Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы по исследованию теплофизических свойств трансформаторного масла, воды и их системы 10
1.1. Теплофизических свойств трансформаторного масла 10
1.2.Обзор литературы по исследованию теплофизических свойств воды 15
2. Экспериментальные установки для исследования теплофизи ческих свойств системы трансформаторное масло - вода в зависи мости от температуры при атмосферном давлении 26
2.1 .Экспериментальная установка для измерения теплопроводности раство ов в зависимости от температуры по методу монотонного разогрева. 26
2.2.Экспериментальная установка для измерения теплопроводности жид костей и растворов по методу регулярного теплового режима 35
2.3. Методика измерения теплопроводности по методу регулярного теплового режима. 38
2.4. Экспериментальная установка для исследования удельной теплоемкости жидкостей и растворов 40
2.5.Экспериментальная установка для определения плотности и вязкости жидкостей и растворов при атмосферном давлении 42
2.6.Расчет погрешности измерения теплофизических свойств веществ 45
3. Теплофизические свойства системы трансформаторное масло -вода 54
3.1. Основные свойства исследуемых объектов. 54
3.2. Методика определения перегревов конструкционных частей силового трансформатора в процессе его работы 58
3.2.1. Выбор метода обнаружения перегревов 59
3.2.2.Расчет скорости перемещения молекул масла при хаотическом тепловом движении 62
3.2.3. Определение пути, проходимого молекулой масла 63
3.3. Теплофизические свойства (теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость, температуропроводность и вязкость) системы трансформаторного масла и воды в зависимости от температуры при атмосферном давлении 68
3.4. Расчет теплопроводности исследуемых объектов в зависимости от температуры 72
3.5.Влияние влаги на изменение конструкционной части трансформатора 76
4. Анализ, обобщение, обработка полученных результатов и методы расчета теплофизических свойств 88
4.1 .Анализ экспериментальных данных по теплофизическим свойствам 88
4.2.Обобщение экспериментальных данных по тепло- и температуропровод ности исследуемых систем 95
4.3. Обобщение экспериментальных данных по термодинамическим свойствам (плотность и теплоемкость) исследуемых объектов 100
4.4. Зависимость теплопроводности, удельной теплоемкости и темпера туропроводности от плотности системы трансформаторного масла и воды 104
Основные результаты и выводы 107
- Экспериментальные установки для исследования теплофизи ческих свойств системы трансформаторное масло - вода в зависи мости от температуры при атмосферном давлении
- Экспериментальная установка для исследования удельной теплоемкости жидкостей и растворов
- Теплофизические свойства (теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость, температуропроводность и вязкость) системы трансформаторного масла и воды в зависимости от температуры при атмосферном давлении
- Обобщение экспериментальных данных по термодинамическим свойствам (плотность и теплоемкость) исследуемых объектов
Введение к работе
Исследования теплофизических свойств (теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость, температуропроводность и вязкость) веществ имеют давнюю историю. Для совершенствования и оптимизации технологических процессов необходимы научно-обоснованные инженерные расчеты, которые нуждаются в информации о теплофизических свойств рабочего материала в зависимости от температуры.
Актуальность проблемы обусловлена непрерывным ростом потребностей науки, техники и ведущих отраслей промышленности в достоверных данных о теплофизических свойств технически важных жидкостей, газов и их растворов. Коренное повышение эффективности энергетических систем требует разработки и внедрения принципиально новой технологии и создания на их основе энергетических устройств нового поколения. Решение этой проблемы невозможно без создания надежных, теоретически обоснованных методов расчета теплофизических свойств перспективных теплоносителей, газов и растворов, применяемых в энергетических и технологических конструкциях.
Интенсивность и продуктивность технологических процессов зависят не только от правильной организации химических взаимодействий, но и от целесообразности направленных потоков тепла и массы.
Сущность работы системы охлаждения состоит в том, что горячее трансформаторное масло из верхней части бака трансформатора засасывается без сальниковыми электронасосами и прокачивается через маслоохладители типа МО-53-4А, в которых оно охлаждается водой, и затем подается в нижнюю часть бака трансформатора. Для принудительной циркуляции трансформаторного масла на каждом из 3-х маслоохладителей установлены по одному циркуляционному насосу. Два из них являются рабочими и один - резервный. Для включения трансформаторов в работу в холодное время года в системе охлаждения трансформаторов ТЦ-400000
/220 кВ предусмотрен отдельно стоящий байпасный (пусковой) электронасос. На трансформаторах предусмотрен резервный трубопровод для подачи воды в маслоохладители от фильтров высокого давления. Для трансформаторов ТЦ-400000/500 кВ в режиме холостого хода (когда агрегат находится в резерве) для подачи воды в маслоохладители установлен «вспомогательный насос охлаждения трансформатора», отдельно для каждого трансформатора [1,2,18,19].
Разработка высокоэффективной новой техники, материалов с заранее заданными свойствами для различных отраслей народного хозяйства, как и в целом ускорение научно-технического прогресса, невозможно без знания свойств веществ и материалов.
Одним из важных свойств растворов является теплопроводность, теплоемкость, плотность, температуропроводность и вязкость, которые необходимы для калорического расчета процессов и аппаратов, входят в рите-риальных уравнения теплообмена и отражают особенности термодинамической поверхности.
Однако, современное состояние исследования их теплофизических свойств нельзя считать удовлетворительным. Как видно из изложенного исследования теплофизических свойств растворов имеют большое практическое значение.
Диссертационная работа посвящена исследованию теплопроводности, плотности, теплоемкости, температуропроводности и вязкости системы трансформаторного масла и воды (концентрации воды 25, 50 и 75% массовая) в интервале температур (293,5-393,2) К при атмосферном давлении.
Работа выполнена по плану координации научно-исследовательских работ в области естественных и общественных наук АН Республики Таджикистан на 1998-2003 годы по теме «Теплофизические свойства веществ» по проблеме 1,9.7-Теплофизика.
Актуальность диссертационной работы заключается в том, что результаты исследования используются для расчета тепло- и массообмена в различных процессах, а также для составления подробных таблиц.
Цель исследования заключается в модернизации экспериментальные установки для измерения теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности, а также в получении эмпирических уравнений для прогнозирования теплофизических характеристик исследуемых объектов.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
Модернизация экспериментальной установки для измерения теплопроводности и теплоемкости растворов.
Получение экспериментальных значений теплопроводности, плотности, теплоемкости, температуропроводности и вязкости системы трансформаторного масло-вода в интервале температур (293,5-393,2) К и давлений Р=0,101 МПа.
Установление зависимости теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности и вязкости исследуемых растворов от температуры и концентрации воды, с целью выявления механизма переноса тепла в исследуемых системах.
Получение аппроксимационных зависимостей, устанавливающих зависимость теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности и вязкости для трансформаторного масла от температуры и концентрации воды.
Научная новизна и личный вклад автора:
1. Автоматизирована экспериментальная установка для измерения теплопроводности растворов (по методу монотонного разогрева). При автоматизации установок учтены специфические особенности исследуемых
систем, которые потребовали новых конструктивных и методических решений.
Получены экспериментальные данные по теплопроводности, теплоемкости, плотности, температуропроводности и вязкости системы трансформаторного масла и воды (концентрации воды 25, 50 и 75% массовая) в интервале температур (293,5-393,2) К при давлении Р=0,101 МПа.
Получены аппроксимационные зависимости описывающие Х-Т-х, Ср-Т-х, р-Т-х, г|-Т-х, д-Т-х, и-Т-х исследуемых объектов при различных температурах.
Выбрана модель структуры растворов, проведен анализ процесса теплопереноса и на ее основе рассчитаны теплопроводности исследуемых объектов.
Произведены расчеты калорических свойств исследуемых веществ.
Практическая значимость работы:
Составлены подробные таблицы теплофизических характеристик системы трансформаторного масла и воды в интервале температур (293,5-393,2) К при Р=0,101 МПа, которые могут быть использованы проектными организациями;
Полученные аппроксимационные зависимости по теплофизическим свойствам используются для инженерных расчетов на Байпазинской ГЭС и Каскад Варзобских ГЭС;
Модернизированная экспериментальная установка может быть использована для скоростного определения теплопроводности технологических материалов в различных лабораториях;
- Модернизированная аппаратура для измерения теплопроводности
растворов используется в научной и учебной лабораториях Таджикского
технического университета им. академика М.С. Осими аспирантами для
выполнения диссертационных работ и студентами при выполнении дип
ломных, курсовых и лабораторных работ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Модернизированные варианты экспериментальной установки и обоснование возможности их применения для исследования теплопроводности растворов.
Экспериментальные данные по теплофизическим свойствам системы трансформаторного масла и воды в диапазоне температур (293,5-393,2) КприР=0,101 МПа.
Методы расчета теплопроводности растворов и анализ процесса теплопереноса в исследуемых объектах.
Аппроксимационные зависимости для расчета теплофизических свойств системы трансформаторного масла и воды в зависимости от температуры и концентрации воды.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов, различных расчетов подтверждаются проведением разработанных алгоритмов на большом количестве широко известных задач и соответствующих экспериментальных данных, полученных в результате независимых исследований.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка используемой литературы (207 наименований) и приложения. Содержание работы изложено на 134 страницах компьютерного набора, включая 23 таблиц и 30 рисунков.
В первой главе приводится литературный обзор по теме диссертации.
Во второй главе приводятся описание и схемы экспериментальных установок для исследования теплофизических свойств в зависимости от температуры, а также оценки погрешности экспериментальных данных.
В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости, температуропроводности и вязкости в системы трансформаторного масла и воды в зависимости от температуры при атмосферном давлении.
Четвертая глава посвящена анализу и обобщению экспериментальных данных по теплофизическим свойствам системы трансформаторного масла и воды.
Получены аппроксимационные зависимости исследуемых объектов в зависимости от температуры и концентрации воды, а также результаты расчета термических и калорических свойств исследуемых систем.
В приложении приводятся таблицы сравнения вычисленных по предложенной автором аппроксимационной зависимости значений теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости, температуропроводности и вязкости системы трансформаторного масла и воды (концентрации воды 25, 50, 75% массовая) в зависимости от температуры при атмосферном давлении.
Работа выполнена в лаборатории «Теплофизики» кафедры «Теплотехника и теплотехническое оборудование» Таджикского технического университета им. академика М.С. Осими.
Экспериментальные установки для исследования теплофизи ческих свойств системы трансформаторное масло - вода в зависи мости от температуры при атмосферном давлении
Для измерения теплопроводности растворов трансформаторного масла нами использованы методы монотонного разогрева предложенный Е.С. Платуновым [105]. На рис.2.1.1 представлены схемы экспериментальной установки ИТА.-400 разработанной Платуновым Е.С. (Актюбинский завод). Методы монотонного теплового режима основываются 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 скоростей внутри образца [105]. Эти методы являются обобщением квазистационарных методов на случай переменных теплофизических параметров [k=X(t); a=a(t); cp=cp(t)] и скорости нагревания (охлаждения) b=f(x,i). Они позволяют из одного опыта получить температурную зависимость исследуемого образца и носят название динамических методов. Метод монотонного разогрева используется для измерения теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности жидкостей, растворов, твердых тел, сыпучих материалов и др. [104, 106-126]. Установка для исследования монотонного разогрева и ее тепловая схема показана на рис.2.1.2. Медная ячейка с исследуемым объектом 4, пластина контактная 3 и стержень 5 монотонно разогреваются тепловым потоком Q(T) поступающим от основания 1. Боковые поверхности стержня 5, медная ячейка с исследуемым объектом 4, пластины 2,3 адиабатический изолированы. Стержень 5 образцом 4 и стержня 5. Размеры системы выбраны таким образом, чтобы потоки, аккумулируемые медной ячейкой с образцом и пластиной были по крайней мере в 5-Ю раз меньше поглощаемых стержнем. Медная ячейка, которая заполняется исследуемым объектом, имеет следующие размеры показанные на (рис.2.1.3). В этом случае температурное поле медной ячейки с исследуемым объектом и пластиной 21 оказывается близким к линейному стационарному, все детали системы разогреваются с близкими скоростями, а для тепловых потоков Q0(T) И QT(T) И ДЛЯ любого уровня температуры определяются по формуле: где Q„{T)- тепловой поток, проходящий через образец и поглощаемый стержнем, Вт; АТ0 - перепад температуры на образце, К; Р - тепловое сопротивление между стержнем и контактной пластиной, м2К/Вт; С0 - общая теплоемкость образца, Дж/К; Сс - общая теплоемкость стержня, Дж/К; v0 - скорость разогрева измерительной ячейки, К/с; S- площадь поперечного сечения медной ячейки, м2; где QT (г)-тепловой поток, проходящий через среднее сечение пластины 2, Вт; К т- коэффициент пропорциональности, характеризующий эффективную тепловую проводимость пластины 2, Вт/К; Параметры Kj и Рк не зависят от свойств испытуемого образца и являются «постоянными» измерителя. Определение Кт и Рк проводится в градуировочных экспериментах с образцовой мерой (медь, вода, толуол, керосин и др.).
Для определения теплопроводности испытуемого образца в эксперименте необходимо на различных уровнях температуры измерить перепады температуры на тепломере ATt и образце АТ0 в микровольтах (мкВ), Пт и п0. Надо отметить, что данная установка (рис.2.1.1) автоматизирована совместно с сотрудниками кафедры АСОИУ Таджикского Технического университета (зав. каф. доцент Набиев С. О. и старшей преподаватель Наймов А.Н.). Блок схемы установки показаны на рис.2.1.4, [124]. При автоматизация экспериментального установки для измерения теплофизических свойств использована АЛУ, ЦАП и Flash память принцип работы которые рассмотрим ниже. Обычно в АЛУ операции алгебраического сложения сводятся к арифметическому сложению кодов чисел путем применения дополнительного или обратного кодов для представления отрицательных чисел. Алгоритм выполнения в АЛУ арифметических операций зависит от того, в каком виде хранятся в памяти ЭВМ отрицательные числа, в прямом или дополнительном коде. В последнем случае сокращается время выполнения операции за счет исключения операции преобразования получаемого в АЛУ дополнительного кода отрицательного результата в прямой код. Работа АЛУ: При выполнении операции сложения положительные слагаемые представляются в прямом коде, а отрицательные в дополнительном. Производится сложение двоичных кодов, включая разряды знаков. Если при этом возникает перенос из знакового разряда суммы при отсутствии переноса в этом разряд или перенос в знаковый разряд при отсутствии переноса из разряда знака, то имеется переполнение разрядной сетки соответственно при отрицательной и положительной суммах. Если нет переносов из знакового разряда и в знаковый разряд суммы или есть оба эти переноса, то переполнения нет и при нуле в знаковом разряде сумма положительна и представлена в прямом коде, а при 1 в знаковом разряде сумма отрицательна и представлена в дополнительном коде.
В состав АЛУ входят п- разрядный параллельный комбинационный сумматор См, регистр сумматора Рг См, входные регистры сумматора РгВ и РгА входной регистр АЛУ Prl. Из оперативной памяти по входной информационной шине Шивк в АЛУ поступают операнды: положительные числа в прямом коде, а отрицательные в дополнительном. Операнды размешаются в РгВ (первое слагаемое или уменьшаемое) и Prl (второе слагаемое или вычитаемое); Prl связан с РгА цепями прямой и инверсной передачи кода. Результат операции выдается и АЛУ в оперативную память по выходной информационной шине ШИвых. Запись информации в регистры АЛУ осуществляется под управлением сигналов Пр Prl и Пр РгВ. Слово из Prl в РгА передается в прямом коде под действием управляющего сигнала Пр РгАП, в инверсном коде Пр PrAU. Сигнал Пр РгСм управляет записью результата в регистр сумматора РгСМ, а сигнал ПрИШвых передачей содержимого РгСМ в информационную шину. Код признака результата формируется комбинационной схемой Пр, на выходы которой поступают выходные сигналы всех разрядов сумматора СМ, а также сигналы переноса из знакового разряда ПнСМ[0] и из старшего цифрового разряда ПнСМ[1]. Для подключения многоразрядных ЦАП к восьмиразрядным микропроцессорам и микроконтроллерам используется второй вариант параллельного интерфейса. Он предусматривает наличие двух параллельных загрузочных регистров для приема младшего байта входного слова МБ и старшего байта - СБ. Пересылка байтов входного слова в загрузочные регистры может происходить в любой последовательности. Схемы применения цифро-аналоговых преобразователей относятся не только к области преобразования код-аналог. Пользуясь их свойствам можно определить произведения двух или более сигналов, строить делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, таки как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе сигналов произвольной формы. ЦАП предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжения или так, пропорциональные цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признаком: - по виду выходного сигнала: с токовых выходом и выходом в виде напряжения; - по типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода; - по числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные; - по быстродействию: умеренного и высокого быстродействия. Флэш-память. За последние годы появилось множество различных МРЗ-плееров, камер, карманных компьютеров и другой цифровой аппаратуры. А все это стало возможным благодаря созданию компактных и мощных процессоров. При выборе портативных устройств самое важное на наш взгляд-время автономной работы при разумных массе и размеров элемента питания. В многом это от памяти, которая определяет объем сохраненного материала, и, продолжительность работы без подзарядки аккумуляторов. Возможность хранения информации в карманных устройствах ограничивается скромными энергоресурсами.
Экспериментальная установка для исследования удельной теплоемкости жидкостей и растворов
Для измерения теплоемкости растворов нами использован Ср-калориметр. Метод ИТС- 400 калориметра (контактного тепломера) основан на закономерностях монотонного разогрева исследуемого образца, когда его температурное поле остается близким к стационарному (скорость разогрева составляет от 0,02 до 0,2К/с) [126]. Исследуемый объект размещается внутри металлического стакана (диаметром 5-15 мм и высотой 5-30 мм) и монотонно разогревается вместе тепловым потоком, непрерывно поступающим к стакану через тепломер. При этом тепломер может окружать стакан со всех сторон или контактировать только со дном стакана (рис.2.4. Температурное поле внутри тепломера, который представляет собой кондуктивную стенку, на протяжении опыта остается практически постоянным, а перепад температуры в тепломере позволяет оценить значение теплового потока, поступающего к стакану. Теплоемкость исследуемых объектов определяется по формуле: где KT(tc) - тепловая проводимость тепломера; Att(T) - перепад температуры на тепломере; Cc(tc) - суммарная теплоемкость стакана; Ьс(т) - скорость разогрева. В опыте измеряются перепад температуры на тепломере Atj(x) и температура стакана tc(x), а скорость разогрева Ьс(т) вычисляется путем графического дифференцирования кривой tc=f(x) для пустого и заполненного стакана. Вместо параметров AtT(i) и Ьс(т) может измеряться однозначно с ним связанный временной перепад в тепломере Ti(t) =AtT(T)/bc(T). Постоянные прибора Кт(т) и Cc(t) определяются экспериментально (по эталонным веществам: вода, керосин, толуол, н-гексан) или аналитически [105]. 2.5. Экспериментальная установка для определения плотности и вязкости жидкостей и растворов при атмосферном давлении Для исследования вязкости жидкостей и растворов использован стандартный стеклянный вискозиметр (3) типа ВПЖ-4, с внутренним диаметром капилляра 0,62мм. Этот вискозиметр помещался в жидкостной термостат (1) (рис.2.5.1) снабжений мешалкой и змеевиком, через который прокачивалась греющая среда (вода) из ультратермостата. Температура опыта регулировалось с погрешностью 0,02С измерялось ртутным термометром (9) с ценой деления 0,1 С. Вискозиметр тарировался проведением контрольных опытов с эталонными жидкостями водой и толуолом. Для измерения плотности исследуемым объектов использовался кварцевой поплавок (5) и аналитические весы (6).
Исследуемая жидкость заправ- лялась в поплавковую камеру (4), а кварцевый поплавок подвешивается на манганиновую проволоку (7). Расчетная формула для определения вязкости с учетом поправки на кинетическую составляющую имеет вид: Расчетная формула для определения плотности исследуемых объектов: где р-плотность объекта исследования при температуре опыта, кг/м3; г-время истечения жидкости из измерительного баллончика, сек; А и В -постоянные прибора. Для определения коэффициентов А и В уравнение (2.5.1) было представлено в виде: являющемся уравнением прямой в координатах г/рт - 1/т2. Далее по результатам неоднократных измерений времени истечения т эталонных жидкостей, используя данные [36,127,128] по их вязкости и данные по плотности [127,128], были рассчитаны комплексы г/рт и 1/т2 для воды и толуола. Построением в координатах rj/рт - 1/т расчетных величин л/рт и 1/т было установлено, что все точки с погрешности ±0,2% ложатся вблизи усредняющей прямой линии. После определения коэффициентов А и В были проведены контрольные измерения с бензолом и Н-гексаном. Полученные результаты согласовались с данными [128] в пределах ±1,2%. После исследования вязкости исследуемых растворов проводились контрольные опыты с водой, результаты которых показали что радиус капилляра вискозиметра за весь период исследований практически не изменился. Плотность целесообразно определять, исходя из следующих соображений: - она необходима для расчета массы прибывшего масла; - в какой-то степени характеризует содержание ароматических углеводородов в масле; - в практике наблюдались случаи выделения капелек воды и образующихся из них кристаллов льда при охлаждении масла, насыщенного растворенной водой; если плотность кристаллов льда больше плотности охлажденного масла, то они опускаются на дно; если же плотность кристаллов близка к плотности охлажденного масла, они находятся во взвешенном состоянии и могут вызвать электрический пробой. Международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендует: - плотность масел при 20С не более 895 кг/м ; - вязкость для обычных масел при 40С не более 11 мм /с (сСт), при -30С не более 1500 мм /с (сСт); при температуре застывания не выше -45С. Для определения вязкости при повышенной температуре принята в соответствии с рекомендацией МЭК температура 40С. Температура вспышки в закрытом тигле.
Нижний предел температуры вспышки регламентируется в основном не противопожарными соображениями, а возможностью получения масла с достаточно низкой упругостью паров, позволяющей эффективно дегазировать и осушать их. Учитывая, что метод определения упругости паров довольно сложен, в основных требованиях ГОСТ регламентируется температура вспышки, в дополнительных - упругость насыщенных паров. Предлагается установить для обычных масел норму по температуре вспышки не ниже 140С, а для арктического масла не ниже 100С. Температура застывания. МЭК рекомендует для масел I класса норму по температуре застывания не выше -30С, а для арктического масла - не выше -60С. Исходя из климатических условий бывшего Советского Союза для обычных товарных масел нормируется не выше -45С, а для арктического - не выше 65С. Показатель преломления регламентируется с целью ограничения содержания в масле ароматических и нафтеноароматических углеводородов. Тангенс угла диэлектрических потерь tga масла характеризует его электроизоляционные свойства. Стабильность против окисления. Этот показатель является одним из основных и характеризует стабильность химических и электрофизических показателей в процессе эксплуатации. Методы определения стабильности против окисления подразделяются на методы испытания, предназначенные для контроля качества товарной продукции (включаемые в ГОСТ), и методы испытания, предназначенные для оценки качества новых масел. При повышении температуры испытания до 130С и увеличении продолжительности испытания до 30 ч удается дифференцировать выпускаемые в настоящее время масла по стабильности. В таблице 3.1.1 приведены технические требования на товарные трансформаторные масла. В ней же приведены нормы по действующим ГОСТ, фактические данные, рекомендации МЭК, а также некоторые уточнения норм, предлагаемые авторами [3].
Теплофизические свойства (теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость, температуропроводность и вязкость) системы трансформаторного масла и воды в зависимости от температуры при атмосферном давлении
На экспериментальных установках по методу монотонного разогрева разработанных Платуновым Е.С. и его учениками (рис.2.1.1) и (рис.2.1.4) измерена теплопроводность, удельная теплоемкость системы трансформаторного масла и воды (75% трансформаторное масло + 25% НгО); (50% трансформаторное масло + 50% Н20); (25%) трансформаторное масло + 75% Н20) масс. В интервале температур (293-393) К при атмосферном давлении (табл.3.3.1-3.3.2). Кроме того, теплопроводность и теплоемкость системы измерены методом регулярного теплового режима (рис.2.2.2) и (рис.2.4.1) [161-168,185-190]. Плотность и вязкость системы исследована методом гидростатического взвешивания и вискозиметром [130, 134, 135, 163] (табл. 3.3.3-3.3.4). На основе экспериментальных данных по теплопроводности, удельной теплоемкости и плотности исследуемых систем нами рассчитаны температуропроводность в зависимости от температуры и концентрации воды следующим выражением где ,Сри р-теплопроводность(Вт/(м-К)), удельная теплоемкость (Дж/(кг-К)) и плотность (кг/м ) исследуемых систем при различных температурах. При измерениях теплофизических свойств веществ шаг температуры составлял (10-20)К, а при измерениях плотности шаг температуры составлял 10К. Характер изменения теплофизических свойств трансформаторного масла и воды в зависимости от концентрации воды при комнатной температуре показан на рис.3.3.1. Согласно табл.3.3.1-3.3.3 и рис.3.3.1 теплофизические свойства трансформаторного масла (теплопроводность, удельная теплоемкость, температуропроводность и плотность,) с ростом концентрации воды увеличивается. Ранее экспериментально исследована теплопроводность, плотность вязкость и теплоемкость трансформаторного масла в зависимости от температуры при атмосферном давлении [1,2,4-6,11,13,52,57,77, 81, 89, 104, 126], а плотность, теплопроводность и теплоемкость воды [15, 20-24, 28-48, 50, 53, 56, 60,62,63, 83, 84-88, 93, 101-103,126]. Расчет теплофизических свойств веществ, смесей, композиционных материалов производится обычно с помощью формул, найденных либо на основе физических моделей, либо путем аппроксимации опытных данных. В основу одних аппроксимаций положена та или иная теория (например, идеи термодинамического подобия), другие - целиком опираются на эмпирические данные.
Различные физические модели условно разделим на три типа: корпускулярные, континуальные, корпускулярно-континуальные (комбинированные). В корпускулярных моделях изучаются физические свойства тел в зависимости от их строения, сил взаимодействия между образующими тела молекулами, атомами и ионами, от характера теплового движения этих частиц. Методы исследования этих процессов широко используются в различных разделах молекулярной физики. В континуальных моделях вещество представлено в виде сплошной среды и анализ основан на феноменологических представлениях о процессе переноса. В частности, теория обобщенной проводимости базируется на моделях этого типа. В корпускулярно-континуальных, или комбинированных моделях при исследовании одних явлений процесса переноса вещество рассматривается как сплошное тело, а при изучении других явлений требуется прибегать к корпускулярным представлениям. Рассмотрим более подробно возможности корпускулярных моделей. В настоящее время наиболее полно изучены свойства газов и смесей. Современная молекулярно-кинетическая теория позволяет довольно надежно рассчитывать теплопроводность, вязкость, молекулярную диффузию, коэффициент термодиффузии и другие физические свойства газовых смесей и растворов. Как пишут Р.Рид, Дж. Праусниц и Т.Шервуд [96], «... хотя и все известно о молекулах, оказывается, что молекулярная теория позволяет рассчитывать физические свойства вещества только в том случае, когда известны данные по другим физическим свойствам. Теоретические же расчеты, основанные только на знании молекулярной структуры, пока неосуществимы». Выше отмечалось, что в континуальных моделях смесей отдельные компоненты рассматриваются в виде сплошной среды (континуума) и на основании феноменологического анализа процесса переноса устанавливается зависимость эффективного коэффициента переноса от структуры смеси, от коэффициентов переноса отдельных компонент и от их концентрации. В свою очередь, коэффициенты переноса отдельных компонент определяются либо экспериментально, либо на основании теоретических представлений. Исследования теплопроводности смесей методами теории обобщенной проводимости (континуальные модели) проводятся, начиная с начала прошлого века. Интенсивность работ в данном направлении в последние годы резко возросла. В настоящее время для теории обобщенной проводимости характерны обилие формул, частных приемов решение задач, разноречивость мнений в оценке надежности самого метода и границ его применимости. Известны отдельные работы, результаты которых показывают большие возможности метода, и в то же время некоторые исследования столь же убедительно приводят к противоположному выводу. Все это требует четкого изложения основных приемов исследования континуальных моделей и определения границ применения теории обобщенной проводимости. При описании процессов переноса в смесях некоторые исследователи применяют комбинированный метод, основанный на смешанных моделях и включающий как феноменологический подход к расчету обобщенной проводимости, так и методы молекулярной физики. Такие модели, повиди-мому, достаточно близко отражают процессы переноса во многих смесях.
Как показывает наш опыт, этот путь исследования оказался довольно результативным и позволил аналитически определить коэффициенты обобщенной проводимости твердых, жидких, газообразных смесей и смесей, компоненты которых находятся в различном агрегатном состоянии. Теплопроводность различных смесей, растворов, сплавов в зависимости от температуры и давления приводится в работах [51,94,99-103]. Кроме того, авторы работ [103, 130, 133, 135] успешно использовали модель взаимопроникающих компонентов и по формуле (3.4.1) вычислили теплопроводность водных растворов и сопоставили их с результатами экспериментальных данных Среднеквадратичное расхождение расчетных и опытных значений для 93 точек не превышает 1%. Столь малое расхождение расчетных и опытных данных величин подтверждают авторы [103]. Известное мнение о том, что в диапазоне давлений от 0,1 до 1000 МПа исходные жидкие компоненты качественно не изменяют своей внутренней структуры. Такое же предположение может быть высказано в отношении влияния высоких давлений на теплопроводность жидких растворов, что подтверждает перспективность применения моделей и методов теории обобщенной проводимости для расчета теплопроводности жидких растворов в широком диапазоне давлений. При возникновении перегревов металлических частей, находящихся в трансформаторном масле, время нахождения молекул масла в зоне перегрева будет кратковременным. При таком режиме нагрева масла, как показали опыты, его разложение с образованием газообразных продуктов будет происходить при температурах выше 300С. При этой же температуре происходит кипение масла. Используем это для исследования процесса газовыделения при разложении трансформаторного масла при перегревах. Кипение масла в месте перегрева происходит в локальной зоне. Поскольку масло в трансформаторе перемещается и охлаждается в охладителях, то температура его в месте перегрева будет намного выше температуры основного объема масла. Кипение масла в этом случае называется кипением с недогревом при вынужденном движении жидкости [2,157]. Согласно теории кипения в большом объеме с недогревом начинается с образования на нагреваемой поверхности мелких пузырьков. Этот вид кипения называется пузырчатым. Если в трансформаторном масле находятся молекулы воды, то при кипении увеличивается количество пузырьков, соответственно увеличивается число молекул кислорода.
Обобщение экспериментальных данных по термодинамическим свойствам (плотность и теплоемкость) исследуемых объектов
С ростом температуры теплопроводность, плотность, температуропроводность и вязкости системы трансформаторного масла и воды уменьшаются, а удельная теплоемкость увеличивается. Растворы, наряду с химическими соединениями, являются основными формами существования всех сложных соединений в природе. Растворы однородны, то есть любая его часть обладает теми же свойствами, что и вся масса раствора. В растворе молекулы многих веществ могут образовывать с молекулами растворителя молекулярные образования - ассоциаты. Поэтому растворы можно отнести к молекулярно-дисперсным системам [1]. В теории строения жидкости существует два основных подхода. Первый-«формаль-но строгий», основанный на принципах статистической физики и приводящий к строгим выражениям для молекулярной функции распределения, а через них к термодинамическим свойствам. Второй - «модельный подход», позволяющий осуществить статистико-механический расчет свойств жидких систем на основе заранее постулированных моделей. Наиболее известными модельными теориями строения жидкостей являются «ячеечная» и «дырочная». Ячеечная теория [2], в которой основным является представление о свободном объеме, предполагает, что каждой частице жидкости соответствует определенный узел решетки; число частиц и число ячеек, где движутся частицы, неизменно. Можно сказать, что ячеечная теория рассматривает строение жидкости с позиции строения твердого тела. Этот недостаток проявляется особенно сильно при описании кинетических свойств жидкости. Однако при исследовании равновесных свойств жидкости ячеечная модель дает хорошие результаты. Дырочная теория Френкеля [193] допускает, что в ячейках имеются вакантные места или «дырки». В этом случае степень упорядоченности структуры меньше, чем в ячеечной теории, что больше соответствует реальности. Число дырок при определенном состоянии определяется работой, необходимой для создания дырки, или энтальпий дыркообразования. Дырочная теория хорошо объясняет кинетические свойства жидкости, так как учитывает неоднородность мгновенной структуры и ее можно считать более предпочтительной среди модельных теорий [2]. Законы Рауля и Генри в общем случае описывают поведение любых бесконечно разбавленных растворов. Для произвольных давлений и температур (раствор бинарный): где// Yifj - летучести первого и второго компонентов в растворе при данных условиях; f - летучесть первого компонента в чистом виде при полном давлении Р над раствором и данной температуре Т; К - коэффициент Генри, зависящий от температуры и давления над раствором.
При не очень высоких давлениях можно пренебречь зависимостью коэффициента К от давления, считая его лишь температурной функцией. При умеренных и низких давлениях во многих случаях может быть проведено с удовлетворительной точностью упрощение вышеприведенных выражений законов Рауля и Генри путем замены летучестей давлениями, тогда где Pi и Pj- парциальные давления паров первого и второго компонентов в смеси обоих компонентов над растворами; if - давление насыщенного пара первого чистого компонента при данной температуре; К - коэффициент Генри, зависящий только от температуры. Растворы, подчиняющиеся уравнению (4.1.1) при всех составах, называют идеальными [3]. В физике жидкого состояния особое место занимают вода и ее растворы, как известно, вода обладает множеством аномальных свойств по сравнению с другими жидкостями [4, 5]. Например, изобарный коэффициент теплового расширения воды (ар) аномально мал, температурные зависимости скорости звука, плотности и сжимаемости воды имеют экстремумы. Теплоемкость при постоянном объеме (Cv) воды аномально велика, (Ср) крайне слабо зависит от температуры в интервале 273-373 К, что так же не характерно для других жидкостей. Аномальные свойства воды связаны с особенностями ее строения, молекулы Н20 имеют структуру равнобедренного треугольника [3-5]. В настоящее время молекулу воды рассматривают как треугольную пирамиду тетраэдрического типа, по углам которой размещаются четыре заряда: два положительных и два отрицательных. Эти заряды формируют свое ближайшее окружение, разворачивая молекулу строго определенным образом, так, что между двумя атомами кислорода всегда находится один атом водорода. Такое соединение молекул посредством одного атома водорода называется водородной связью. Молекулы воды могут иметь четыре водородные связи, в двух из них она донор, а в двух других - акцептор электронов при взаимодействии как с молекулами воды, так и с ионами других молекул. Вследствие этого каждая молекула окружена четырьмя другими молекулами Н20, которые в свою очередь образуют тетраэдри-ческую упаковку. На основе модельных представлений можно объяснить аномальные температурные зависимости и другие свойства воды, а главное оценить влияние воды на растворенные в ней вещества и понять специфику водных растворов. Трансформаторные, а также другие нефтяные («минеральные») электроизоляционные масла получают из нефти посредством ее ступенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определенной (по температуре кипения) фракции и последующей тщательной очистки от химически нестойких примесей в результате обработки серной кислотой, затем щелочью, промывки водой и сушки. Часто электроизоляционные масла дополнительно обрабатываются адсорбентами, т.е. веществами (особые типы глин или же получаемые искусственным путем материалы), которые обладают сильно развитой поверхностью и при соприкосновении с маслом поглощают воду и различные полярные примеси.
Такая обработка производится или перемешиванием нагретого масла с измельченным адсорбентом с последующим отстаиванием, или же фильтрованием масла сквозь слой адсорбента (перко-ляция). Трансформаторное масло-это жидкость от почти бесцветной до темно-желтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов. Нефти разных месторождений отличаются по своим параметрам и зависимостям этих параметров от температуры. Практически важные свойства трансформаторного масла нормируются стандартом ГОСТ 982-80. По средним фактическим данным (при различных способах очистки) кинематическая вязкость этого масла составляет 17-18,5 мм/с при 20С и 6,5-6,7 мм/с при 50вС; кислотное число 0,03-0,1 г КОН/кг; температура вспышки паров 135-140С; температура застывания около минус 45С. Основное назначение масла-обеспечивать надежную изоляцию трансформатора. Параметрами, характеризующими свойства жидкого диэлектрика, являются относительная диэлектрическая проницаемость БГ, электропроводность о, тангенс угла диэлектрических потерь tgc и теплофизические свойства, в частности, теплопроводность, плотность, температуропровод- ность и удельная теплоемкость. Относительная диэлектрическая проницаемость определяет макроскопические характеристики диэлектрика. Эта величина для газов немного более 1, для нефтяного трансформаторного масла она равна 2,0-2,5, для воды - до 79,5 и для синильной кислоты - 95. Увеличение сг объясняется поляризацией диэлектрика. Теория показывает, что молекулярная поляризация по Клаузиусу-Мосоти где М-молекулярная масса,(кг/мол); р-плотность;(кг/м3),КА - число Авогад-ро, равное 6,02-10 , d -поляризуемость; а - температуропроводность,(м /с); Ср-удельная теплоемкость,(Дж/(кг«К)); Х-коэффициент теплопроводности, (Вт/(м-К)). Из теории Максвелла вытекает соотношение, справедливое в области длин волн, достаточно удаленных от полос поглощения для молекул Для неполярных веществ, какими могут считаться трансформаторные масла, в поле световой волны это соотношение приближенно справедливо. Отсюда для неполярных веществ молекулярная рефрактация Для полярных продуктов соотношение Єг=п2 неприменимо и P»R. В то же время поляризации Р для полярных молекул больше, чем для неполярных, поскольку она слагается из обычной индуктивной поляризации Р, (характерной для обоих типов молекул) и поляризации ориентационной Р0, имеющейся только у полярных молекул. У товарных трансформаторных масел соотношение єг=п выполняется хорошо.
