CC BY-NC
13Метод термоаналитического определения основных характеристик горючих жидкостей
Голубов Андрей Иванович
соискатель, Академия государственной противопожарной службы 243402, Россия, Брянская область, г. Брянск, ул. Пос. Громыки, 12
Статья из рубрики "Физика"
Аннотация.
В статье изложен метод унификации диагностики и контроля жидкостей, путем определения динамической и кинематической вязкости, которые являются основными характеристиками легко воспламеняемых и горючих жидкостей (ЛВЖ и ГЖ ).Предложена "поплавковая конструкция" тигля термо-электро-дилатометра на термоакустическом шток-волноводе, который, благодаря разработанным физико-математическим моделям, "превращается" в вискозиметр.Существенным при этом является тот факт, что и кинематическая вязкость, и динамическая вязкость ЛВЖ и ГЖ определяется как в диапазоне отрицательных температур, так и положительных, вплоть до температуры самовоспламенения. Предлагаемая методология может найти применение в новой редакции ГОСТ 12.1.044 "Пожаровзрывоопасность веществ и материалов". Новизна исследования заключается в том, что для тигля термо-электродилатометра в БЭТА-анализаторе разработана функция вискозиметра, с помощью которой определяется кинематическая и динамическая вязкости ЛВЖ и ГЖ и в диапазоне отрицательных температур, и в диапазоне положительных температур, вплоть до температур их самовоспламенения.
Ключевые слова: термоаналитический метод, кинематическая вязкость, динамическая вязкость, легко воспламеняемая жидкость, горючая жидкость, тигель, термо-электро-дилатометр, термоакустический шток-волновод, БЭТА-анализатор, вискозиметр
DOI:
10.7256/2453-8884.2018.1.25845
Дата направления в редакцию:
26-03-2018
Дата рецензирования:
26-03-2018
Известны установки синхронного термического анализа (СТА), объединяющие в одном
I
измерении термогравиметрию (ТГ) и дифференциальную термогравиметрию (ДТГ) с дифференциальным термическим анализом (ДТА) или с дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК), термодилатометрией (ТД) и дифференциальной термодилатометрией (ДТД) с ДТА, в том числе используемые для определения некоторых основных показателей пожарной опасности твердых веществ и материалов в керамических тиглях, устанавливаемых на весах [1,2]. Однако, пожарная опасность жидкостей методами термического анализа не определяется [2,3].
В то же время существующие методы и средства испытаний веществ и материалов, в т.ч.
на пожаровзрывоопасность не унифицированы ^^ за исключением метода и комплекса баро-электро-термо-акустического (БЭТА) анализа, что создает трудности, например, в оценке пожарной опасности объектов и расчете деклараций о пожарной безопасности, сводя на нет их объективность и достоверность
Реализация модели определения основных характеристик легко воспламеняющихся и горючих жидкостей (ЛВЖ и ГЖ) стала возможной, благодаря разработке поплавковой конструкции тигля термо-электро-дилатометра на термо-акустическом шток-волноводе
(ТЭД ТАШВ) для БЭТА-анализатора
Сущность модели состоит в том, что универсальный тигель термоэлектродилатометр (ТЭД) на термоакустическом шток-волноводе (ТАШВ) для установок термического анализа, имея поплавковую конструкцию с ТАШВ установленным на весы, позволяет, при размещении их в источнике тепла-холода (электропечи-криостате), синхронно проводить термогравиметрию (ТГ и ДТГ), термодилатометрию (ТД и ДТД), дифференциально-сканирующую калориметрию (ДСК) и дифференциально-термический анализ (ДТА) вязких и жидких материалов, а также выполнять термоэлектрометрию, термомагнетометрию и акустометрию вязких и жидких материалов синхронно с указанными методами термического анализа, но отличается тем, что, благодаря разработанным физико-математическим моделям может осуществить термоденсиметрию и термовискозиметрию вязких и жидких сред, т.е. является денсиметром и вискозиметром, позволяющим фиксировать их температуры самовоспламенения (рис.1).
Рис.1 - Чертеж «плавкового» тигля термо-электродилатометра на термоакустическом
шток-волноводе (ТЭД АШВ)
Поплавковая конструкция тигля ТЭД ТАШВ позволяет исследовать любые жидкости и огнезащитные покрытия, т.к. поплавок, несмотря на то, что сделан из молибдена, в соответствии законом Архимеда не тонет в них, и, глубина погружения определяется по формуле [6-8].
hЖ = hЖ0 + к'^П - hП0 ) (1)
где к - отношение площади сечения «поплавка» к площади ТЭД (является постоянной до полного погружения); h жо - высота жидкости в ТЭД при нормальных условиях; h по -глубина погружения части поплавка при нормальных условиях; h п - фактическое погружение части поплавка;
С точки зрения электропроводности для ЛВЖ и ГЖбыли получены следующая эквивалентная схема (рис.2) и физико-математическая модель
I - глубина жидкости под поплавком в ТЭД; Sc - площадь сегмента АЭ-волновода; £ жвс -диэлектрическая проницаемость ЖВСжидкости; СС = Сс2 - емкости между сегментами ТАШВ и дном поплавка; i - мнимая единица; tgdж - тангенс угла потерь ЖВС; <к -расстояние от верхней поверхности поплавка до крышки; Ск - емкость между верхней
поверхностью поплавка и крышкой; Ев - диэлектрическая проницаемость воздуха/вакуума; tgdк - тангенс угла потерь воздуха/вакуума.
Рис. 2 - Эквивалентная схема
Для идентификации легко воспламеняемых и горючих жидкостей (ЛВЖ и ГЖ) на предмет их пожарной опасности и устойчивости (например, трансформаторного масла, углеводородного топлива и др. нефтепродуктов), необходимо знать их функцию кинематической вязкости в эксплуатационном интервале температур, что определяется вискозиметрами, после чего расчетным путем вычисляется динамическая вязкость по формуле -t^:
П = v-p-10-1 (3)
где р - плотность при той же температуре, при которой определялась кинематическая вязкость, кг/м3 , v - кинематическая вязкость, м2/с.
Кинематическая вязкость характеризует текучесть жидких сред в условиях низких и высоких температур. Измеряется кинематическая вязкость в сантистоксах (cST или сСт) и, в зависимости от плотности жидких сред отличается от динамической вязкости, которая измеряется в Паскалях умноженных на секунду. По общепринятым стандартам [9,10] кинематическую вязкость определяют при разных температурах.
В отличие от прототипа ^ и стандартов [9,10], универсальный ТЭД с ТАШВ выполняет функции денсиметра и вискозиметра ЛВЖ и ГЖ благодаря тому, что синхронно с измерением плотности измеряются:
£ жвс " диэлектрическая проницаемость ЖВС жидкости,
£ в - диэлектрическая проницаемость воздуха (между «поплавком» и крышкой ТЭД), tg йЖвс - тангенс угла потерь ЖВС,
tg dB - тангенс угла потерь воздуха (между «поплавком» и крышкой ТЭД),
П в - динамическая вязкость воздуха (между «поплавком» и крышкой ТЭД),
что позволяет воспользоваться уравнением Паулса, устанавливающим связь микроскопического времени релаксации (т^ ) с макроскопическим временем (т ) -Ш1:
Тогда, сравнивая табличные значения динамической вязкости воздуха (таб.) и расчетные значения его времён с ЛВЖ и ГЖ, определяется динамическая вязкость ЛВЖ и ГЖ, т.к. по формуле Дебая они связаны с их вязкостью - п \, простым соотношением Г11-121.
Таким образом, вместо определения кинематической вязкости - V с помощью вискозиметра, и последующего вычисления динамической вязкости - г|, вначале определяется физическая вязкость (динамическая) по изменению диэлектрической проницаемости и времён релаксации в сравнении с табличными и расчетными значениями для воздуха, в т. ч. с учетом температуры, а затем вычисляется
кинематическая вязкость Ж ВС по «обратной» (6) формуле стандарта у Ж = П ж-Р Ж (6)
Таблица динамической и кинематической вязкость воздуха при различных температурах
1, °с Пас уИ>, не/с °С Па'с VI», 1,°С Пас VI», не/с
-и 14,6 9,23 7) 20.6 Ш(2 350 31,4 55,46
-в 14.9 9,64 ВО 21,1 21® 400 33 63,09
-40 IV КХ04 90 21,5 22,1 450 34,6 69,23
-35 15,3 10,42 100 21,9 23,13 500 362 79,33
-30 15,7 10,1 110 22,4 24.Il 550 37,7 33.14
-25 16 11,21 120 22,5 25,45 600 39Д 96.39
-20 162 11,61 130 23,3 26,63 650 40т 106.15
-15 16,5 12,02 140 23,7 27,В ™ 4ЦВ 115,4
-10 16,7 12,43 150 24,1 25,95 тзо 43Д 125Д
-5 17 12,86 160 24,5 Ю,® воо 443 134,3
0 Ш 13,2В 170 24,9 31,29 Б50 45,5 145
10 17,6 14 Д 6 1Б0 213 32.49 900 46.7 155 Д
15 17,9 14,61 190 25,7 33,67 950 47^ 166Д
20 13,1 15.06 200 26 34.35 1000 49 177Д
30 13,6 16 225 26,7 37,73 1050 50Д 133Д
40 19,1 1656 250 27,4 40.61 1100 51Д 199,3
50 19,6 17.95 300 29,7 43.33 1150 524 216р
60 20,1 1В^7 325 306 51,9 1200 233,7
Конструктивно тигель ТЭД ТАШВ (рис.1) состоит:
- из цилиндрического керамического тигля (9) с молибденовой крышкой (10), соединяющейся с кроссовой колодкой (12), через электроконтакт (7) проводником, проходящим в стенке тигля, в его конусной части и далее по керамической трубке (2);
- из поплавка (1) с 4-мя колесиками из молибдена, закрепленными на его верхней поверхности, передвигающимися в пазах-проводниках (8) в стенке тигля, соединяющихся с кроссовой колодкой (12), проводниками, проходящими в стенке конусной части тигля и по керамической трубке (2);
- из 2-х круглых молибденовых акустических волноводов со встроенными «микроэталонами» и термометрами-сопротивлениями (5) в конусные полусегменты, которые вставляются в отверстия конусной части тигля, образуя в цилиндрической части «дно тигля», контактируемое с жидкостью (с поплавком при её отсутствии);
из керамической секции стыковки с конусной частью (4) с отверстиями для
акустических волноводов (5) и керамической трубки с проводниками (2), плотно прижимаемой к конусной части тигля керамическими элементами сборки (3), образующих шток-волновод (ТАШВ) с помощью металлической секции-гайки (6), в которой размещены кроссовая колодка (12) и акустические датчики;
- из металлической «пятки ТАШВ» (11), для крепления на магнитометрических весах («Sartorius»).
Перед испытаниями ЛВЖ и ГЖ тигель ТЭД ТАШВ (например, в составе ВЭТА анализатора) проходит калибровку на воздухе (измеряются R, G, Z, j, С, L и tg d ), по которым калибруются расстояния от его верхней поверхности (1) до крышки тигля (10) и от - нижней (0), когда поплавок лежит на дне тигля, т.е. на 2-х молибденовых акустических волноводах со встроенными «микро-эталонами» и термометрами-сопротивлениями (5) при температуре окружающей среды.
Далее в тигель ТЭД ТАШВ наливается определенное (по его паспорту) количество криобензола, по известным параметрам которого, т.е. «образу криобензола» при температуре окружающей среды (плотность, диэлектрическая проницаемость и т.д.), происходит измерение и корректировка «архимедовых» и остальных констант (ф-лы 1-6)
и измеренных параметров [12,13].
После калибровки тигель ТЭД ТАШВ готов к испытаниям ЛВЖ и ГЖ, которые выполняются в соответствии с методикой на установку синхронного термического анализа (например, БЭТА-анализатора).
Библиография
1. Молчадский О.И., Смирнов Н.В., Дудеров Н.Г. Оценка тепло-физических характеристик и прогноз пожарной опасности строительных материалов с помощью методов термического анализа // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков: сб. трудов XV научно-практической конференции /Ч.1-М.:, ВНИИПО, 1999, с.170-172.
2. Приборы термического анализа группы NETZSCH-http://www.netzsch-thermal-analysis.com/ru/produkte/.
3. ГОСТ 12.1.044 Пожаровзрывоопасность веществ и материалов - М.: ГОССТАНДАРТ, 1985.
4. Белозеров В.В., Босый С.И., Буйло С.И., Прус Ю.В., Удовиченко Ю.И. Диагностика опасности материалов методом баротермоэлектрометрии, сопряженной с акустической эмиссией //Фундаментальные исследования. - 2008. - №2, с.116-118.
5. Белозеров В.В., Голубов А.И. Об автоматизированной системе диагностики пожарной опасности горючих жидкостей на основе их многопараметрической оценки //Технологии техносферной безопасности - 2010.-№ 6(34)-http://ipb.mos.ru/ttb .
6. Belozerov V. V., Golubov A. I., Kalchenko I. E. About unification of diagnostics and tests of solid and liquid materials and fireproof coverings //7th International Scientific and Practical Conference "Science and Society", London,23-30 March 2015,p.31-41.
7. Белозеров В.В., Кальченко И.Е., Прус Ю.В. Модель Интернет-системы термоэлектроакустической диагностики материалов и огнезащитных покрытий //Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 1.; URL:
https ://science-education.ru/ru/article/view?id = 11952 .
8. Голубов А.И. Термоэлектроакустический метод анализа жидких сред и
огнезащитных покрытий //«Студенческий научный форум 2017»: Материалы IX Международной студенческой электронной научной конференции URL: https ://www.scienceforum.ru/2017/pdf/30353.pdf 9. ГОСТ 33-2000 Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости-М.: Стандартинформ, 2017.-35с.
10. ГОСТ 3900-85 Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности-М.: Стандартинформ, 2010.-36с.
11. Гусев Ю.А. Основы диэлектрической спектроскопии /уч.пособие/-Казань: КГУ, 2008.-112с.
12. Белозеров В.В., Батшев А.С., Любавский А.Ю. Об автоматизации идентификации жидких фасованных продуктов // Электроника и электротехника. — 2016.-№ 1.-С.135-145. DOI: 10.7256/2453-8884.2016.1.20924.
13. Батшев А.С., Белозеров В.В. Методология автоматизации экспресс-контроля фасованных молочных продуктов //«Студенческий научный форум 2017»: Материалы IX Международной студенческой электронной научной конференции URL:
https ://www.scienceforum.ru/2017/pdf/30467.pdf.
