Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор методов и средств измерения тфх жидкостей в зависимости от скорости сдвига 11
1.1 Классификация методов определения ТФХ жидкостей в условиях сдвигового течения и устройств для их реализации 11
1.2 Методы измерения ТФХ жидких материалов непосредственно после остановки течения 14
1.3 Капиллярные приборы для исследования реологических свойств жидкостей 14
1.4 Ротационные приборы для определения реологических характеристик жидкостей 15
Глава 2 Обоснование метода определения теплофизических характеристик жидких материалов с нестабильной структурой при сдвиговом течении 31
2.1 Обоснование и выбор конфигурации измерительного устройства 31
2.2 Допущения, принятые при разработке математической модели температурного поля в измерительном устройстве 34
2.3 Метод определения ТФХ вязких жидкостей с нестабильной структурой в условиях сдвигового течения в рассматриваемом измерительном устройстве
2.4 Анализ распределения скорости сдвига неньютоновских жидкостей в зазоре между цилиндрами 46
2.5 Определение конструктивных параметров измерительного устройства обеспечивающих заданные погрешности измерения реологических характеристик 51
2.6 Распределение плотности диссипации энергии в слоях жидкости по сечению зазора между цилиндрами 56
Глава 3 Аппаратное и программно-алгоритмическое обеспечение автоматизированной измерительной установки для определения зависимости тфх вязких материалов в условиях сдвигового течения 61
3.1 Конструкция измерительного устройства для определения зависимости ТФХ вязких жидкостей от скорости сдвига 61
3.2 Методика проведения измерений теплофизических характеристик жидких материалов при сдвиговом течении 68
3.3 Методика определения теплофизических характеристик при сдвиговом течении исследуемой жидкости 71
Глава 4 Оценка погрешности измерения теплофизических и реологических характеристик исследуемых материалов 73
Глава 5 Результаты экспериментального исследования теплофизических свойств неньютоновских жидкостей с использованием измерительного устройства 93
Заключение 117
Приложения 117
- Методы измерения ТФХ жидких материалов непосредственно после остановки течения
- Ротационные приборы для определения реологических характеристик жидкостей
- Допущения, принятые при разработке математической модели температурного поля в измерительном устройстве
- Методика проведения измерений теплофизических характеристик жидких материалов при сдвиговом течении
Методы измерения ТФХ жидких материалов непосредственно после остановки течения
Для оценки реологических характеристик неньютоновских жидкостей с нелинейным законом течения наибольшее распространение нашли ротационные вискозиметры. Измерительные узлы таких вискозиметров представляют собой два коаксиальных цилиндра или конуса, конус и пластина, полусфера - полусфера, в зазор между которыми помещают исследуемую жидкость. Один из элементов неподвижен, другой приводится во вращение. У некоторых типов приборов вращается наружный элемент, а у других -внутренний [37]. Схема измерительного узла вискозиметра с вращающейся пластиной и неподвижным конусом представлена на рисунке 1.2. Такие приборы характеризуются высокой воспроизводимостью результатов, возможностью измерения высоковязких жидкостей, способностью обеспечить постоянную скорость сдвига (если 6).
Применение вискозиметров этого типа ограничено узким диапазоном скоростей сдвига, поскольку даже при небольших скоростях 10-2 или 10-1 с-1 в слое исследуемой жидкости образуются дополнительные хаотичные течения в виде вихрей, что приводит к конвективному теплообмену и получению недостоверных результатов измерений [39]. Наибольшее внимание в литературе уделено ротационным измерительным системам с формой чувствительных элементов в виде двух коаксиальных цилиндров, один из которых вращается [2, 25, 33, 35, 37, 40-42].
При вращении только внутреннего цилиндра, частицы жидкости, расположенные ближе к оси будут вращаться с большей скоростью. Соответственно на внутренние точки будет действовать большая сила инерции, чем на внешние, что повлечет за собой взаимное перемещение внутренних и внешних частиц жидкости. Таким образом, в жидкости возникает конвективное течение (неустойчивое расслоение жидкости). Это явление носит имя английского исследователя Тейлора. По мере роста интенсивности вращения на продольные вихри накладываются периодические возмущения. Наконец, при еще большей скорости на неустойчивое течение накладывается беспорядочное движение и в потоке возникает турбулентность (рисунок 1.3) [43].
На основании исследований Тейлора, изучавшего области устойчивости потока неньютоновской жидкости в зазоре между коаксиальными цилиндрами, был сделан вывод, что при вращении только внешнего цилиндра ламинарное течение устойчиво и вихри не образуются [43].
Максимально допустимая скорость вращения внешнего цилиндра, определяемая предельным значением числа Рейнольдса, при котором ламинарное течение устойчиво, определяется из эмпирического выражения [37]:
На устойчивость ламинарного течения положительное влияние также оказывает тепловой поток, направленный от внутреннего цилиндра к внешнему. В то время как вращается только внешний цилиндр и его температура меньше внутреннего, на менее нагретые, а значит более плотные, слои жидкости будет действовать центробежная сила большая, чем на слои расположенные ближе к неподвижному цилиндру [43]. Таким образом, благодаря разной центробежной силе, действующей на менее и более нагретые слои, затруднено перемещение частиц жидкости изнутри наружу и наоборот. В этом случае устойчивость ламинарного течения не нарушается от случайных возмущений и вихри Тейлора также не образуются. M. Kostic [44] разработал измерительную ячейку с коаксиальными цилиндрами для исследования теплопроводности жидкости как функции скорости сдвига (рисунок 1.4 и рисунок 1.5). Внутренний цилиндр оснащен тремя нагревателями: основным и двумя охранными. Таким образом, конструкция установки обеспечивает контролируемую передачу тепла в радиальном направлении, ортогональном к окружной скорости жидкости, что позволяет сохранить чисто кондуктивный теплообмен и исключить конвекцию в слое жидкости. Внутренний цилиндр с нагревателями неподвижен, а внешний вращается. Температура внешнего и внутреннего цилиндров и термостатирующей жидкости измеряется с помощью термопар типа ТМК. Кольцевой зазор между двумя цилиндрами заполняется исследуемой жидкостью. Измерения и управление осуществляются с помощью комплексной компьютеризированной системы сбора данных, разработанной с использованием среды LabVIEW.
Фотографии измерительной установки (а) наружного цилиндра с подшипником, нагревательного элемента и внутреннего цилиндра; (b) вид сверху внутреннего цилиндра с термопарами, нагревательный элемент. Автором было установлено, что теплопроводность ньютоновской жидкости, например, дистиллированной воды, практически не зависит от скорости сдвига. Однако, для неньютоновских жидкостей, наблюдалось увеличение теплопроводности до 10-20% в диапазоне скорости сдвига 40 510 с-1, при средней температуре жидкости 27 C.
Теплопроводность () рассчитывается по формуле: (Qk [AT) где, Т - измеренная разность температур, С, Qk - мощность нагревателя, Вт, С- постоянная прибора, которая вычисляется, по следующей формуле: С = 1п 0s /(2ЛА), где D и d - наружный/внутренний диаметры цилиндров между которыми находится исследуемая жидкость, м, h - область измерения температуры внутреннего цилиндра, м. Автор предполагает, что в силу незначительной толщины слоя жидкости, конвекция в нём не возникает, однако математическое обоснование такого предположения в статье отсутствует. В работе К. Pralat [45] была экспериментально исследована зависимость теплопроводности как ньютоновских (вода, нефть, водный раствор глицерина), так и неньютоновских жидкостей (водных растворов полимеров: высокомолекулярный полиакриламид - Rokrysol WF1 и частично гидролизованный полиакриламид - Rokrysol WF2), от скорости сдвига (0 750 с"1), температуры изменяющейся от 299 К до 315 К и концентрации полиэлектролита в растворах в диапазоне от 1000 до 5000 wppm. Автором была спроектирована измерительная установка с двумя коаксиальными цилиндрами - неподвижным внутренним и вращающимся внешним (рисунок 1.6). Отличительной особенностью установки является интегральная схема, которая бесконтактно позволяет измерять температуру наружного цилиндра (рисунок 1.7).
Ротационные приборы для определения реологических характеристик жидкостей
В методе, предложенном в [47], чувствительным элементом является платиновая проволока 1, диаметром 0,1 мм, помещенная строго по оси кварцевой или стеклянной трубки (рисунок 1.10). Проволока одновременно выполняет функции нагревателя и термопреобразователя сопротивления [47]. Для измерения температуры трубки на её поверхности предусмотрена обмотка 2, размещенная в слое герметика 3, выполняющая функцию термопреобразователя сопротивления. Трубка заполняется исследуемой жидкостью и помещается в термостат. Тепло от нагретой платиновой проволоки радиально распространяется через слой жидкости. Теплопроводность исследуемого вещества определяется после достижения стационарного режима по формуле [47]: Х = А Q t —t где А - постоянная установки, зависящая от диаметров проволоки и трубки, длины измерительного участка l, м; Q – радиальный поток тепла через слой анализируемого вещества Вт/м2; t1 – температура проволоки, С, t2 – температура исследуемой жидкости у внутренней поверхности трубки, С,
Метод нагретой проволоки так же позволяет определять ТФХ жидкостей при сдвиговом течении, является вариацией метода коаксиальных цилиндров. Достоинством указанного метода является небольшой размер измерительного устройства и как следствие малая тепловая инерция. К недостаткам можно отнести сложность изготовления измерительной ячейки (выбор материала нити и трубки, ее изготовление, изоляция при высоких температурах), а так же низкую точность измерений, связанной с трудностями регистрации быстро изменяющейся температуры нити при измерении [26, 47].
В приборах, работа которых основана на стационарных методах, распределение температуры в образце не зависит от времени. Теплопроводность вычисляется по формуле [7, 48]. где Q - количество тепла, проходящего в единицу времени от изотермической поверхности с температурой Т1 к изотермической поверхности с температурой Т2 Вт; Кф - коэффициент формы образца, м.
В методе плоского горизонтального слоя тепловой поток Q проходит через слой жидкости толщиной х, находящийся между двумя пластинами одна из которых вращается. На поверхностях образца поддерживаются изотермические условия, причем Т1 Т2. Во избежание измерения теплового потока Q указанный метод дополняют параллельным слоем эталонного вещества, толщиной э, таким образом, чтобы тепловой поток проходил последовательно через оба слоя [47]. В этом случае, теплопроводность х исследуемого вещества определяется по формуле: эbэ{t? x 2) где э - теплопроводность эталонной жидкости, Вт/м-К; (tf-ф и (fx -f2) перепады температур соответственно в слое исследуемой и эталонной жидкости, К.
Метод плоского горизонтального слоя, относительно метода коаксиальных цилиндров, отличается конструктивной простотой исполнения, и обладает высокой точностью. Однако, необходимо исключить утечки тепла от поверхности цилиндра и пластины, способствующие возникновению конвективного теплообмена, искажающего результаты опытов. С этой целью в конструкцию приборов вводят охранные кольца, защитные плиты и т.д., экспериментально подбирают толщину слоя жидкости и диапазон перепада температур. Применение указанного метода в ротационных системах, крайне затруднено из-за нестабильности скорости сдвига в слое жидкости [7, 8, 36].
Таким образом, метод измерения непосредственно после остановки течения подходит только для тиксотропных сред и жидкостей с длительным временем релаксации, применение капиллярных приборов ограничивает возможность выбора скорости сдвига, в свою очередь, ротационные приборы дают возможность определять комплекс теплофизических и реологических свойств жидкостей с нестабильной структурой при различных скоростях сдвига.
Проведенный анализ форм чувствительных элементов ротационных измерительных систем, позволяет сделать вывод, что наиболее подходящей конструкцией разрабатываемого устройства, предназначенного для определения зависимости теплопроводности и коэффициента температуропроводности жидких полимерных материалов от скорости сдвига, являются два коаксиальных цилиндра. В пространстве между цилиндрами находится исследуемый материал в жидкой фазе. При этом наружный цилиндр вращается, внутренний остается неподвижным, а тепловой поток направлен от внутреннего цилиндра к внешнему.
Допущения, принятые при разработке математической модели температурного поля в измерительном устройстве
Основными функциональными элементами измерительного устройства являются два коаксиальных цилиндра 15 и 16, в зазоре между которыми находится исследуемая жидкость. Внешний цилиндр 15 из латуни в нижней части имеет полусферическое углубление 20. Внутренний цилиндр 16 в свою очередь имеет полусферический наконечник, радиус которого обеспечивает зазор между цилиндрами одинаковой толщины. Цилиндр 15 приводится во вращение при помощи вала 21, установленного в подшипниковом узле 22. Корпус этого узла закрыт крышкой с сальником и закреплен на нижней стальной плите 1, снабженной опорными стойками 24. Для привода внешнего цилиндра 15 на его валу 21 установлен шкив 25, который посредством клиноременной передачи соединен со шкивом 26 шагового двигателя 23. Шаговый двигатель также закреплен на нижней стальной плите 1 и управляется компьютером. Вращение наружного цилиндра приводит к сдвиговому течению исследуемой жидкости 12 в зазоре. Момент, возникающий на внутреннем цилиндре 16 за счет сил вязкого трения в жидкости, через рычажную систему 6, 5, 11 передается на тензорезисторный преобразователь 18. Корпус 16 внутреннего цилиндра выполнен из полиэфирэфиркетона, прочного и термостойкого полимера. Его вал 8 имеет отверстие, в котором размещены проводники от электрических нагревателей и термопреобразователей сопротивления. При помощи подшипников, внутренний цилиндр установлен в корпусе 9, закрепленном на верхней стальной плите 4. Верхняя 4 и нижняя 1 плиты установки соединены между собой при помощи трубных стоек 2 и шпилек с гайками 3.
Рабочая часть внутреннего цилиндра в соответствии с физической моделью (рисунок 2.1) имеет два электрических нагревателя, один из которых является основным, а другой охранным. Обмотка охранного нагревателя выполнена проводом из константана и установлена во внутреннем цилиндре в сечении с радиусом 25 мм. Эта обмотка закрыта цилиндрическим слоем из полиэфирэфиркетона с внешним радиусом 26 мм. На внешней поверхности этого цилиндра размещена обмотка основного нагревателя. Совместно с нагревателями, в одном сечении с ними размещены обмотки термопреобразователей сопротивления из медной проволоки толщиной 0,01 мм. Витки нагревателя и термопреобразователя чередуются. Все обмотки (и нагревателей и термопреобразователей сопротивления) выполнены бифилярно. Снаружи обмотки закрыты гильзой из алюминия.
Рабочие части внутреннего и внешнего цилиндров размещены внутри теплообменника, собранного из стальных цилиндрических оболочек 13, 14, 20 и крышки 10. Теплообменник имеет два штуцера 19 и заполнен теплоносителем – силиконовым маслом ПМС 200. Это масло отличается химической инертностью, высокими диэлектрическими свойствами, низкой летучестью, устойчиво к окислению и термическому разложению [65]. – электрический сигнал Функциональная схема измерительной установки 1 – измерительное устройство; 2 – термостат с силиконовым маслом; 3 – шаговый двигатель (FL130BYG); 4 – блок управления шаговым двигателем (SMD-82); 5 – тензодатчик «Токвес»; 6 – преобразователь «Токвес» TL-30; 7 – термоэлектрический преобразователь; 8 – мостовая измерительная схема; 9 – блок управления мощностью охранного нагревателя; 10 – источник питания; 11 – плата сбора данных (NIUSB 9162); 12 – плата сбора данных (NIPCI); 13 – компьютер. Управление процессом проведения эксперимента и обработка данных, полученных с помощью измерительного устройства 1 (рисунок 3.2) реализовано на базе персонального компьютера 13 через платы сбора данных 11 и 12, согласно программе, разработанной в среде LabView [66, 67].
Приведение во вращение внешнего цилиндра осуществляется посредством ременной передачи и шагового двигателя 3. Управление двигателем осуществляет программа, формирующая на дискретных выходах платы сбора данных 12 импульсные сигналы, которые через блок 4 управляют пуском, остановкой, реверсом и скоростью вращения ротора двигателя. Шаговый двигатель 3 транслирует последовательность цифровых переключений, передаваемых от блока 4 в движение. Теплофизические свойства слоя исследуемой жидкости определяют по изменению температурного поля, вызванного влиянием нагревателя во внутреннем цилиндре на расстоянии R1 от его оси и/или диссипацией энергии сил вязкого трения исследуемой жидкости. Температуры основного и охранного нагревателей определяются с помощью термопреобразователей сопротивления, которые включены в плечи мостовых измерительных схем 8. Сигнал разбаланса мостовых схем поступают на аналоговые входы платы сбора данных 11, и далее в цифровом виде передаются в компьютер. В ПК программно формируется управляющий сигнал, передаваемый через плату сбора данных 12 в блок 9 и направленный на изменение напряжение охранного нагревателя с тем, чтобы его температура соответствовала температуре основного нагревателя. В одно из плеч моста включен магазин сопротивлений с целью уравновешивания мостовой схемы с термопреобразователем сопротивления, измеряющем температуру охранного нагревателя внутреннего цилиндра. Измерение температуры внутренней стенки теплообменника осуществляется с помощью термоэлектрического преобразователя 7, подключенного к аналоговому входу платы сбора данных 11. Температурный режим в измерительном устройстве задается с помощью жидкостного термостата 2 посредством прокачивания теплоносителя (масло ПМС 200) через рубашку внешнего цилиндра.
Измерение касательного напряжения в слое исследуемой жидкости обеспечивает тензорезисторный датчик силы 5 фирмы «Токвес». Вращающий момент от внешнего цилиндра передается внутреннему цилиндру за счет сил «вязкого» трения. Посредством рычажной системы усилие передается на датчик 5, затем преобразуется в 6 в напряжение 0..5 В и подается на аналоговый вход платы сбора данных 12.
Методика проведения измерений теплофизических характеристик жидких материалов при сдвиговом течении
При проведении противокоррозионной защиты аграрной техники используют консервационные смазки, которые получают путем нагрева и смешивания отработанных масел с маслорастворимыми присадками, ингибирующими (замедляющими) коррозию металлов [76-79]. К таким маслорастворимым присадкам относятся «Эмульгин» (отход производства высших аминов) и КО-СЖК (кубовый остаток производства синтетических жирных кислот) [80].
Содержание «Эмульгин» в консервационной смазке может составлять от 10 до 20 мас.% [81]. Чем выше содержание «Эмульгин», тем выше защитные свойства смазки, и тем труднее ее механизированное нанесение [81]. Смазка с 20 мас.% «Эмульгин» при температуре 15-20 оС представляет собой густую черную массу, которая не вытекает из открытой емкости, ее необходимо нагреть [81-83].
Смазка с 10 мас.% «Эмульгин» относится к категории неньютоновских жидкостей, ее эффективная вязкость изменяется при механическом перемешивании [80].
Работы по нанесению консервационных смазок на рабочие органы сельхозмашин (диски сошников, отвалы и лемеха плугов, лапы культиваторов и т.п.) приходится выполнять осенью после окончания полевых работ при температуре воздуха от 0 до 5 оС, при которой смазки становятся еще гуще [76].
Поэтому загущенные консервационные смазки необходимо нагреть в напорном баке до рабочей температуры, при которой они разжижаются и могут течь под давлением из бака по шлангу к пистолету-распылителю (рисунок 5.1) [84-87]. Для удовлетворительного распыления смазки до состояния аэрозоля ее кинематическая вязкость должна быть снижена до 250 мм2/с [80].
Стеклянные капиллярные вискозиметры не подходят для определения температурно-вязкостной характеристики непрозрачных неньютоновских жидкостей, к которым относятся консервационные смазки. А без знания этих характеристик невозможно создать и поддерживать энергоэкономный режим нагрева густой смазки в локальной камере напорного бака [81, 83, 86].
Устройство содержит вертикальный бак 1 для вязкой защитной смазки с выпускным патрубком 10 в днище, пистолет-распылитель 7 со шлангами подачи смазки 8 и сжатого воздуха 9 [84- 86].
Бак 1 разделен горизонтальной сеткой 3 на верхнюю надкамерную полость 2 и нижнюю полость - локальную камеру 5 нагрева. Между сеткой 3 и стенкой бака имеется зазор 4 для выхода нагретой смазки из локальной камеры нагрева. Под днищем бака выполнен нагреватель 6, содержащий корпус и электрическую ТЭН-конфорку 11, которая вмурована в теплоотводящий материал. Внутри шланга 8 для подачи смазки пропущена нагревательная спираль, соединенная с понижающим трансформатором (220/36 В) [84-86].
Перед началом работы бак устройства загружают вязкой защитной смазкой, затем устройство транспортируют к месту консервации аграрной техники, где подключают к источнику энергии. Спираль в шланге 8 нагревает находящуюся там защитную смазку [81, 83, 88]. При включении ТЭН-конфорки контактируемый с ней твердый теплоотводящий материал нагревается и передает теплоту днищу, боковой стенке и выпускному патрубку бака. От нагретого днища сначала нагревается смазка в локальной камере 5, а затем от горячей смазки - сетка 3. Сетка 3 препятствует конвективному теплообмену между нагретой смазкой в локальной камере 5 и холодной смазкой в надкамерной полости 2. В локальной камере температура смазки существенно повышается, а плотность снижается от рх до г [84, 85, 89].
От разогретой боковой стенки бака нагревается и разжижается прилегающий к ней слой смазки. Под действием выталкивающей силы нагретая смазка по зазору 4 между сеткой и боковой стенкой бака поднимается из локальной камеры вверх в надкамерную полость 2 [84, 85, 89].
Применительно к данному устройству управление циркуляцией и температурой нагрева смазки в локальной камере можно осуществить путем оперативного влияния на пропускную способность разделительной сетки или изменением зазора между сеткой и стенкой бака. В первом случае ограничивается приток холодной смазки в локальную камеру нагрева, во втором - ограничивается отток горячей смазки из нее [83, 84, 89].
Определим затраты энергии, необходимые - для предварительного нагрева за время tп смазки в локальной камере до рабочей температуры Tр распыления; - для поддержания в камере рабочей температуры Tр смазки в процессе ее нанесения с расходом q.