СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРОПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ЖИДКОСТЯХ
WAY OF RESEARCH OF STRUCTURE TRANSFORMATION PROCESSES IN LIQUIDS

Изобретение относится к области исследования вязкостно-температурных свойств жидкости тепловыми средствами и может быть использовано для количественной оценки интенсивности и динамики структурных превращений по степени изменения энергии активации вязкого течения гомо- и гетерогенных жидкостей, в частности углеводородных, и их эволюции в процессе подбора состава различных рабочих жидкостей на стадии их разработки и прогнозирования поведения в условиях транспортирования, хранения и применения.
1
1
T
Известен способ исследования термодинамического структуропреобразования жидких сред по патенту РФ №2289125, позволяющий экспериментально с помощью низкочастотного вибровискозиметра при заданной постоянной скорости изменения температуры измерять изменение динамической сдвиговой вязкости жидкости η(T,Θ)( в описании к патенту было применено обозначение V).
Кинетика структуропреобразования в жидкостях, как показано в описании к известному способу, при достаточно низких температурах эффективно описывается термоэнергетической функцией жидкости E(T):
.
δ
Здесь T - абсолютная температура; Θ - скорость изменения температуры; R - универсальная газовая постоянная; η - безразмерный динамический критерий подобия температуровязкостных свойств жидкости, выражающий зависимость относительного изменения сдвиговой вязкости от относительного изменения абсолютной температуры жидкости при заданной скорости изменения ее температуры:
.
δ
Согласно известному способу изменяют температуру исследуемой жидкости и определяют зависимость вязкости жидкости от температуры. Для этого пробу жидкости объемом ≤1 мл циклически монотонно и непрерывно с заданной скоростью охлаждают и нагревают в заданном интервале температур, в каждом последовательном цикле определяют температурные области структуропреобразования жидкости по безразмерному динамическому критерию подобия температуровязкостных свойств η, а степень интенсивности структуропреобразования исследуемой жидкости в указанных температурных областях количественно выражают
- либо через изменение термоэнергетической функции жидкости,
- либо через изменение энергии межмолекулярного взаимодействия ε(T) (ранее в прототипе для ε(T) использовался термин "свободная энергия активации"). Решение дифференциального уравнения  имеет вид
;
здесь С - постоянная интегрирования, определяемая из условия E(T)=ε(T) при
∂ε/∂T=0. При этом температуру и вязкость определяют посредством сферического миниатюрного металлического зонда низкочастотного вибровискозиметра, снабженного встроенным датчиком температуры и работающего в режиме вынужденных колебаний с амплитудой не более нескольких микрон.
δ
Однако определение η является довольно трудоемкой задачей, поскольку требует калибровки вибровискозиметра и решения системы нелинейных уравнений.
Изобретение решает техническую задачу, которая состоит в том, чтобы упростить способ в части экспериментального определения термоэнергетической функции E(T) с сохранением достоверного определения и количественного описания процесса структуропреобразования жидкостей.
3
Заявляется способ исследования процессов структуропреобразования в жидкостях, при котором изменяют температуру T исследуемой жидкости и определяют посредством низкочастотного вибровискозиметра температуровязкостнозависимый параметр жидкости, пробу жидкости объемом менее 1 см циклически, монотонно и непрерывно охлаждают и нагревают в заданном интервале температур, в каждом цикле определяют температурные интервалы структуропреобразования жидкости по термоэнергетической функции и находят энергию межмолекулярного взаимодействия по формуле , отличающийся тем, что в каждом цикле монотонного и непрерывного охлаждения или нагрева измеряют зависимость изменения амплитуды колебания зонда вибровискозиметра в жидкости от времени A(t) и зависимость изменения температуры жидкости от времени T(t) при одновременном определении температурного темпа процесса Θ(T) как скорости изменения температуры от времени Θ(T)=∂T/∂t. По результатам измерений расчетным путем определяют зависимость амплитуды колебания зонда вибровискозиметра в жидкости от температуры A(T,Θ) и на основе этого изменяющегося параметра вычисляют термоэнергетическую функцию по формулам:
для маловязких жидкостей
,
для высоковязких жидкостей
,
δ
1
2
где A=δA(T,Θ)/δT. Интервал времени τ для любой из функций E(T) или ε(T), необходимый для изменения температуры пробы любого интересующего интервала от T до T, определяют по формуле
На фигуре 1 приведена схема устройства для осуществления способа, на фигуре 2 приведена зависимость, полученная с использованием математической обработки результатов измерения.
Заявляемый способ, как и в прототипе, реализуется с использованием низкочастотного вибровискозиметра.
ж
ж
ж
ж
ж
2
Как и в прототипе, для проведения исследований жидкостей в широком диапазоне предлагается использовать пробу жидкости объемом не более 1 мл. Для жидкости тепловая постоянная времени τ равна τ=h/a, где h - характерный геометрический размер пробы; а - температуропроводность жидкости. Для малых объемов жидкости тепловая постоянная времени τ не превышает единиц или десятков секунд, что позволяет исследовать быстро протекающие процессы структуропреобразования жидкости.
В отличие от предыдущего решения введен параметр "скорости изменения температуры жидкости Θ(t)". Определение Θ(t) упрощает технику измерения и математические расчеты, заложенные в основу способа. Многие многокомпонентные жидкости, в частности нефтепродукты, являются тиксотропными, то есть структурно-чувствительными к механическим воздействиям, способным разрушать некоторые образующиеся структуры. В связи с этим для целей детального исследования процессов термодинамического структуропреобразования жидких сред с учетом термогистерезисных явлений необходимо определять энергию межмолекулярного взаимодействия ε(T) или E(T) при заданной скорости изменения температуры жидкости Θ(t) и при отсутствии (либо детальном контроле) механической деструкции образующихся структур.
Для оперативного и непрерывного измерения температурозависимых параметров жидкости малого объема и в широком температурном диапазоне при осуществлении заявляемого способа используются низкочастотные вибровискозиметры, работающие на частотах нескольких сотен герц, позволяющие использовать миниатюрные (например, шариковые) зонды, легко размещаемые в пробах малого объема и работающие в режиме вынужденных колебаний малой амплитуды. Такие вискозиметры отличаются непрерывностью, высокими чувствительностью и оперативностью измерений. Их метрологические характеристики не чувствительны к изменению температуры контролируемой жидкости. В отличии от капиллярных и ротационных вискозиметров они не вызывают механической деструкции жидкой среды при амплитуде колебаний зонда менее нескольких микрон.
В математическую основу способа положены следующие расчеты.
Уравнение движения сферического зонда радиуса r, работающего в жидкости в режиме автоколебаний на резонансной частоте, имеет вид:
п
з
0
0
з
0
Здесь М - масса колебательной системы, связанной с зондом; m - присоединенная масса жидкости; (C+C) - коэффициент диссипации (затухания); С - собственный коэффициент затухания вибровискозиметра; С - коэффициент затухания, вносимый жидкостью; b - жесткость колебательной системы; ω - резонансная частота колебаний; F - амплитуда вынуждающей силы, действующей на сферический зонд; t - время.
Уравнения для инерционных и диссипативных сил, действующих на сферу, движущуюся в вязкой среде, имеют вид:
Уравнение для резонансной частоты колебаний имеет вид:
В резонансном режиме амплитуда механических колебаний A(T) равна:
п
з
0
При условии М>>m и С>>С, которые имеют место при использовании малого объема пробы и миниатюрного зонда, уравнение движения зонда имеет вид:
3
3
3
-3
При выполнении условий ω>2·10 1/с, η≤1 пуаз, ρ≈10 кг/м, r≥2·10 м, что характерно для типичных условий экспериментов со светлыми нефтепродуктами и большинством простых жидкостей, выражение , и тогда из (3) и (5) получаем следующее приближение:
δ
Учитывая, что ω и ρ слабо зависят от температуры, из (7) для A(T)=δA(T)/δT получим
Подставляя данное выражение в уравнение термоэнергетической функции E(T) получим:
При η≥10 пуаз и при прочих равных условиях в случае исследования вязких жидкостей выполняется условие .
Тогда из (6) получим следующее выражение для термоамплитудной характеристики A(T):
Аналогично, подставляя данное выражение в уравнение термоэнергетической функции Е(Т), получим:
Таким образом, термоэнергетическую функцию Е(Т) в большом количестве практических приложений с достаточной точностью можно найти непосредственно по термоамплитудной характеристике вибровискозиметра, что не требует трудоемкого нахождения термовязкостной характеристики исследуемой жидкости. Однако при повышенных требованиях к определению энергии межмолекулярного взаимодействия ε(T) (в частности, в интервале вязкостей жидкости 1÷10 пуаз) E(T) может быть определена по термовязкостной характеристике, как указано в прототипе.
Схема устройства для осуществления способа показана на фигуре 1 и включает следующие основные элементы.
Кювета 1 с исследуемой жидкостью 2 объемом не более 1 мл размещена на тепловом модуле (на фигуре 1 условно показано направление внешнего теплового потока). Кювета выполнена из металла с высокой температуропроводностью, например из меди. Зонд 3 вибровискозиметра выполнен в виде шарика из меди или серебра диаметром не более нескольких миллиметров. Выполнение зонда из металла существенно уменьшает тепловую инерцию зонда и, соответственно, погрешность измерения текущей температуры жидкости.
Зонд 3 снабжен измерительным преобразователем температуры в виде термопары 4. Для реализации способа задается процедура монотонного изменения температуры жидкости либо при ее охлаждении, либо при ее нагреве, что позволяет исследовать процессы последовательного структуропреобразования в жидкости при ее нагреве и охлаждении. Шток 5 зонда выполнен в виде капилляра из термоизоляционного материала, что позволяет исключить неконтролируемые тепловые потоки из внешней среды в жидкость. Вибровискозиметр содержит датчик 6 положения штока (зонда) для определения амплитуды А зонда. Выход датчика 6, а также выходы всех измерительных преобразователей подключены к устройству управления 7, выполненному на базе микроконтроллера. Термостатируемые элементы вибровискозиметра имеют термоизоляцию 8. Устройство управления 7 обеспечивает возбуждение колебательной системы вибровискозиметра на ее резонансной частоте и задает амплитуду вынуждающей силы через устройство возбуждения 9.
Перед началом измерений устанавливается необходимая начальная температура исследуемой жидкости, зонда и кюветы, например комнатная температура 20°C.
В процессе изменения температуры снимают зависимость от времени температуры жидкости на измерительных спаях термопары зонда T(t) и вычисляется температурный темп Θ(t). Также измеряют амплитуду A колебаний зонда. По результатам измерения этих параметров вычисляют зависимость от температуры амплитуды механических колебаний в жидкости зонда вибровискозиметра A(T).
1
2
Далее по известной функции A(T) вычисляют функции E(T) и ε(T). Длительность τ процессов структуропреобразования в любом интересующем температурном интервале от T до T (фигура 2) определяют для известной функции ε(T) по формуле
.
Математические операции могут выполняться автоматически с помощью, например, ЭВМ или микроконтроллера.
δ
Как видно, предлагаемый способ, в отличии от прототипа, проще, так как не требует калибровки вибровискозиметра по вязкости, измерения частоты и фазы колебаний зонда, решения системы нелинейных уравнений при определении η и позволяет достоверно и надежно определять температурные области и динамику изменения энергии межмолкулярного взаимодействия в процессе структуропреобразования любых многокомпонентных жидкостей.
Предлагаемый способ позволяет исследовать зависимость структурных свойств жидкости от скорости изменения ее температуры, а также исследовать термогистерезис структурных свойств жидкостей и эволюцию гистерезисной петли термоамплитудной характеристики жидкости при ее последовательном термоциклировании. Использование функций E(T), ε(T) и Θ(T) позволяет количественно точно сравнивать динамику термодинамического структуропреобразования в различных жидкостях, достоверно определять низкотемпературные свойства дизельных топлив и моторных масел, оценивать текущее качественное состояние моторных масел, смазок и других многокомпонентных жидкостей.
Способ может быть реализован на базе известного технологического оборудования.