CC BY
69
Список литературы:
1. Гребеньков Д. В. Прогнозирование ресурса инерционного гидродифференциального выпрямителя момента мобильной машины // Вестник машиностроения. - 2013. - № 2. - С. 33-36.
2. Гребеньков Д.В. Параметры, влияющие на объёмные утечки в гидравлических муфтах свободного хода инерционного гидродифференциального трансформатора вращающего момента // Наука и современность. -2012. - № 15-1. - С. 102-107.
3. Гребеньков Д.В. Метод прогнозирования технического ресурса инерционной гидродифференциальной автоматической передачи мобильных машин: дис. ... канд. техн. наук. - Москва, 2005. - 167 с.
4. Баженов С.П., Гребеньков Д. В. Обоснование параметров гидросистемы выпрямителя момента инерционной бесступенчатой автоматической передачи // Современные наукоемкие технологии. - 2004. - № 1. - С. 46.
5. Гребеньков Д.В. Параметры, влияющие на величину рабочего давления в гидросистеме инерционного гидродифференциального трансформатора вращающего момента // Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований. - 2016. - № 22. - С. 88-92.
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ
ВЯЗКОСТИ И ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ СМЕСИ УСИНСКОЙ И ЯРЕГСКОЙ НЕФТЕЙ С ПОМОЩЬЮ ВИБРАЦИОННОГО ВИСКОЗИМЕТРА ЭУ-10
© Михеев М.М.*, Михеев Д.М.
Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта
Данная работа посвящена исследованию температурной зависимости вязкости и энергии активации течения смесей нефтей со сложной реологией, транспортируемых по магистральным нефтепроводу «Уса-Ухта». С помощью современных вибрационного SV-10 и ротационного НААКЕ VT550 вискозиметров измерены температурные зависимости вязкости для широкого диапазона температур. На основании этих зависимостей получены значения энергии активации и определены температуры кристаллизации парафина в нефтях.
Показано, что для парафинистых нефтей, как правило, существуют два температурных диапазона. Энергия активации в каждом диапазоне описывается прямыми зависимостями с разными углами наклона пря-
* Студент кафедры Проектирования и эксплуатации магистральных газонефтепроводов.
мых в координатах логарифм вязкости от обратной температуры. Точки пересечения этих прямых соответствуют температуре начала массовой кристаллизации парафина в нефти.
Проведено сравнение температурных зависимостей вязкости нефти Усинского месторождения измеренных на вибрационном и ротационном вискозиметрах.
Ключевые слова: энергия активации вязкого течения жидкости, реологические характеристики, вязкость, вибрационный вискозиметр, ротационный вискозиметр, температура начала массовой кристаллизации парафинов.
Магистральный нефтепровод «Уса-Ухта» является неизотермической системой. Температура перекачиваемой нефти изменяется вдоль трубопровода от 50 до 7 °С. Температура нефти уменьшается по мере ее следования на перегонах между насосными станциями за счет выделения тепла в окружающую среду. Нефть теряет подвижность из-за увеличения вязкости и процесса кристаллизации парафинов, их структурообразования.
Нестабильность теплогидравлических режимов магистральных нефтепроводов приводит к перерасходу электроэнергии на перекачку и превышению эксплуатационных затрат. Поэтому для тепловых и гидравлических расчетов режимов перекачки необходимо знать зависимость реологических параметров нефти от температуры, прежде всего вязкости и ее характерного показателя - энергии активации.
Цель работы - с помощью вибрационного вискозиметра SV-10 провести измерения вязкости смесей Усинской нефти из магистрального трубопровода «Уса-Ухта» и тяжелой Ярегской нефти для различных концентраций тяжелой нефти в диапазоне температур 60-10 °С, построить температурные зависимости вязкости и определить по ним энергии активации смесей нефти.
Задачи:
1. Ознакомиться с принципом работы вибрационных вискозиметров, научиться проводить измерения вязкости на вибрационном вискозиметре SV-10.
2. Научиться составлять смеси парафинистых и тяжелых нефтей для заданных концентраций тяжелой нефти.
3. Провести измерения вязкости смесей Усинской нефти из магистрального трубопровода «Уса-Ухта» и тяжелой Ярегской нефти для различных концентраций тяжелой нефти в диапазоне температур 60-10 °С.
4. Построить температурные зависимости вязкости и определить по ним энергии активации составленных смесей нефтей.
Энергия активации
В жидкостях расстояния между молекулами значительно меньше, чем в газах, поэтому на движение молекул в жидкости в первую очередь влияет межмолекулярное взаимодействие, ограничивая их подвижность.
Рассмотрим, отдельную молекулу жидкости и будем считать, что она находится в силовом поле, созданном окружающими ее молекулами. Это поле представим как совокупность большого числа потенциальных «ямок» -минимумов потенциальной энергии, - расположенных друг от друга на расстоянии того же порядка, что и размеры молекулы. Такой потенциальный рельеф, в котором движется молекула жидкости, в одномерном случае можно аппроксимировать зубчатой линией.
Высота зубцов рельефа определяет кинетическую энергию, которая требуется частице для «перескока» из своей потенциальной ямки в одну из соседних. Эта энергия и есть энергия активации вязкого течения жидкости.
Вибрационный вискозиметр
Вискозиметр - это прибор, предназначенный для определения вязкости. Компания A&D разработала инновационный метод измерения вязкости -вискозиметр, основанный на методе камертонной вибрации.
Принцип действия: две сенсорные пластины вибрируют в среде с постоянной частотой 30 Гц. Когда сенсорная пластина вибрирует с постоянной частотой, амплитуда колеблется в соответствии с величиной силы трения, которое возникает между сенсорными пластинами и образцом благодаря наличию вязкости (внутреннего трения).
Вибровискозиметр управляет возбуждающим электрическим током, вызывающим вибрацию сенсорной пластины, для того чтобы добиться постоянной амплитуды.
Поскольку сила трения прямо пропорциональна величине вязкости, возбуждающий электрический ток, необходимый для вибрации сенсорной пластины с постоянной частотой для получения постоянной амплитуды колебаний, также прямо пропорционален величине вязкости конкретного образца.
Вибровискозиметр измеряет величину возбуждающего электрического тока, а затем определяет значение вязкости по величине положительной корреляции между возбуждающим электрическим током и вязкостью.
Характеристики:
1. Измерение вязкости в реальном времени.
2. Новый метод измерений, реализованный в серии SV (камертонный тип), позволяет достигать высокой точности измерений вязкости при повторяемости результатов, равной 1 %.
3. Во время непрерывных измерений в широком диапазоне вязкости (0.3 мПа-с - 10000 мПа-с) нет необходимости заменять сенсорные пластины.
4. Поскольку площадь поверхности / теплоемкость устройства обнаружения невелика, температуры образца и сенсорных пластин достигают равновесия за очень короткое время, что позволяет выполнять точные измерения температуры.
Определение энергии активации вязкого течения по температурной зависимости вязкости нефти.
Материалом для исследования служат смеси Усинской нефти из магистрального трубопровода «Уса-Ухта» и тяжёлой Ярегской нефти различных концентраций тяжёлой нефти в диапазоне температур 60-10 °С.
Полученный ряд последовательных значений вязкости сводится в таблицу Microsoft Office Excel 2007. Строятся графики зависимостей вязкости от температуры (рис. 1) и логарифма вязкости от обратной температуры (рис. 2). Зависимость Lnn от 1/Т аппроксимируется прямыми линиями с помощью метода наименьших квадратов. Значения энергий активации определяются по формуле:
7 = A exp(E / RT),
где Еа - энергия активации вязкого течения жидкости;
R - универсальная газовая постоянная;
А - постоянная.
Данную формулу часто называют формулой Аррениуса-Френкеля-Эй-ринга, прологарифмировав выражение получим:
ln7 = ln A + (Ea /R) 1/T.
T. :c
Рис. 1. Температурная зависимость вязкости смесей нефтей Ярегского и Усинского месторождения для различных концентраций (по оси вязкости установлен логарифмический масштаб)
Рис. 2. Зависимость логарифма вязкости смесей нефтей Ярегского и Усинского месторождения в различных концентрациях от обратной температуры
Рис. 3. Зависимость логарифма вязкости нефти Усинского месторождения от обратной температуры
Зависимость, представленная на рис. 3 в координатах Аррениуса аппроксимируется двумя прямыми с разными углами наклона, им соответствуют значения энергии активации 43 и 242 кДж/моль. Точка пересечения этих прямых соответствует температуре начала массовой кристаллизации парафина и равна 27,3 °С.
Получившуюся зависимость (рис. 4) можно аппроксимировать одной прямой, которой соответствует энергия активации равная 79 кДж/моль.
1 ООО/Т
Рис. 4. Зависимость логарифма вязкости нефти Ярегского месторождения от обратной температуры
Для остальных смесей нефтей энергия активации и температура начала массовой кристаллизации получены аналогично и представлены в таблице:
Таблица 1
Нефть Энергия активации, кДж/моль Температура массовой кристаллизации, °С
Еакт1 Еакт2 Ткр
Ярега 79 - -
Уса 43 242 27,3
Ярега 10 Уса 90 43 224 27
Ярега 30 Уса 70 44 204 24
Ярега 90 Уса 10 74 - -
С целью сравнения данных полученных на вибрационном SV-10 и ротационном УТ-550 вискозиметрах построены следующие графики:
Рис. 5. Кривые течения нефти из МН «Уса-Ухта» для различных температур, снятые на ротационном вискозиметре УТ 550
Рис. 6. Зависимость сдвига вязкости от скорости для различных температур на ротационном вискозиметре УГ 550
Рис. 7. Сравнение результатов зависимости вязкости от температуры, измеренных на УТ-550 при скорости сдвига 250 с-1 и SV-10
Рис. 8. Сравнение результатов зависимости вязкости от температуры, измеренных на ^-550 при скорости сдвига 250 с-1 и SV-10
Следует отметить, что данная зависимость вязкости от температуры (рис. 8) имеет высокую погрешность в области малых скоростей сдвига и высоких температур, т.к пружина на ротационном вискозиметре «не нагружена», поэтому точное определение значения величины вязкости невозможно.
Таким образом, было установлено, что для нефти Ярегского месторождения зависимость логарифма вязкости от обратной температуры хорошо аппроксимируется одной прямой, что соответствует отсутствию в нефти фазовых превращений в исследуемом диапазоне температур. Следовательно, энергия активации Ярегской нефти постоянна в этом интервале температур.
Для Усинской нефти и смесей нефтей Ярегского и Усинского месторождения зависимость логарифма вязкости от обратной температуры можно аппроксимировать двумя участками прямых с различными энергиями активации, что соответствует наличию температуры, при которой происходит фазовый переход парафинов из расплавленного состояния в твёрдое.
Сравнение температурных зависимостей вязкости нефти Усинского месторождения измеренных на вибрационном и ротационном вискозиметрах показывает, что для больших температур зависимости практически совпадают, а для температур меньших температуры начала массовой кристаллизации парафинов могут быть существенные различия, обусловленные разными принципами измерений приборов. Здесь требуются дополнительные исследования.
Список литературы:
1. Тетельмин В.В., Язев В.А. Реология нефти: учебное издание. - М.: Граница, 2009. - 256 с.: ил.
2. Федоров П.В., Некучаев В.О., Челинцев С.Н. и др. О методике определения реологических свойств высокозастывающих нефтей // Трубопроводный транспорт [теория и практика]. - М., 2010. - № 6.
3. Мирзаджанзаде А.Х., Хасанов М.М., Бахтизин Р.Н. Этюды о моделировании сложных систем нефтедобычи // Нелинейность, неравновесность, неоднородность. - Уфа: Гилем, 1999. - 464 с.
ФОРМИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РАБОТЫ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА
© Толстиков А.Н.*
Военная академия материально-технического обеспечения, г. Санкт-Петербург
Предложена методика формирования оптимальных вариантов схем доставки грузов подвижным составом на этапе технологической под-
* Преподаватель кафедры Автодорожной службы, кандидат военных наук.
