении пикнометра исходным гидразином и растворами разной концентрации принимались меры, исключающие длительный их контакт с атмосферным воздухом. После определения концентрации исходного гидразина рассчитывалось необходимое для растворения по заданной концентрации весовое количества РЖ и составлялся требуемый раствор.
Концентрация гидразина в составленных растворах определялась путем измерения их плотности в том же пикнометре, что и концентрация ис-
ходного гидразина. Измерения плотности проводились 3-5 раз и принимался средний результат.
Исследованы удельная изобарная теплоемкость системы (рабочий жидкость и гидразин) в интервале температур (293-553,8К) и давлений Р=0,101-49,1)МПа.
Для измерения удельной изобарной теплоемкости (УИТ), использована установка, работающая по методу монотонного разогрева [2].
Общая относительная погрешность измерения УИТ при доверительной вероятности а = 0,95 равна 3,0 %.
Ранее была измерена УИТ гидразина и их водных растворов в жидком состоянии на линии насыщения в интервале температур (273-340) К [1-6].
Для измерения УИТ и изменения энтальпии растворов в интервале температур 293-553 К и давлений 0,101-49,1 МПа по методу монотонного разогрева, использована установка описываемая ниже.
Установка в основном состоит из измерительной ячейки, графопостроителя, сосуда Дьюра с тающим льдом, прижимного сосуда высокого давления, грузопоршневого манометра МП-2500 и электроизмерительных приборов.
Измерительная ячейка находится в фарфоровой камере, на которой намотан нагревательный элемент. Измерительная ячейка через тонкостенные нержавеющие трубки соединяется с прижимным сосудом. Нагреватель и горячий спай термопары находится при атмосферном давлении. При измерении температуры опыта нами использована дифференциальная хро-мель-алюмелевая термопара диаметром 0,15мм, концы которой соединены с графопостроителем. Холодный спай дифференциальной термопары был помещен в сосуд Дьюара с таю-
щим льдом, а горячий спай касается корпуса измерительной ячейки.
Для проверки правильности постановки экспериментов были проведены контрольные измерения с толуолом, Н-гексаном и водой.
Ранее была измерена теплоемкость УИТ чистого гидразина и их водных растворов в зависимости от температуры (293-453К) и давления (0,10149,1) МПа [2, 6].
Результаты исследований влияния гидразина на поведение УИТ рабочей жидкостей ГМ в широком интервале температур (293-553К) и давлении (0,101-49,1) МПа приведена в таблице.
Из таблицы видно, что теплоемкость раствора (70 % С2 Н6 О2+1 % Ы2Н4) с ростом температуры увеличивается, а с ростом давлении уменьшается. Например, при увеличение температуры при Р=4,9 МПа теплоемкость увеличивается на 80,4 %, а при Р=49,1 МПа, этот изменение составляет ~82,6 %. При температуре Т = =293 К изменение давления уменьшает теплоемкость на 21,1 %, а при Т= 553,6 К этот изменение равна 19,2 %.
Для обобщения экспериментальных данных по теплоемкости растворов при высоких параметрах состояния использовали следующую функциональную зависимость:
(Ср т /СР1Т1)КСР Т /СРъТ1\ = /(т/т*),
(1)
где Ср'Т - удельная изобарная теплоемкость при Р и Т; СР т -УИТ при
давлении Рг и Тг, где Рг=0,101МПа, Т1=293К;
Т *
т = —; т - значения при
Т1
С
= 1,4
С Р1.Т1
Таблица 1
Экспериментальные значення УИТ (Ср, Дж ) раствора (70% С2Н602 + 1% Н2Н4)
кг ■ К
при различным температурах и давлениях
т,к Давление, Р, МПа
0,101 4,91 9,81 19,6 29,4 39,2 49,0
293,3 1715 1680 1650 1590 1525 1480 1415
313,6 2220 2180 2090 1990 1850 1750 1680
333,7 2590 2510 2300 2180 2020 1885 1800
352,3 2720 2670 2625 2550 2460 2310 2190
378,8 - 2720 2680 2620 2500 2390 2280
397,2 - 2750 2700 2645 2540 2420 2310
416, 9 - 2775 2740 2680 2575 2460 2350
438,5 - 2820 2780 2720 2610 2495 2385
458,4 - 2860 2820 2750 2650 2535 2425
479,7 - 2900 2860 2790 2690 2575 2465
498,8 - 2940 2900 2830 2725 2615 2505
518,4 - 2970 2925 2865 2760 2640 2536
537,4 - 3000 2955 2900 2795 2680 2565
551,8 - 3045 3000 2920 2825 2710 2600
Используя уравнения (1) и графоаналитические обработки для расчета УИТ исследуемых растворов нами получена следующее уравнение:
Ср
-1,344(-
7,7 ■ 10-9Р + 1,14г
■)2 +
+4,16(
7,7 ■ 10-9Р + 1,14г
) -1,43
■ Ср
(2)
Использование уравнения (2) позволяет вести расчет УИТ растворов в широком интервале температур и давлений с совпадением с экспериментальными данными погрешностью до 5%, что в свою очередь сокращает время проведения экспериментов при исследованиях и повышает эффективность использования САПР.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коровин Н.В. Гидразин М.: Химия, 1980-272с.
2. Сафаров М. М. Теплофизическое свойства простых эфиров и водных растворов гидразина в зависимости от температуры и давления. Дисс. ... д-ра техн. наук. -Душанбе, 1993-450с.
3. Грехов А.П., Веселков В.Я. Физическая химия гидразина. - Киев: Науково дум-ка,1979.
4. Сарнер С. Химия ракетных топлив. Пер. с англ. Е.П. Голубкова, В.К. Старкова, В.Н. Шеманиной./Под ред. д-ра техн. наук В.А. Ильинского. М.: Мир, 1969.
5. БгисСітап Р. Ш.//Ргос. Лшег. Бсі. -1923-У.49.-Р141.
6. Зарипова М.А. Теплофизические и термодинамические свойства водных растворов гидразина и фенилгидразина. Душанбе. 2006. 157с. ШИЗ
— Коротко об авторах----------------------------------------------------
Нажмудинов Ш.З., Сафаров М.М. - Национальный патентно-информационный центр Республики Таджикистан, Таджикский технический университет им. академика М.С. Осими.
