Исследование удельной изобарной теплоемкости двухкомпонентной гидросистемы горной машины в зависимости от температуры Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

------------------------------- © Р.Ю. Подэрни, Ш.З. Нажмудинов,

М.М. Сафаров, Н.У. Тагосва, 2007

УДК 536. 22

Р.Ю. Подэрни, Ш.З. Нажмудинов, М.М. Сафаров,

Н.У. Тагоева

ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНОЙ ИЗОБАРНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ГИДРОСИСТЕМЫ ГОРНОЙ МАШИНЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Семинар № 21

Эффективность работы гид-рофицированных машин и механизмов любой отрасли, в том числе машин и механизмов применяемых в горных работах, зависит не только от правильности подбора рабочих жидкостей и водных растворов (РЖ) применяемых в соответствующих узлах и агрегатах упомянутых машин, но и от установления характера изменения теплофизических свойств РЖ, целесообразности направления потоков тепла в гидросистеме, его массы и т.д.

Для достижения увеличения эффективности работы гидрофициро-ванных машин (ГМ) на стадии проектирования, необходимы уточненные данные о теплофизических свойствах РЖ, применяемых в научно обоснованных инженерных расчетах.

В инженерных расчетах использование ориентировочных или даже приближенных данных о свойствах РЖ приводит к существенному завышению металлоемкости агрегатов и узлов ГМ и снижению их техникоэкономических показателей (ТЭП).

В связи с изложенным, задача дальнейшего уточнения данных о теплофизических свойствах и характеристиках (ТФС) рабочих жидкостей, пу-

тем проведения соответствующих экспериментальных и теоретических исследований на основе рациональных инженерных расчетов, является актуальной, и новые знания в этой области в целом, позволяют обеспечить проведение новых разработок по созданию высокоэффективной новой техники.

Анализ потребностей науки и техники в численных данных о свойствах веществ и материалов показывает, что около 35% всей необходимой информации составляют данные о веществах в жидком и газообразном состояниях, из которых свыше 80 % -это данные о теплофизических свойствах [1].

Использование достоверных данных о свойствах (характеристиках) веществ, материалов (в том числе о РЖ) позволяет управлять вопросом обеспечения выпуска продукции с необходимым качеством. «Уровень и эффективность фундаментальных и прикладных исследований, качество выпускаемой продукции во всех отраслях народного хозяйства все в большой степени определяется достоверностью данных, характеризующих свойства наиболее важных для науки и промышленности сырья, материалов, веществ» [2, 3].

Актуальность проблемы получения достоверных данных о теплофизических свойствах веществ (в том числе РЖ), также обосновывается тем, что например за счет рационального выбора и замены конструкционных материалов (согласно Информационной системы по материалам и пластмассам Германии), обеспечило экономию 35% материалов [4], а за счет использования уточненных данных о свойствах технически важных газов и жидкостей поставляемых систем АВЕСТА удалось сэкономить за два года 7 млн. рублей [5].

В широком спектре современной техники в качестве РЖ, теплоносителей, химических реагентов, широко применяются различные виды масс, водные и неводные растворы.

Сведения о ТФС неводных растворов весьма важны для познания и развития физики жидкого состояния веществ. Они необходимы для выяснения механизма межмолекулярных взаимодействий и модели структуры растворов, процессов образования и разрушения молекулярных комплексов, и с их помощью можно решить проблемы смешиваемости и растворимости, выяснить изменение степени ассоциации компонентов при смешении и т.д.

К числу основных физико-химических величин, характеризующих свойства жидкостей, тесно связанных со многими другими физическими и химическими величинами, входящих в качестве основных параметров в уравнения гидродинамики и теплообмена при расчетах и проектировании процессов и аппаратов, относятся теплопроводность, плотность, теплоемкость и вязкость. Одним из важных ТФС жидкостей и газов является удельная изобарная теплоемкость (У ИТ), которая необходима для калорического расчета процесса и аппа-

рата, входящая в критериальное уравнение теплообмена и отражающая особенности термодинамической поверхности.

Для получения точных данных, УИТ технически важных веществ, определяется экспериментально.

При температуре, близкой к нормальной температуре кипения, УИТ большинство органических жидкостей составляет величину 1, 6 7-2, 1 КДж/(кг. К) [6]. В таком температурном интервале давление практически не влияет на теплоемкость. Зависимость УИТ от температуры различна в зависимости от степени приближения к критической точке. Так по [6] при величине относительной температуры т < (0,7-0,8), УИТ жидкости мало зависит от температуры. Однако при больших приведенных температурах, УИТ значительно возрастает и сильно зависит от температуры.

В настоящее время разработаны теоретические, полуэмпирические и эмпирические методы расчета УИТ жидкостей. Джонсон и Хуанг предложили метод групповых составляющих [6, 7]. Аналогичный метод разработан Шоу и Брайтоном [7]. Максимальные погрешности методов составили соответственно ±29 % и ±38 %.

В [8] предложен метод расчета УИТ жидкостей на линии насыщения. Метод аналогичен способу расчета теплопроводности жидкостей и требует сравнительно большого числа предварительных ТФС вещества.

При отсутствии экспериментальных данных по атомной теплоемкости жидкости или твердого вещества, ее можно рассчитать по уравнению предложенной [9]:

с = П1С1 + п2с2 + П3С3 +... М

(1)

где П2, п2, пз - число атомов разнородных элементов, входящих в соеди-

нение; с1г с2, с3 - атомные теплоемкости, КДж/(кг - атом К); М - общее количество атомов, входящих в соединение.

УИТ ряда органических и неорганических веществ можно найти, используя метод соответственных состояний по Ватсону [7]:

4,186М • Ь

Ср =

(0,1745 - 0,0855г)2

(2)

где Ь - безразмерный индивидуальный коэффициент; М - молекулярная масса вещества.

Средняя погрешность по методу Ватсона колеблется от 0,7 % до 24 % (в зависимости от класса жидкостей), максимальная погрешность метода Ватсона колеблется от 24 % до 68,7 %.

Для некоторых углеводородов, имеющих температуру Т и давление Р, предложена [10] следующая формула:

Ср =

103(1,7 - Впс) Р

(3)

Рпр

где с1г с2, с3 ... сп - удельная массовая теплоемкость компонентов входящих в растворы; т2, ... тп - соответственно массовая доля компонентов.

Для водных растворов (вода + растворенное вещество) при условии малой концентрации, т.е. если т<0,2, получено

С = 4,190(1 - т), (6)

где т - массовая доля растворенного вещества.

Для концентрированных водных растворов при т>0,2 удельную теплоемкость можно вычислить по формуле предложенной [9],

С = 4,190(1 - т) + с1т , (7)

где с2 - удельная теплоемкость безводного растворенного вещества.

УИТ двухкомпонентной эмульсии целесообразно вычислить по формуле предложенной [12],

РтС1 + р2(* -Ф)С2

Рф + Р2(1 -Ф)

(8)

где пс - число углеродных атомов в молекуле; В - безразмерный коэффициент: для парафиновых углеводородов В =7,5-10-3; для ароматических углеводородов В=2,2-10-3.

УИТ жидких нефтепродуктов по Сарданашвили А.Г. и Львовой А.И. [11] рассчитывается по формуле

[4,1866(0,403 + 0,000405^)] • Рв

(4)

где Рпр, Рв - плотность жидкого продукта и воды при 15 °С.

Уравнение (4) позволяет определить УИТ в интервале температур от

0 до 500 0С.

С помощью формул предложенной

[9] возможно вычислять УИТ раствора,

С = с1т1 + с2т2 + с3т3 + ...сп • тп (5)

где Р2, Р2 - плотность жидких компонентов N1 и N2; р - объемная концентрация первого компонента во втором в долях единицы.

С целью дальнейшего уточнения данных ТФС на экспериментальной установке, разработанной Платуно-вым Е.С. [13, 14] по методу монотонного разогрева, нами измерена удельная УИТ двухкомпонентной системы (этиленгликоль + гидразин) в интервале температур (293-353К) при атмосферном давлении (Р=0,101 МПа).

Метод монотонного теплового режима основывается на закономерностях приближенного анализа нелинейного уравнения теплопроводности. При этом под монотонным тепловым режимом понимается плавный разогрев (охлаждение) тела в широком диапазоне измерения температуры со слабо переменным полем

(при Р=0,101 МПа)

т,к 70% с2н6о2 70% с2н6о2+1%н2о 70% с2н6о2+э%н2о 70% С2Н6о2+5%Н2о

293 1687 1696 1715 1739

313 2226 2226 2264 2289

323 2588 2588 2632 2660

353 2709 2709 2755 2785

т,к 70% С2Н6о2+7%Н2о 70% С2Н6о2+Ю%Н2о 70% С2Н6о2+15%Н2о

293 1573 1781 1828

313 2313 2350 2413

323 2689 2732 2805

353 2816 2860 2937

т,к 70% С2Н6о2+20%Н2о 70% С2Н6о2+25%Н2о 70% С2Н6о2+30%Н2о

293 1875 1922 1969

313 2475 2537 2599

323 2877 2950 3022

353 3012 3088 3163

скоростей внутри образца [13]. Метод монотонного разогрева используется для измерения теплопроводности и теплоемкости жидкостей, растворов, твердых тел, сыпучих материалов, растворов и др. [14-18].

Доверительная граница измерения погрешности УИТ в относительной форме, при а = 0,95 составляет 1,9 %, методическая погрешность 0,2 %, инструментальная погрешность 1,1 %. Общая относительная погрешность измерений УИТ составляет 3,2 %.

Для измерения УИТ системы, нами использован с-калориметр.

Установка с-калориметр (контактный тепломер) основана на закономерности монотонного разогрева исследуемого образца, когда его температурное поле остается близким к стационарному (скорость разогрева составляет от 0,02 до 0,2 К/с).

Исследуемый объект размещается внутри металлического стакана (диаметром 5-15мм и высотой 5-30мм), которые монотонно разогреваются с тепловым потоком, непрерывно по-

ступающим к стакану через тепломер. При этом, тепломер может окружать стакан со всех сторон или контактировать только со дном стакана. Температурное поле внутри тепломера, который представляет собой кондук-тивную стенку, на протяжении опыта остается практически постоянным, а перепад температуры в тепломере позволяет оценить значение теплового потока, поступающего к стакану.

Результаты экспериментальных исследований показывающие характер изменения УИТ системы этиленгликоль - гидразин в зависимости от температуры приведены в таблице.

Анализ данных таблицы показывает, что УИТ растворов с ростом температуры и концентрации воды увеличиваются.

УИТ является аддитивной функцией массовых концентраций составляющих компонентов образцов. Учитывая это, для расчета УИТ, также нами использована формула:

Ср = ±Ст, (9)

1=1

Ср/Ср*

1,06

х +

Х+П

Рис. 1. Зависимость относительной удельной теплоемкости Ср/Ср * от относительной температуры Т/Т 1: 1-70% С2 Н6 О2 + 1% N Н4; 2-70% С2 Н6 О2 + 3% N Н4; 370% С2 Н6 О2 + 7% N Н4, 4-70% С2 Н6 О2 + 10% N Н4; 5-70% С2 Н6 О2 + 15% N Н4; 670% С2 Н6 О2 + 20% N Н4; 7-70% С2 Н6 О2 + 25% N Н4; 8-70% С2 Н6 О2 + 30% Н2 Н4.

Рис. 2. Зависимость удельной изобарной доли теплоемкости исследуемых растворов от гидразина при Т1 = 323К

где С - удельная изобарная теплоемкость и массовая концентрация 1 -той компоненты; п - количество составляющих компонентов.

Полученные экспериментальные данные по УИТ, достаточно хорошо согласуются с расчетными.

Для обобщения экспериментальных данных по теплоемкости растворов в широком интервале параметров состояния, нами использованы следующие законы соответствующих состояний и термодинамического подобия:

Ср

Ср

= / (Т / Т1)

(10)

СРТ /Ся

(

= {

(Р / Т)/(Р1/ ТЛ

Л

[срт /(С *р,т)]1 Ц(Р / Т) /(Р1 / Т]_)] 1 ,

(11)

где Ср* - удельная теплоемкость исследуемых растворов при Т; Т=323К; Срт - удельная теплоемкость при Р и температуры Т; С*РТ - удельная теплоемкость при Р1 и

температуры Т1

Т = 293К; [(Р / Т) /(Р1 / Т1)] - значения [(Р / Т)/(Р1/ ТД при

(Ср,т / С *Р,Т)1 = 1,0.

Необходимо отметить, что выражения (10) и (11) с успехом использованы для обработки экспериментальных данных, рядом авторов [10, 15, 16, 17, 18].

Выполняемость функциональной зависимости (10) для исследуемых растворов показана на рис. 1.

Уравнение кривой имеет вид:

Ср Ср *

,Т

Т,

-7,69(—)2 +17,35(—) - 8,7

Т/

(12)

Анализ значений Ср * показал, что они являются функциями концентрации гидразина (пм2Н4). Зависимость УИТ растворов от доли гидразина, при Т1 = 323К приведена на рис. 2.

Из рис. 2 видно, что с ростом доли гидразина УИТ растет по линейному закону. Уравнение этой линии, описывается следующим выражением:

Дж

Ср* = 3100п^ 2Н4 + 2590,

(13)

кг .К

Уравнение (12) с учетом (13) принимает вид:

Ср =

,Т

Т,

-7,69(—)2 +17,35(—) - 8,7

Т

Т/

<(3100п„ 2 н 4 + 2590),

Дж

(14)

кг .К

Выражение (14) позволяет рассчитать УИТ экспериментально неисследованных растворов, исключая необходимость использования множества предварительных сведений о теплоемкости исследуемых растворов, что раннее усложняло ведение инженерных расчетов в этом направлении. Погрешность расчетов при использовании выражения (14) находится в пределах 4 %, что является от 2 до 5 раз точнее, по сравнению с указанными ранее выражениями.

*

1. Козлов А. Д. Разработка и внедре-

ние в народное хозяйство системы нормативно-справочных данных о термодинамических свойствах технически важных газов, жидкостей и смесей: Автореферат дис... д-ра техн. наук - М., 1986. - С. 48.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Сычев В.В., Козлов А.Д. Государственная служба стандартных справочных данных в 1976-1980г.г. //Информ. бюл. ГСССД. - М. - 1975. Вып. 2. - С. 4-5.

3. Козлов А.Д Действительность ГСССД по обеспечению народного хозяй-

ства данными о свойствах веществ и материалов. //Информ. бюл. ГСССД. - М. Вып. 8-9. - С. 7-10.

4. О внедрении государственной регистрации материалов и веществ. // Информ. бюл. ГСССД. - М. - 1985 - Вып. 13 -с. 3.

5. Мальников П.С. // Информ. бюл. ГСССД. - М. - 1980. Вып. 8-9.- с. 3.

6. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Ё., 1982. - 592 с.

7. Столяров Е.А., Орлова Н.Г. Расчет физико-химических свойств жидкостей. Ё., 1976. - 112 с.

8. Филиппов Л. П. Подобие свойств веществ. - М. 1978. - 256 с.

9. Павлов К.Ф., Романов П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.

- Ё., 1976. - 552 с.

10. Мустафаев Р.А. Теплофизические свойства углеводородов при высоких параметров состояния. - М., 1980. - 296 с.

11. Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. - М., 1973. - 272 с.

12. Дрыжаков Е.В., Исаев С.Н., Корнейчук Н.К. Сборник задач по технической

термодинамики и теплопередаче. - М., 1968. - 373 с.

13. Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. - Ё.:, Энергия. 1973. - 142 с.

14. Волькенштейн В. С. Скоростной

метод определения теплофизических

характеристик материалов. - Ё.:, Энергия. 1971. - 145 с.

15. Маджидов X. Сафаров М.М., Ну-риддинов 3. Расчет теплопроводности простых и сложный эфиров при высоких параметров состояния.: Тезисы докладов. 9 Всесоюзная теплофизическая школа. - Там-бов.-1988. - С. 43.

16. Маджидов X. Экспериментальное исследование коэффициента теплопроводности диэтилового эфира при различных температурах и давлениях. // Иэв. вузов СССР, Нефть и газ. - 1983. - №1 - С. 56-60.

17. Мустафаев Р. А. Экспериментальное исследование изобарной теплоемкости парафиновых углеводородов. // ИФЖ.-1976. т. 50. - №7.- С. 503-508.

18. Назиев Я. М. Определение теплоемкости жидкостей и газов при высоких параметрах квазистационарным методом. // Доклад. АН Азерб. ССР.-1967.- т. 23.- №6.

- с. 108-112. ЕШ

— Коротко об авторах

Подэрни Р.Ю. - доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет.

Нажмудинов Ш.З., Сафаров М.М., Тагоева Н.У. - Национальный патентноинформационный центр Республики Таджикистан, Таджикский технический университет им. академика М.С. Осими.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 21 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Л.И. Кантович.